Download - Solar Collector
5/11/2018 Solar Collector - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/solar-collector-55a235293ff54 1/12
RANCANG BANGUN ALAT KONVERSI ENERGISURYA MENJADI ENERGI MEKANIK
Yazmendra Rosa(l) Rino Sukma (1)., ,
(l)Laboratorium Refrigerasi & Pengkondisian Udara, Jurusan Teknik Mesin
Politeknik Negeri Padang
ABSTRACT
A solar collector chimney model has been studied The appliance of convert solar energy
become mechanic energy by heated the air at collector resulting theforming of air streamnaturally, which able to tum around turbine in the chimney. Solar energy is the naturesource of energy with character: unpollutant, free of charge and also continuous all daylong. The change of air density because of temperature changes will result air emit astream naturally to the lower temperatureplace and hot weather will ride on to chimney.Examination have conducted in air-gap broadly, the surface of collector 1m2
, high of
chimney J m and diameter 7,5cm (PVC 3'~, The result showed that turbine which is
attached by a chimney at output of collector could rotate. It's means that solar energy canturn into mechanic energywith rotation equal tomean 110 rpm. With this wide of collectorwas obtained the increase of secretory air temperature of collector equal to mean 15°C.
Keywords: heat transfer, Solar Energy &Solar Power Chimney
1. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Indonesia merupakan salah satu negara yang berada
pada lintasan sumber energi yaitu pada garis
khatulistiwa 6'1.,U sampai 11 '1.,S. Posisi yang sangat
strategis ini membawa negara ini menjadi negara
yang sangat kaya sumber energi, tentunyapemanfaatan energi yang terorganisasi dan efisien
akan dapat dipertahankan untuk anak cueu dimasa
mendatang.
sumber energi masih dimanfaatkan dengan
mengandalkan sumber minyak bumi, dimana pada
suatu saat akan habis jika tidak rnemperhitungkan
siklusnya yang beribu tahun. Untuk rnemutus rantai
sumber energi minyak bumi, maka perlu mencari
altematif energi dengan jaIan memanfaatkan
lang sung sumber dari segaIa sumber energi yaitu
energi surya.
Kolektor suryamenangkap radiasi dengan absorber
sehingga udara yang rnengalir dipermukaannya akan
panas, sehingga dapat digunakan untuk proses
pemanasan dan pengeringan, Kondisi udara panas ini
akan seeara alamiah akan mengalirkan udara tersebut
ke tempat udara yang mempunyai temperatur yang
rendah, sehingga aIiran udara jika kita rencanakan
sebuah alat transfer energi misalkan fan yang
berputar tentu dapat rnerubahnya ke energi putaran,
Solar konstan yang sampai ke permukaan bumi
berkisar antara 1350 Wattlm2• Posisi kota padang
dapat radiasi surya antara 700 sid 1000 Wattlm2[1,3,4J.
Jika kolektor pelat datar surya digunakan mempunyai
efisiensi 55% [1.3,4J untuk menghasilkan udara panas
sehingga diperoleh energi ±400 Wattlm2• Energi
sebesar ini dilakukan transfer energi ke energi
mekanik dengan menghasilan putaran fan, jika
diasumsikan saja efisiensi 10% maka diperoleh
energi ±40 wattlrn2 r ad i as i su rya .
Issu krisis energi memerlukan energi altematif
dengan rnernanfaatkan kondisi wilayah Indonesia
yang berada di khatulistiwa. Posisi lIDmemungkinkan akan menerima secara maksimal
energi surya secara berkelanjutan selama setahun
perjalanan surya menyinari bumi, Negara Eropa
seperti Spayol telah membuat dengan kapasitas 50
kW, kolektor surya ber-radius 126 m, panjang sudu
turbin 5 m dan 1500 rpmPJ.
Bangunan gedung dan rumah menghasilkan panas
radiasi surya yang terbuang dan menj adi
permasalahan daIam pendinginan ruangan.
Konstruksi bangunan ini jika dimanfaatkan dengan
kondisi alam Indonesia tentunya bisa rnemanfaatkan
energi panas dari surya ini untuk pemanfaatan yang
lebih baik,
1.2 Tujuan dan Manfaat
Pemanfaatan sumber energi surya rnenjadi energi
mekanik putaran dengan menggunakan kolektor pelat
datar yang dapat menghasilkan aliran fluida. Aliran
fluida karena perbedaan temperatur oleh kolektor
dialiarkan rnelewati turbin sehinga menghasilkan
energi mekanik,
Penelitian ini berrnanfaat sebagai aItematif energi
baru dalam rnembudayakan hemat energi dan
pemanfaatan sumber energi ramah lingkungan
dengan keuntungan Indonesia berada di kbatulistiwa
yang menerima surya sepanjang hari dan kontiniyu.
5/11/2018 Solar Collector - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/solar-collector-55a235293ff54 2/12
Ra nca ng Ba ngun A la t Kon ve rs i E n er gi S u ry a-m en ja d i E n e rg i Mekan ik (fazmendraRosa )
1.3 Batasan Masalah
Alat konversi energi surya ke energi mekanik
dirancang skala kecil untuk tahap pengujian
laboratorium. Kolektor pelat datar dengan fluid a
kerja udara dirancang dalam penelitian ini serta
dilakukan pengujian dengan mengasumsikan
kecepatan udara lingkungan, penyebaran intensitas
radiasi pada permukaan absorber merata dan laju
aliran massa udara tetap
2. TINJAUAN'PUSTAKA
2.1. Energi Surya
Energi surya adalah sumber energi yang terdapat
dialam, dimana tidak bersifat polutif, tidak habis dan
gratis. Energi ini tersedia dalam jumlah yang besar
dan bersifat kontinue bagi kehidupan makhluk di
bumi. Untuk memanfaatkan energi surya diperlukan
pengetahuan dan teknologi yang tinggi agar dapat
efisiensi yang lebih baik serta ekonomis,
2.1.1 Radiasi Surya
Radiasi surya yang diterima oleh permukaan bumi
tergantung pada hal-hal berikut:
• Posisi surya
• Lokasi permukaan.
• Hari daIam tahun.
• Keadaan cuaca dan kemiringan
permukaan,
Besarnya radiasi langsung yang diterima dari
matahari yaitu:f14]
A ... (1)
dengan,
- A =iradiasi nyata surya, W/m2•
- B =·koefisien pemandangan atmosfir, tak
berdimensi,
Radiasi yang diterima langsung dari surya disebut
radiasi langsung, sedangkan yang diterima setelah
melewati rintangan disebut dengan radiasi diffusi.
Intensitas radiasi surya total pada sebuah kolektoradalah:[I4]
l io=IDN cos O + ID S + I, ... (2 )
dimana Iio, InN, Ins dan I, . berturut-turut adalah total
radiasi matahari pada suatu permukaan, komponen
radiasi langsung , radiasi diffusi dan radiasi
gelombang pendek yang dipantulkan oIeh permukaan
lain. Semua variabel dalam satuan W/m2.
Harga dan komponen radiasi diifusi[ll].
IDS = CIDN Fss ... (3)
dimana C dan Fsg adalah masing-masing angka
perbandingan antara radiasi surya difussi dengan
radiasi surya langsung yang jatuh pada pennukaan
horizontal dan faktor sudut antara permukaan dan
langit
Untuk mencari harga Fss dirumuskan:[I4J
1+ cos P 2Fss= 2 ... (4)
dimana / 3 2 adalah sudut kemiringan permukaan
terhadap bidang datar di bumi. Dalam perhitungan
biasanya komponen I, bukanlah komponen utama.
Radiasi yang mengenai suatu material akan
mengalami tiga proses yaitu:
1. Absorbsivitas yaitu kemampuan suatu material
untuk menyerap beberapa bagian dari total
radiasi yang terjadi pada permukaan material,
l.:i,absorb
a A , =]..l.,tot
2. Koefisien Reflektivitas adalah ratio antara
radiasi yang dipantulkan dengan radiasi yang
]. d i .:i,ref
terja 1. P :i = -]-.:i, to1
3. Koefisien Transmissivitas adalah ratio antara
kemampuan suatu material untuk meneruskan
radiasi matahari yang terjadi dengan total yang
1. d i "a,Jran.I'terja 1, T A , =~
i.:
2.1.2 Geometri Surya
Gerakan dan posisi surya sangat menentukan
besarnya energi yang dapat diterima oleh kolektor.
Untuk mengamati posisi surya terhadap bumi dapat
di gambarkan dalam dua sudut:
• Sudut Zenit yaitu sudut yang diukur dari sumbu
vertikal dengan bidang sinar datang matahari.
• Sudut Azimuth yaitu sudut antara sumbu
horizontal dengan proyeksi sinar datang
matahari arab selatan posisi pengamatan.
2.1.3 Deklinasi Matabari
Deklinasi matahari adalah sudut yang terbentuk
antara sinar datang matahari dengan garis tegale lurus
terhadap sumbu polar dalam bidang matahari.
Dengan mengetahui deklinasi matahari maka posisi
orbit bumi dapat ditentukan.
The American Epherimes and Naval Almanac
merumuskan:[13]. 3600= 23,45 S in (- (284 + n» ... (5)
365
dimana:
n'" hari ke berapa dihitung dari tanggaI 1 Januari
55
5/11/2018 Solar Collector - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/solar-collector-55a235293ff54 3/12
Collector site at latitude q ,
Vol . 5, N o.2 ,D es em b er 2 00 8 I SS N 1 82 9- 89 58umal Teknik Mesin
~.\.Polar axis
Gambar 1. Deklinasi matahari
Pada gambar dapat ditentukan sudut jam siang
matahari:
Cos.oi, =± tan ¢ .tan a .., (6)
Untuk matahari terbit berharga positif dan terbenam
berharag negatif.
2.1.4 Sudut Insiden Surya
Sudut Insiden Surya adalah hubungan antara luas
sebuah kolektor dengan radiasi langsung dari surya
ditentukan oleh besar sudut antara sinar datang
dengan vektor garis normal dari permukaan kolektor.
Codl ~ sino (sirup coss - cos, sins cosr) + ... (7)coso (cos, cos11 > + S i n , sins C O S O > cosr + sins sinr stn-»
2.2 Kolektor Energi Surya
Kolektor surya adalah suatu alat yang dapat
mengumpulkan atau menyerap radiasi surya danmengkonversikan menjadi panas. Panjang gelombang
radiasi surya yang dapat diserap adalah 0, 29 sampai
2, 5 urn, Besarnya panas dari kolektor yang akan
dapat dimanfaatkan adalah:
•Qu = = m c
pAT ...(8)
maka temperatur udara keluaran dapat dihitung
dengan persamaan:
T k o = = p u + T k in . . . (9)
mcp
Komponen kolektor pelat datar adalah:
1. Absorber dari bahan yang berwarna hitam untuk
memaksimalkan penyerapan radiasi surya.
2. Penutup berupa bahan transparan, mempunyai
transmisi yang besar untuk gelombang pendek
dan menghalangi perpindahan panas konveksi
dan radiasi.
3. Isolasi untuk menghindari kehilangan panas ke
lingkungan.
4. Rangka yang kokoh, mudah dibentuk dan tahan
lama.
Q r,
Gambar 2 Kesetimbangan energi pada kolektor
Persamaan kesetimbangan energi pada kolektor:
... (10)
Prinsip kerja kolektor adalah pelat absorber
menyerap radiasi surya yang ja tuh ke permukaan dan
dikonversikan dalam bentuk panas, sehinggatemperatur pelat tersebut menjadi naik. Panas
dipindahkan ke fluida kerja yang mengalir pada pelat
absorber. Perpindahan panas akan terjadi secara
konduksi, konveksi dan radiasi.
2.3 Prinsip Solar Chimney
Gambar 3 Prinsip s ola r c him n e y
Radiasi surya mengenai sistem kolektor, maka pada
pelat absorber menyerap radiasi surya yang jatuh ke
permukaan dan dikonversikan dalam bentuk panas,
sehingga temperatur pelat tersebut menjadi naik.
Panas dipindahkan ke fluida kerja yang mengalir
pada pelat absorber. Karena adanya perbedaan
temperatur terjadilah aliran udara secara alamiah dari
udara bertemperatur tinggi ke udara bertemperatur
rendah. Pada point (a) udara masuk ke sistem solar
chimney, point (b) udara menjadi panas , sehingga
terjadi aliran udara karena perbedaan density dan
kemudian point (c) aliran udara dihambat dengan
sebuah turbin sehingga turbin merubah ke energimekanik, selanjutnya udara akan keluar ke point (d)
dengan adanya perbedaan tekanan dan sifat-sifat
udara tersebut.
56
5/11/2018 Solar Collector - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/solar-collector-55a235293ff54 4/12
Rancang BangunAlat Konversi Energl Surya menjadi EnergiMekanik (YazmendraRosa)
Power output yang dapat dihasilkan oIeh sistem ini
adalah
• •P = = Q solar ·!Jcoil·17tower ·!Jturbin ~ Q solar .!J plant (11)
Perbedaan tekanan· yang terjadi antara cerobong
(tower) dan keluaran kolektor serta lingkungan
diperoleh dengan hubungan:
H tower
I1P lol = = g. .J (p a - Plower)dH
o
.., (12)
!J.Ptot = = Sp s + I1 pd .., (13)
dimana
gesekan diabaikan,
! J . p s =perbedaan tekanan statik,
I1 pd =perbedaan tekanan dinamik
Dengan total perbedaan tekanan dan laju aliran udara
pada Ap s = = 0maka daya PtO! dari aliran diperoleh:
.., (14)
Maka efisiensi cerobong (tower) adalah:
r:17tower =-.-
Q
... (15)
Tanpa turbin • kecepatan maksimum (v tower,mruJ,
yang dikonversi ke energi kinetik adalah:
1· 2
P ' O I = = +mv lower,max
2.., (16)
Menggunakan persamaan Boussinesq (Unger, 1988):
V/ower,max = = .., (17)
IlT
2.g.Htower·--T o
dimana
IlT =Perbedaaan temperatur yang terjadi antara
keluaran kolektor (in tower) denagn lingkungan
Sedangkan menurut persamaan (Sehlaich 1995)
efisiensi cerobong adalah:
g.H17tower =---;;;-
Cp.10
... (18)
3. METODE PENELITIAN
3.1 Pendahuluan
Kolektor surya adalah alat untuk mengkonversikan
energi surya ke dalam energi panas. Pada absorber,
radiasi surya di serap, kemudian di lalui fluida kerja
udara sebagai pembawa energi panas.
Perencanaan kolektor yang akan dibahas meliputi
pelat absorber, penutup transparan, isolasi, saluran
udara dan rangka kolektor. Pertimbangan yang perlu
diperhatikan dalam perencanaan yaitu: ekonomis,
produktifitas tinggi, mudah pembuatan, kuat dan
mudah dioperasikan,
3.2 Dasar Idealisasi dan Data Perencanaan
Parameter yang merupakan dasar dari perancangan
kolektor adalah:
1 Kondisi udara masuk ke kolektor, Tkin = 33°C =
306K
2 Kondisi udara keluar dari kolektor, Tkout= 69 °c=342 K[I,3,4]
3 Intensitas radiasi matahari, Eglob. = 900 watt/m",
4 Asumsi awal kolektor pel at datar mempunyaiefisiensi 45%[1,3,4]
5 Lokasi penelitian kota Padang, O"LS dan 100° BT,
serta ketinggian ±8 meter dari permukaan laut.
Pada kolektor terjadi kehilangan panas, baik yang
terjadi pada bagian atas, bawah maupun samping
kolektor yang dipengaruhi oleh kecepatan angin yang
mengalir pada lingkungan kolektor. Intensitas surya
diasumsikan tetap setiap saat dan radiasi surya yangsampai pada permukaan pelat absorber merata serta
keseimbangan energi dalam keadaan stasioner.
Fakror-faktor yang mempengaruhi temperatur dan
efisiensi kolektor adalah:
• Luas permukaan kolektor dan bentuk absorber.
• Intensitas radiasi matahari maksimum.
• Laju aliran massa udara
• Keeepatan udara lingkungan.
• Isolasi dan mutu pembuatan kolektor.
3.3 Perancangan Kolektor Pelat Datar
3.3.1 Perancangan Pelat Absorber
Pelat absorber berfungsi untuk menyerap radiasi
surya dan mengkonversikan menjadi panas. Energi
dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi.
Dengan mengacu fungsi absorber maka dipilih sifat
bahan antara lain:
• Absorbsivitas tinggi ( e x . )
• Emisifitas panas rendah (8 )
.• Kapasitas panas keeil (<;,).
• Konduktifitas besar (k)
• Refleksi rendah (p)
57
5/11/2018 Solar Collector - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/solar-collector-55a235293ff54 5/12
J ur na l T el m ik M e si n Vo£ 5, No.ZDesembcr 2008 ISSN 1829-8958
• Tahan panas dan tahan korosi
• Kaku dan mudah dibentuk
• Harga murah
Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk pelat
pengumpul yaitu: aluminium, tembaga, kuningan,
dan baja. Dalam peraneangan ini digunakanaluminium sesuai pertimbangan di atas.
Luas kolektor 1m2 untuk skala keeil pengujian dan
efisiensi kolektor awal diasumsikan 45 %, sehingga
didapat daya energi panas yang dapat dimanfaatkan
adalah
Aluminium yang digunakan mempunyai ketebaian
0,3 mm. Permukaannya dilakukan pelapisan dengan
cat semprot hitam kusam (Pylox Black Flat Paint109A), agar jangan terjadi refleksi dan mempunyai
absorsivitas maksimum.
3.3.2 Perancangan Kaca Penutup.
Kaea penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi
surya berupa gelombang pendek dan meneegah panas
yang keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagian
atas. Berdasarkan fungsi ini maka kaca penutup harus
mempunyai sifat:
• Transmisivitas tinggi ('t)
• Absorsivitas rendah (a)
$ Refleksivitas rendah (p)
• Tahan panas
• Murah dan kuat
Hubungan radiasi yang terjadi pada kaca dapat dilihat
pada pada "Gambar(4)"
Gambar 4 Radiasi yang terjadi pada kaca
Dengan pertimbangan sifat di atas, maka digunakan
kaca bening dengan ketebalan Smm. Transmis ivi tas
kaca , '& = 0,85, refleksi p =0,09 dan absorsivitas
0.=0,06, maka diperoleh panas yang dapat melalui
kaca adalah:
Q =LE gJob =0,85.900 Watt 1 m 2 = 765 Wa tt 1m 2
3.3.3 Perancangan Isolasi.
Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang
hilang dari kolektor ke Iingkungan pada bagian
belakang dan samping kolektor. Pada isolasi terjadi
perpindahan panas secara konduksi sehingga
kehilangan panas dipengaruhi oleh sifat-sifat bahan.
Isolasi yang digunakan adalah:
• Konduktifitas tennal bahan (k) kecil,
• Mudah dibentuk dan praktis
• harga murah
• Tahan lama.
Bahan yang biasa digunakan untuk isolasi yaitu:
gelas wol, silika aerogel, serbuk gergaji, kapuk, asbes
semen, dan gabus. Berdasarkan sifat di atas maka
digunakan gabus yang mempunyai konduktifitas
termal, k =0,048Wlm
0 C, dengan ketebalan 4 em.
3.3.4 Perancangan Rangka
Fungsi rangka adalah tempat kolektor membentuk
sistem yang bermanfaat. Untuk itu rangka diperlukan
sifat-sifat antara lain:
• Kuat dan kaku.
• Tidak terlalu berat.
• Mudah dibentuk dan dibuat.
• Tahan lama.
3.4 Keseimbangan Energi Pada Kolektor
Suatu sistem dianalisa dengan keseimbangan energi,
dimana keseimbangan energi selalu tetap. Persamaan
keseimbangan energi adalah:
Qa =Qu + Q I ... (19)
dengan,
Q I l =laju radiasi surya yang dapat diserap oleh
pelat absorber.
Q u =Laju perpindahan panas dari pelat absorberke fluida udara (energi yang berguna).
O J =Laju kehilangan energi dari kolektor ke
lingkungan.
Pada keadaan stedi tidak ada penambahan energi
dalam (AU==O)
3.4.1 Laju AUran Energi yang digunakan (QJ
Besar panas yang dapat dimanfaatkan dari absorber
oleh fluida kerja udara, dipengaruhi oleh laju aliran,
peningkatan suhu dan panas jenis dati fluida kerja.
Keadaan ini dinyatakan dalam persamaan:
•. .. ( 20a )
58
5/11/2018 Solar Collector - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/solar-collector-55a235293ff54 6/12
R ancang B angun A lai K onversi E nergi Surya m enjad i E nerg i M ekanik . (Yazm endra R osa )
Q u =Ak Fr[(ra) Eglob -k~(T ;n - T -)] (20b)
Q , =Ak F[(ra) Eg/Ob -kejJ(T; - T -)] (20e)
dengan,
F, = Faktor transpor panas kolektor, (0,5 - 0,8) [6]
F' =Faktor efisiensi kolektor, (0,8 - 0,9) [91.
Kondisi fluida kerja dalam kolektor antara
temperatur keluar dan temperatur masuk, maka
diasumsikan ternperatur rata-rata (T r) = =49 "C =322
' 1 < . . Pada keadaan udara T ==49°C , diperoleh C p =
1,0102 kJ/kgO C [4J.
Berdasarkan "Persamaan 20a", didapat Jaju ali ran
mass a udara :
: n = 0,405 = 0 011 kg/1,0102 x 36 ' 7s
3.4.2 Laju Energi yang Diserap (QQ) '
Kemampuan sistem koIektor untuk mene rima ra dia si
surya menjadi panas dipengaruhi oleh harga
transmisivitas (r), kaeapenutup dan harga
absorpsivitas (a), dari pelat absorber.
Pengaruh transmisivitas (r) dan absorpsivitas (a)
bahan disebut dengan transmit tance-absorptance
produc t (ra).Proses radiasi yang sampai ke koIektordapat dilihat pada "Gambar (5)". Pd ialah harga
refleksifitas dari kaca penutup .
. . 1 1 " • •• • • •• • • • 1 1 •• • • •• • • • 1 1 1 ~
·:·
Kaca
·:•• I1••••••••••••• I ! 1 1 " • • • •• • • •• • IIII"I1 .,. ••••••
(l-a)rapd (I-a/rap/
Gambar 5 Radiasi matahari yangjatuh pada sistem
koIektor
Persamaan tr an sm itta nc e a bs or pta nc e p ro du ct ialah :
ra*= t:ai:[(l-a),Pdt = = r.a ...(21). n=1l l-,(l-a),Pd
Besar harga transmisivitas (r) dan refleksivitas (P)
dari suatu kaea penutup dipengaruhi oleh sudut
jatuh,B dari radiasi surya, Sudut jatuh,B radiasi
surya ke kaca penutup diasumsikan pada sudut nol
derajat (tegak Iurus kolektor). Harga t:= 0,85 dan
harga Pd = 0,09 dan harga absorpsivitas dari pelat
absorber a= 0,95.
<.
Persamaan panas yang dapat diserap oleh kolektor,
Q a menjadi:
... (22)
Dengan mengunakan "Persamaan (22)" di dapat:
Qa=lm2(0,870,95).900W 1m2
=743,85 Watt.
3.4.3 Rugi-rugi Panas Pada Kolektor.
Panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan
dipengaruhi oleh koefisien perpindahan panas total,
luas pelat absorber dan beda temperatur absorber
dengan lingkungan. Panas yang hilang dari kolektor
ke Iingkungan terjadi pada tiga sisi koIektor yaitu:
bagian bawah, samping dan atas kolektor. Jumlah
total rugi panas seeara ke seluruhan kc Iingkungan
adalah:
QL =F' UL~ (T, -L)
QL =Fr UL ~ (T in - L )
." (23a)
.,. (23b)
- Rugi Panas Melalui Belakang.
Panas yang hilang pada bagian belakang dipengaruhi
oleh lapisan isolasi berupa luas, konduktifitas dan
ketebalan isolasi. Lapisan yang digunakan dapat
dilihat pada "Gambar (6)"
Gambar 6 Bahan isolasi bagian belakang kolektor
Koefisien perpindahanfanas keseluruhan melalui
bag ian bawah adalah:[5
U = A b ( 1 ' " -7;,-) ... (24)b A' t1 t2 t3 t4 i (T. - T)
k _+_+_+_+_ a -
kr Is k3 k4 h "
dengan,
~ = Iuas permukaan bagian belakang.
~ =Iuas kolektor.
t1 = tebal bahan
h =koefisien konveksi bagian bawah kolektor
59
5/11/2018 Solar Collector - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/solar-collector-55a235293ff54 7/12
Jumal TelmikMesin Vol. 5, No.i .Desember 2008 ISSN 1829-8958
=5,7 + 3,8 (1,5)= 11,4 W/m2 °C.
To = = Temperatur belakang kolektor , 0 c .
T- =Temperatur lingkungan, "C
Kehilangan panas bagian bawah "Persamaan (24)"
adalah u, = 1,03 81 8W Im20C
_Rugi Panas Melalui Bagian Atas.
Pada bagian atas terjadi perpindahan panas konduksi,
konveksi dan radiasi seperti terlihat pada "Gambar
(7)" Koefisien perpindahan panas total melalui
bagian ataskolektor dapat dirumuskan.P'
( )
-1
Af R Rc·R rUr:::- k+
Ak R , +R r
dengan,
• R t =tahanan tennal konduksi kaca.
tRk = _-
k k o o "
• R: = tahanan termal konveksi dari tutup ke
lingkungan.
R =_1C h
f
hr= 5,5 + 2,7 (v)=koefisien konveksi termal pada
permukaan kaca,
v =kecepatan udara disekitar kolektor =1,5 m/s,
• R, = = tahanan terrnal radiasi antara penutup ke
lingkungan.
1
kaea1
J
Gambar 7 Bahan isolasi bagian atas kolektor
dengan,
a=konstanta boltzman, 5,67 x 10-8W/m.K
e =emisivitas kaca, 0,9.
T2=temperatur kaca, K.
Berdasarkan "Persamaan (28)", diperoleh rugi panas
rnelalui bagian atas adalah: Uf=6,0081W Im 2°C
- Total Rugi-rugi Panas Pad a Kolektor
Qtotal =Fr·Ak(U r +t), +U .)·(1 ";n - T ~) (26a)
Qtotal =F'.Ak (VI +Vb +UJ.(T ,. - T~) (26b)
Dengan mengunakan "Persamaan (26b)" di dapat:
Qtot=162 ,84Watt .
3.4.4 Efisiensi Termal Kolektor.
Efisiensi kolektor ditentukan oleh besarnya panas
yang diterima kolektor (Qw terhadap panas yang
dapat di manfaatkan (Qu) . Energi yang di terima oleh
kolektor yaitu:
Qm =Eg/ob · Ak
maka efisiensi teoritis kolektor adalah:
1]= F , . . [EglOb.Ak.ra-ULAk (1-;n-T~)L.(27b)
Eglob·Ak
Sedangkan efisiensi aktual kolektor dapat ditulis:
1]= Q u =m.Cp.I!.T
c, EgIOb·Ak... (28a)
1]= Qc -QL
EgIob·Ak
Dengan mengunakan "Persamaan (27a)", di dapat:
n;=0.505=50.5%
... (28b)
3.5 Prosedur Pengujian
1. Pengujian dilakukan dari jam 10.00 WlB sampai
jam 15.00 WIB (pada saat intensitas maksimal)
2. Periksa dan pasang alat ukur intensitas surya di
atas kolektor.
3. Pasang termokopel pada sistem alat pengujian.
4. Catat parameter yang didapat:
• Intensitas radiasi matahari (mv)
• Temperatur lingkungan, temperatur masuk dan
keluar kolektor.
• Temperatur kolektor yaitu temperatur absorber,
dan temperatur bagian belakang.
• Temperatur di keluar penghambat (turbin)
• Putaran turbin yang dihasilkan (rpm)
• Laju aliran Massa udara,
60
5/11/2018 Solar Collector - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/solar-collector-55a235293ff54 8/12
R an ca ng B an gu n A /a t K on versi E nerg i Surya m en ja dt E nerg i M eka nik (Y azm en dra R osa )
7. Ulangi prosedur 4, dengan selang waktu 10 menit
selama satu hari.
8. Lakukan pengujian beberapa had kemudian untuk
melihat variasi pengaruh lingkungan
4. R ASJL DA N PEMBAHASA NSistem alat yang direncanakan dalam penelitian ini
dapat dilihat pada "Gambar (8)" dan "Gambar (9)".
Pengujian menggunakan data aquisisi dengan card
ADe PCL-818L with PLCD-8I1S dan sensor
tennokopel tipe T yang dihubungkan ke komputer
seperti set-up yang terlihat pada "Gambar (I0)"
Gambar 9 Sistem alat kolektor pelat datar dan
cerobong
Gambar 8 Rangka Kolektor surya pelat datar
Gambar 10 Sistem data akusisi yang digunakan
4.1 D ata d an H asH p en gu jian
Temperatur Data Aqufslsi ( OC )
100
90
80
E70
~ 60: : : : rm . .~ 50"-E
~ 40
30
20
iIo
d~
V
(~ ~p-<> x
~ r r~ ~
~ VV10
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
61
.< > Naik x Turun x Rata-rata __ Linear (Turun) __ Linear (Nalk) __ linear (Rata-rata)
Garnbar l1.Grafik Perbandingan Temperatur Data Aquisisi dengan Tennometer Kaca (turunlnaik)
5/11/2018 Solar Collector - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/solar-collector-55a235293ff54 9/12
Jumal TeknikMesin Vo L 5, N o. Z. De se m be r 2 00 8 I SSN 1 8 29 -8 95 8
100
00
80
2 : 70
. a'" 60~Q
E 50~
40
30
20
10:48 11:45
---<--T-
o Intensias
"O O . Il I
!! !
300~
200
100
~------~~~---------;--~------_T~~~-----r--------~4015:::.63:402:43 14:38
Wa!<tu ( \NIB)
---7<-- Taut-ko le!< to r (in carabang ) ~ T(out -cerobong)
-2 per. M:>v .Avg . ( ln t en s it a s)
Gambar 12 Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (pemgujian 1)
100
00
80
670. . . .
a60!!
8.E 50~
40
800g
500~
400i300~
200
30 100
20+---------~--~------_T~~~----~----------r_--------_+O10:48 11:45 12:43 13:40 14:38 15:38
Wa!<tu(WS)
--T-
• In lens ilas
-~ Tout-ko ie!< tar (in cerooong ) ---- T(aut -cerobong)
--2pe r. M : >v .Avg . ( k lt en s lt a s)
Gambar 13 Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (pemgujian 2)
100
90
80
6'70. . . .
~ 60
8.E 50~
40
30
20
10:48 11:<15
I
-T-
. In leneias
600g
500~
"O O J ! !!' !
3 0 0 ] ;
200
100
+-~~~_T~~~--+-~~--~----~~+-~~---r~~~~O1(;:332:43 14:38 15:363:40
Waldu(WB)
~ Toul-ko ieldor ( 1 1 1 c ero bo ng ) ......,_ , T(ouI .cerobong)
--2 pe r. M : >v .Avg . ( ln l a ns il a s)
Gambar 14 Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (perngujian 3)
800
700
600 ~
500I
800
700
800
700
62
5/11/2018 Solar Collector - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/solar-collector-55a235293ff54 10/12
R ancang B angun A la t K onversi E nerg i Su rya m en jadi E nergi M ekanik (Yazm endra R osa)
1200
1100
1000
I00
800 •~:!:
700f!<:
.$
.E 60 0
500
400
30 0
9:36 10:48 12:00
•
170
150
130
E110 §
<:
~00 ~
:::J
a ..
70
50
30
14:24 15:363:12
Waktu
• Iotendas ~ plllaran --3 per. M:lv.Avg. (plllaran) --2 per. M:lv. Avg. (I1tensitas)
Gambar 15 Grafik intensitas dan putaran (rpm) terhadap waktu (pemgujian 1)
9 00 170
. . 150800 •
70
130
E110 g
~90 .5
e
40050
~+---------.---------~---------.---------,--------~30
9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36
Waktu
• Iotensilas ~ putaran rpm--3 per. M:lv. Avg. (putaran rprrj --2 per. Mov. Avg. (I1tensitas)
Gambar 16 Grafik intensitas dan putaran (rpm) terhadap waktu (pemgujian 2)
550 150
• •500 • 130. .45 0
ii400 11 0 I! 3 5 0 ~.,
90 "~~ ~
'" • 70 ~: 5 2 5 0
20 0 . .50
150
100 30
10:48 11:02 11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28
Waklu
• htensitas ~ putaran rpm--3 per. Mw.Avg. (plllaran rpnl--2 per. Mw. Avg. (Iotenslas)
Gambar 17 Grafik intensitas dan putaran (rpm) terhadap waktu (pemgujian 3)
63
5/11/2018 Solar Collector - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/solar-collector-55a235293ff54 11/12
J u rn a l T e lm i kMe s in Vol 5, No.i.Desember 2008 ISSN 1829-8958
4.2 PeDlbahasan
Pada "Gambar (11)" perbandingan alat ukur
temperatur data akusisi dengan term?meter kaca
yang diperoleh hubungan persamaan naik danturunpengukuran yaitu Pers. Naik =y = l.043x - 2.118, R2
=0.9687 dan Pers. Turun= y::::O.9239x + 2.5623, R 2
= 0.9425 serta persamaan rata rata antara naik dan
tUIUn diperoleh y =0.9835x + 0.2221. Histerisis alat
ukur akan makin melebar pada saat temperatur makin
tinggi (Temperatur > 50°C).
Pada "Gambar (12)" sampai "Gambar (14)"
merupakan data hasil pengolahan grafik temperatur
dan intensitas terhadap waktu. Data grafik terlihat
temperatur keluaran kolektor dapat mencapai di atas
50 °C dan selama pengujian temperatur yang dapat
dihasil kolektor dapat kenaikan dad lingkungan
berkisar antara 10 °C sampai dengan 20°C. Intensitas
maksimum pada siang hari mengakibatkan
temperatur keluaran kolektor paling maksimal dan
basil putaran turbin (alat. ukur anemometer)
menunjukan maksimal berkisar antara 0,3 m/s sampai
dengan 0,4 mls.
Dari grafik dan data diperoleh secara rata-rata
putaran turbin 110 rpm dengan rincian pengujian
114,37 rpm, 96,50 rpm, 103,24 rpm dari hasil
pengujian. Peningkatan rpm turbin mungkin dapat
diberikan apabila penambahan luas kolektor surya
yang dibuat dan sekaligus dapat meningkatkan
dayanya,
Pada "Gambar (15)", "Gambar (16)", dan "Gambar
(17)", hasil putaran turbin dapat lebih stabil pada
kondisi stedi yang diakibatkan oleh sistem alat masih
cukup menyimpan panas walaupun terjadi penurunan
radiasi surya. PerIu dipertimbangkan pengguanaan
penyimpan energi dalam sistem alat ini.
Pada saat pengujian sistem alat ini dapat tertihat
secara visual putaran turbin (lihat vidio pengujian)
atau boleh dikatakan sistem model alat yang
direncanakan dapat mengalirkan udara di dalam
cerobong yang kemudia memutar turhin yangmenghasilkan energi mekanik. Aliran in i disebabkan
perbedaan temperatur, density karena pengaruh
energi panas dari surya yang ditangkap melalui
kolektor.
5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Hasil pengujian dan pembahasan dapat diambil
beberapa kesimpulan, yaitu;
1, Alat konversi energi surya , menjadi energi
mekanik yang direncanakan nu dapatmenghasilkan putaran pada turbin berkisar antara
± 110 rpm dengan luas kolektor pelat datar 1m2,
kemiringan kolektor ±l0° serta berbentuk profil
atap rumah. (vidio visual pengujian)
2, Kolektor pelat datar energi surya dapat menaikan
temperatur udara secara rata-rata berkisar ± is-csehingga dapat mengalirkan udara secara panas
mengguanakan cerobong yang dapat memutar
turbin.
3. Pemanfaatan sistem alat in i untuk pembangkit
energi listrik perIu menyesuaikan putaran yang
dihasilkan terhadap generator yang ada (yg dapat
dibuat).
4. Energi mekanik yang dihasilkan model alat in i
dapat dikembangkan sebagai energi altematif
yang bersih dan ramah lingkungan serta tersedia
sepanjang hari karena kondisi wilayah indonesia
herada dalam jalur garis khatulistiwa , yang
memberikan intensitas paling hesar dipermukaan
b um i in i.
5.2 Saran
• Penelitian dikembangkan dengan mengabungkan
dengan pemanfaatan energi angin sebagai energi
awal agar teriadi aliran fluida udara secara paksa.
• Pengembangan kolektor dengan menggunakan
energi penyimpan untuk menjaga temperatur
keluar kolektor konstan.
• Perlu penelitian lanjut peningkatan secara optimal
dari pemanfaatan cerobong terhadapat aliran
fluida udara sistem secara keseluruhan.
UeAPAN TERIMA KASm
Kepada BapakJIbu yang telah membantu
terlaksananya penelitian terutama keluarga besar
penulis, Pimpinan dan pengelola dana D IP A
Politeknik Negeri Padang, semoga dana yang
diberikan menghasilkan cikal bakal teknologi yang
hermanfaat yaitu pemanfaatan sumber energi surya
menjadi energi listrik dikemudian hari terwujud
hendaknya.
PUSTAKA
1. Adly Havendry, Rosa. Yazmendra, Banir,Kolektor Energi Surya untuk Sistem Pengering
Kulit Manis, Jurnal TeknikA Tahun IV,Universitas Andalas, 1997.
2. Sukhatme, Solar Energi: Principles of ThermalCollection and Storage, Tata McGraw-Hill
Publishing Company Limited, New Delhi, India,
2001
3. Rosa. Yazmendra, Hanir & Zulhendri,Optimasi Udara Panas Keluaran Kolektor Surya,
Jurnal Teknik Mesin, Vol.I No.1 Politeknik
Negeri Padang, 2004
4. Rosa. Yazmendra, Maimuzar & Nasrullah,Rancang Bangun Pengering Gambir dengan
Memanfaatkan Energi Surya, Jumal Teknik
64
5/11/2018 Solar Collector - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/solar-collector-55a235293ff54 12/12
R an ca ng B an gun A la ! KOJTVersi E n er gi S ur ya menjadi E ne rg i M e ka nik (Y az men dra R as a)
Mesin, VoU No.1 Politeknik Negeri Padang,
2006.
5. A. Bejan, G. Tsatsaronis dan M. Moran,Thermal Design and Optimization, John Wiley &
Sons, New York, 1996.
6. Zafnuddin; Dahnil, Solar Teknik 1 & 2,Universitas Andalas, Padang, 1990.
7. George A. Lane, Ph.D, Solar Heat Storage:
Latent Heat Materials, C R C Press, Inc., Florida,2000. .
8. A. Saito dan H. Hong, Experimental Study on
Heat Transfer Enhancement in Latent Thermal
Energi Storage with Direct Contact Melting,
Departement of Mechanical Engineering &
Science, Tokyo Institute of Technology, Japan,
Iut, J. Heat Mass Transfer.
9. C.P. Arora; Refrigeration and Air Conditioning,
McGraw-Hill,. Singapore, 2000.
10. ASHRAE, Fundamentals Handbook,. 1997.
11.Culp, Archie W. Jr., P r m sip -p rin sip K o nv er st
Energi, Erlangga, Jakarta, 1985.
12. Dickinson, William C & Cheremisinoff, Paul
N., Solar Energy Technology Handbook Part A,
Marcel Dekker, New York, 1980.
l3.Dufie, John A., & Beckman, William A., Solar
Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons,
New York, 1995
14.Stoecker, Wilbert F., & Jerols, W. Jones,
Refr igeras i dan P en gk on dis ia n U da ra , Erlangga,
Jakarta, 1992.
15.Floating Solar Chimney Technology,
www.fIoatingiarchimney.gr. September 2008
16.The Solar Tower: Large scale Renewable energy
Power Station Development. 19th World Energy
Congress, Sydney Australia, Sep 2004
17. Andre G Ferreira, Technical Feasibility
Assessment of a Solar Chimney jor Food Drying,
Solar Energy 82 (2008), 198-205, Elsevier. 2008
CURRICULUM VITAE
Penulis menyelesaikan studi sarjana di Jurusan
Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Andalas
tahun 1997 dan tahun 2003 menyelesaikan studi S2
bidang Konversi Energi, Departemen Teknik Mesin
di Institut Teknologi Bandung, Sekarang sebagai
dosen dan staf Labor Refrigerasi & Pengkondisian
Udara di Program Studi Teknik Mesin Politeknik
Universitas Andalas, staf pengajar dan pembimbing
di program D4 Konservasi Energi serta mengajar dati
mernbimbing di Pasca Sarjana IS TN, , Email:
[email protected] & [email protected].
65