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.



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



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



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



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



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



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



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)



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



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)


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)


63



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



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

http://www.fioatingiarchimney.gr./

mailto:[email protected]

mailto:[email protected].

mailto:[email protected].

mailto:[email protected]

http://www.fioatingiarchimney.gr./

solar collector

Documents