Rancang Bangun Kolektor Surya Plat Datar untuk Pemanas Air Dengan Kaca Berlapis Ketebalan 5mm
LAMPIRAN
73
Universitas Sumatera Utara
74
Universitas Sumatera Utara
75
Universitas Sumatera Utara
76
Universitas Sumatera Utara
77
Universitas Sumatera Utara
78
Universitas Sumatera Utara
No
1
Tanggal Pengujian
04 Januari 2016
Pukul 12.41 WIB
Titik-titik Kolektor Surya
Air Masuk
Pipa Tembaga
Ruangan Kolektor Surya
Kaca Penutup 2
Kaca Penutup 1
Air Keluar
Permukaan Kayu
Air Sirkulasi
Air Keluar dari APK
Air Laut
Plat Absorber
Temperatur Maksimum
460C
520C
570C
580C
460C
510C
360C
490C
490C
510C
610C
2
05 Januari 2016
Pukul 13.58 WIB
Air Masuk
Pipa Tembaga
Ruangan Kolektor Surya
Kaca Penutup 2
Kaca Penutup 1
Air Keluar
Permukaan Kayu
Air Sirkulasi
Air Keluar dari APK
Temperatur Air Laut
Plat Absorber
430C
470C
490C
490C
400C
450C
340C
450C
450C
460C
520C
3
06 Januari 2016
Pukul 11.49 WIB
Air Masuk
Pipa Tembaga
Ruangan Kolektor Surya
Kaca Penutup 2
Kaca Penutup 1
Air Keluar
Permukaan Kayu
Air Sirkulasi
Air Keluar dari APK
Temperatur Air Laut
Plat Absorber
390C
490C
600C
560C
460C
480C
340C
400C
410C
430C
620C
4
07 Januari 2016
Pukul 11.58 WIB
Air Masuk
Pipa Tembaga
Ruangan Kolektor Surya
Kaca Penutup 2
Kaca Penutup 1
Air Keluar
Permukaan Kayu
Air Sirkulasi
Air Keluar dari APK
410C
440C
460C
460C
410C
440C
360C
440C
440C
79
Universitas Sumatera Utara
Temperatur Air Laut
Plat Absorber
450C
510C
5
08 Januari 2016
Pukul 14.50 WIB
Air Masuk
Pipa Tembaga
Ruangan Kolektor Surya
Kaca Penutup 2
Kaca Penutup 1
Air Keluar
Permukaan Kayu
Air Sirkulasi
Air Keluar dari APK
Temperatur Air Laut
Plat Absorber
500C
610C
690C
720C
410C
600C
390C
540C
540C
560C
820C
6
09 Januari 2016
Pukul 12.03 WIB
Air Masuk
Pipa Tembaga
Ruangan Kolektor Surya
Kaca Penutup 2
Kaca Penutup 1
Air Keluar
Permukaan Kayu
Air Sirkulasi
Air Keluar dari APK
Temperatur Air Laut
Plat Absorber
440C
540C
660C
680C
510C
540C
360C
470C
500C
500C
740C
80
Universitas Sumatera Utara
Waktu
09.00
09.01
09.02
09.03
09.04
09.05
09.06
09.07
09.08
09.09
09.10
09.11
09.12
09.13
09.14
09.15
09.16
09.17
09.18
09.19
09.20
09.21
09.22
09.23
09.24
09.25
09.26
09.27
T
33,076
33,378
33,385
33,599
33,835
34,014
34,287
34,489
34,630
34,914
35,012
35,200
35,399
35,608
35,743
35,874
36,130
36,257
36,382
36,502
36,716
36,907
36,983
37,117
37,270
37,481
37,563
37,719
Waktu
09.30
09.31
09.32
09.33
09.34
09.35
09.36
09.37
09.38
09.39
09.40
09.41
09.42
09.43
09.44
09.45
09.46
09.47
09.48
09.49
09.50
09.51
09.52
09.53
09.54
09.55
09.56
09.57
T
38,073
38,295
38,389
38,468
38,665
38,723
38,858
38,959
39,100
39,261
39,381
39,556
39,564
39,710
39,790
39,979
40,031
40,133
40,337
40,410
40,549
40,608
40,726
40,918
41,023
41,073
41,198
41,340
Waktu
10.00
10.01
10.02
10.03
10.04
10.05
10.06
10.07
10.08
10.09
10.10
10.11
10.12
10.13
10.14
10.15
10.16
10.17
10.18
10.19
10.20
10.21
10.22
10.23
10.24
10.25
10.26
10.27
T
41,652
41,751
41,878
41,972
42,031
42,145
42,170
42,284
42,366
42,515
42,598
42,631
42,718
42,812
42,824
42,896
42,964
43,010
43,133
43,182
43,259
43,252
43,371
43,396
43,466
43,597
43,688
43,765
Waktu
10.30
10.31
10.32
10.33
10.34
10.35
10.36
10.37
10.38
10.39
10.40
10.41
10.42
10.43
10.44
10.45
10.46
10.47
10.48
10.49
10.50
10.51
10.52
10.53
10.54
10.55
10.56
10.57
T
44,0
44,1
44,2
44,3
44,4
44,5
44,6
44,7
44,8
44,8
45,0
45,1
45,2
45,3
45,4
45,5
45,6
45,7
45,8
45,9
46,0
46,0
46,1
46,2
46,3
46,4
46,5
46,6
Waktu
11.00
11.01
11.02
11.03
11.04
11.05
11.06
11.07
11.08
11.09
11.10
11.11
11.12
11.13
11.14
11.15
11.16
11.17
11.18
11.19
11.20
11.21
11.22
11.23
11.24
11.25
11.26
11.27
T
46,9
46,9
47,0
47,2
47,2
47,3
47,4
47,6
47,6
47,7
47,7
47,8
47,9
47,9
48,0
48,2
48,3
48,3
48,4
48,5
48,6
48,7
48,8
48,9
48,9
49,1
49,1
49,2
Waktu
11.30
11.31
11.32
11.33
11.34
11.35
11.36
11.37
11.38
11.39
11.40
11.41
11.42
11.43
11.44
11.45
11.46
11.47
11.48
11.49
11.50
11.51
11.52
11.53
11.54
11.55
11.56
11.57
T
49,4
49,5
49,5
49,6
49,7
49,8
49,9
49,9
50,0
50,1
50,2
50,2
50,3
50,4
50,6
50,6
50,8
50,9
51,0
51,0
51,1
51,2
51,2
51,3
51,3
51,5
51,5
51,6
Waktu
12.00
12.01
12.02
12.03
12.04
12.05
12.06
12.07
12.08
12.09
12.10
12.11
12.12
12.13
12.14
12.15
12.16
12.17
12.18
12.19
12.20
12.21
12.22
12.23
12.24
12.25
12.26
12.27
T
51,6
51,6
51,5
51,6
51,5
51,5
51,5
51,5
51,4
51,4
51,4
51,5
51,4
51,5
51,6
51,7
51,7
51,9
51,9
52,0
52,0
52,1
52,0
52,0
52,0
52,0
52,1
52,0
Waktu
12.30
12.31
12.32
12.33
12.34
12.35
12.36
12.37
12.38
12.39
12.40
12.41
12.42
12.43
12.44
12.45
12.46
12.47
12.48
12.49
12.50
12.51
12.52
12.53
12.54
12.55
12.56
12.57
T
52,0
52,1
52,1
52,1
52,2
52,2
52,2
52,4
52,3
52,3
52,5
52,5
52,6
52,7
52,8
52,8
52,9
53,0
53,0
53,0
53,0
53,0
53,1
53,2
53,2
53,1
53,2
53,3
81
Universitas Sumatera Utara
09.28
09.29
13.00
13.01
13.02
13.03
13.04
13.05
13.06
13.07
13.08
13.09
13.10
13.11
13.12
13.13
13.14
13.15
13.16
13.17
13.18
13.19
13.20
13.21
13.22
13.23
13.24
13.25
13.26
37,912
38,076
53,3
53,3
53,2
53,3
53,2
53,2
53,2
53,2
53,2
53,1
53,1
53,1
53,1
53,1
53,1
53,0
53,0
53,0
53,0
53,0
53,0
53,0
52,9
52,9
52,9
52,9
52,9
09.58
09.59
13.30
13.31
13.32
13.33
13.34
13.35
13.36
13.37
13.38
13.39
13.40
13.41
13.42
13.43
13.44
13.45
13.46
13.47
13.48
13.49
13.50
13.51
13.52
13.53
13.54
13.55
13.56
41,521
41,608
53,1
53,1
53,1
53,1
53,0
53,1
53,1
53,1
53,1
53,1
53,1
53,1
53,2
53,2
53,2
53,2
53,3
53,3
53,3
53,3
53,3
53,3
53,2
53,2
53,3
53,2
53,2
10.28
10.29
14.00
14.01
14.02
14.03
14.04
14.05
14.06
14.07
14.08
14.09
14.10
14.11
14.12
14.13
14.14
14.15
14.16
14.17
14.18
14.19
14.20
14.21
14.22
14.23
14.24
14.25
14.26
43,867
43,921
53,1
53,1
53,0
53,0
53,0
52,9
52,8
52,8
52,8
52,8
52,8
52,8
52,7
52,7
52,7
52,7
52,6
52,6
52,6
52,6
52,5
52,5
52,5
52,5
52,4
52,4
52,4
10.58
10.59
14.30
14.31
14.32
14.33
14.34
14.35
14.36
14.37
14.38
14.39
14.40
14.41
14.42
14.43
14.44
14.45
14.46
14.47
14.48
14.49
14.50
14.51
14.52
14.53
14.54
14.55
14.56
46,6
46,8
52,3
52,3
52,3
52,2
52,3
52,2
52,2
52,2
52,2
52,2
52,2
52,2
52,1
52,1
52,0
52,0
51,9
51,9
51,8
51,8
51,8
51,7
51,7
51,6
51,6
51,5
51,5
11.28
11.29
15.00
15.01
15.02
15.03
15.04
15.05
15.06
15.07
15.08
15.09
15.10
15.11
15.12
15.13
15.14
15.15
15.16
15.17
15.18
15.19
15.20
15.21
15.22
15.23
15.24
15.25
15.26
49,3
49,4
51,5
51,4
51,4
51,3
51,3
51,3
51,2
51,2
51,2
51,1
51,1
51,0
51,0
51,0
51,0
50,9
50,9
50,8
50,8
50,8
50,8
50,7
50,7
50,6
50,6
50,6
50,6
11.58
11.59
15.30
15.31
15.32
15.33
15.34
15.35
15.36
15.37
15.38
15.39
15.40
15.41
15.42
15.43
15.44
15.45
15.46
15.47
15.48
15.49
15.50
15.51
15.52
15.53
15.54
15.55
15.56
51,6
51,6
50,4
50,4
50,4
50,3
50,3
50,2
50,2
50,2
50,1
50,2
50,1
50,1
50,1
50,0
50,0
50,0
49,9
49,9
49,9
50,0
50,0
49,9
49,9
49,9
49,9
49,9
49,9
12.28
12.29
16.00
16.01
16.02
16.03
16.04
16.05
16.06
16.07
16.08
16.09
16.10
16.11
16.12
16.13
16.14
16.15
16.16
16.17
16.18
16.19
16.20
16.21
16.22
16.23
16.24
16.25
16.26
52,1
52,0
50,0
49,9
49,9
49,9
49,9
49,9
49,9
49,9
49,9
49,8
49,8
49,8
49,9
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,7
49,7
12.58
12.59
16.30
16.31
16.32
16.33
16.34
16.35
16.36
16.37
16.38
16.39
16.40
16.41
16.42
16.43
16.44
16.45
16.46
16.47
16.48
16.49
16.50
16.51
16.52
16.53
16.54
16.55
16.56
53,2
53,3
49,7
49,6
49,6
49,6
49,6
49,6
49,6
49,6
49,5
49,6
49,6
49,5
49,5
49,5
49,5
49,5
49,5
49,4
49,4
49,4
49,4
49,4
49,3
49,3
49,3
49,3
49,3
82
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR PUSTAKA
[1] Duffie John A. & Beckmann William A. 1991. Solar Engineering of Thermal
Processes. John Wiley & Sons, Inc, New York.
[2] Philip Kristanto & James Laeyadi. Kolektor Surya Prismatik. Jurnal Teknik
Mesin vol. 2, No.1 April 2000 Universitas Kristen Petra, Surabaya.
Hal 22.
[3] Solar Dimension. Solar energy can reduce your electricity consumption by
between 30% and 60% (Depending on your hot water usage).
Capturing
Solar
Energy
for
Hot
Water.
http://www.solardimension.co.za/solar_energy.html. Diakses tanggal
3 Februari 2016.
[4] Inti solar. Kolektor Flat.http://www.intisolar.com/news/kolektor_flat.html.
Diakses tanggal 15 Februari 2016.
[5] Rosa Yasmendra. Rancang Bangun Kolektor Surya Plat Datar Energi Surya
untuk Sistem Pengeringan Pasca Panen.Jurnal Teknik Mesin
Politeknik Negeri Padang Vol.4, No.2, Desember 2007;ISSN 18298958.
[6] Handoyo E.A. Pengruh Jarak Kaca ke Plat Terhadap Panas yang Diterima
Suatu Kolektor Surya Plat Datar. Jurnal Teknik Mesin Universitas
Kristen Petra Vol.3, No.2, Oktober 2001:52-56.
[7] Tirtoatmodjo R. Handoyo E.A. Unjuk Kerja Pemanas Air Jenis Kolektor
Surya Plat Datar dengan Satu dan Dua Kaca Penutup. Jurnal Teknik
Mesin Universitas Kristen Petra Vol. 1, No.2, Oktober 1999:115-121.
[8] Philip K, San Y.K. Pengaruh Tebal Plat dan Jarak Antar Pipa Terhadap
Performansi Kolektor Surya Plat Datar. Jurnal Teknik Mesin
Universitas Kristen Petra Vol.3, No.2, Oktober 2001:47-51.
[9] Literatur 2 Hal 250
[10] Literatur 2 Hal 296
[11] http://www.google.com/flat-platecollector//gambar.html
[12] http://www.google.com/consentratorcollector.html
[13] http://www.google.com/evacuatedtubecollectors..html
71
Universitas Sumatera Utara
[14] http://www.google.com/evacuatedreceivedpicture.html
[15] http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_water_heating
[16] Literatur 2 Hal 23.
[17] Literatur 3 Hal 27-28.
[18] Literatur 3 Hal 30-37.
[19] Welty, Wicks, Wilson, Rorrer. Fundamental Of Momentum, Heat, And Mass
Transfer. 2002. Vol.2. Edisi Ke-empat, Alih Bahasa, Ir. Gunawan
Prasetio. Erlangga, Jakarta. Hal : 2.
[20] http://bloghasnan blogspot.com/2012/04/memahami.sifatsifat.dasar.aliran.html
[21] Cengel, A. Yunus. 2002. Heat Transfer. Ebook Edition. Hal : 28.
[22] Koestoer, Raldi Artono. 2002. Perpindahan Kalor. Edisi pertama. Salemba
Teknika, Jakarta. Hal : 187.
[23] Matuska T.Z. hal.V Mathematical Model and Desaign Tool KOLEKTOR 2.2
Referrence Handbook (3rd draft, 01-2009). Czech Technical
University in Prague, Faculty of Mechanical Engineering Dept. Of
Environmental Engineering; 2009.
[24] Lienhard IV JH. Lienhard V JH. A Heat Transfer Textbook, Third Edition
Phlogiston Press. Cambridge Massachusetts; 2003.
[25] Johnson’s D. Table of absorptivity and emissivity of common materials and
coatings.
http://www.solarmirror.com/fom/fom-serve/cache/43.html.
Diakses tanggal 20 Februari 2016
[26] L. Streeter, Victor. 1995. Mekanika Fluida jilid 2. Alih Bahasa, Arko Prijono,
M.S.E. Erlangga, Jakarta. Hal : 10.
[27] Literatur 26 Hal 2.
[28] Literatur 26 Hal 95.
[29] Literatur 26 Hal 103.
[30] Soteris. A.Kalogirou (2009),Solar Energy Engineering, Printed in the United
States Of America
[31] Mehmet Esent, Hikmet Hesen, (2005), Experimental Investigation Of A TwoPhase Closed Thermosyphon Solar Water Heater, Solar Energy 79
(2005) 459 – 468
72
Universitas Sumatera Utara
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1.
Metode Pelaksanaan Penelitian
Metedologi
merupakan
tahapan-tahapan
dalam
pengerjaan
skripsi.
Penelitian ini dilakukan dengan kegiatan-kegiatan yang meliputi :
Mulai
Buku referensi,
jurnal, internet, dll
Studi Literatur
Tidak
Usulan
Penelitian
Ya
Tahap Persiapan :
1. Perancangan kolektor surya
2. Persiapan tangki air laut dan sirkulasi
3. Pembuatan pipa distribusi dan APK
4. Pengujian kolektor surya
Pengumpulan data :
- Temperatur (0C)
- Waktu (menit)
- Radiasi matahari
Perhitungan dan
Tidak
Analisa Data
Ya
Kesimpulan
Selesai
Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Pelaksanaan Penelitian
32
Universitas Sumatera Utara
3.2.
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan pada bulan November 2015 sampai Februari 2016
bertempat di gedung lantai IV Magister Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara.
3.3.
Metode Perancangan
Perancangan alat pemanas air meliputi kolektor surya. Kolektor yang dipilih
adalah plat datar.
Kolektor surya ini nantinya sebagai pengganti pemanas (heater) pada
desalinasi air laut dengan suhu air laut yang dicari adalah 270C – 500C. Tujuannya
untuk mendapatkan uap air murni yang dikondensasikan melalui evaporator
dalam keadaan vacuum sehingga menghasilkan air murni dan konsentrat garam,
juga mengurangi penggunaan arus listrik atau bahan bakar untuk memanaskan air
laut. Oleh karena itu pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam perancangan ini,
yaitu ekonomis, produktifitas tinggi, mudah pembuatan dan mudah dioperasikan.
Perancangan kolektor yang akan dibahas meliputi plat absorber, penutup
transparan (kaca) dan isolasi pada kolektor. Adapun langkah perancangan terdiri
dari 4 tahap atau fase, yakni : (Pahl dan Beitz)
1. Fase perumusan (Formulation Phase)
2. Fase fungsi (Functional Phase)
3. Fase perancangan (Design Phase)
4. Hasil (Result)
3.4.
Perancangan Kolektor surya
3.4.1. Perancangan Kaki Penyangga
Untuk kaki penyangga kolektor surya ini haruslah kuat dan kokoh karena
memiliki fungsi sebagai tumpuan kolektor dan dudukan lemari yang dirangkai dan
dilas. Pemilihan bahan kaki penyangga kolektor surya ini mempertimbangkan
beban yang akan dipikul oleh penyangga tersebut, oleh karena itu bahan yang
dipilih adalah besi siku 30 mm.
33
Universitas Sumatera Utara
3.4.2. Perancangan Absorber
Perancangan absorber pada kolektor surya berfungsi untuk menyerap radiasi
surya dan mengkonversikannya menjadi panas. Energi dialirkan melalui fluida
kerja udara secara konveksi. Absorber yang dirancang disini, yakni plat
alumunium. Dengan mengacu fungsinya sebagai absorber, maka dipilih sifat
bahan antara lain.
Absorbsivitas tinggi ( )
Emisifitas panas rendah ( )
Kapasitas panas kecil (Cp)
Konduktifitas besar (k)
Refleksi rendah ( )
Tahan panas dan tahan korosi
Kaku dan mudah dibentuk
Ada di pasaran
Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk plat pengumpul panas yakni: seng,
alumunium, tembaga, kuningan dan baja. Sesuai dengan pertimbangan diatas
dalam perancangan ini digunakan plat alumunium dengan ketebalan 0,3 mm dan
permukaannya dilapisi dengan cat hitam kusam (dof), agar tidak terjadi korosi dan
mempunyai absorbsivitas maksimum.
3.4.3. Perancangan Kaca Penutup
Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya dan mencegah
panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagian atas. Berdasarkan
fungsi ini maka kaca penutup harus mempunyai sifat:
Transmisivitas tinggi
Absorsivitas rendah
Refleksivitas rendah
Tahan panas
Ada dipasaran dan kuat
Pada kolektor surya ini memakai 2 kaca penutup, fungsinya untuk
mempertahankan panas yang masuk ke dalam kolektor surya. Kaca yang dipilih
sebagai penutup kolektor surya adalah kaca bening dengan ketebalan 5 mm.
34
Universitas Sumatera Utara
3.4.4. Perancangan Isolasi
Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke
lingkungan 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 termal bahan (k) kecil
Mudah dibentuk dan praktis
Tahan lama
Ada di pasaran
Isolasi yang dirancang pada kolektor surya terdiri dari 3 lapisan, tujuannya adalah
agar dapat mengurangi panas yang terbuang ke lingkungan akibat perpindahan
panas konduksi, yaitu: rockwoll, sterofoam, dan kayu triplek yang berfungsi juga
sebagai frame daripada kolektor.
3.5.
Alat dan Bahan
Penelitian ini menggunakan alat dan bahan untuk perancangan dan
pengukuran selama proses pembuatan dan pengujian.
3.5.1. Alat
Adapun alat-alat yang digunakan dalam penelitian di antaranya :
1. Pemotong pipa tembaga (Tube Cutter)
Digunakan untuk memotong pipa tembaga. Prinsip kerjanya adalah dengan
menjepit dan memutar pipa tembaga sesuai dengan ukuran yang dibutuhkan.
Gambar 3.2 Tube Cutter
35
Universitas Sumatera Utara
2. Las Gas
Digunakan untuk menyambung pipa tembaga antara satu dengan yang
lainnya mengunakan pipa sambungan U.
Gambar 3.3 Las Gas
3. Pompa
Pompa yang digunakan untuk mensirkulasikan air ke dalam pipa tembaga
adalah pompa aquarium yang memiliki daya cukup rendah.
Dengan spesifikasi pompa sebagai berikut :
Merk/model
: Armada AR-1800
Frequence
: 50 Hz
Tegangan/frekuensi
: 220-240 V
Daya
: 28 Watt
Total head
: 1.5 m
Kapasitas maksimum : 1500 L/H
Gambar 3.4 Pompa
36
Universitas Sumatera Utara
4. Gelas ukur
Digunakan untuk mengukur jumlah air yang masuk kedalan bejana air laut
dan air sirkulasi. Dalam bejana 1 air laut diisi sebanyak 20 Liter dan
bejana 2 sebagai air sirkulasi sebanyak 10 liter.
Gambar 3.5 Gelas ukur
5. Agilent (Termokopel)
Digunakan untuk mengukur suhu di setiap titik pada kolektor maupun
tangki air.
Gambar 3.6 Agilent (termokopel)
Spesifikasi agilent :
a. Daya 35 Watt
b. Jumlah saluran termokopel 20 buah
c. Tegangan 250 volt
d. Mempunyai 3 saluran utama
e. Ketelitian termokopel 0,030C
f. Dapat memindai data hingga 250 saluran per detik
g. Mempunyai 8 tombol panel dan sistem kontrol
37
Universitas Sumatera Utara
h. Fungsional antara lain pembacaan suhu termokopel, Resistence
Temperature Detector (RTD), termistor, dan arus listrik AC
6. Hobo Microstation Data Logger
Digunakan untuk mengukur temperatur udara, kecepatan angin, intensitas
cahaya dan kelembaban.
Gambar 3.7 Hobo Microstation data logger
Spesifikasi sebagai berikut :
a. Skala pengoperasian
: 200 – 500C dengan baterai alkalin
400 – 700C dengan baterai litium
b. Input sensor
: 3 sensor pintar multi channel monitoring
c. Dimensi
: 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm
d. Berat
: 0,36 kg
e. Memori
: 512Kb penyimpanan data nonvolatile flash
f. Interval pengukuran
: 1 detik – 18 jam (tergantung pengguna)
g. Akurasi waktu
: 0 - 2 detik
7. Anemometer
Digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara yang mengalir pada
permukaan kaca kolektor surya, pada Gambar 3.8
38
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.8 Anemometer
Spesifikasi :
Measuring Range of Temperature
: -100C to 450C
Wind Speed Measuring Range
: 0.3 to 30 m/s
Accuracy of Temperature
: ± 20C
Accuracy of Wind Speed
: ± 30C ± 0.1 dgts
Wind Speed Unit Selection
: m/s,ft/min,knots,km/hr,mph
3.5.2. Bahan
1.
Besi siku
Bahan ini digunakan sebagai kerangka atau dudukan dari bagian isolator
pada kolektor surya, ukuaran dari kerangka ini adalah panjang 126 cm, lebar 66
cm dan tinggi 20,5 cm.
Gambar 3.9 Kerangka Besi
2.
Kayu Triplek
Bahan ini digunakan sebagai bagian luar pada kolektor surya, juga
digunakan sebagai isolator sehingga dapat meminimalkan panas yang hilang.
39
Universitas Sumatera Utara
Konduktivitas termal kayu adalah 0,140 W/mK. Ukurannya adalah dengan
panjang 125 cm, lebar 64 cm. Ketebalan triplek yang digunakan adalah 7 mm.
Gambar 3.10 Kayu Triplek
3. Rockwool
Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator, digunakan untuk mencegah
panas dari kolektor hilang keluar. Jenis rockwool yang dipakai adalah wire mesh
yang memiliki konduktivitas 0, 042 W/mk. Pada rancang bangun ini ketebalan
rockwool yang dirancang pada kolektor adalah 60 mm.
Gambar 3.11 Rockwool
4. Gabus (Sterofoam)
Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator, untuk mencegah kehilangan
panas pada kolektor surya. Konduktivitas sterofoam adalah 0,036 W/m.K.
Ketebalan gabus yang dirancang adalah 50 mm.
40
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.12 Gabus (Steorofom)
5. Kaca
Bahan ini digunakan sebagai jalur masuknya radiasi matahari dan untuk
mengurangi udara panas yang berada didalam kolektor agar tidak keluar, dalam
hal ini kaca penutup dibuat 2 lapis dengan ukuran sebagai berikut.
Kaca Penutup I
a. Panjang
= 1000 mm
b. Lebar
= 500 mm
c. Tebal
= 5 mm
Kaca penutup II
a. Panjang
= 1200 mm
b. Lebar
= 600 mm
c. Tebal
= 5 mm
Konduktivitas termal kaca berbahan glass adalah 1,3 W/m.K, transmisivitas ( ) =
0,85, refleksi ( ) = 0,09 absorsivitas ( ) = 0,06 dan emisivitas ( ) = 0,88.
Gambar 3.13 Kaca
41
Universitas Sumatera Utara
6. Plat Aluminium
Bahan ini digunakan sebagai absorber. Plat aluminium ini memiliki
konduktivitas yang baik yaitu sebesar 237 W/m.K, emisivitas ( ) = 0,97 diberi cat
hitam agar radiasi yang masuk pada kolektor surya akan diserap sepenuhnya oleh
plat.
Gambar 3.14 Plat Alumunium
7. Pipa tembaga
Bahan ini digunakan sebagai penukar kalor untuk sirkulasi air, pipa tembaga
memilki penyerap dan penghantar panas yang baik. Konduktivitas tembaga adalah
385 W/m.K. Ukuran pipa tembaga yang digunakan adalah dimater ¼ inchi (6,35
mm), panjang total 18 m.
Gambar 3.15 Pipa tembaga
8. Air murni dan air laut
Air murni digunakan sebagai sirkulasi pada pipa penukar kalor untuk
memanaskan air laut, sedangkan air laut yang akan dipanasi untuk mendapatkan
uap air murni pada desalinasi air laut.
42
Universitas Sumatera Utara
9. Poros (pejal)
Bahan ini digunakan sebagai penyangga kolektor yang akan disambungkan ke
bearing, untuk mengatur kemiringan dari kolektor surya.
Gambar 3.16 Poros (pejal)
10. Bearing
Bahan ini digunakan sebagai penyangga poros, untuk mengatur kemiringan dari
kolektor surya.
11. Tangki Air sirkulasi
Tangki ini terbuat dari sterofoam. Digunakan sebagai tempat air sirkulasi yang
akan dipompakan ke dalam pipa tembaga pada pada kolektor, ukuran dari
tangki ini adalah tinggi 30 cm, lebar 40 cm.
Gambar 3.17 Tangki Air sirkulasi
43
Universitas Sumatera Utara
12. Tangki Air laut
Digunakan sebagai tempat air laut yang akan dipanasi oleh pipa penukar kalor,
ukuran tangki ini yaitu 0,3 m x 0,3 m x 0,4 m
Gambar 3.18 Tangki air laut
13. Penyangga Kolektor surya.
Digunakan sebagai penyangga atau dudukan pada kolektor surya. Ukurannya
adalah panjang 1,7 m x 1 m x 1,25 m.
Gambar 3.19 Penyangga kolektor surya
44
Universitas Sumatera Utara
3.6. Set Up Experimental
Kabel termokopel yang terhubung ke agilent ditempelkan ke plat absorber,
kaca, kayu, pipa tembaga, kaca, ruang kolektor, air laut dan air sirkulasi. Untuk
memperoleh data-data temperatur dalam setiap menitnya (interval waktu
perekaman dapat disesuaikan). Lalu pada bagian belakang agilent dipasang
flasdisk untuk merekam data-data temperatur dari setiap kabel-kabel tersebut,
kemudian tekan tombol scan pada agilent, lalu dihubungkan ke laptop
menggunakan kabel data USB. Setelah proses perekaman selesai, data dari kedua
alat ukur ini dapat dilihat pada laptop dalam bentuk Microsoft excel.
9
10
3
6
8
4
1
7
2
5
Data Logger Hobo
Aigilent
Kabel Termokopel
Gambar 3.16 Set Up Experimental
45
Universitas Sumatera Utara
Tabel 3.1 Titik-titik Pengukuran Temperatur pada Kolektor Surya
Chanel 101
Air Masuk
Chanel 108
Air Keluar
Chanel 112
Pipa Tembaga
Chanel 113
Air Sirkulasi
Chanel 114
Air Laut
Chanel 115
Plat Absorber
Chanel 116
Kaca Atas
Chanel 117
Air Keluar APK
Chanel 118
Ruangan
Chanel 119
Kaca Bawah
Titik 1
Titik 2
Titik 3
Titik 4
Titik 5
Titik 6
Titik 7
Titik 8
Titik 9
Titik 10
Berikut prosedur dalam pengujian, adapun langkah-langkah pengaturan agilent
sebagai berikut :
1. Tentukan titik-titik yang akan diukur pada kolektor surya, yang tertera
pada tabel diatas.
2. Hubungkan termokopel yang telah dipasang pada kolektor ke Agilent data
acquisition.
3. Tandai kabel-kabel termokopel sesuai chanel pada agilent data acquition
dengan memberi label supaya data pengukuran tidak tertukar.
4. Masukkan flasdisk ke port usb.
5. Hidupkan alat dengan menekan tombol on/off.
6. Tekan tombol interval untuk mengatur lama pengukuran yang akan
dilakukan. Selanjutnya gunakan tombol pemindah angka dan switch
perubah angka untuk mengatur waktu yang diinginkan.
7. Jika batas pengukuran telah dicapai, tekan tombol scan lama sampai
muncul scan stop pada display alat, kemudian keluarkan flasdisk.
8. Data pengukuran temperatur telah tersimpan dalam format Microsoft
Office Excel dan siap untuk diolah.
46
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
RANCANG BANGUN DAN HASIL DATA
4.1. Rancang Bangun Alat
Gambar 4.1 Kolektor Surya
4.1.1. Penyangga Kolektor Surya
Seperti yang sudah dijelaskan pada bab sebelumnya, rangka alat pemanas ini
memiliki fungsi sebagai tumpuan kolektor. Oleh karena itu haruslah kuat dan
kokoh, maka bahan yang dipilih yaitu besi siku ketebalan 3mm. Pada rancang
bangun ini, penyangga alat pemanas air ini memiliki dimensi dengan panjang 1,7
m, lebar 1 dan tinggi 1,25 m, dan ukuruan dari besi siku L tersebut adalah 5cm x
5cm.
4.1.2. Perancangan Tangki Air Laut.
Pada perancangan tangki air laut dirujuk dari kapasitas evaporator pada skripsi
Frengky Nababan, 2016 hal (33-34). Untuk menguapkan air laut sebanyak
20
liter. Maka dilakukan perancangan tangki air laut berbentuk kubusdengan ukuran,
47
Universitas Sumatera Utara
panjang 0,3 m, lebar 0,3 m dan tinggi 0,4 m, terbuat dari bahan fiber glassdan
diisoalsi agar panasnya tidak mudah hilang.
sehingga A = 0,3m x 0,3m = 0,09 m2
Luas alas
=pxl
Maka; V
= A x t = 0,036 m3
Dimensi yang diperoleh, p = 0,3m; l = 0,3m; t = 0,4m.
Gambar 4.2Perancangan Tangki
4.1.3. Perancangan Pipa Air Sirkulasi.
Perancangan pipa pada kolektor.
Pipa yang digunakan pada kolektor adalah pipa tembaga, ukuran ¼ inchi (6,35
mm), panjang totalnya adalah 8 m.
48
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.3 Perancangan Pipa
Perancangan pipa pada tangki air laut.
Perancangan pipa sebagai penukar kalor pada tangki air laut, dengan jenis pipa
tembaga galvanize, ukuran ¼ inchi (6,35 mm), panjang 2 m.
Gambar 4.4 Pipa Penukar Kalor
Jumlah energi panas untuk menaikkan temperatur air (qA)dapat dihitung. Dimana
laju aliran air yang melewati pipa-pipa penukar panas adalah 400ml/menit atau
0,0004m3/menit.Pada tanggal 4 Januari 2016, temperatur rata-rata antara air
sebelum masuk dan keluar pipa ̅ A = (30,14+38,96)/2 = 34,55oC maka dari
lampiran 3 dan4 diperoleh sifat-sifat air A = 994,3 kg/m3dancpA = 4178 J/kg.K.
Sedangkan massa air mApada menit pertama adalah:
ṁA
= A × QA
= 994,3× 0,0004
= 0,0066167 kg/s
49
Universitas Sumatera Utara
Maka kapasitas panas pada air qApada menit pertama adalah:
qA
= mA × cpA × (TAf - TAi)
= 0,0066167 × 4178 × (311,96-303,14)
= 243,784 Watt
4.1.4. Perancangan Kolektor Surya
Kolektor surya pada rancang bangun ini adalah tipe plat datar. Panjang dari
pada kolektor surya ini adalah 1,5 m dengan lebar 0,64m. Berikut ini adalah
gambar detail kolektor surya beserta ukurannya [dalam mm].
Gambar 4.6 Dimensi Kolektor Surya
Kolektor surya terdiri atas 4 lapisan yaitu kayu, sterofoam, rockwoll dan plat
alumunium.
Tabel 4.1 Konduktivitas Termal Bahan
Kaluminium = 237 W/m.K
Ksterofoam
= 0,036 W/m.K
Kkayu= 0,140 W/m.K
Kglass= 1,3W/m.K
Krockwoll= 0,042 W/m.K
Ktembaga
= 385 W/m.K
Berikut dimensi dari kolektor surya :
(Keterangan : A=Luas; p=panjang; l=lebar; t=tebal)
A1 = p1 x l1 = 1,5 m x 0,169 m = 0.253 m2, A1.1 = 0,64 m x 0,169 m = 0,108 m2
A2 = p2 x l2 = 1,5 m x 0,160 m = 0.240 m2, A1.2 = 0,64 m x 0,160 m = 0,102 m2
A3 = p3 x l3 = 1,5 m x 0,110 m = 0.165 m2, A1.3 = 0,64 m x 0,110 m = 0,070 m2
A4 = p4 x l4 = 1,5 m x 0,050 m = 0.075 m2, A1.4 = 0,64 m x 0.050 m = 0,032 m2
50
Universitas Sumatera Utara
A5 = p5 x l5 = 1,5 m x 0,51 m =0.765 m2
A6 = p6 x l6 = 1,5 m x 0,55 m = 0.825 m2
A7 = p7 x l7 = 1,5 m x 0,60 m = 0.90 m2
A8 = p8 x l8 = 1,5 m x 0,64 m = 0.96 m2
t1 = t8 = 7 mm
t2 = t7 = 50 mm
t3 = t6 = 60 mm
t4 = t5 = 0,3 mm
4.2. Perhitungan dan Hasil Data
Pada penelitian ini, perhitungan dan hasil data diperoleh dari pengujian alat
yang dilakukan pada tanggal 4 Januari 2016 saat kondisi matahari cerah.
4.2.1. Analisis Intensitas Radiasi Matahari (Solar Radiation)
Intensitas radiasi matahari diukur dengan menggunakan alat ukur sensor
radiasi yaitu pyranometer yang terdapat pada Hobo Micro Station Data Logger.
Alat ukur ini berada di Laboratorium Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara.
Berikut data hasil pengukuran Hobo terhadap IntensitasRadiasi Matahari pada
tanggal 04 Januari 2016.
Tabel Data Intensitas Matahari 04 Januari 2016 untuk permenitnya tertera pada
lampiran 1.
Berikut adalah grafik Intensitas matahari tanggal 04 Januari 2016, pada gambar
4.7
51
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.7 Grafik Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 04 Januari 2016
Radiasi rata-rata intensitas radiasi matahari pada tanggal 04 Januari 2016
dari pukul 09.00 WIB – 17.00 WIB adalah 434,8 W/m2.
4.2.2. Perhitungan Kolektor Surya
Perhitungan panas dan efisiensi pada kolektor surya dilakukan setiap menit.
Untuk perhitungan pada laporan ini digunakan data pengujian pada hari ke empat
pengujian, yaitu pada tanggal 04 Januari 2016 saat intensitas radiasi matahari
maksimum pada pukul 12.41 WIB. Temperatur permukaan plat, permukaan kaca
dan dalam kolektor diperoleh dari data Agilent, sedangkan temperatur lingkungan
dan intensitas radiasi matahari diambil dari data Hobo.
Berikut adalah data suhu pada tiap titik kolektor dan Intensitas Radiasi Matahari
maksimum pada tanggal 04Januari 2016 pukul 12.41 WIB.
Tabel 4.2 Data Suhu dan Intensitas Radiasi Matahari 04 Januari 2016 pada pukul
12.41 WIB.
Suhu (0C)
Waktu
12.41 WIB
Plat
69.41
Ruang
Kaca
Kaca
Kolektor
1
2
61.34
48,02
62.85
Intensitas
Kayu
Lingkungan
Matahari
(W/m2)
38,84
33.86
870.6
52
Universitas Sumatera Utara
Berikut adalah grafik temperatur beberapa titik pada kolektor, pada gambar 4.8
Gambar 4.8 Grafik Temperatur Pada Beberapa Titik Kolektor vs Waktu
tanggal04 Januari 2016
Grafik diatas menunjukkan temperatur pada tiap titik kolektor dan
lingkungan seperti plat absorber, ruang kolektor, dan bagian terluar kolektor yakni
kayu, dapat kita lihat temperatur tertinggi adalah plat absorber pada warna garis
hitam menunjukkan bahwa konduktivitas dari bahan plat absorber yakni plat
alumunium yaitu 237 W/m.K, dengan diberi cat hitam yang dapat menyerap
radiasi matahari sangat baik. Dapat juga kita lihat pada grafik bahwa perubahan
atau naik turunnya temperatur berdasarkan waktu dengan kondisi matahari cerah
atau tertutup awan yang menyebabkan berkurangnya radiasi yang masuk sehingga
menurunnya temperatur pada beberapa titik kolektor dan sebaliknya.
4.2.3. Menghitung Koefisien Konveksi
a. Menghitung Koefisien Konveksi Permukaan Luar (h1)
Koefisien konveksi permukaan luar adalah koefisen konveksi antara udara
lingkungan terhadap permukaan kayu, h1 (koefisien konveksi natural)
Temperatur Lingkungan (TL) vs Temperatur Permukaan Kayu (Tk)
Temperatur Lingkungan (TL) = 33,860C
= 306,86 K
= 38,840C
= 311,84 K
Temperatur Kayu (Tk)
Temperatur Film (Tf)
0
= 36,35 C
= 309.35K
53
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.3 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 309,35 K, pada lampiran 2.
Tf
Cp
x 10-5
k x 10-2
x 10-5
(K)
(kg/m3)
(J/kg.K)
(N.s/m2)
(W/m.K)
(m2/s)
309,35
1.1302698
1007.003
1,8901508
2,699219
2,317348
Pr
0,705690
Menghitung bilangan Grashoff (GrL)
= massa jenis udara
g = gravitasi
= 1.1302698 kg/m3
= 9,81 m/s2
= kemiringan kolektor
= 00
= koefisien udara
=
L = panjang kolektor
= viskositas udara
= 0,00326/K
= 1,5 m
= 1,8901508 Ns/m2
Maka :
GrL = 1,92 x 109
Menghitung bilangan Rayleigh (RaL)
RaL = GrL x Pr
RaL = Bilangan Rayleigh
GrL = Bilangan Grashoff
Pr = Bilangan Prandt
Maka :
RaL = 1,92 x 109 x 0,705690
= 1,35 x 109
Menghitung bilangan Nusselt (Nu%)
Nux = 0,59 RaL0,25 untuk 104 ≤ RaL ≤ 109
Nux = 0,1 RaL1/3 untuk 109 ≤ RaL ≤ 1013
Nux = bilangan Nusselt
RaL = bilangan Rayleigh
54
Universitas Sumatera Utara
Karena RaL diantara 104 ≤ RaL ≤ 109, maka besarnya bilangan Nusselt adalah
Nux = 0,59 RaL0,25
= 0,59 x (1,35 x 109)0,25
= 113,249
Menghitung koefisien konveksi (h1)
Nux =
atau h1=
Nux = bilangan Nusselt
l = lebar kolektor surya= 0,64 m
k = konduktivitas termal udara = 2,699219 x 10-2 W/mk
maka :
h1 =
= 4,776 W/m2K
Untuk hasil perhitungan setiap menitnya menggunakan Microsoft Excel yang
tertera pada lampiran 5.
b. Menghitung Koefisien Konveksi Permukaan Dalam (h2)
Koefisien konveksi permukaan dalam adalah koefisien konveksi antara udara
dalam kolektor terhadap permukaan plat absorber.
Temperatur udara kolektor (Tu) vs temperatur permukaan plat absorber (Tp)
Temperatur udara kolektor (Tu)
= 61,340C
= 334,34 K
Temperatur plat absorber (Tp)
= 69,410C
= 342,41 K
Temperatur Film (Tf)
= 65,370C
= 338,37 K
Tabel 4.4 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 338,37 K, pada lampiran 2.
Tf
Cp
x 10-3
k x 10-2
x 10-5
(K)
(kg/m3)
(J/kg.K)
(N.s/m2)
(W/m.K)
338,37
1,0336763
1008,535
2,027146
2,9140009 2,818001
Pr
(m2/s)
0,694627
55
Universitas Sumatera Utara
Menghitung bilangan Grashoff (GrL)
= massa jenis udara
g = gravitasi
= 1,0336763 kg/m3
= 9,81 m/s2
= kemiringan kolektor
= 00
= koefisien udara
=
L = panjang kolektor
= viskositas udara
= 0,00299/K
= 1.5 m
= 2,027146 Ns/m2
Maka :
GrL = 2,07 x 109
Menghitung bilangan Raykeight (RaL)
RaL = GrL x Pr
RaL = Bilangan Rayleigh
GrL = Bilangan Grashoff
Pr = Bilangan Prandt
Maka :
RaL = 2,07 x 109 x 0,694627
= 0,144 x 109
Menghitung bilangan Nusselt (Nux)
Nux = 0,59 RaL0,25 untuk 104 ≤ RaL ≤ 109
Nux = 0,1 RaL1/3 untuk 109 ≤ RaL ≤ 1013
Nux = bilangan Nusselt
RaL = bilangan Rayleigh
Karena RaL diantara 104 ≤ RaL ≤ 109, maka besarnya bilangan Nusselt adalah
Nux = 0,59 RaL0,25
= 0,59 x (0,144 x 109)0,25
= 114,981
Menghitung koefisien konveksi (h2)
56
Universitas Sumatera Utara
Nux =
atau h2=
Nux = bilangan Nusselt
l = lebar penampang plat= 0,05 m
k = konduktivitas termal udara = 2,027146 x 10-2 W/mk
maka :
h2 =
= 67,011 W/m2K
Untuk hasil perhitungan setiap setiap menitnya menggunakan Microsoft Excel
yang tertera pada lampiran 5.
4.2.4. Menghitung Kehilangan Panas
1. Menghitung Kehilangan Panas pada Sisi Dinding (Q1)
Q1 = Ud.A(Tu – TL)=
Ud = koefesien pindahan panas menyeluruh pada dinding
h1 = koefesien konveksi permukaan luar (W/m2.K)
h2 = koefisien konveksi permukaan dalam (W/m2.K)
Tu = temperatur udara dalam kolektor (K)
TL = temperatur lingkungan (K)
t1 = tebal kayu (m)
t2 = tebal sterofoam (m)
t3 = tebal rockwoll (m)
t4 = tebal plat absorber (m)
kky = konduktivitas termal kayu (W/m.K)
kst = konduktivitas termal sterofoam (W/m.K)
krw = konduktivitas termal rockwoll (W/m.K)
kp = konduktivitas termal plat absorber (W/m.K)
A1 = luas permukaan kayu pada sisi dinding (m2)
A2 = luas permukaan sterofoam pada sisi dinding (m2)
A3 = luas permukaan rockwoll pada sisi dinding (m2)
A4 = luas permukaan plat absorber pada sisi dinding (m2)
57
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.9 Lapisan-lapisan Susunan Kolektor
= 0,197238 K/W
= 5.787037 K/W
= 8,658008 K/W
= 0,00001688 K/W
= 0,19897185 K/W
Maka :
Qa =
= 1,75 Watt
Pada sisi dinding atas dan bawah meiliki dimensi yang sama, maka kehilangan
panas pada sisi dinding atas dan bawah 1,75 x 2 = 3,5 Watt.
Kehilangan panas pada sisi dinding lainnya,
A1.1 = luas permukaan kayu pada sisi dinding (m2)
A2.1 = luas permukaan sterofoam pada sisi dinding (m2)
A3.1 = luas permukaan rockwoll pada sisi dinding (m2)
A4.1 = luas permukaan plat absorber pada sisi dinding (m2)
58
Universitas Sumatera Utara
Q1 = Ud.A(Tu – TL)=
Qb =
= 0,744 Watt
Pada sisi dinding kiri dan kanan meiliki dimensi yang sama, maka kehilangan
panas pada sisi kiri dan kanan 0,744 x 2 = 1,489 Watt.
Jadi total kehilangan panas pada seluruh sisi dinding kolektor surya adalah,
Q1 = 3,5 + 1,489 = 4,989 Watt
Untuk hasil perhitungan setiap menitnya menggunakan Microsoft Excel yang
tertera pada lampiran 6.
2. Menghitung Kehilangan Panas pada Sisi Alas (Q2)
Q2 = UbA(Tu-Tr) =
Ub = koefisien pindahan panas menyeluruh pada sisi bawah (alas)
h1 = koefisien konveksi permukaan luar (W/m2.K)
h2 = koefisien konveksi permukaan dalam (W/m2.K)
Tu = temperatur udara dalam kolektor (K)
TL = temperatur lingkungan (K)
t8 = tebal kayu (m)
t7 = tebal sterofoam (m)
t6 = tebal rockwoll (m)
t5 = tebal plat absorber (m)
kky = konduktivitas termal kayu (W/m.K)
kst = konduktivitas termal sterofoam (W/m.K)
krw = konduktivitas termal rockwoll (W/m.K)
kp = konduktivitas termal plat absorber (W/m.K)
A8 = luas permukaan kayu pada sisi alas (m2)
A7 = luas permukaan sterofoam pada sisi alas (m2)
A6 = luas permukaan rockwoll pada sisi alas (m2)
A5 = luas permukaan plat absorber pada sisi alas (m2)
59
Universitas Sumatera Utara
= 0,052083 K/W
= 1.543209 K/W
= 1,731601 K/W
= 0,00000165 K/W
= 0,01950704 K/W
Maka :
Q2 =
= 5,38` watt
Untuk hasil perhitungan setiap menitnya menggunakan Microsoft Excel yang
tertera pada lampiran 6.
3. Menghitung Kehilangan Panas pada kaca/Cover (Q3)
Berikut adalah disain dari kolektor surya plat datar dengan kaca berlapis, pada
gambar 4.10.
Gambar 4.10Dimensi Kolektor Surya
qa = Ua x Aa x (TPA – TL)
Keterangan :
Qa = Kehilangan panas dari bagian atas
Aa = Luas sisi kolektor bagian atas
TPA = Temperatur plat absorber
Tk1 = Temperatur kaca pentup 1
60
Universitas Sumatera Utara
Tk2 = Temperatur kaca penutup 2
TG1 = Ruangan antara kaca penutup 1 dan 2
TG2 = Ruangan kolektor surya (antara kaca 2 dan absorber).
TL = Temperatur lingkungan
Gambar 4.11 Grafik Temperatur Kaca Penutup 1 dan Penutup 2
Nilai qa sebanding dengan perkalian koefisien kehilangan energi panas dari bagian
atas (Ua) dengan luas sisi kolektor bagian atas (Aa) dan temperatur plat abosrber
(TPA) dan lingkungan (TL).
Ua =
hv-K1 = Koefisien kehilangan panas secara konveksi akibat angin yang berhembus
diatas permukaan kaca penutup 1.
hv-K1 = 5,7 + 3,8v (v< 5 m/s)
hv-K1 = 6,4 v0,78 (v> 5 m/s)
dimana nilai kecepatan angin (v) yang terukur pada pukul 12.41 WIB adalah
0,006 m/s lebih kecil dari 5 m/s2
hv-K1
= 5,7 + 3,8v
= 5,7 + (3,8 x 0,006)
= 5,7228 W/m2.K
61
Universitas Sumatera Utara
hd-K1atau hd-K2 = Koefisien kehilangan energi panas karena konduktivitas termal
kaca penutup 1 atau 2.
hd-K1 =
k = konduktivitas termal kaca berbahan glass adalah 1,3 W/m.k
t = tebal kaca penutup 1 ( 5mm = 0,005m).
=
hd-K1
= 260 W/m2.K
hv-K2 = Koefisien kehilangan panas akibat konveksi natural pada kaca penutup 2.
hv-K2 =
Nu = bilangan Nusselt
k
= konduktivitas termal udara
t
= ketinggian pada ruangan kosong antara kaca penutup 1 dan 2 (G1)
Dalam perhitungan bilangan tersebut memerlukan sifat-sifat udara yang dianalisa
pada temperatur ruangan kosong antara penutup 1 dan 2 (G1) yang diperoleh dari
nilai rata-rata antara Tk1 dan Tk2.
TG1 =
= 328,44 K
Tabel 4.5 Sifat fisik udara pada temperatur 328,44 K, pada lampiran 2.
Tf
(kg/m3)
(K)
328,44
Cp
v
k
Pr
(J/kg.K)
(m2/s)
(W/m.K)
1.0667500 1008.137 0,0000188 0,0284045 0.703018
Maka :
GrL(G1) =
=
= 6301090,184
62
Universitas Sumatera Utara
Sehingga bilangan RaL diperoleh dengan persamaan .
RaL(G1) = GrL(G1) × PrL(G1)
= 6301090,184× 0.703296
= 4429781,899
Bilangan NuLuntuk 102< RaL< 108 dapat dihitung dengan persamaan berikut.
Dimana dari tabel 2.4 dengan = 0 diperoleh parameter m = 0,07, n = 0,32 × 104,
dan K = 1,333. Maka NuL diperoleh:
NuL(G1) = 1 +
=1+
= 12,42
Maka hv-K2didapat dengan persamaan.
hv-K2
=
=
= 70,61 W/m2.K.
hd-K2sama dengan nilaihd-K1karena konduktivitas bahan dan tebal kaca sama, yaitu
260 W/m2.K.
hr-PA = kehilangan panas akibat radiasi dari plat absorber ke lingkungan dapat
ditentukan dengan persamaan berikut.
Dimana = 5,67 x 10-8 W/m2.K (nilai konstanta Stefan Boltzman),
PA= 0,97.
hr-PA
K1=
0,88 dan
=
=
= 7,09 W/m2.K.
hv-PA = Koefisien kehilangan energi panas akibat konveksi pada permukaan plat
absorber. Nilai hv-PA didapatkan seperti langkah-langkah pada perhitungan hv-K2.
63
Universitas Sumatera Utara
Perhitungan hv-PA perlu diketahui dulu sifat udara pada temperatur ruang antara
kaca 2 dan plat absorber (TG2) = 61,18oC = 334,34 K.
Tabel 4.6 Sifat fisik udara pada temperatur 334,34 K, pada lampiran 2.
Tf
(kg/m3)
(K)
334,34
Cp
v
k
Pr
(J/kg.K)
(m2/s)
(W/m.K)
1.0470965 1,0083738 0,00001935 0,028841
0,702191
Sedangkan tG2 = 0,04 m. Maka GrL pada ruang antara kaca dengan plat absorber
adalah :
GrL(G2) =
=
= 20260511,47
RaL(G2) = GrL(G2) × Pr(G2)
= 20260511,47× 0,702191
= 14226760,15
Bilangan NuLpada Gap 2 yaitu:
NuL(G2) = 1 +
=1+
= 17,86
Sehinggahv-PA adalah:
hv-PA
=
=
= 12,88 W/m2.K.
64
Universitas Sumatera Utara
Setelah hv-PA diperoleh maka Uaadalah:
Ua =
Ua
=
= 4,05 W/m2. K
Besarnya kehilangan panas melalui permukaan kaca penutup 1 dengan luas AK1 =
0,96 m2dapat dihitung dengan persamaan.
Q3 = Ua × AK1 × (TPA-TL)
= 4,05 × 0,96 x (
307,09)
= 137,45 Watt
Untuk hasil perhitungan setiap menitnya menggunakan Microsoft Excel yang
tertera pada lampiran 6.
Dari hasil perhitungan kehilangan panas yang telah dilakukan, maka diperoleh
total kehilangan panas pada kolektor adalah :
Qloss
= Qdinding + Qalas + Qatas
= 4,99 + 5,38 + 137,45
= 147,838 Watt.
Untuk hasil perhitungan setiap menitnya dihitung menggunakan Microsoft Excel
yang tertera pada lampiran6.
Berikut adalah Grafik kehilangan panas pada sisi dinding, alas, dan atas.
65
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.12 Grafik Kehilangan Panas pada Dinding, Alas, dan Atas vs Waktu
pada Tanggal 04 Januari 2016
4.2.5 Menghitung Energi yang Sampai ke Kolektor untuk Kaca Berlapis
Energi yang sampai pada kolektor dapat dihitung dengan menggunakan
rumus:
Qincident A Idt
2
1
Dimana:
A
: Luas penampang dari pelat absorber (m2)
: 0,96 m2
Penelitian dimulai pukul
09.00 WIB
pada intensitas awal 385 W/m2 dan
intensitas tertinggi 870 W/m2 pada pukul 12.41 WIB. Dengan memperhatikan
grafik intensitas matahari yang terjadi pada saat penelitian ini ditunjukkan pada
Gambar 4.10, maka dapat kita hitung besarnya energi berguna kolektor Alat
pemanas air tenaga surya.
Dengan memperhatikan grafik intensitas matahari yang terjadi saat penelitian ini
maka dapat kita hitung besarnya energi yang sampai pada solar kolektor pemanas
air laut sebagai berikut:
66
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.10. Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu,Tanggal 04 Januari 2016
Untuk menyelesaikan persamaan: Qincident A Idt
2
1
Idt dapat dihitung dari luas dibawah kurva dengan menggunakan metode
2
Harga
1
trapesium. Dimana setiap 1 menit (60 detik) kita menghitung luas dibawah kurva
dengan menggunakan rumus sebagai berikut:
L1
y 0 y1
X
2
L1
385,6 389,4
60
2
Maka:
L1 23.250 Joule/m 2
Sehingga luas dibawah kurva dalam 1 (satu) menit adalah 23.250 Joule/m2.
Karena air telah mencapai temperatur maksimum pada pukul 12.41 WIB, dengan
menggunakan bantuan MS Excel, maka besarnya luas di bawah kurva di dapat
sebagai berikut:
L 7.380.345
Sehingga energi yang sampai pada kolektor adalah:
Qincident 0,96x 7.380.345
67
Universitas Sumatera Utara
Qincident 5972.123kJ
4.2.6 Energi yang Diserap oleh Air Pada Kolektor Kaca Berlapis
Energi ini dapat di hitung dengan menggunakan rumus:
Qu m w C pw (Tw2 Tw1 )
Dimana:
mw
=
Massa air (kg) = 20 kg
Cp.w
=
Panas jenis dari air laut(kJ/kg.0C) = 4,18 kJ/kg0C
Tw1
=
Temperatur awal air sebelum dipanaskan oleh kolektor (0C) = 33,080C
Tw2
=
Temperatur aktual setelah dipanaskan oleh kolektor (0C) = 53,300C
Maka:
Qu 20 4,18 (53,30 33,08)
1690,392 kJ
4.2.7 Efisiensi dari Kolektor dengan Kaca Berlapis
Efisiensi kolektor untuk memanaskan air dengan menggunakan air
sirkulasi dapat dihitung sebagai berikut:
Qu
Qincident
1690,392
5972,123
0,28 x 100%
28 %
68
Universitas Sumatera Utara
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Adapun kesimpulan dari rancang bangun ini adalah :
1. Telah dirancang bangun pemanas kolektor surya plat datar dengan kaca
berlapis. Adapun ukuran kolektor surya adalah 1,5 m x 0,64 m x 0,169 m
yang tersusun atas 4 lapisan yaitu kayu (triplek), sterofoam, rockwoll sebagai
isolator dan plat alumunium sebagai penyerap panas, sedangkan ukuran kaca
berlapis pada kolektor surya kali ini, kaca penutup 1 yaitu 1,2 m x 0,6 m x
0,005 m dan kaca penutup 2 yaitu 1,0 m x 0,5 m x 0,005 m dengan jarak
antara kaca penutup 1 dan kaca penutup 2 yaitu 50 mm. Dan tangki air yang
dipanasi dengan ukuran 0,3 m x 0,3 m x 0,4 m dengan kapasitas
30 liter.
Dengan menggunakan kaca berlapis panas pada kolektor tidak mudah hilang
akibat dari panas yang terperangkap pada ruangan antara kaca 1 dan 2.
2. Temperatur maksimum beberapa titik kolektor pada tanggal 04 Januari 2016
pukul 12.41 WIB sebagai berikut :
a. Plat absorber
: 69,41 0C
b. Kaca penutup 1
: 48,02 0C
c. Kaca penutup 2
: 62,85 0C
d. Gap 1
: 55,44 0C
e. Gap 2
: 61,34 0C
3. Dari hasil perhitungan yang dilakukan, maka diperoleh prestasi kerja dari
pada kolektor surya plat datar dengan kaca berlapis sebagai berikut :
a. Panas hilang dari kolektor (Qloss)
= 147,83 Watt
b. Panas masuk ke kolektor (Qrad)
= 689,09 Watt
c. Efisiensi (η)
= 64,7 %
5.2. Saran
Adapun saran bagi yang akan melanjutkan rancang bangun ini untuk
perbaikan ke depannya adalah :
69
Universitas Sumatera Utara
1. Supaya lebih memperhitungkan lagi pada saat pembuatan untuk
mengurangi kebocoran-kebocoran pada bagian kolektor, terkhusus pada
pipa APK yang langsung terhubung ke tangki air laut dan air surya, supaya
mengurangi kehilangan panas.
2. Perlu diperhatikan dalam hal posisi peletakan kolektor surya agar dapat
menerima radiasi matahari secara maksimal.
3. Temperatur maksimum air yang dipanasi adalah 530C, air akan
berevaporasi pada suhu 1000C, maka nantinya perancangan evaporator
pada desalinasi air laut harus dalam kondisi vacumm agar air dapat
berevaporasi.
70
Universitas Sumatera Utara
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kolektor Surya Plat Datar
Kolektor suryaplat datar seperti pada gambar 2.1 merupakan kotak tertutup
yang bagian atas dipasang kaca atau plastik transparan dengan lempengan
konduktor penyerap panas di bagian bawahnya. Kolektor ini biasanya dilapisi
dengan lapisan untuk menyerap dan meminimalkan kehilangan panas.
Gambar 2.1. Bagian Kolektor Surya Plat Datar [3]
Sistem kerja dari kolektor ini yaitu sinar matahari akan melewati kaca
transparan pada kolektor dan langsung menuju lempengan konduktor penyerap
panas (plat absorber) yang kemudian mengubah energi matahari yang diterima
menjadi energi panas. Selanjutnya panas ditransfer ke cairan dalam pipa tembaga
yang melekat pada plat absorber yang dicat menggunakan bahan khusus yang
menyerap dan mempertahankan panas lebih baik dari cat hitam biasa. Plat
absorber terbuat dari logam tembaga atau aluminium, karena logam merupakan
konduktor panas yang baik. Tembaga adalah konduktor yang lebih baik tetapi
kurang tahan terhadap korosi dibandingkan aluminium dan harganyalebih mahal.
Keuntungan utama dari kolektor surya plat datar adalah kolektor ini
memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung
dan sebaran sehingga tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena
desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya
5
Universitas Sumatera Utara
pembuatan yang murah. Kolektor plat datar juga dapat bertahan selama lebih dari
25 tahun [4].
Kolektor surya plat datar terdiri dari beberapa komponen utama yaitu:
1. Kaca penutup
Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya berupa
gelombang pendek dan mencegah panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan
pada bagian atas. Berdasarkan fungsi ini maka kaca penutup harus mempunyai
sifat-sifat sebagai berikut [5]:
a. Transmisivitas tinggi ( )
b. Absorsivitas rendah ( )
c. Refleksivitas rendah ( )
d. Tahan panas
e. Ada dipasaran dan kuat
Ketebalan dan jarak kaca penutup terhadap plat absorber juga sangat
berpengaruh kepada temperatur penyerapan plat absorber didapat bahwa
temperatur plat tertinggi dicapai saat kaca yang dipakai jenis kaca bening dengan
tebal 3 mm dengan jarak kaca ke plat absorber 20 mm [6].
Jumlah kaca penutup dari kolektor mempengaruhi unjuk kerja dari
kolektor.Secara umum diperoleh hasil bahwa dengan menggunakan dua buah kaca
penutup diperolehefisiensi yang lebih baik dibandingkan hanya menggunakan satu
kaca.Perbedaan suhu antaraair keluar kolektor dan yang masuk ke kolektor
dengan 2 kaca penutup bisa lebih tinggi hinggasekitar 17°C dibandingkan
kolektor dengan sebuah kaca penutup [7].
2. Plat absorber
Plat penyerap atau plat absorber berfungsi menyerap radiasi matahari yang
diteruskan kaca penutup dan mengkonversikan menjadi energi panas. Energi
panas dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi. Bahan-bahan yang
dipakai untuk plat penyerap biasanya yaitu: aluminium, tembaga, kuningan, dan
baja. Berdasarkan fungsi plat absorber maka dalam pemilihan bahan plat harus
mengacu pada pertimbangan berikut ini [5]:
6
Universitas Sumatera Utara
a. Absorbsivitas tinggi ( )
b. Emisifitas panas rendah ( )
c. Kapasitas panas kecil (Cp).
d. Konduktifitas besar (k)
e. Refleksi rendah ( )
f. Tahan panas dan tahan korosi
g. Kaku dan mudah dibentuk
h. Ada dipasaran
Ketebalan plat penyerap dan jarak antar pipa penyalur cairan terhadap
performansi kolektor plat datar memiliki hubungan yang cukup signifikan.
Performansi kolektor plat datar berbahan tembagatertinggi dihasilkan dengan
konfigurasi ketebalan plat1,2 mm dan jarak antar pipa penyalur cairan 73,6 mm[8].
3. Isolasi
Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke
lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor.Pada isolasi terjadi
perpindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh
sifat-sifat bahan. Isolasi yang digunakan haruslah memenuhi kreteria berikut [5]:
a. Konduktivitas termal bahan kecil
b. Mudah dibentuk dan praktis
c. Harga murah dan ada dipasaran
d. Tahan lama
2.2. Klasifikasi Kolektor Surya
Kolektor surya dapat didefenisikan sebagai sistem perpindahan panas yang
menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai
sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor
surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan
sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas
tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi didalam kolektor surya
untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi. Kolektor surya yang pada
umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu : [9]
7
Universitas Sumatera Utara
1. Cover, berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju
lingkungan.
2. Absorber, berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari.
3. Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja.
4. Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari
absorber menuju lingkungan.
5. Frame, berfungsi sebagai struktur pembentu
73
Universitas Sumatera Utara
74
Universitas Sumatera Utara
75
Universitas Sumatera Utara
76
Universitas Sumatera Utara
77
Universitas Sumatera Utara
78
Universitas Sumatera Utara
No
1
Tanggal Pengujian
04 Januari 2016
Pukul 12.41 WIB
Titik-titik Kolektor Surya
Air Masuk
Pipa Tembaga
Ruangan Kolektor Surya
Kaca Penutup 2
Kaca Penutup 1
Air Keluar
Permukaan Kayu
Air Sirkulasi
Air Keluar dari APK
Air Laut
Plat Absorber
Temperatur Maksimum
460C
520C
570C
580C
460C
510C
360C
490C
490C
510C
610C
2
05 Januari 2016
Pukul 13.58 WIB
Air Masuk
Pipa Tembaga
Ruangan Kolektor Surya
Kaca Penutup 2
Kaca Penutup 1
Air Keluar
Permukaan Kayu
Air Sirkulasi
Air Keluar dari APK
Temperatur Air Laut
Plat Absorber
430C
470C
490C
490C
400C
450C
340C
450C
450C
460C
520C
3
06 Januari 2016
Pukul 11.49 WIB
Air Masuk
Pipa Tembaga
Ruangan Kolektor Surya
Kaca Penutup 2
Kaca Penutup 1
Air Keluar
Permukaan Kayu
Air Sirkulasi
Air Keluar dari APK
Temperatur Air Laut
Plat Absorber
390C
490C
600C
560C
460C
480C
340C
400C
410C
430C
620C
4
07 Januari 2016
Pukul 11.58 WIB
Air Masuk
Pipa Tembaga
Ruangan Kolektor Surya
Kaca Penutup 2
Kaca Penutup 1
Air Keluar
Permukaan Kayu
Air Sirkulasi
Air Keluar dari APK
410C
440C
460C
460C
410C
440C
360C
440C
440C
79
Universitas Sumatera Utara
Temperatur Air Laut
Plat Absorber
450C
510C
5
08 Januari 2016
Pukul 14.50 WIB
Air Masuk
Pipa Tembaga
Ruangan Kolektor Surya
Kaca Penutup 2
Kaca Penutup 1
Air Keluar
Permukaan Kayu
Air Sirkulasi
Air Keluar dari APK
Temperatur Air Laut
Plat Absorber
500C
610C
690C
720C
410C
600C
390C
540C
540C
560C
820C
6
09 Januari 2016
Pukul 12.03 WIB
Air Masuk
Pipa Tembaga
Ruangan Kolektor Surya
Kaca Penutup 2
Kaca Penutup 1
Air Keluar
Permukaan Kayu
Air Sirkulasi
Air Keluar dari APK
Temperatur Air Laut
Plat Absorber
440C
540C
660C
680C
510C
540C
360C
470C
500C
500C
740C
80
Universitas Sumatera Utara
Waktu
09.00
09.01
09.02
09.03
09.04
09.05
09.06
09.07
09.08
09.09
09.10
09.11
09.12
09.13
09.14
09.15
09.16
09.17
09.18
09.19
09.20
09.21
09.22
09.23
09.24
09.25
09.26
09.27
T
33,076
33,378
33,385
33,599
33,835
34,014
34,287
34,489
34,630
34,914
35,012
35,200
35,399
35,608
35,743
35,874
36,130
36,257
36,382
36,502
36,716
36,907
36,983
37,117
37,270
37,481
37,563
37,719
Waktu
09.30
09.31
09.32
09.33
09.34
09.35
09.36
09.37
09.38
09.39
09.40
09.41
09.42
09.43
09.44
09.45
09.46
09.47
09.48
09.49
09.50
09.51
09.52
09.53
09.54
09.55
09.56
09.57
T
38,073
38,295
38,389
38,468
38,665
38,723
38,858
38,959
39,100
39,261
39,381
39,556
39,564
39,710
39,790
39,979
40,031
40,133
40,337
40,410
40,549
40,608
40,726
40,918
41,023
41,073
41,198
41,340
Waktu
10.00
10.01
10.02
10.03
10.04
10.05
10.06
10.07
10.08
10.09
10.10
10.11
10.12
10.13
10.14
10.15
10.16
10.17
10.18
10.19
10.20
10.21
10.22
10.23
10.24
10.25
10.26
10.27
T
41,652
41,751
41,878
41,972
42,031
42,145
42,170
42,284
42,366
42,515
42,598
42,631
42,718
42,812
42,824
42,896
42,964
43,010
43,133
43,182
43,259
43,252
43,371
43,396
43,466
43,597
43,688
43,765
Waktu
10.30
10.31
10.32
10.33
10.34
10.35
10.36
10.37
10.38
10.39
10.40
10.41
10.42
10.43
10.44
10.45
10.46
10.47
10.48
10.49
10.50
10.51
10.52
10.53
10.54
10.55
10.56
10.57
T
44,0
44,1
44,2
44,3
44,4
44,5
44,6
44,7
44,8
44,8
45,0
45,1
45,2
45,3
45,4
45,5
45,6
45,7
45,8
45,9
46,0
46,0
46,1
46,2
46,3
46,4
46,5
46,6
Waktu
11.00
11.01
11.02
11.03
11.04
11.05
11.06
11.07
11.08
11.09
11.10
11.11
11.12
11.13
11.14
11.15
11.16
11.17
11.18
11.19
11.20
11.21
11.22
11.23
11.24
11.25
11.26
11.27
T
46,9
46,9
47,0
47,2
47,2
47,3
47,4
47,6
47,6
47,7
47,7
47,8
47,9
47,9
48,0
48,2
48,3
48,3
48,4
48,5
48,6
48,7
48,8
48,9
48,9
49,1
49,1
49,2
Waktu
11.30
11.31
11.32
11.33
11.34
11.35
11.36
11.37
11.38
11.39
11.40
11.41
11.42
11.43
11.44
11.45
11.46
11.47
11.48
11.49
11.50
11.51
11.52
11.53
11.54
11.55
11.56
11.57
T
49,4
49,5
49,5
49,6
49,7
49,8
49,9
49,9
50,0
50,1
50,2
50,2
50,3
50,4
50,6
50,6
50,8
50,9
51,0
51,0
51,1
51,2
51,2
51,3
51,3
51,5
51,5
51,6
Waktu
12.00
12.01
12.02
12.03
12.04
12.05
12.06
12.07
12.08
12.09
12.10
12.11
12.12
12.13
12.14
12.15
12.16
12.17
12.18
12.19
12.20
12.21
12.22
12.23
12.24
12.25
12.26
12.27
T
51,6
51,6
51,5
51,6
51,5
51,5
51,5
51,5
51,4
51,4
51,4
51,5
51,4
51,5
51,6
51,7
51,7
51,9
51,9
52,0
52,0
52,1
52,0
52,0
52,0
52,0
52,1
52,0
Waktu
12.30
12.31
12.32
12.33
12.34
12.35
12.36
12.37
12.38
12.39
12.40
12.41
12.42
12.43
12.44
12.45
12.46
12.47
12.48
12.49
12.50
12.51
12.52
12.53
12.54
12.55
12.56
12.57
T
52,0
52,1
52,1
52,1
52,2
52,2
52,2
52,4
52,3
52,3
52,5
52,5
52,6
52,7
52,8
52,8
52,9
53,0
53,0
53,0
53,0
53,0
53,1
53,2
53,2
53,1
53,2
53,3
81
Universitas Sumatera Utara
09.28
09.29
13.00
13.01
13.02
13.03
13.04
13.05
13.06
13.07
13.08
13.09
13.10
13.11
13.12
13.13
13.14
13.15
13.16
13.17
13.18
13.19
13.20
13.21
13.22
13.23
13.24
13.25
13.26
37,912
38,076
53,3
53,3
53,2
53,3
53,2
53,2
53,2
53,2
53,2
53,1
53,1
53,1
53,1
53,1
53,1
53,0
53,0
53,0
53,0
53,0
53,0
53,0
52,9
52,9
52,9
52,9
52,9
09.58
09.59
13.30
13.31
13.32
13.33
13.34
13.35
13.36
13.37
13.38
13.39
13.40
13.41
13.42
13.43
13.44
13.45
13.46
13.47
13.48
13.49
13.50
13.51
13.52
13.53
13.54
13.55
13.56
41,521
41,608
53,1
53,1
53,1
53,1
53,0
53,1
53,1
53,1
53,1
53,1
53,1
53,1
53,2
53,2
53,2
53,2
53,3
53,3
53,3
53,3
53,3
53,3
53,2
53,2
53,3
53,2
53,2
10.28
10.29
14.00
14.01
14.02
14.03
14.04
14.05
14.06
14.07
14.08
14.09
14.10
14.11
14.12
14.13
14.14
14.15
14.16
14.17
14.18
14.19
14.20
14.21
14.22
14.23
14.24
14.25
14.26
43,867
43,921
53,1
53,1
53,0
53,0
53,0
52,9
52,8
52,8
52,8
52,8
52,8
52,8
52,7
52,7
52,7
52,7
52,6
52,6
52,6
52,6
52,5
52,5
52,5
52,5
52,4
52,4
52,4
10.58
10.59
14.30
14.31
14.32
14.33
14.34
14.35
14.36
14.37
14.38
14.39
14.40
14.41
14.42
14.43
14.44
14.45
14.46
14.47
14.48
14.49
14.50
14.51
14.52
14.53
14.54
14.55
14.56
46,6
46,8
52,3
52,3
52,3
52,2
52,3
52,2
52,2
52,2
52,2
52,2
52,2
52,2
52,1
52,1
52,0
52,0
51,9
51,9
51,8
51,8
51,8
51,7
51,7
51,6
51,6
51,5
51,5
11.28
11.29
15.00
15.01
15.02
15.03
15.04
15.05
15.06
15.07
15.08
15.09
15.10
15.11
15.12
15.13
15.14
15.15
15.16
15.17
15.18
15.19
15.20
15.21
15.22
15.23
15.24
15.25
15.26
49,3
49,4
51,5
51,4
51,4
51,3
51,3
51,3
51,2
51,2
51,2
51,1
51,1
51,0
51,0
51,0
51,0
50,9
50,9
50,8
50,8
50,8
50,8
50,7
50,7
50,6
50,6
50,6
50,6
11.58
11.59
15.30
15.31
15.32
15.33
15.34
15.35
15.36
15.37
15.38
15.39
15.40
15.41
15.42
15.43
15.44
15.45
15.46
15.47
15.48
15.49
15.50
15.51
15.52
15.53
15.54
15.55
15.56
51,6
51,6
50,4
50,4
50,4
50,3
50,3
50,2
50,2
50,2
50,1
50,2
50,1
50,1
50,1
50,0
50,0
50,0
49,9
49,9
49,9
50,0
50,0
49,9
49,9
49,9
49,9
49,9
49,9
12.28
12.29
16.00
16.01
16.02
16.03
16.04
16.05
16.06
16.07
16.08
16.09
16.10
16.11
16.12
16.13
16.14
16.15
16.16
16.17
16.18
16.19
16.20
16.21
16.22
16.23
16.24
16.25
16.26
52,1
52,0
50,0
49,9
49,9
49,9
49,9
49,9
49,9
49,9
49,9
49,8
49,8
49,8
49,9
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,8
49,7
49,7
12.58
12.59
16.30
16.31
16.32
16.33
16.34
16.35
16.36
16.37
16.38
16.39
16.40
16.41
16.42
16.43
16.44
16.45
16.46
16.47
16.48
16.49
16.50
16.51
16.52
16.53
16.54
16.55
16.56
53,2
53,3
49,7
49,6
49,6
49,6
49,6
49,6
49,6
49,6
49,5
49,6
49,6
49,5
49,5
49,5
49,5
49,5
49,5
49,4
49,4
49,4
49,4
49,4
49,3
49,3
49,3
49,3
49,3
82
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR PUSTAKA
[1] Duffie John A. & Beckmann William A. 1991. Solar Engineering of Thermal
Processes. John Wiley & Sons, Inc, New York.
[2] Philip Kristanto & James Laeyadi. Kolektor Surya Prismatik. Jurnal Teknik
Mesin vol. 2, No.1 April 2000 Universitas Kristen Petra, Surabaya.
Hal 22.
[3] Solar Dimension. Solar energy can reduce your electricity consumption by
between 30% and 60% (Depending on your hot water usage).
Capturing
Solar
Energy
for
Hot
Water.
http://www.solardimension.co.za/solar_energy.html. Diakses tanggal
3 Februari 2016.
[4] Inti solar. Kolektor Flat.http://www.intisolar.com/news/kolektor_flat.html.
Diakses tanggal 15 Februari 2016.
[5] Rosa Yasmendra. Rancang Bangun Kolektor Surya Plat Datar Energi Surya
untuk Sistem Pengeringan Pasca Panen.Jurnal Teknik Mesin
Politeknik Negeri Padang Vol.4, No.2, Desember 2007;ISSN 18298958.
[6] Handoyo E.A. Pengruh Jarak Kaca ke Plat Terhadap Panas yang Diterima
Suatu Kolektor Surya Plat Datar. Jurnal Teknik Mesin Universitas
Kristen Petra Vol.3, No.2, Oktober 2001:52-56.
[7] Tirtoatmodjo R. Handoyo E.A. Unjuk Kerja Pemanas Air Jenis Kolektor
Surya Plat Datar dengan Satu dan Dua Kaca Penutup. Jurnal Teknik
Mesin Universitas Kristen Petra Vol. 1, No.2, Oktober 1999:115-121.
[8] Philip K, San Y.K. Pengaruh Tebal Plat dan Jarak Antar Pipa Terhadap
Performansi Kolektor Surya Plat Datar. Jurnal Teknik Mesin
Universitas Kristen Petra Vol.3, No.2, Oktober 2001:47-51.
[9] Literatur 2 Hal 250
[10] Literatur 2 Hal 296
[11] http://www.google.com/flat-platecollector//gambar.html
[12] http://www.google.com/consentratorcollector.html
[13] http://www.google.com/evacuatedtubecollectors..html
71
Universitas Sumatera Utara
[14] http://www.google.com/evacuatedreceivedpicture.html
[15] http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_water_heating
[16] Literatur 2 Hal 23.
[17] Literatur 3 Hal 27-28.
[18] Literatur 3 Hal 30-37.
[19] Welty, Wicks, Wilson, Rorrer. Fundamental Of Momentum, Heat, And Mass
Transfer. 2002. Vol.2. Edisi Ke-empat, Alih Bahasa, Ir. Gunawan
Prasetio. Erlangga, Jakarta. Hal : 2.
[20] http://bloghasnan blogspot.com/2012/04/memahami.sifatsifat.dasar.aliran.html
[21] Cengel, A. Yunus. 2002. Heat Transfer. Ebook Edition. Hal : 28.
[22] Koestoer, Raldi Artono. 2002. Perpindahan Kalor. Edisi pertama. Salemba
Teknika, Jakarta. Hal : 187.
[23] Matuska T.Z. hal.V Mathematical Model and Desaign Tool KOLEKTOR 2.2
Referrence Handbook (3rd draft, 01-2009). Czech Technical
University in Prague, Faculty of Mechanical Engineering Dept. Of
Environmental Engineering; 2009.
[24] Lienhard IV JH. Lienhard V JH. A Heat Transfer Textbook, Third Edition
Phlogiston Press. Cambridge Massachusetts; 2003.
[25] Johnson’s D. Table of absorptivity and emissivity of common materials and
coatings.
http://www.solarmirror.com/fom/fom-serve/cache/43.html.
Diakses tanggal 20 Februari 2016
[26] L. Streeter, Victor. 1995. Mekanika Fluida jilid 2. Alih Bahasa, Arko Prijono,
M.S.E. Erlangga, Jakarta. Hal : 10.
[27] Literatur 26 Hal 2.
[28] Literatur 26 Hal 95.
[29] Literatur 26 Hal 103.
[30] Soteris. A.Kalogirou (2009),Solar Energy Engineering, Printed in the United
States Of America
[31] Mehmet Esent, Hikmet Hesen, (2005), Experimental Investigation Of A TwoPhase Closed Thermosyphon Solar Water Heater, Solar Energy 79
(2005) 459 – 468
72
Universitas Sumatera Utara
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1.
Metode Pelaksanaan Penelitian
Metedologi
merupakan
tahapan-tahapan
dalam
pengerjaan
skripsi.
Penelitian ini dilakukan dengan kegiatan-kegiatan yang meliputi :
Mulai
Buku referensi,
jurnal, internet, dll
Studi Literatur
Tidak
Usulan
Penelitian
Ya
Tahap Persiapan :
1. Perancangan kolektor surya
2. Persiapan tangki air laut dan sirkulasi
3. Pembuatan pipa distribusi dan APK
4. Pengujian kolektor surya
Pengumpulan data :
- Temperatur (0C)
- Waktu (menit)
- Radiasi matahari
Perhitungan dan
Tidak
Analisa Data
Ya
Kesimpulan
Selesai
Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Pelaksanaan Penelitian
32
Universitas Sumatera Utara
3.2.
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan pada bulan November 2015 sampai Februari 2016
bertempat di gedung lantai IV Magister Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara.
3.3.
Metode Perancangan
Perancangan alat pemanas air meliputi kolektor surya. Kolektor yang dipilih
adalah plat datar.
Kolektor surya ini nantinya sebagai pengganti pemanas (heater) pada
desalinasi air laut dengan suhu air laut yang dicari adalah 270C – 500C. Tujuannya
untuk mendapatkan uap air murni yang dikondensasikan melalui evaporator
dalam keadaan vacuum sehingga menghasilkan air murni dan konsentrat garam,
juga mengurangi penggunaan arus listrik atau bahan bakar untuk memanaskan air
laut. Oleh karena itu pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam perancangan ini,
yaitu ekonomis, produktifitas tinggi, mudah pembuatan dan mudah dioperasikan.
Perancangan kolektor yang akan dibahas meliputi plat absorber, penutup
transparan (kaca) dan isolasi pada kolektor. Adapun langkah perancangan terdiri
dari 4 tahap atau fase, yakni : (Pahl dan Beitz)
1. Fase perumusan (Formulation Phase)
2. Fase fungsi (Functional Phase)
3. Fase perancangan (Design Phase)
4. Hasil (Result)
3.4.
Perancangan Kolektor surya
3.4.1. Perancangan Kaki Penyangga
Untuk kaki penyangga kolektor surya ini haruslah kuat dan kokoh karena
memiliki fungsi sebagai tumpuan kolektor dan dudukan lemari yang dirangkai dan
dilas. Pemilihan bahan kaki penyangga kolektor surya ini mempertimbangkan
beban yang akan dipikul oleh penyangga tersebut, oleh karena itu bahan yang
dipilih adalah besi siku 30 mm.
33
Universitas Sumatera Utara
3.4.2. Perancangan Absorber
Perancangan absorber pada kolektor surya berfungsi untuk menyerap radiasi
surya dan mengkonversikannya menjadi panas. Energi dialirkan melalui fluida
kerja udara secara konveksi. Absorber yang dirancang disini, yakni plat
alumunium. Dengan mengacu fungsinya sebagai absorber, maka dipilih sifat
bahan antara lain.
Absorbsivitas tinggi ( )
Emisifitas panas rendah ( )
Kapasitas panas kecil (Cp)
Konduktifitas besar (k)
Refleksi rendah ( )
Tahan panas dan tahan korosi
Kaku dan mudah dibentuk
Ada di pasaran
Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk plat pengumpul panas yakni: seng,
alumunium, tembaga, kuningan dan baja. Sesuai dengan pertimbangan diatas
dalam perancangan ini digunakan plat alumunium dengan ketebalan 0,3 mm dan
permukaannya dilapisi dengan cat hitam kusam (dof), agar tidak terjadi korosi dan
mempunyai absorbsivitas maksimum.
3.4.3. Perancangan Kaca Penutup
Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya dan mencegah
panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagian atas. Berdasarkan
fungsi ini maka kaca penutup harus mempunyai sifat:
Transmisivitas tinggi
Absorsivitas rendah
Refleksivitas rendah
Tahan panas
Ada dipasaran dan kuat
Pada kolektor surya ini memakai 2 kaca penutup, fungsinya untuk
mempertahankan panas yang masuk ke dalam kolektor surya. Kaca yang dipilih
sebagai penutup kolektor surya adalah kaca bening dengan ketebalan 5 mm.
34
Universitas Sumatera Utara
3.4.4. Perancangan Isolasi
Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke
lingkungan 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 termal bahan (k) kecil
Mudah dibentuk dan praktis
Tahan lama
Ada di pasaran
Isolasi yang dirancang pada kolektor surya terdiri dari 3 lapisan, tujuannya adalah
agar dapat mengurangi panas yang terbuang ke lingkungan akibat perpindahan
panas konduksi, yaitu: rockwoll, sterofoam, dan kayu triplek yang berfungsi juga
sebagai frame daripada kolektor.
3.5.
Alat dan Bahan
Penelitian ini menggunakan alat dan bahan untuk perancangan dan
pengukuran selama proses pembuatan dan pengujian.
3.5.1. Alat
Adapun alat-alat yang digunakan dalam penelitian di antaranya :
1. Pemotong pipa tembaga (Tube Cutter)
Digunakan untuk memotong pipa tembaga. Prinsip kerjanya adalah dengan
menjepit dan memutar pipa tembaga sesuai dengan ukuran yang dibutuhkan.
Gambar 3.2 Tube Cutter
35
Universitas Sumatera Utara
2. Las Gas
Digunakan untuk menyambung pipa tembaga antara satu dengan yang
lainnya mengunakan pipa sambungan U.
Gambar 3.3 Las Gas
3. Pompa
Pompa yang digunakan untuk mensirkulasikan air ke dalam pipa tembaga
adalah pompa aquarium yang memiliki daya cukup rendah.
Dengan spesifikasi pompa sebagai berikut :
Merk/model
: Armada AR-1800
Frequence
: 50 Hz
Tegangan/frekuensi
: 220-240 V
Daya
: 28 Watt
Total head
: 1.5 m
Kapasitas maksimum : 1500 L/H
Gambar 3.4 Pompa
36
Universitas Sumatera Utara
4. Gelas ukur
Digunakan untuk mengukur jumlah air yang masuk kedalan bejana air laut
dan air sirkulasi. Dalam bejana 1 air laut diisi sebanyak 20 Liter dan
bejana 2 sebagai air sirkulasi sebanyak 10 liter.
Gambar 3.5 Gelas ukur
5. Agilent (Termokopel)
Digunakan untuk mengukur suhu di setiap titik pada kolektor maupun
tangki air.
Gambar 3.6 Agilent (termokopel)
Spesifikasi agilent :
a. Daya 35 Watt
b. Jumlah saluran termokopel 20 buah
c. Tegangan 250 volt
d. Mempunyai 3 saluran utama
e. Ketelitian termokopel 0,030C
f. Dapat memindai data hingga 250 saluran per detik
g. Mempunyai 8 tombol panel dan sistem kontrol
37
Universitas Sumatera Utara
h. Fungsional antara lain pembacaan suhu termokopel, Resistence
Temperature Detector (RTD), termistor, dan arus listrik AC
6. Hobo Microstation Data Logger
Digunakan untuk mengukur temperatur udara, kecepatan angin, intensitas
cahaya dan kelembaban.
Gambar 3.7 Hobo Microstation data logger
Spesifikasi sebagai berikut :
a. Skala pengoperasian
: 200 – 500C dengan baterai alkalin
400 – 700C dengan baterai litium
b. Input sensor
: 3 sensor pintar multi channel monitoring
c. Dimensi
: 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm
d. Berat
: 0,36 kg
e. Memori
: 512Kb penyimpanan data nonvolatile flash
f. Interval pengukuran
: 1 detik – 18 jam (tergantung pengguna)
g. Akurasi waktu
: 0 - 2 detik
7. Anemometer
Digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara yang mengalir pada
permukaan kaca kolektor surya, pada Gambar 3.8
38
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.8 Anemometer
Spesifikasi :
Measuring Range of Temperature
: -100C to 450C
Wind Speed Measuring Range
: 0.3 to 30 m/s
Accuracy of Temperature
: ± 20C
Accuracy of Wind Speed
: ± 30C ± 0.1 dgts
Wind Speed Unit Selection
: m/s,ft/min,knots,km/hr,mph
3.5.2. Bahan
1.
Besi siku
Bahan ini digunakan sebagai kerangka atau dudukan dari bagian isolator
pada kolektor surya, ukuaran dari kerangka ini adalah panjang 126 cm, lebar 66
cm dan tinggi 20,5 cm.
Gambar 3.9 Kerangka Besi
2.
Kayu Triplek
Bahan ini digunakan sebagai bagian luar pada kolektor surya, juga
digunakan sebagai isolator sehingga dapat meminimalkan panas yang hilang.
39
Universitas Sumatera Utara
Konduktivitas termal kayu adalah 0,140 W/mK. Ukurannya adalah dengan
panjang 125 cm, lebar 64 cm. Ketebalan triplek yang digunakan adalah 7 mm.
Gambar 3.10 Kayu Triplek
3. Rockwool
Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator, digunakan untuk mencegah
panas dari kolektor hilang keluar. Jenis rockwool yang dipakai adalah wire mesh
yang memiliki konduktivitas 0, 042 W/mk. Pada rancang bangun ini ketebalan
rockwool yang dirancang pada kolektor adalah 60 mm.
Gambar 3.11 Rockwool
4. Gabus (Sterofoam)
Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator, untuk mencegah kehilangan
panas pada kolektor surya. Konduktivitas sterofoam adalah 0,036 W/m.K.
Ketebalan gabus yang dirancang adalah 50 mm.
40
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.12 Gabus (Steorofom)
5. Kaca
Bahan ini digunakan sebagai jalur masuknya radiasi matahari dan untuk
mengurangi udara panas yang berada didalam kolektor agar tidak keluar, dalam
hal ini kaca penutup dibuat 2 lapis dengan ukuran sebagai berikut.
Kaca Penutup I
a. Panjang
= 1000 mm
b. Lebar
= 500 mm
c. Tebal
= 5 mm
Kaca penutup II
a. Panjang
= 1200 mm
b. Lebar
= 600 mm
c. Tebal
= 5 mm
Konduktivitas termal kaca berbahan glass adalah 1,3 W/m.K, transmisivitas ( ) =
0,85, refleksi ( ) = 0,09 absorsivitas ( ) = 0,06 dan emisivitas ( ) = 0,88.
Gambar 3.13 Kaca
41
Universitas Sumatera Utara
6. Plat Aluminium
Bahan ini digunakan sebagai absorber. Plat aluminium ini memiliki
konduktivitas yang baik yaitu sebesar 237 W/m.K, emisivitas ( ) = 0,97 diberi cat
hitam agar radiasi yang masuk pada kolektor surya akan diserap sepenuhnya oleh
plat.
Gambar 3.14 Plat Alumunium
7. Pipa tembaga
Bahan ini digunakan sebagai penukar kalor untuk sirkulasi air, pipa tembaga
memilki penyerap dan penghantar panas yang baik. Konduktivitas tembaga adalah
385 W/m.K. Ukuran pipa tembaga yang digunakan adalah dimater ¼ inchi (6,35
mm), panjang total 18 m.
Gambar 3.15 Pipa tembaga
8. Air murni dan air laut
Air murni digunakan sebagai sirkulasi pada pipa penukar kalor untuk
memanaskan air laut, sedangkan air laut yang akan dipanasi untuk mendapatkan
uap air murni pada desalinasi air laut.
42
Universitas Sumatera Utara
9. Poros (pejal)
Bahan ini digunakan sebagai penyangga kolektor yang akan disambungkan ke
bearing, untuk mengatur kemiringan dari kolektor surya.
Gambar 3.16 Poros (pejal)
10. Bearing
Bahan ini digunakan sebagai penyangga poros, untuk mengatur kemiringan dari
kolektor surya.
11. Tangki Air sirkulasi
Tangki ini terbuat dari sterofoam. Digunakan sebagai tempat air sirkulasi yang
akan dipompakan ke dalam pipa tembaga pada pada kolektor, ukuran dari
tangki ini adalah tinggi 30 cm, lebar 40 cm.
Gambar 3.17 Tangki Air sirkulasi
43
Universitas Sumatera Utara
12. Tangki Air laut
Digunakan sebagai tempat air laut yang akan dipanasi oleh pipa penukar kalor,
ukuran tangki ini yaitu 0,3 m x 0,3 m x 0,4 m
Gambar 3.18 Tangki air laut
13. Penyangga Kolektor surya.
Digunakan sebagai penyangga atau dudukan pada kolektor surya. Ukurannya
adalah panjang 1,7 m x 1 m x 1,25 m.
Gambar 3.19 Penyangga kolektor surya
44
Universitas Sumatera Utara
3.6. Set Up Experimental
Kabel termokopel yang terhubung ke agilent ditempelkan ke plat absorber,
kaca, kayu, pipa tembaga, kaca, ruang kolektor, air laut dan air sirkulasi. Untuk
memperoleh data-data temperatur dalam setiap menitnya (interval waktu
perekaman dapat disesuaikan). Lalu pada bagian belakang agilent dipasang
flasdisk untuk merekam data-data temperatur dari setiap kabel-kabel tersebut,
kemudian tekan tombol scan pada agilent, lalu dihubungkan ke laptop
menggunakan kabel data USB. Setelah proses perekaman selesai, data dari kedua
alat ukur ini dapat dilihat pada laptop dalam bentuk Microsoft excel.
9
10
3
6
8
4
1
7
2
5
Data Logger Hobo
Aigilent
Kabel Termokopel
Gambar 3.16 Set Up Experimental
45
Universitas Sumatera Utara
Tabel 3.1 Titik-titik Pengukuran Temperatur pada Kolektor Surya
Chanel 101
Air Masuk
Chanel 108
Air Keluar
Chanel 112
Pipa Tembaga
Chanel 113
Air Sirkulasi
Chanel 114
Air Laut
Chanel 115
Plat Absorber
Chanel 116
Kaca Atas
Chanel 117
Air Keluar APK
Chanel 118
Ruangan
Chanel 119
Kaca Bawah
Titik 1
Titik 2
Titik 3
Titik 4
Titik 5
Titik 6
Titik 7
Titik 8
Titik 9
Titik 10
Berikut prosedur dalam pengujian, adapun langkah-langkah pengaturan agilent
sebagai berikut :
1. Tentukan titik-titik yang akan diukur pada kolektor surya, yang tertera
pada tabel diatas.
2. Hubungkan termokopel yang telah dipasang pada kolektor ke Agilent data
acquisition.
3. Tandai kabel-kabel termokopel sesuai chanel pada agilent data acquition
dengan memberi label supaya data pengukuran tidak tertukar.
4. Masukkan flasdisk ke port usb.
5. Hidupkan alat dengan menekan tombol on/off.
6. Tekan tombol interval untuk mengatur lama pengukuran yang akan
dilakukan. Selanjutnya gunakan tombol pemindah angka dan switch
perubah angka untuk mengatur waktu yang diinginkan.
7. Jika batas pengukuran telah dicapai, tekan tombol scan lama sampai
muncul scan stop pada display alat, kemudian keluarkan flasdisk.
8. Data pengukuran temperatur telah tersimpan dalam format Microsoft
Office Excel dan siap untuk diolah.
46
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
RANCANG BANGUN DAN HASIL DATA
4.1. Rancang Bangun Alat
Gambar 4.1 Kolektor Surya
4.1.1. Penyangga Kolektor Surya
Seperti yang sudah dijelaskan pada bab sebelumnya, rangka alat pemanas ini
memiliki fungsi sebagai tumpuan kolektor. Oleh karena itu haruslah kuat dan
kokoh, maka bahan yang dipilih yaitu besi siku ketebalan 3mm. Pada rancang
bangun ini, penyangga alat pemanas air ini memiliki dimensi dengan panjang 1,7
m, lebar 1 dan tinggi 1,25 m, dan ukuruan dari besi siku L tersebut adalah 5cm x
5cm.
4.1.2. Perancangan Tangki Air Laut.
Pada perancangan tangki air laut dirujuk dari kapasitas evaporator pada skripsi
Frengky Nababan, 2016 hal (33-34). Untuk menguapkan air laut sebanyak
20
liter. Maka dilakukan perancangan tangki air laut berbentuk kubusdengan ukuran,
47
Universitas Sumatera Utara
panjang 0,3 m, lebar 0,3 m dan tinggi 0,4 m, terbuat dari bahan fiber glassdan
diisoalsi agar panasnya tidak mudah hilang.
sehingga A = 0,3m x 0,3m = 0,09 m2
Luas alas
=pxl
Maka; V
= A x t = 0,036 m3
Dimensi yang diperoleh, p = 0,3m; l = 0,3m; t = 0,4m.
Gambar 4.2Perancangan Tangki
4.1.3. Perancangan Pipa Air Sirkulasi.
Perancangan pipa pada kolektor.
Pipa yang digunakan pada kolektor adalah pipa tembaga, ukuran ¼ inchi (6,35
mm), panjang totalnya adalah 8 m.
48
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.3 Perancangan Pipa
Perancangan pipa pada tangki air laut.
Perancangan pipa sebagai penukar kalor pada tangki air laut, dengan jenis pipa
tembaga galvanize, ukuran ¼ inchi (6,35 mm), panjang 2 m.
Gambar 4.4 Pipa Penukar Kalor
Jumlah energi panas untuk menaikkan temperatur air (qA)dapat dihitung. Dimana
laju aliran air yang melewati pipa-pipa penukar panas adalah 400ml/menit atau
0,0004m3/menit.Pada tanggal 4 Januari 2016, temperatur rata-rata antara air
sebelum masuk dan keluar pipa ̅ A = (30,14+38,96)/2 = 34,55oC maka dari
lampiran 3 dan4 diperoleh sifat-sifat air A = 994,3 kg/m3dancpA = 4178 J/kg.K.
Sedangkan massa air mApada menit pertama adalah:
ṁA
= A × QA
= 994,3× 0,0004
= 0,0066167 kg/s
49
Universitas Sumatera Utara
Maka kapasitas panas pada air qApada menit pertama adalah:
qA
= mA × cpA × (TAf - TAi)
= 0,0066167 × 4178 × (311,96-303,14)
= 243,784 Watt
4.1.4. Perancangan Kolektor Surya
Kolektor surya pada rancang bangun ini adalah tipe plat datar. Panjang dari
pada kolektor surya ini adalah 1,5 m dengan lebar 0,64m. Berikut ini adalah
gambar detail kolektor surya beserta ukurannya [dalam mm].
Gambar 4.6 Dimensi Kolektor Surya
Kolektor surya terdiri atas 4 lapisan yaitu kayu, sterofoam, rockwoll dan plat
alumunium.
Tabel 4.1 Konduktivitas Termal Bahan
Kaluminium = 237 W/m.K
Ksterofoam
= 0,036 W/m.K
Kkayu= 0,140 W/m.K
Kglass= 1,3W/m.K
Krockwoll= 0,042 W/m.K
Ktembaga
= 385 W/m.K
Berikut dimensi dari kolektor surya :
(Keterangan : A=Luas; p=panjang; l=lebar; t=tebal)
A1 = p1 x l1 = 1,5 m x 0,169 m = 0.253 m2, A1.1 = 0,64 m x 0,169 m = 0,108 m2
A2 = p2 x l2 = 1,5 m x 0,160 m = 0.240 m2, A1.2 = 0,64 m x 0,160 m = 0,102 m2
A3 = p3 x l3 = 1,5 m x 0,110 m = 0.165 m2, A1.3 = 0,64 m x 0,110 m = 0,070 m2
A4 = p4 x l4 = 1,5 m x 0,050 m = 0.075 m2, A1.4 = 0,64 m x 0.050 m = 0,032 m2
50
Universitas Sumatera Utara
A5 = p5 x l5 = 1,5 m x 0,51 m =0.765 m2
A6 = p6 x l6 = 1,5 m x 0,55 m = 0.825 m2
A7 = p7 x l7 = 1,5 m x 0,60 m = 0.90 m2
A8 = p8 x l8 = 1,5 m x 0,64 m = 0.96 m2
t1 = t8 = 7 mm
t2 = t7 = 50 mm
t3 = t6 = 60 mm
t4 = t5 = 0,3 mm
4.2. Perhitungan dan Hasil Data
Pada penelitian ini, perhitungan dan hasil data diperoleh dari pengujian alat
yang dilakukan pada tanggal 4 Januari 2016 saat kondisi matahari cerah.
4.2.1. Analisis Intensitas Radiasi Matahari (Solar Radiation)
Intensitas radiasi matahari diukur dengan menggunakan alat ukur sensor
radiasi yaitu pyranometer yang terdapat pada Hobo Micro Station Data Logger.
Alat ukur ini berada di Laboratorium Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara.
Berikut data hasil pengukuran Hobo terhadap IntensitasRadiasi Matahari pada
tanggal 04 Januari 2016.
Tabel Data Intensitas Matahari 04 Januari 2016 untuk permenitnya tertera pada
lampiran 1.
Berikut adalah grafik Intensitas matahari tanggal 04 Januari 2016, pada gambar
4.7
51
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.7 Grafik Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 04 Januari 2016
Radiasi rata-rata intensitas radiasi matahari pada tanggal 04 Januari 2016
dari pukul 09.00 WIB – 17.00 WIB adalah 434,8 W/m2.
4.2.2. Perhitungan Kolektor Surya
Perhitungan panas dan efisiensi pada kolektor surya dilakukan setiap menit.
Untuk perhitungan pada laporan ini digunakan data pengujian pada hari ke empat
pengujian, yaitu pada tanggal 04 Januari 2016 saat intensitas radiasi matahari
maksimum pada pukul 12.41 WIB. Temperatur permukaan plat, permukaan kaca
dan dalam kolektor diperoleh dari data Agilent, sedangkan temperatur lingkungan
dan intensitas radiasi matahari diambil dari data Hobo.
Berikut adalah data suhu pada tiap titik kolektor dan Intensitas Radiasi Matahari
maksimum pada tanggal 04Januari 2016 pukul 12.41 WIB.
Tabel 4.2 Data Suhu dan Intensitas Radiasi Matahari 04 Januari 2016 pada pukul
12.41 WIB.
Suhu (0C)
Waktu
12.41 WIB
Plat
69.41
Ruang
Kaca
Kaca
Kolektor
1
2
61.34
48,02
62.85
Intensitas
Kayu
Lingkungan
Matahari
(W/m2)
38,84
33.86
870.6
52
Universitas Sumatera Utara
Berikut adalah grafik temperatur beberapa titik pada kolektor, pada gambar 4.8
Gambar 4.8 Grafik Temperatur Pada Beberapa Titik Kolektor vs Waktu
tanggal04 Januari 2016
Grafik diatas menunjukkan temperatur pada tiap titik kolektor dan
lingkungan seperti plat absorber, ruang kolektor, dan bagian terluar kolektor yakni
kayu, dapat kita lihat temperatur tertinggi adalah plat absorber pada warna garis
hitam menunjukkan bahwa konduktivitas dari bahan plat absorber yakni plat
alumunium yaitu 237 W/m.K, dengan diberi cat hitam yang dapat menyerap
radiasi matahari sangat baik. Dapat juga kita lihat pada grafik bahwa perubahan
atau naik turunnya temperatur berdasarkan waktu dengan kondisi matahari cerah
atau tertutup awan yang menyebabkan berkurangnya radiasi yang masuk sehingga
menurunnya temperatur pada beberapa titik kolektor dan sebaliknya.
4.2.3. Menghitung Koefisien Konveksi
a. Menghitung Koefisien Konveksi Permukaan Luar (h1)
Koefisien konveksi permukaan luar adalah koefisen konveksi antara udara
lingkungan terhadap permukaan kayu, h1 (koefisien konveksi natural)
Temperatur Lingkungan (TL) vs Temperatur Permukaan Kayu (Tk)
Temperatur Lingkungan (TL) = 33,860C
= 306,86 K
= 38,840C
= 311,84 K
Temperatur Kayu (Tk)
Temperatur Film (Tf)
0
= 36,35 C
= 309.35K
53
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.3 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 309,35 K, pada lampiran 2.
Tf
Cp
x 10-5
k x 10-2
x 10-5
(K)
(kg/m3)
(J/kg.K)
(N.s/m2)
(W/m.K)
(m2/s)
309,35
1.1302698
1007.003
1,8901508
2,699219
2,317348
Pr
0,705690
Menghitung bilangan Grashoff (GrL)
= massa jenis udara
g = gravitasi
= 1.1302698 kg/m3
= 9,81 m/s2
= kemiringan kolektor
= 00
= koefisien udara
=
L = panjang kolektor
= viskositas udara
= 0,00326/K
= 1,5 m
= 1,8901508 Ns/m2
Maka :
GrL = 1,92 x 109
Menghitung bilangan Rayleigh (RaL)
RaL = GrL x Pr
RaL = Bilangan Rayleigh
GrL = Bilangan Grashoff
Pr = Bilangan Prandt
Maka :
RaL = 1,92 x 109 x 0,705690
= 1,35 x 109
Menghitung bilangan Nusselt (Nu%)
Nux = 0,59 RaL0,25 untuk 104 ≤ RaL ≤ 109
Nux = 0,1 RaL1/3 untuk 109 ≤ RaL ≤ 1013
Nux = bilangan Nusselt
RaL = bilangan Rayleigh
54
Universitas Sumatera Utara
Karena RaL diantara 104 ≤ RaL ≤ 109, maka besarnya bilangan Nusselt adalah
Nux = 0,59 RaL0,25
= 0,59 x (1,35 x 109)0,25
= 113,249
Menghitung koefisien konveksi (h1)
Nux =
atau h1=
Nux = bilangan Nusselt
l = lebar kolektor surya= 0,64 m
k = konduktivitas termal udara = 2,699219 x 10-2 W/mk
maka :
h1 =
= 4,776 W/m2K
Untuk hasil perhitungan setiap menitnya menggunakan Microsoft Excel yang
tertera pada lampiran 5.
b. Menghitung Koefisien Konveksi Permukaan Dalam (h2)
Koefisien konveksi permukaan dalam adalah koefisien konveksi antara udara
dalam kolektor terhadap permukaan plat absorber.
Temperatur udara kolektor (Tu) vs temperatur permukaan plat absorber (Tp)
Temperatur udara kolektor (Tu)
= 61,340C
= 334,34 K
Temperatur plat absorber (Tp)
= 69,410C
= 342,41 K
Temperatur Film (Tf)
= 65,370C
= 338,37 K
Tabel 4.4 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 338,37 K, pada lampiran 2.
Tf
Cp
x 10-3
k x 10-2
x 10-5
(K)
(kg/m3)
(J/kg.K)
(N.s/m2)
(W/m.K)
338,37
1,0336763
1008,535
2,027146
2,9140009 2,818001
Pr
(m2/s)
0,694627
55
Universitas Sumatera Utara
Menghitung bilangan Grashoff (GrL)
= massa jenis udara
g = gravitasi
= 1,0336763 kg/m3
= 9,81 m/s2
= kemiringan kolektor
= 00
= koefisien udara
=
L = panjang kolektor
= viskositas udara
= 0,00299/K
= 1.5 m
= 2,027146 Ns/m2
Maka :
GrL = 2,07 x 109
Menghitung bilangan Raykeight (RaL)
RaL = GrL x Pr
RaL = Bilangan Rayleigh
GrL = Bilangan Grashoff
Pr = Bilangan Prandt
Maka :
RaL = 2,07 x 109 x 0,694627
= 0,144 x 109
Menghitung bilangan Nusselt (Nux)
Nux = 0,59 RaL0,25 untuk 104 ≤ RaL ≤ 109
Nux = 0,1 RaL1/3 untuk 109 ≤ RaL ≤ 1013
Nux = bilangan Nusselt
RaL = bilangan Rayleigh
Karena RaL diantara 104 ≤ RaL ≤ 109, maka besarnya bilangan Nusselt adalah
Nux = 0,59 RaL0,25
= 0,59 x (0,144 x 109)0,25
= 114,981
Menghitung koefisien konveksi (h2)
56
Universitas Sumatera Utara
Nux =
atau h2=
Nux = bilangan Nusselt
l = lebar penampang plat= 0,05 m
k = konduktivitas termal udara = 2,027146 x 10-2 W/mk
maka :
h2 =
= 67,011 W/m2K
Untuk hasil perhitungan setiap setiap menitnya menggunakan Microsoft Excel
yang tertera pada lampiran 5.
4.2.4. Menghitung Kehilangan Panas
1. Menghitung Kehilangan Panas pada Sisi Dinding (Q1)
Q1 = Ud.A(Tu – TL)=
Ud = koefesien pindahan panas menyeluruh pada dinding
h1 = koefesien konveksi permukaan luar (W/m2.K)
h2 = koefisien konveksi permukaan dalam (W/m2.K)
Tu = temperatur udara dalam kolektor (K)
TL = temperatur lingkungan (K)
t1 = tebal kayu (m)
t2 = tebal sterofoam (m)
t3 = tebal rockwoll (m)
t4 = tebal plat absorber (m)
kky = konduktivitas termal kayu (W/m.K)
kst = konduktivitas termal sterofoam (W/m.K)
krw = konduktivitas termal rockwoll (W/m.K)
kp = konduktivitas termal plat absorber (W/m.K)
A1 = luas permukaan kayu pada sisi dinding (m2)
A2 = luas permukaan sterofoam pada sisi dinding (m2)
A3 = luas permukaan rockwoll pada sisi dinding (m2)
A4 = luas permukaan plat absorber pada sisi dinding (m2)
57
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.9 Lapisan-lapisan Susunan Kolektor
= 0,197238 K/W
= 5.787037 K/W
= 8,658008 K/W
= 0,00001688 K/W
= 0,19897185 K/W
Maka :
Qa =
= 1,75 Watt
Pada sisi dinding atas dan bawah meiliki dimensi yang sama, maka kehilangan
panas pada sisi dinding atas dan bawah 1,75 x 2 = 3,5 Watt.
Kehilangan panas pada sisi dinding lainnya,
A1.1 = luas permukaan kayu pada sisi dinding (m2)
A2.1 = luas permukaan sterofoam pada sisi dinding (m2)
A3.1 = luas permukaan rockwoll pada sisi dinding (m2)
A4.1 = luas permukaan plat absorber pada sisi dinding (m2)
58
Universitas Sumatera Utara
Q1 = Ud.A(Tu – TL)=
Qb =
= 0,744 Watt
Pada sisi dinding kiri dan kanan meiliki dimensi yang sama, maka kehilangan
panas pada sisi kiri dan kanan 0,744 x 2 = 1,489 Watt.
Jadi total kehilangan panas pada seluruh sisi dinding kolektor surya adalah,
Q1 = 3,5 + 1,489 = 4,989 Watt
Untuk hasil perhitungan setiap menitnya menggunakan Microsoft Excel yang
tertera pada lampiran 6.
2. Menghitung Kehilangan Panas pada Sisi Alas (Q2)
Q2 = UbA(Tu-Tr) =
Ub = koefisien pindahan panas menyeluruh pada sisi bawah (alas)
h1 = koefisien konveksi permukaan luar (W/m2.K)
h2 = koefisien konveksi permukaan dalam (W/m2.K)
Tu = temperatur udara dalam kolektor (K)
TL = temperatur lingkungan (K)
t8 = tebal kayu (m)
t7 = tebal sterofoam (m)
t6 = tebal rockwoll (m)
t5 = tebal plat absorber (m)
kky = konduktivitas termal kayu (W/m.K)
kst = konduktivitas termal sterofoam (W/m.K)
krw = konduktivitas termal rockwoll (W/m.K)
kp = konduktivitas termal plat absorber (W/m.K)
A8 = luas permukaan kayu pada sisi alas (m2)
A7 = luas permukaan sterofoam pada sisi alas (m2)
A6 = luas permukaan rockwoll pada sisi alas (m2)
A5 = luas permukaan plat absorber pada sisi alas (m2)
59
Universitas Sumatera Utara
= 0,052083 K/W
= 1.543209 K/W
= 1,731601 K/W
= 0,00000165 K/W
= 0,01950704 K/W
Maka :
Q2 =
= 5,38` watt
Untuk hasil perhitungan setiap menitnya menggunakan Microsoft Excel yang
tertera pada lampiran 6.
3. Menghitung Kehilangan Panas pada kaca/Cover (Q3)
Berikut adalah disain dari kolektor surya plat datar dengan kaca berlapis, pada
gambar 4.10.
Gambar 4.10Dimensi Kolektor Surya
qa = Ua x Aa x (TPA – TL)
Keterangan :
Qa = Kehilangan panas dari bagian atas
Aa = Luas sisi kolektor bagian atas
TPA = Temperatur plat absorber
Tk1 = Temperatur kaca pentup 1
60
Universitas Sumatera Utara
Tk2 = Temperatur kaca penutup 2
TG1 = Ruangan antara kaca penutup 1 dan 2
TG2 = Ruangan kolektor surya (antara kaca 2 dan absorber).
TL = Temperatur lingkungan
Gambar 4.11 Grafik Temperatur Kaca Penutup 1 dan Penutup 2
Nilai qa sebanding dengan perkalian koefisien kehilangan energi panas dari bagian
atas (Ua) dengan luas sisi kolektor bagian atas (Aa) dan temperatur plat abosrber
(TPA) dan lingkungan (TL).
Ua =
hv-K1 = Koefisien kehilangan panas secara konveksi akibat angin yang berhembus
diatas permukaan kaca penutup 1.
hv-K1 = 5,7 + 3,8v (v< 5 m/s)
hv-K1 = 6,4 v0,78 (v> 5 m/s)
dimana nilai kecepatan angin (v) yang terukur pada pukul 12.41 WIB adalah
0,006 m/s lebih kecil dari 5 m/s2
hv-K1
= 5,7 + 3,8v
= 5,7 + (3,8 x 0,006)
= 5,7228 W/m2.K
61
Universitas Sumatera Utara
hd-K1atau hd-K2 = Koefisien kehilangan energi panas karena konduktivitas termal
kaca penutup 1 atau 2.
hd-K1 =
k = konduktivitas termal kaca berbahan glass adalah 1,3 W/m.k
t = tebal kaca penutup 1 ( 5mm = 0,005m).
=
hd-K1
= 260 W/m2.K
hv-K2 = Koefisien kehilangan panas akibat konveksi natural pada kaca penutup 2.
hv-K2 =
Nu = bilangan Nusselt
k
= konduktivitas termal udara
t
= ketinggian pada ruangan kosong antara kaca penutup 1 dan 2 (G1)
Dalam perhitungan bilangan tersebut memerlukan sifat-sifat udara yang dianalisa
pada temperatur ruangan kosong antara penutup 1 dan 2 (G1) yang diperoleh dari
nilai rata-rata antara Tk1 dan Tk2.
TG1 =
= 328,44 K
Tabel 4.5 Sifat fisik udara pada temperatur 328,44 K, pada lampiran 2.
Tf
(kg/m3)
(K)
328,44
Cp
v
k
Pr
(J/kg.K)
(m2/s)
(W/m.K)
1.0667500 1008.137 0,0000188 0,0284045 0.703018
Maka :
GrL(G1) =
=
= 6301090,184
62
Universitas Sumatera Utara
Sehingga bilangan RaL diperoleh dengan persamaan .
RaL(G1) = GrL(G1) × PrL(G1)
= 6301090,184× 0.703296
= 4429781,899
Bilangan NuLuntuk 102< RaL< 108 dapat dihitung dengan persamaan berikut.
Dimana dari tabel 2.4 dengan = 0 diperoleh parameter m = 0,07, n = 0,32 × 104,
dan K = 1,333. Maka NuL diperoleh:
NuL(G1) = 1 +
=1+
= 12,42
Maka hv-K2didapat dengan persamaan.
hv-K2
=
=
= 70,61 W/m2.K.
hd-K2sama dengan nilaihd-K1karena konduktivitas bahan dan tebal kaca sama, yaitu
260 W/m2.K.
hr-PA = kehilangan panas akibat radiasi dari plat absorber ke lingkungan dapat
ditentukan dengan persamaan berikut.
Dimana = 5,67 x 10-8 W/m2.K (nilai konstanta Stefan Boltzman),
PA= 0,97.
hr-PA
K1=
0,88 dan
=
=
= 7,09 W/m2.K.
hv-PA = Koefisien kehilangan energi panas akibat konveksi pada permukaan plat
absorber. Nilai hv-PA didapatkan seperti langkah-langkah pada perhitungan hv-K2.
63
Universitas Sumatera Utara
Perhitungan hv-PA perlu diketahui dulu sifat udara pada temperatur ruang antara
kaca 2 dan plat absorber (TG2) = 61,18oC = 334,34 K.
Tabel 4.6 Sifat fisik udara pada temperatur 334,34 K, pada lampiran 2.
Tf
(kg/m3)
(K)
334,34
Cp
v
k
Pr
(J/kg.K)
(m2/s)
(W/m.K)
1.0470965 1,0083738 0,00001935 0,028841
0,702191
Sedangkan tG2 = 0,04 m. Maka GrL pada ruang antara kaca dengan plat absorber
adalah :
GrL(G2) =
=
= 20260511,47
RaL(G2) = GrL(G2) × Pr(G2)
= 20260511,47× 0,702191
= 14226760,15
Bilangan NuLpada Gap 2 yaitu:
NuL(G2) = 1 +
=1+
= 17,86
Sehinggahv-PA adalah:
hv-PA
=
=
= 12,88 W/m2.K.
64
Universitas Sumatera Utara
Setelah hv-PA diperoleh maka Uaadalah:
Ua =
Ua
=
= 4,05 W/m2. K
Besarnya kehilangan panas melalui permukaan kaca penutup 1 dengan luas AK1 =
0,96 m2dapat dihitung dengan persamaan.
Q3 = Ua × AK1 × (TPA-TL)
= 4,05 × 0,96 x (
307,09)
= 137,45 Watt
Untuk hasil perhitungan setiap menitnya menggunakan Microsoft Excel yang
tertera pada lampiran 6.
Dari hasil perhitungan kehilangan panas yang telah dilakukan, maka diperoleh
total kehilangan panas pada kolektor adalah :
Qloss
= Qdinding + Qalas + Qatas
= 4,99 + 5,38 + 137,45
= 147,838 Watt.
Untuk hasil perhitungan setiap menitnya dihitung menggunakan Microsoft Excel
yang tertera pada lampiran6.
Berikut adalah Grafik kehilangan panas pada sisi dinding, alas, dan atas.
65
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.12 Grafik Kehilangan Panas pada Dinding, Alas, dan Atas vs Waktu
pada Tanggal 04 Januari 2016
4.2.5 Menghitung Energi yang Sampai ke Kolektor untuk Kaca Berlapis
Energi yang sampai pada kolektor dapat dihitung dengan menggunakan
rumus:
Qincident A Idt
2
1
Dimana:
A
: Luas penampang dari pelat absorber (m2)
: 0,96 m2
Penelitian dimulai pukul
09.00 WIB
pada intensitas awal 385 W/m2 dan
intensitas tertinggi 870 W/m2 pada pukul 12.41 WIB. Dengan memperhatikan
grafik intensitas matahari yang terjadi pada saat penelitian ini ditunjukkan pada
Gambar 4.10, maka dapat kita hitung besarnya energi berguna kolektor Alat
pemanas air tenaga surya.
Dengan memperhatikan grafik intensitas matahari yang terjadi saat penelitian ini
maka dapat kita hitung besarnya energi yang sampai pada solar kolektor pemanas
air laut sebagai berikut:
66
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.10. Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu,Tanggal 04 Januari 2016
Untuk menyelesaikan persamaan: Qincident A Idt
2
1
Idt dapat dihitung dari luas dibawah kurva dengan menggunakan metode
2
Harga
1
trapesium. Dimana setiap 1 menit (60 detik) kita menghitung luas dibawah kurva
dengan menggunakan rumus sebagai berikut:
L1
y 0 y1
X
2
L1
385,6 389,4
60
2
Maka:
L1 23.250 Joule/m 2
Sehingga luas dibawah kurva dalam 1 (satu) menit adalah 23.250 Joule/m2.
Karena air telah mencapai temperatur maksimum pada pukul 12.41 WIB, dengan
menggunakan bantuan MS Excel, maka besarnya luas di bawah kurva di dapat
sebagai berikut:
L 7.380.345
Sehingga energi yang sampai pada kolektor adalah:
Qincident 0,96x 7.380.345
67
Universitas Sumatera Utara
Qincident 5972.123kJ
4.2.6 Energi yang Diserap oleh Air Pada Kolektor Kaca Berlapis
Energi ini dapat di hitung dengan menggunakan rumus:
Qu m w C pw (Tw2 Tw1 )
Dimana:
mw
=
Massa air (kg) = 20 kg
Cp.w
=
Panas jenis dari air laut(kJ/kg.0C) = 4,18 kJ/kg0C
Tw1
=
Temperatur awal air sebelum dipanaskan oleh kolektor (0C) = 33,080C
Tw2
=
Temperatur aktual setelah dipanaskan oleh kolektor (0C) = 53,300C
Maka:
Qu 20 4,18 (53,30 33,08)
1690,392 kJ
4.2.7 Efisiensi dari Kolektor dengan Kaca Berlapis
Efisiensi kolektor untuk memanaskan air dengan menggunakan air
sirkulasi dapat dihitung sebagai berikut:
Qu
Qincident
1690,392
5972,123
0,28 x 100%
28 %
68
Universitas Sumatera Utara
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Adapun kesimpulan dari rancang bangun ini adalah :
1. Telah dirancang bangun pemanas kolektor surya plat datar dengan kaca
berlapis. Adapun ukuran kolektor surya adalah 1,5 m x 0,64 m x 0,169 m
yang tersusun atas 4 lapisan yaitu kayu (triplek), sterofoam, rockwoll sebagai
isolator dan plat alumunium sebagai penyerap panas, sedangkan ukuran kaca
berlapis pada kolektor surya kali ini, kaca penutup 1 yaitu 1,2 m x 0,6 m x
0,005 m dan kaca penutup 2 yaitu 1,0 m x 0,5 m x 0,005 m dengan jarak
antara kaca penutup 1 dan kaca penutup 2 yaitu 50 mm. Dan tangki air yang
dipanasi dengan ukuran 0,3 m x 0,3 m x 0,4 m dengan kapasitas
30 liter.
Dengan menggunakan kaca berlapis panas pada kolektor tidak mudah hilang
akibat dari panas yang terperangkap pada ruangan antara kaca 1 dan 2.
2. Temperatur maksimum beberapa titik kolektor pada tanggal 04 Januari 2016
pukul 12.41 WIB sebagai berikut :
a. Plat absorber
: 69,41 0C
b. Kaca penutup 1
: 48,02 0C
c. Kaca penutup 2
: 62,85 0C
d. Gap 1
: 55,44 0C
e. Gap 2
: 61,34 0C
3. Dari hasil perhitungan yang dilakukan, maka diperoleh prestasi kerja dari
pada kolektor surya plat datar dengan kaca berlapis sebagai berikut :
a. Panas hilang dari kolektor (Qloss)
= 147,83 Watt
b. Panas masuk ke kolektor (Qrad)
= 689,09 Watt
c. Efisiensi (η)
= 64,7 %
5.2. Saran
Adapun saran bagi yang akan melanjutkan rancang bangun ini untuk
perbaikan ke depannya adalah :
69
Universitas Sumatera Utara
1. Supaya lebih memperhitungkan lagi pada saat pembuatan untuk
mengurangi kebocoran-kebocoran pada bagian kolektor, terkhusus pada
pipa APK yang langsung terhubung ke tangki air laut dan air surya, supaya
mengurangi kehilangan panas.
2. Perlu diperhatikan dalam hal posisi peletakan kolektor surya agar dapat
menerima radiasi matahari secara maksimal.
3. Temperatur maksimum air yang dipanasi adalah 530C, air akan
berevaporasi pada suhu 1000C, maka nantinya perancangan evaporator
pada desalinasi air laut harus dalam kondisi vacumm agar air dapat
berevaporasi.
70
Universitas Sumatera Utara
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kolektor Surya Plat Datar
Kolektor suryaplat datar seperti pada gambar 2.1 merupakan kotak tertutup
yang bagian atas dipasang kaca atau plastik transparan dengan lempengan
konduktor penyerap panas di bagian bawahnya. Kolektor ini biasanya dilapisi
dengan lapisan untuk menyerap dan meminimalkan kehilangan panas.
Gambar 2.1. Bagian Kolektor Surya Plat Datar [3]
Sistem kerja dari kolektor ini yaitu sinar matahari akan melewati kaca
transparan pada kolektor dan langsung menuju lempengan konduktor penyerap
panas (plat absorber) yang kemudian mengubah energi matahari yang diterima
menjadi energi panas. Selanjutnya panas ditransfer ke cairan dalam pipa tembaga
yang melekat pada plat absorber yang dicat menggunakan bahan khusus yang
menyerap dan mempertahankan panas lebih baik dari cat hitam biasa. Plat
absorber terbuat dari logam tembaga atau aluminium, karena logam merupakan
konduktor panas yang baik. Tembaga adalah konduktor yang lebih baik tetapi
kurang tahan terhadap korosi dibandingkan aluminium dan harganyalebih mahal.
Keuntungan utama dari kolektor surya plat datar adalah kolektor ini
memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung
dan sebaran sehingga tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena
desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya
5
Universitas Sumatera Utara
pembuatan yang murah. Kolektor plat datar juga dapat bertahan selama lebih dari
25 tahun [4].
Kolektor surya plat datar terdiri dari beberapa komponen utama yaitu:
1. Kaca penutup
Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya berupa
gelombang pendek dan mencegah panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan
pada bagian atas. Berdasarkan fungsi ini maka kaca penutup harus mempunyai
sifat-sifat sebagai berikut [5]:
a. Transmisivitas tinggi ( )
b. Absorsivitas rendah ( )
c. Refleksivitas rendah ( )
d. Tahan panas
e. Ada dipasaran dan kuat
Ketebalan dan jarak kaca penutup terhadap plat absorber juga sangat
berpengaruh kepada temperatur penyerapan plat absorber didapat bahwa
temperatur plat tertinggi dicapai saat kaca yang dipakai jenis kaca bening dengan
tebal 3 mm dengan jarak kaca ke plat absorber 20 mm [6].
Jumlah kaca penutup dari kolektor mempengaruhi unjuk kerja dari
kolektor.Secara umum diperoleh hasil bahwa dengan menggunakan dua buah kaca
penutup diperolehefisiensi yang lebih baik dibandingkan hanya menggunakan satu
kaca.Perbedaan suhu antaraair keluar kolektor dan yang masuk ke kolektor
dengan 2 kaca penutup bisa lebih tinggi hinggasekitar 17°C dibandingkan
kolektor dengan sebuah kaca penutup [7].
2. Plat absorber
Plat penyerap atau plat absorber berfungsi menyerap radiasi matahari yang
diteruskan kaca penutup dan mengkonversikan menjadi energi panas. Energi
panas dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi. Bahan-bahan yang
dipakai untuk plat penyerap biasanya yaitu: aluminium, tembaga, kuningan, dan
baja. Berdasarkan fungsi plat absorber maka dalam pemilihan bahan plat harus
mengacu pada pertimbangan berikut ini [5]:
6
Universitas Sumatera Utara
a. Absorbsivitas tinggi ( )
b. Emisifitas panas rendah ( )
c. Kapasitas panas kecil (Cp).
d. Konduktifitas besar (k)
e. Refleksi rendah ( )
f. Tahan panas dan tahan korosi
g. Kaku dan mudah dibentuk
h. Ada dipasaran
Ketebalan plat penyerap dan jarak antar pipa penyalur cairan terhadap
performansi kolektor plat datar memiliki hubungan yang cukup signifikan.
Performansi kolektor plat datar berbahan tembagatertinggi dihasilkan dengan
konfigurasi ketebalan plat1,2 mm dan jarak antar pipa penyalur cairan 73,6 mm[8].
3. Isolasi
Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke
lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor.Pada isolasi terjadi
perpindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh
sifat-sifat bahan. Isolasi yang digunakan haruslah memenuhi kreteria berikut [5]:
a. Konduktivitas termal bahan kecil
b. Mudah dibentuk dan praktis
c. Harga murah dan ada dipasaran
d. Tahan lama
2.2. Klasifikasi Kolektor Surya
Kolektor surya dapat didefenisikan sebagai sistem perpindahan panas yang
menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai
sumber energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor
surya, sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan
sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas
tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi didalam kolektor surya
untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi. Kolektor surya yang pada
umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu : [9]
7
Universitas Sumatera Utara
1. Cover, berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju
lingkungan.
2. Absorber, berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari.
3. Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja.
4. Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari
absorber menuju lingkungan.
5. Frame, berfungsi sebagai struktur pembentu