Kajian Experimental Kolektor Surya Prismatik Dengan Variasi Jarak Kaca Terhadap Plat Absorber Menggunakan Sistem Tertutup Untuk Pemanas Air

KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK

DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT

ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP

UNTUK PEMANAS AIR

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

SUPANDI SILABAN NIM. 070401045

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK

DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT

ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP

UNTUK PEMANAS AIR

SUPANDI SILABAN NIM. 070401045

Diketahui/Disahkan : Disetujui :

Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik USU

Ketua,

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah IsranuriProf. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu,DEA NIP. 196412241992111001 NIP. 195109061978031002

KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK

DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT

ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP

UNTUK PEMANAS AIR

SUPANDI SILABAN NIM. 070401045

Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 624 pada Tanggal 03 Maret 2012

Pembimbing,

Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu,DEA NIP. 195109061978031002

KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK

DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT

ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP

UNTUK PEMANAS AIR

SUPANDI SILABAN NIM. 070401045

Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke 624 pada Tanggal 03 Maret 2012

Pembanding I, Pembanding II,

Dr. Eng. Ir. Indra, MT Ir. M. Syahril Gultom, MT NIP. 196410241992031001 NIP. 195512101987101001

KAJIAN EXPERIMENTAL KOLEKTOR SURYA PRISMATIK

DENGAN VARIASI JARAK KACA TERHADAP PLAT

ABSORBER MENGGUNAKAN SISTEM TERTUTUP

UNTUK PEMANAS AIR

SUPANDI SILABAN NIM. 070401045

Telah disetujui oleh :

Pembimbing,

Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu,DEA NIP. 195109061978031002 Penguji I, Penguji II,

Dr. Eng. Ir. Indra, MT Ir. M. Syahril Gultom, MT NIP. 196410241992031001 NIP. 195512101987101001

Diketahui oleh :

Departemen Teknik Mesin Ketua,

Dr. Ir. Ing. Ikhwansyah Isranuri NIP. 196412241992111001

FAKULTAS TEKNIK USU MEDAN

KARTU BIMBINGAN

TUGAS SARJANA MAHASISWA

NO : 1039/TS/2011 Sub. Program Studi : Konversi Energi

Bidang Studi : Perpindahan Panas

Judul Tugas : Kajian Eksperimental Kolektor Surya Prismatik Dengan Variasi Jarak Kaca Terhadap Plat Absorber Menggunakan Sistem Tertutup Untuk Pemanas Air. Diberikan Tgl. : 5 November 2011 Selesai Tgl. : 18 Februari 2012 Dosen Pembimbing : Prof.Dr.Ir.Farel H. Napitupulu,DEA Nama Mhs : Supandi Silaban

N.I.M : 070401045

No. Tanggal Kegiatan Asistensi Bimbingan Tanda Tangan Dosen Pemb. 1. 15-10-2011 Spesifikasi judul

2. 17-10-2011 Perancangan dan perakitan alat 3. 20-10-2011 Pengujian dan pengambilan data 4. 15-11-2011 Data hasil pengujian

5. 17-11-2011 Kerjakan BAB I dan BAB II 6. 21-11-2011 Perbaiki BAB I dan BAB II 7. 01-12-2011 Kerjakan BAB III dan BAB IV 8. 14-01-2012 Perbaiki BAB III dan BAB IV 9. 31-01-2012 Kerjakan BAB V

10. 18-02-2012 ACC diseminarkan 11.

12.

CATATAN : Diketahui,

1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada Dosen Ketua Departemen Teknik Mesin Pembimbing setiap Asistensi. F.T. U.S.U

2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi.

3. Kartu ini harus dikembalikan ke Departemen, bila kegiatan Asistensi telah selesai.

Dr. Ing. Ir. Ikwansyah Isranuri NIP 196412241992111001

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN AGENDA : 1039/TS/2011 FAKULTAS TEKNIK USU DITERIMA : 15/11/2011 MEDAN PARAF :

TUGAS SARJANA

NAMA : SUPANDI SILABAN N I M : 070401045

MATA PELAJARAN : PERPINDAHAN PANAS

SPESIFIKASI : LAKUKAN PENGUJIAN DAN ANALISA TERHADAP KOLEKTOR SURYA PRISMATIK DENGAN SATU LAPIS KACA YANG DIGUNAKAN UNTUK PEMANAS AIR DENGAN JARAK KACA KE PLAT ABSORBER 40mm, 50mm, DAN 60mm. ANALISIS MELIPUTI KAJIAN EKSPERIMENTAL TENTANG EFEKTIFITAS KOLEKTOR SURYA PRISMATIK. BANDINGKAN EFISIENSI HARIAN DARI MASING-MASING JARAK KACA KE PLAT ABSORBER UNTUK MEMPEROLEH JARAK KACA OPTIMUM.

DATA-DATA YANG LAIN DAPAT DIPILIH SESUAI DENGAN DATA-DATA DI LAPANGAN.

DIBERIKAN TANGGAL : 15 November 2011 SELESAI TANGGAL : 18 FEBRUARI 2012

MEDAN, 15 November 2011 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING,

Dr.Ing.Ir. IKHWANSYAH ISRANURI Prof.Dr.Ir.FAREL H. NAPITUPULU,DEA. NIP. 196412241992111001 NIP. 195109061978031002

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala karunia yang telah diberikan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dilaksanakan mahasiswa untuk menyelesaikan pendidikan agar memperoleh gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun Tugas Sarjana yang dipilih adalah dalam bidang Perpindahan Panas dengan judul “ Kajian EksperimentalKolektor Surya Prismatik Dengan Variasi Jarak Kaca Terhadap Plat Absorber Menggunakan Sistem Tertutup Untuk Pemanas Air ”.

Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis banyak mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis ingin mengucapkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta, yang senantiasa memberikan kasih sayang, dukungan, motivasi, dan nasihat yang tak ternilai harganya.

2. BapakProf.Dr.Ir.Farel H. Napitupulu, DEA, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, dan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

3. Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME (Dekan Fakultas Teknik USU), beserta segenap Staf dan Jajarannya.

4. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai serta staf laboratorium di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

6. Rekan satu tim Januardi, Arya, dan Brisno atas kerja sama yang baik untuk menyelesaikan penelitian ini.

7. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, teristimewa kepada kawan-kawan seperjuangan angkatan 2007 yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dan memberi masukan yang berguna demi kelengkapan skripsi ini.

Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan dalam skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun

untuk penyempurnaan skripsi ini. Sebelum dan sesudahnya penulis ucapkan banyak terima kasih.

Medan, Maret 2012 Penulis,

ABSTRAK

Kolektor surya merupakan suatu bagian dari peralatan yang dibutuhkan untuk mengubah energi radiasi matahari ke bentuk energi panas untuk berbagai keperluan, misalnya sebagai pemanas air. Salah satu bentuk dari kolektor surya adalah bentuk prisma yang memiliki kemampuan untuk menerima intensitas radiasi matahari terhadap ke empat luasan kolektor, sehingga diharapkan pemanfaatan energi tersebut sebagai pemanas air dapat lebih efektif. Kolektor surya akan menyerap energi dari radiasi matahari dan mengkonversikannya menjadi panas yang berguna untuk memanaskan air garam di dalam pipa-pipa kolektor, sehingga suhu air garam akan meningkat dan terjadi pertukaran kalor antara air garam dengan air yang dipanasi. Mengingat pentingnya kaca pada kolektor surya, maka dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh jarak kaca ke plat terhadap efisiensi yang menyatakan besar energi yang diterima. Dari hasil pengujian dan analisa didapat bahwa kerja optimal kolektor surya prismatik dicapai dengan jarak kaca ke plat absorber 50 mm.

ABSTRACT

Solar collector is the essential item of equipment which transforms solar radiation energy to some other useful energy form, for example as the water heater. One of the shape solar collector, is prismatic which have ability to receive solar radiation intensity into the fourth areas of colector, so that using solar energy as water heater can more effective. Solar collector can absorb solar radiation intensity and convert it to useful calor for heating the liquid salt inside the pipes of the collector, so the temperature of the liquid salt is rise and heat exchanging is happen by liquid salt within water heating. Considering the importance of the cover, a research is carried on to find out the affect of the spacing between cover and plate toward the plate’s temperature which refer to the amount of heat absorbed. From the experiment is found the best spacing between cover and plate which can produce optimal efficiency are 50mm.

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

DAFTAR ISI ... .iv

DAFTAR TABEL ... .... vii

DAFTAR GAMBAR ... .... vii

DAFTAR NOTASI ... ... ix

BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang ... 1

1.2 Tujuan penelitian ... 3

1.3 Batasan masalah ... 3

1.4 Manfaat penelitian ... 4

1.5 Sistematika penulisan ... 4

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Matahari ... 6

2.2 Transmisivitas-absorbsivitas ... 11

2.3 Perpindahan kalor ... 12

2.4 Tinjauan mekanika fluida ... 17

2.5 Penukar kalor ... 19

2.6 Kaca ... 20

2.7 Garam ... 22

2.8 Kolektor surya ... 22

BAB 3. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Metode pelaksanaan penelitian ... 28

3.2 Tempat penelitian ... 29

3.3 Alat dan bahan yang digunakan ... 29

3.4 Perakitan alat pengujian ... 35

3.5 Set up pengujian ... 37

3.6 Pengujian dan pengambilan data ... 38

3.7 Perumusan hasil akhir... 40

BAB 4. HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN 4.1 Hasil pengujian ... 41

4.2 Analisa hasil pengujian ... 43 4.3 Efisiensi termal kolektor ... 62 4.4 Perhitungan daya pompa ... 66

BAB 5. KESIMPULAN

5.1 Kesimpulan ... 69 5.2 Saran ... 69

REFERENSI LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

3.1 Titik set-up pengujian ...37

4.1 Hasil pengujian untuk jarak kaca 60 mm terhadap absorber ...41

4.2 Hasil pengujian untuk jarak kaca 50 mm terhadap absorber ...42

4.3 Hasi pengujian untuk jarak kaca 40 mm terhadap absorber ...42

4.4 Perhitungan transmisivitas absorbsivitas rata-rata untuk permukaan kolektor timur ...51

4.5 Perhitungan transmisivitas absorbsivitas rata-rata untuk permukaan kolektor barat ...51

4.6 Perhitungan transmisivitas absorbsivitas rata-rata untuk permukaan kolektor utara/selatan ...52

4.7 Radiasi pada bidang miring timur untuk pengujian jarak 60mm ...50

4.8 Radiasi pada bidang miring baratuntuk pengujian jarak 60mm ...51

4.9 Radiasi pada bidang miring utara dan selatanuntuk pengujian jarak 60mm ...51

4.10 Hasil analisa untuk pengujian pertama dengan jarak kaca 60 mm terhadap absorber ...61

4.11 Hasil analisa untuk pengujian kedua dengan jarak kaca 50 mm terhadap absorber ...61

4.12 Hasil analisa untuk pengujian ketiga dengan jarak kaca 40 mm terhadap absorber ...62

DAFTAR GAMBAR

2.1 Deklinasi matahari ... 8

2.2 Posisi sudut matahari ... 8

2.3 Radiasi sorotan tiap jam pada permukaan miring dari pengukuran Ib ... 9

2.4 Komponen radiasi pada permukaan miring ... 10

2.5 Sudut datang dan sudut bias pada dua medium ... 11

2.6 Penampang saluran pipa ... 18

2.7 Kolektor surya plat datar ... 23

2.8 Konsentrator ... 24

2.9 Evacuated receiver ... 25

2.10 Pemanas air sistem langsung ... 25

2.11 Pemanas air sistem tidak langsung ... 26

3.1 Diagram alir penelitian ... 28

3.2 Pompa ... 29

3.3 Flowmeter ... 30

3.4 Hobo micro station data logger ... 31

3.5 Termokopel (agilent) ... 31

3.6 Kompas ... 32

3.7 Dimensi plat absorber ... 32

3.8 Tangki air ... 33

3.9 Tangki air garam ... 34

3.10 Skets koil di dalam tangki air ... 34

3.11 Skema instalasi ... 36

3.12 Kolektor surya prismatik ... 37

3.13 Titik set up pengujian ... 38

3.14 Jarak kaca ke pelat absorber (z) ... 39

4.1 Grafik radiasi matahari pada pengujian dengan jarak kaca ke kolektor 60 mm ... 41

4.2 Grafik radiasi matahari pada pengujian dengan jarak kaca ke kolektor 50 mm ... 42

4.3 Grafik radiasi matahari pada pengujian dengan jarak kaca ke kolektor 40 mm ... 43

4.4 Grafik kenaikan temperatur air terhadap waktu ... 43

4.5 Grafik korelasi fraksi radiasi sebaran terhadap radiasi global ... 45

4.6 Rasio absorptansi berbagai sudut masuk sinar matahari pada permukaan hitam ... 48

4.7 Perbandingan τα/ταn untuk 1-4 lapis kaca ... 49

4.8 Transmisivitas-absorbsivitas rata-rata terhadap waktu ... 53

4.9 Kerugian panas kolektor ... 55

4.10 Skema tahanan perpindahan panas pada kolektor bagian atas ... 55

4.11 Koefisien konveksi alam h, dalam fungsi celah udara sebagai fungsi jarak celah z, dengan sudut β sebagai parameter ... 57

4.12 Geometri letak pipa pada pelat absorber ... 59

4.13 Grafik energi Qu terhadap waktu ... 66

DAFTAR NOTASI

Simbol Keterangan Satuan

A Luas permukaan kolektor m2 Cp Kalor spesifik J/kg.K

Di Diameter dalam pipa tembaga mm

Do Diameter luar pipa tembaga mm

F Efisiensi sirip %

FR Faktor pelepasan panas -

Gsc Konstanta radiasi matahari W/m2

hi Koefisien konveksi dalam kolektor W/m2K

Hp Head pompa m

ho Koefisien konveksi luar kolektor W/m2K

hri Koefisien radiasi di dalam kolektor W/m2K

hro Koefisien radiasi di luar kolektor W/m2K

Io Radiasi matahari pada permukaan horizontal MJ/m2

IbT Radiasi sorotan MJ/m2

IdT Radiasi sebaran MJ/m2

IrT Radiasi pantulan MJ/m2

IT Radiasi total pada bidang miring MJ/m2

kkaca Konduktivitas termal kaca W/mK

L Panjang pipa tembaga m

m Laju aliran massa kg/s

Np Daya pompa watt

Nu Bilangan nusselt -

Q Kapasitas pompa m3/s Qu Energi yang diperoleh kolektor MJ

R Tahanan termal kaca m2K/W

Re Bilangan Reynold -

S Radiasi yang diserap absorber W/m2

Tlangit Temperatur langit K

Ta Temperatur lingkungan oC

To Temperatur garam keluar kolektor oC

Ub Koefisien kerugian panas bawah kolektor W/m2K

UL Koefisien kerugian panas kolektor W/m2K

Ut Koefisien kerugian panas di atas kolektor W/m2K

v Kecepatan angin m/s

W Jarak antar pipa tembaga m z Jarak kaca ke pelat absorber mm

ω Sudut jam o (sudut)

δ Sudut deklinasi o (sudut)

(τα)ave Transmisivitas-absorbsivitas rata-rata -

µ Viskositas dinamik kg/m.s

η Efisiensi kolektor %

ABSTRAK

Kolektor surya merupakan suatu bagian dari peralatan yang dibutuhkan untuk mengubah energi radiasi matahari ke bentuk energi panas untuk berbagai keperluan, misalnya sebagai pemanas air. Salah satu bentuk dari kolektor surya adalah bentuk prisma yang memiliki kemampuan untuk menerima intensitas radiasi matahari terhadap ke empat luasan kolektor, sehingga diharapkan pemanfaatan energi tersebut sebagai pemanas air dapat lebih efektif. Kolektor surya akan menyerap energi dari radiasi matahari dan mengkonversikannya menjadi panas yang berguna untuk memanaskan air garam di dalam pipa-pipa kolektor, sehingga suhu air garam akan meningkat dan terjadi pertukaran kalor antara air garam dengan air yang dipanasi. Mengingat pentingnya kaca pada kolektor surya, maka dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh jarak kaca ke plat terhadap efisiensi yang menyatakan besar energi yang diterima. Dari hasil pengujian dan analisa didapat bahwa kerja optimal kolektor surya prismatik dicapai dengan jarak kaca ke plat absorber 50 mm.

ABSTRACT

Solar collector is the essential item of equipment which transforms solar radiation energy to some other useful energy form, for example as the water heater. One of the shape solar collector, is prismatic which have ability to receive solar radiation intensity into the fourth areas of colector, so that using solar energy as water heater can more effective. Solar collector can absorb solar radiation intensity and convert it to useful calor for heating the liquid salt inside the pipes of the collector, so the temperature of the liquid salt is rise and heat exchanging is happen by liquid salt within water heating. Considering the importance of the cover, a research is carried on to find out the affect of the spacing between cover and plate toward the plate’s temperature which refer to the amount of heat absorbed. From the experiment is found the best spacing between cover and plate which can produce optimal efficiency are 50mm.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Kebutuhan akan air panas pada saat ini sangat tinggi. Tidak hanya konsumen rumah tangga yang memerlukan air panas ini, melainkan juga rumah sakit, perhotelan, industri, dan untuk penyediaan air pada kolam renang. Banyaknya kebutuhan air panas ini meningkatkan kebutuhan energi terutama energi listrik untuk memanaskan air tersebut. Padahal energi listrik yang ada sangat terbatas dan juga mahal. Untuk itu diperlukan energi alternatif yang murah, tidak polutif, dan terbaharui.

Matahari merupakan sumber energi tak terbatas. Sinar matahari atau tenaga surya dapat digunakan untuk memanasi, memberikan penerangan, atau mendinginkan rumah, menghasilkan listrik, memanaskan air dan bermacam proses industri.

Energi radiasi dari matahari merupakan salah satu bentuk energi alternatif yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan guna menggantikan energi yang dihasilkan oleh minyak bumi. Salah satu bentuk pemanfaatan dari energi radiasi matahari adalah untuk memanaskan air. Suatu karunia yang baik bahwa Indonesia yang terletak pada khatulistiwa bumi mendapatkan sinar matahari sepanjang tahun, sehingga bentuk energi yang tak terhabiskan ini dapat dimanfaatkan untuk berbagai kepentingan sebagai bentuk energi alternatif.

Untuk dapat memanfaatkan energi radiasi matahari untuk memanaskan air digunakan suatu perangkat untuk mengumpulkan energi radiasi matahari yang sampai ke permukaan bumi dan mengubahnya menjadi energi kalor yang berguna. Perangkat ini disebut dengan kolektor surya. Penelitian tentang kolektor surya terutama bukanlah ide baru dalam dunia teknologi rekayasa surya, sebelumnya telah banyak para peneliti yang telah meneliti hal ini sebelumnya, antara lain:

1. Philip Kristanto dan James Laeyadi, Universitas Kristen Petra (April 2000). Mereka meneliti tentang pengaruh posisi sudut penyinaran matahari 0o (posisi normal), dan 15o, 30o, dan 45oke arah utara terhadap efisiensi kolektor surya prismatik.

2. I Ketut Gede Wirawan, Universitas Udayana Bali (Desember 2008). Meneliti tentang pembuatan kolektor surya jenis sirkular dengan memanfaatkan neon bekas sebagai kaca penutup.

3. Rihardjo Tirtoatmodjo dan Ekadewi Anggraini Handoyo, Universitas Kristen Petra (Oktober 1999). Mereka meneliti tentang unjuk kerja pemanas air jenis kolektor surya plat datar dengan satu dan dua kaca penutup.

4. M. Burhan dkk, Universitas Negeri Semarang. Mereka meneliti tentang pengaruh jarak kaca penutup ke absorber terhadap efisiensi kolektor surya plat datar.

5. Titik Ismandari dkk. Universitas Yogyakarta (November 2008). Mereka meneliti tentang pemanfaatan solar kolektor untuk pengering kacang tanah (solar dryer). 6. Yazmendra Rosa, dkk. Politeknik Negeri Padang (September 2004). Mereka

meneliti tentang unjuk kerja kolektor plat datar energi surya terhadap perubahan kelembaban udara masukan.

7. Philip Kristanto dan Yoe Kiem San, Universitas Kristen Petra (Oktober 2001). Mereka meneliti tentang pengaruh tebal plat dan jarak antar pipa terhadap performansi kolektor surya plat datar.

Ada beberapa bentuk kolektor surya, salah satu diantaranya yang memiliki kinerja yang dapat diunggulkan adalah kolektorsurya tipe prismatik. Keunggulan dari kolektor surya tipe prismatik ini adalah kemampuannya untuk dapat menerima energi radiasi matahari dari arah timur dan arah barat tanpa mengubah posisi kolektor. Kolektor surya tipe prismatik dapat digolongkan dalam kolektor plat datar dengan permukaan kolektor berbentuk prisma yang tersusun dari empat bidang yang membentuk prisma, dua bidang berbentuk segitiga sama kaki dan dua bidang yang lain berbentuk segiempat. Untuk mendapatkan hasil yang optimal permukaan kolektor dicat dengan warna hitam yang berfungsi untuk menyerap radiasi surya yang datang dan mentranfer kalor yang diterima ke fluida kerja. Untuk menjaga agar tidak terjadi kerugian panas secara radiasi dan konveksi ke atmosfir, maka digunakan kaca pelindung sehingga terjadi efek rumah kaca, sedangkan bagian bawah plat kolektor diberi isolator untuk meminimalkan kerugian panas pada bagian bawah plat kolektor.[1]

Dalam penelitian kolektor surya prismatik untuk pemanas air ini, digunakan air garam sebagai media atau fluida penghantar panas yang bersirkulasi di dalam pipa yang terhubung langsung antara kolektor surya dengan reservoir. Di mana di dalam

reservoir digunakan gulungan pipa (koil) sebagai alat penukar panas dari air garam tersebut ke air yang ada di dalam reservoir setelah sebelumnya dipanaskan di dalam kolektor surya.

1.2. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penulisan penelitian ini sebagai berikut.

1. Mengetahui pengaruh jarak antara kaca dan plat absorberyang optimal terhadap efisiensi kolektor surya prismatik.

2. Mengetahui besarnya efisiensi dan efektifitas kolektor surya prismatik. 3. Mengetahui besarnya temperatur air yang dipanaskan.

4. Mengetahui pengaruh pengaruh besarnya intensitas cahaya matahari yang diterima oleh kolektor surya prismatik terhadap efisiensi termal kolektor. 5. Mengetahui pengaruh perubahan intensitas sinar matahari yang diterima

kolektor terhadap perubahan temperatur air dalam tangki pemanas.

1.3. Batasan Masalah

Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada :

1. Fluida penukar panas menggunakan air garam (NaCl-H2O) dengan laju alir

0,12 kg/s.

2. Variabel yang diamati pada pengujian adalah suhu air yang dipanaskan, suhu air garam, suhu pada kolektor, dan suhu pada absorber.

3. Pengujian dilakukan pada kondisi cuaca ekstrim di mana kondisi cuaca dapat berubah-ubah setiap saat.

4. Panas konduksi pada sambungan plat absorber diabaikan.

5. Pada pengujian unjuk kerja dan pengamatan digunakan variasi jarak kaca terhadap plat absorber, yaitu 40mm, 50mm, dan 60mm.

6. Data radiasi matahari diambil di Medan yang terletak pada posisi 30 35’ LU 980 40’ BT.

7. Pengambilan data dilaksanakan pada pukul 09.00–16.00 WIB. Data-data lain yang diperlukan dalam perencanaan dan analisa diambil sesuai dengan literatur yang relevan.

1.4. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Menghasilkan rekomendasi kolektor surya prismatik sebagai pemanas air yang lebih baik.

2. Dapat mengetahui pengaruh dari komponen-komponen yang ditambahkan pada kolektor surya prismatik terhadap efisiensinya.

3. Memberikan sumbangan pemikiran untuk penelitian tentang kolektor surya selanjutnya.

1.5. Sistematika Penulisan

Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian, yaitu:

HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN KATA PENGANTAR ABSTRAK

DAFTAR ISI

DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR NOTASI

BAB I : PENDAHULUAN

Pada bab ini akan dibahas mengenai latar belakang dari judul skripsi yang telah ditetapkan, tujuan, manfaat, batasan masalah, sistematika penulisan, dan metodologi penulisan skripsi.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Pada bab ini akan dibahas mengenai teori-teori yang berhubungan dengan penulisan skripsi. Dasar teori didapatkan dari berbagai sumber, di antaranya berasal dari : buku-buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-mail, e-book, dan e-news. BAB III : METODOLOGI

Pada bab ini akan dibahas mengenai metode yang akan digunakan untuk menyelesaikan penulisan skripsi. Pada bab ini juga akan dibahas mengenai

langkah-langkah penelitian, pengolahan dan analisa data yang akan digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dari topik yang diangkat.

BAB IV : ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini akan dianalisa dan dibahas mengenai data-data yang telah diperoleh dari hasil penelitian yang telah dilakukan.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Pada bab ini berisi kesimpulan dari penulisan tugas akhir dan saran-saran. REFERENSI

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Matahari

Matahari merupakan bintang yang dekat dengan bumi dan menyediakan energi yang dibutuhkan oleh kehidupan di bumi secara terus–menerus (renewable energy). Sumber energi berjumlah besar dan kontinu terbesar yang tersedia bagi umat manusia adalah energi surya dan energi elektromagnetik yang dipancarkan oleh matahari. Energi surya sangat aktif karena tidak bersifat polutif dan tidak dapat habis. Akan tetapi arus energi yang rendah mengakibatkan digunakannya sistem dan kolektor yang permukaannya luas untuk mengumpulkan dan mengkonsentrasikan energi matahari ini.

Matahari adalah sebuah bulatan gas panas yang memiliki diameter 1,39 x 109 m dan berjarak sekitar 1,5 x 1011 m dari bumi. Matahari dianggap sebagai sebuah benda hitam yang memiliki suhu 5762 K. Suhu di pusat adalah 8 x 106 sampai 40 x 106 K dan memiliki densitas 100 kali dari air. Matahari terjadi karena reaksi fusi yang kontinu antara hidrogen dan helium.[2]

2.1.1. Konstanta Matahari

Radiasi matahari merupakan suatu bentuk radiasi termal. Radiasi yangdipancarkan oleh permukaan matahari Es, adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stefan Boltzmannσ, pangkat empat temperatur permukaan absolut Ts, dan

luas permukaan πds2.

[W] ………. 2.1 Dimana :

σ = 5,67 x 10-8 (W/m2K4), konstanta stefan-boltzmann

ds = Diameter matahari (m)

Radiasi flux pada unit area dari permukaan berbentuk bola dalam hal ini matahari dapatdicapai dari persamaan sebagai berikut:

[W/m2] ………..………..…. 2.2

Dimana:

Ts = temperatur permukaan matahari (K)

G = 1353 W/m2, konstanta matahari

Harga G ini disebut konstanta surya Gsc. Pengukuran yang baru-baru ini membenarkan

harga Gsc yang kemudian telah diterima oleh NASA sebagai standar.[3]

Posisi Matahari

Untuk menghitung radiasi matahari langsung pada sebuah permukaan miring dari data radiasi pada sebuah permukaan horizontal, maka posisi matahari harus diketahui setiap saat. Posisi matahari juga digunakan untuk menentukan radiasi surya yang diteruskan melalui kaca, yang transmisivitas absorbsivitasnya berubah-ubah sesuai dengan sudut masuk matahari.

- Sudut lintang, Φ, adalah sudut lokasi bidang di permukaan bumi terhadap ekuator bumi dimana untuk arah ke utara diberi tanda positip. Nilai untuk sudut lintang ini : - 90 ≤Φ≤ 90.

- Sudut kemiringan, β, adalah sudut antara permukaan bidang yang dimaksud terhadap horisontal ; 0 ≤ β≤ 180°.

- Sudut deklinasi matahari, δ, merupakan sudut kemiringan bumi terhadap

matahari akibat rotasi bumi pada arah sumbu axis bumi-matahari; -23,45°≤ δ

≤23,45°.

Sudut deklinasi matahari dinyatakan dengan persamaan :

... 2.3

dimana n menyatakan nomor urut hari dalam satu tahun yang diawali dengan nomor urut 1 untuk tanggal 1 Januari.

   



 +

=

365 284 360 sin 45 ,

23 n

δ

2 2 2

4R T d G=σ s s

N

S

δ

BUMI

MATAHARI

Gambar 2.1 Deklinasi matahari

- Sudut jam matahari, ω, adalah pergeseran sudut dari matahari ke arah timur/barat dari garis bujur lokal akibat rotasi bumi pada sumbunya. Besar pergeseran sudut tersebut 15° tiap jam .

- Sudut ketinggian matahari, α, adalah sudut antara radiasi langsung dari matahari dengan bidang horisontal yang ditentukan berdasarkan persamaan : [4]

... 2.4

- Sudut zenith, θz, adalah sudut antara radiasi langsung dari matahari dengan

garis normal bidang horisontal yang dinyatakan dengan persamaan :

... 2.5 - Sudut azimut (θA)

z z

A _{φ θ}

θ φ δ θ

sin cos

cos sin sin

cos = − ...2.6

Gambar 2.2 Posisi sudut matahari[5]

P Z

N

S W

E

θA θZ

Sudut Zenith

Sudut Azimut ω φ ω δ φ

α cos cos cos sin sin

sin = +

ω φ δ φ

δ

θ sin sin cos cos cos

Radiasi Pada Bidang Miring

Pada dasarnya data radiasi surya pada bidang miring jarang diperoleh. Karakteristik daripermukaan disekitarnya berbeda antara satu tempat dengan yang lainnya sehingga standarisasipengukurannya sulit dibuat.

Karena itu, radiasi total pada suatu permukaan miring biasanya dihitung. Radiasi total padapermukaan miring adalah jumlah dari radiasi komponen sorotan (IbT), komponen

sebaran (IdT), dankomponen pantulan (IrT).

[MJ/m2] ………..…………2.7 Radiasi Langsung/Sorotan

Intensitas radiasi langsung atau sorotan perjam pada sudut masuk normal Ibn adalah,

[MJ/m2] ………2.8

θz = sudut zenith

Dengan demikian, untuk suatu permukaan yang dimiringkan dengan sudut β terhadap bidanghorisontal, intensitas dari komponen sorotan adalah,

[MJ/m2] ………..…………2.9

θr disebut sudut masuk dan didefinisikan sebagai sudut antara arah sorotan pada sudut

masuknormal dan arah komponen tegak lurus (90o) pada permukaan bidang miring.

β

IbT

Ibn

Ibn

θz

θT

Ib

Gambar 2.3Radiasi sorotan tiap jam pada permukaan miring dari pengukuran

Radiasi Sebaran

Radiasi sebaran, yang disebut juga radiasi langit (sky radiation), adalah radiasi yangdipancarkan ke permukaan penerima oleh atmosfer, karena itu berasal dari seluruh bagian hemisfer.

Apabila dimisalkan, seperti yang sering terjadi, bahwa radiasi sebaran pada permukaan miringdinyatakan dengan,

[MJ/m2] ………..2.10

Dimana β adalah sudut miring dari permukaan miring dan Id menunjukkan besarnya

radiasisebaran perjam pada suatu permukaan horisontal. Radiasi Pantulan

Selain komponen radiasi langsung dan sebaran, permukaan penerima juga mendapatkanradiasi yang dipantulkan dari permukaan yang berdekatan dimana jumlah

radiasi yang dipantulkantergantung dari refleksi α dari permukaan yang berdekatan

itu, dan kemiringan permukaanyang menerima. Radiasi yang dipantulkan perjam, juga disebut radiasi pantulan, yang dijabarkandalam persamaan.

[MJ/m2] ………2.11

Dimana reflektansi α dianggap 0,21-0,25 untuk permukaan tanpa salju dan 0,7 untuk lapisan saljuyang baru turun.[6]

Sebaran Sorotan

Pantulan

Permukaan tanah

2.2. Transmisivitas-Absorbsivitas

Transmisi, refleksi, dan absorbsi dari radiasi sinar matahari dari komponen sebuah kolektor surya penting untuk menghitung performansi kolektor. Transmisivitas, refleksivitas, dan absorbsivitas merupakan fungsi-fungsi dari radiasi, ketebalan medium, indeks refraksi, dan koefisien pemadaman (extinction).

2.2.1. Refleksivitas dan Transmisivitas Radiasi

Refleksivitas radiasi pada permukaan halus melewati medium 1 dengan indeks bias n1, ke medium 2 dengan indeks bias n2 dihitung dengan persamaan :

) ( sin ) ( sin 1 2 2 1 2 2 θ θ θ θ + − = ⊥

r ... 2.12a

) ( tan ) ( tan 1 2 2 1 2 2

// _{θ θ}

θ θ

+ − =

r ... 2.12b di mana r฀ adalah komponen radiasi tegak lurus arah matahari dan r∥komponen radiasi searah arah matahari. Sedangkan 1 dan 2 masing-masing adalah sudut datang

matahari dan sudut bias.

Refleksivitas radiasi dapat diperoleh dengan persamaan :

[

//

]

2 1 r r I I r i

r = +

= ⊥ ... 2.13

Sedangkan transmisivitas radiasi diperoleh dengan persamaan :

      + − + + − = ⊥ ⊥ r r r r r 1 1 1 1 2 1 // //

τ ... 2.14

Garis Normal

Sinar Matahari Masuk, Ii

θ1

θ2 β

Medium 1, n

1

Medium 2, n

2

Io Sinar Pantul, Ir

Gambar 2.5 Sudut datang dan sudut bias pada dua medium

Dengan menggunakan hukum pembiasan Snell diperoleh 2 dengan

1 2

2 1

sin sin

θ θ = n n

... 2.15 di mana : n1 = indeks bias medium 1

n2 = indeks bias medium 2

1 = sudut masuk sinar

2 = sudut bias sinar

2.2.2 Absorbsi Radiasi [7]

   

  − =

2

cos exp

θ

τa KL ... 2.16

di mana :

K = koefisien extinction/pemadaman (m-1) L = ketebalan kaca (m)

2.2.3 Radiasi yang Diserap Absorber

Radiasi yang diserap absorber dapat diperoleh dengan persamaan : [8]

T aveI

S=(τα) ... 2.17 di mana :

S = radiasi yang diserap absorber (MJ/m2)

ave )

(τα = transmisivitas-absorbsivitas rata-rata

IT = Radiasi pada bidang miring (MJ/m2)

2.3 Perpindahan Kalor

2.3.1. Konduksi

Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Kalor dipindahkan melalui benda perantara, namun bendaperantaranya tidak ikut berpindah.Proses konduksi terjadi karena elektron-elektron bebasatau foton(paket gelombang akustik) yang berpindah. Jadi, tidak tampak perpindahannyasecara makroskopik. Jika atom atau molekul suatu zat pada suatu tempat bersuhu lebihtinggi daripada molekul di tempat lain, maka atom atau molekul tersebut akan bergerakdengan energi lebih besar daripada bagian lainnya. Melalui proses tumbukan, energi dapatdipindahkan kepada molekul-molekul atau atom lainnya.

Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier.[9]

…………...……….. 2.18

Dimana : q = Laju perpindahan panas (Watt)

k = Konduktivitas Termal (W/m.K)

A = Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2)

dT/dx = Gradien temperatur dalam aliran panas

2.3.2. Konveksi

Konveksi merupakan perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan massamedianya, dan media konveksi adalah fluida. Konveksi terjadi karena adanya perbedaankecepatan fluida bila suhunya berbeda, yang tentunya akan berakibat pada perbedaan beratjenis (berat tiap satuan volume). Fluida yang bersuhu tinggi akan mempunyai berat jenisyang lebih kecil bila dibandingkan dengan fluida sejenisnya yang bersuhu lebih rendah.Karena itu, maka fluida yang bersuhu tinggi akan naik sambil membawa energi. Hal inilahyang berakibat pada terjadinya perpindahan kalor konveksi. Udara yang mengalir di atas suatu permukaan logam pada sebuah alat pemanas udara surya, dipanasi secara konveksi yaitu konveksi paksa dan konveksi alamiah, apabila aliran udara disebabkan oleh blower maka ini disebut konveksi paksa dan apabila disebabkan oleh gradien massa jenis maka disebut konveksi alamiah.

Pada umumnya laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan hukum persamaan pendinginan Newton sebagai berikut.[10]

……….. 2.19

Dimana : h = Koefisien konveksi (W/m2.K) A = Luas permukaan kolektor surya (m2) Tw = Temperatur dinding (K)

T = Temperatur fluida (K)

2.3.3. Radiasi

Radiasi adalah proses perpindahan panas melalui gelombang elektromagnetik atau paket-paket energi (photon) yang dapat dibawa sampai pada jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium. Di samping itu jumlah energi yang dipancarkan sebanding dengan temperatur benda tersebut. Kedua hal tersebut yang membedakan antara peristiwa perpindahan panas konduksi dan konveksi dengan perpindahan panas radiasi.

Banyaknya kalor yang dipindahkantiap satuan waktu melalui proses radiasi dinyatakan oleh hukum Stefan Boltzmannsebagai :

P = e σ A T4 ……… 2.20 Tidak seluruh energi yang disebutkan dalam konstanta surya mencapai permukaan bumi, karena terdapat absorpsi yang kuat dari karbondioksida dan uap air di atmosfer.

Radiasi surya yang menimpa permukaan bumi juga bergantung dari kadar debu dan zat pencemar lainnya dalam atmosfer. Energi surya yang maksimal akan mencapai permukaan bumi bila berkas sinar itu langsung menimpa permukaan bumi karena:

a) Terdapat bidang pandang yang lebih luas terhadap fluks surya yang datang b) Berkas sinar surya menempuh jarak yang lebih pendek di atmosfer,

sehinggamengalami absorpsi lebih sedikit dari pada jika sudut timpanya miring terhadapnormal.

Frekuensi dari cahaya tidak akan berubah pada saat cahaya tersebut memasuki suatu medium ke medium lain selama energinya tetap. Laju energi yang dipindahkan tergantung kepada beberapa faktor, yaitu :

1) Temperatur (permukaan yang mengemisi dan yang menerima radiasi) 2) Emisivitas (permukaan yang terradiasi)

3) Refleksi, Absorpsi, dan Transmisi

4) Faktor pandang (views factor) antara permukaan yang mengemisi dan yang menerima radiasi (sudut pandang antara manusia terhadap sumber radiasi).[11]

Gelombang elekromagnetik berjalan melalui suatu medium dan mengenai suatu permukaan atau medium lain maka sebagian gelombang akan dipantulkan sedangkan, gelombang yang tidak dipantulkan akan menembus ke dalam medium atau permukaan yang dikenainya. Pada saat melalui medium, intensitas gelombang secara berkelanjutan akan mengalami pengurangan. Jika pengurangan tersebut berlangsung sampai tidak ada lagi gelombang yang akan menembus permukaan yang dikenainya maka permukaan ini disebut sebagai benda yang bertingkah laku seperti benda hitam.

Karakteristik lain dari benda hitam adalah bahwa semua radiasi yang jatuh padanya akan diserap dan bahwa emisi maksimal mungkin terjadi dalam semua panjang gelombang dan semua arah. Jika gelombang melalui suatu medium tanpa mengalami pengurangan hal ini disebut sebagai benda (permukaan) transparan dan jika hanya sebagian dari gelombang yang mengalami pengurangan hal ini disebut sebagai permukaan semi transparan. Apakah suatu medium adalah benda yang bertingkahlaku seperti benda hitam, transparan atau semi transparan tergantung kepada ketebalan lapisan materialnya.

Benda logam biasanya bersifat seperti benda hitam. Benda nonlogam umumnya memerlukan ketebalan yang lebih besar sebelum benda ini bersifat seperti benda hitam. Permukaan yang bersifat seperti benda hitam tidak akan memantulkan cahaya radiasi yang diterimanya, oleh karena itu kita sebut sebagai penyerap paling baik atau permukaan hitam. Jadi permukaan yang tidak memantulkan radiasi akan terlihat hitam. Permukaan dari benda hitam adalah permukaan yang paling ideal yang mempunyai sifat-sifat :

1. Benda hitam menyerap semua radiasi yang disengaja (irradiasi) tanpa melihat panjang gelombang dan arah datangnya sinar (diffuse).

2. Pada semua temperatur dan panjang gelombang yang diizinkan, tidak ada permukaan yang dapat menghasilkan energi lebih banyak daripada benda hitam.

3. Walaupun emisi radiasi yang dihasilkan oleh benda hitam adalah fungsi dari panjang gelombang dan temperatur, dan tidak bergantung pada arah datangnya sinar.[11]

Karakteristik radiasi dari permukaan yang bertingkahlaku seperti benda hitam : 1. Emisivisitas

Emisivitas adalah rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu dengan yang diradiasikan oleh benda hitam pada temperatur yang sama. Emisivitas merupakan ukuran kemampuan suatu benda untuk meradiasikan energi yang

diserapnya. Benda hitam sempurna memiliki emisivitas sama dengan satu (ε=1) tetapi

objek sesungguhnya memiliki emisivitas kurang dari satu. Umumnya, semakin kasar dan hitam benda tersebut, emisivitas meningkat mendekati 1. Semaki benda, maka benda tersebut memiliki emisivitas mendekati 0. Emisivitas adalah

2. Absorpsivitas (Penyerapan)

Tidak seperti halnya emisivitas, absorpsivitas atau refleksivitas dan transmisivitas bukanlah bagian dari sifat-sifat permukaan karena ketiga hal ini bergantung kepada radiasi yang datang ke permukaan. Absorpsi adalah proses pada saat suatu permukaan menerima radiasi dimana tidak semua energi diserap oleh permukaan tersebut, melainkan ada sebagian yang dipantulkan atau ditransmisikan. Akibat langsung dari proses penyerapan ini adalah terjadinya peningkatan energi dari dalam medium yang terkena panas tersebut.

3. Transmisivitas

Transmisivitas adalah fraksi dari jumlah energi radiasi yang ditransmisikan perjumlah total energi radiasi yang diterima suatu permukaan.Radiasi surya adalah radiasi gelombang pendek yang diserap oleh plat penyerap sebuah kolektor surya dan

diubah menjadi panas. Oleh karena itu, plat penyerap harus memiliki harga α yang

setinggi–tingginya dalam batas yang masih praktis. Plat penyerap yang menjadi panas memancarkan radiasi termal dalam daerah panjang gelombang yang panjang (infra merah) kerugian radiasi dapat dikurangi sehingga sangat kecil dengan cara menggunakan permukaan khusus yang memiliki harga absorbsivitas yang tinggi (α, tinggi) dalam daerah panjang gelombang pendek (radiasi surya) dan harga emisivitas

2.4. Tinjauan Mekanika Fluida

2.4.1. Viskositas

Viskositas merupakan sifat yang menentukan karakteristik fluida, yaitu ukuran tahanan fluida terhadap tegangan geser. Viskositas dinamik didefinisikan sebagai perbandingan tegangan geser terhadap laju regangan geser. Untuk distribusi kecepatan linier viskositas dinamik adalah :

d v

A F

/ /

=

µ [kg/m.s] ...………. 2.21

Sedang viskositas kinematik merupakan viskositas dinamik dibagi massa jenis

ρ.[13]

ρ µ =

v [m2/s ] ……….. 2.22 2.4.2. Bilangan Reynold

µ ρ i

vd =

Re ……….………….. 2.23 Merupakan hubungan antara massa jenis , viskositas dinamik , dan kecepatan rata-rata suatu fluida dalam sebuah pipa dengan diameter dalam di. Bilangan ini tidak

memiliki dimensi dan sering dinyatakan dalam laju aliran massa fluida . Dari persamaan kontinuitas, kecepatan v dapat dituliskan sebagai berikut :

i

d m v

ρπ

4

= [m/s] ………... 2.24

dengan mensubstitusikan v dalam persamaan di atas dapat diperoleh :[14]

µ πdi

m

4

Re= ……….. 2.25 2.4.3. Persamaan Kontinuitas

Fluida yang mengalir melalui suatu penampang akan selalu memenuhi hukum kontinuitas, yaitu laju massa fluida yang masuk masuk akan selalu sama dengan laju massa fluida yang keluar. Persamaan kontinuitas dirumuskan :

tan

2 2 2 1 1

1AV = ρ AV =kons

ρ …………...……… 2.26

Untuk aliran tak mampu mampat, ρ1 = ρ2 maka persamaan kontinuitas menjadi,[15]

2 2 1

1V AV

A

2 V2

A2

V1

A1

1

Gambar 2.6 Penampang saluran pipa 2.4.4. Perpindahan Kalor pada Air

Sebagian besar zat memuai secara beraturan terhadap penambahan temperatur. Akan tetapi (sepanjang tidak ada perubahan fase yang terjadi), air tidak mengikuti pola yang biasa. Jika air pada 0oC dipanaskan volumenya menurun sampai mencapai 4oC. Di atas 4oC air berperilaku normal dan volumenya memuai terhadap bertambahnya temperatur. Air dengan demikian memiliki massa jenis yang paling tinggi pada 4oC.

Sebuah fenomena yang menarik adalah ketika temperatur air di danau yang temperaturnya di atas 4oC dan mulai mendingin karena kontak langsung dengan udara yang dingin. Air yang berada di atas permukaan danau akan tenggelam karena massa jenisnya yang lebih besar dan digantikan oleh air yang lebih hangat. Keadaan ini berlanjut hingga air mencapai temperatur tetap (konstan).

Tekanan pada fluida dapat dituliskan dalam persamaan :

[kg/m2]... 2.27 Dimana :

P = Tekanan (kg/m2)

ρ = massa jenis zat cair (kg/m3

) g = percepatan gravitasi(m/s2)

h = kedalaman permukaan air danau(m)

ρ3 Permukaan danau P3 h3

ρ2 Tengah danau P2 h2

ρ1 Dasar Danau P1 h1

Dari keterangan di atas dapat kita simpulkan bahwa air panas akan selalu berada pada bagian pemukaan air. Hal ini dikarenakan massa jenis air panas lebih kecil daripada massa jenis air dingin, dengan sendirinya air panas akan berada pada permukaan.[16]

2.5. Penukar Kalor (Heat Exchanger)

Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan suatu alat yang sangat penting dalam proses pertukaran panas. Alat tersebut berfungsi untuk memindahkan panas antara dua fluida yang berbeda temperatur dan dipisahkan oleh suatu sekat pemisah. Penukar kalor yang digunakan di industri lebih diutamakan untuk menukarkan energi dua fluida (boleh sama zatnya) yang berbeda temperaturnya. Pertukaran energi dapat berlangsung melalui bidang atau permukaan perpindahan panas yang memisahkan kedua kedua fluida atau secara kontak langsung (fluidanya bercampur).

Energi yang dipertukarkan akan menyebabkan perubahan temperatur fluida (panas sensibel) atau kadang dipergunakan untuk berubah fasa (panas laten). Laju perpindahan energi dalam penukar kalor dipengaruhi oleh banyak faktor seperti kecepatan aliran fluida , sifat-sifat fisik yang dimiliki oleh kedua fluida yang saling dipertukarkan energinya (viskositas, konduktivitas termal, kapasitas panas spesifik), beda temperatur antara kedua kedua fluida, dan sifat permukaan bidang perpindahan panas yang memisahkan kedua fluida.

Jenis-Jenis Penukar Kalor

Pada umumnya penukar kalor bekerja pada temperatur dan tekanan yang tinggi serta kadang-kadang menggunakan fluida yang bersifat kurang ramah terhadap kehidupan kita. Sehingga diperlukan beberapa proses perpindahan panas yang tepat untuk mencegah adanya kerusakan dan kegagalan operasi.

Berdasarkan proses perpindahan panas yang terjadi, penukar kalor dapat dibedakan menjadi dua golongan, yaitu :

a. Tipe kontak langsung, di mana antara dua zat yang dipertukarkan energinya dicampur atau dikontakkan secara langsung.

b. Tipe tidak kontak langsung, maksudnya antara kedua zat yang dipertukarkan energinya dipisahkan oleh permukaan bidang padatan seperti dinding pipa, pelat, dan lain sebagainya sehingga antara kedua zat tidak tercampur.

Berdasarkan berapa kali fluida melalui penukar kalor dibedakan jenis satu kali laluan dengan multi atau banyak laluan.

Pada jenis satu laluan masih terbagi dalam tiga tipe berdasarkan arah aliran dari fluida, yaitu :

a. Penukar kalor tipe berlawanan, yaitu bila kedua fluida mengalir dengan arah yang saling berlawanan. Pada tipe ini mungkin terjadi bahwa temperatur fluida yang menerima panas saat keluar penukar kalor lebih tinggi dibanding temperatur fluida yang memberikan kalor saat meninggalkan penukar kalor. b. Penukar kalor tipe aliran sejajar, yaitu bila arah aliran dari kedua fluida di

dalam penukar adalah sejajar. Artinya kedua fluida masuk pada sisi yang satu dan keluar dari sisi yang lain.

c. Penukar kalor dengan aliran silang, artinya arah aliran kedua fluida saling bersilangan. Contoh yang sering kita lihat adalah radiator mobil dimana aliran air pendingan mesin yang memberikan energinya ke udara saling bersilangan.[17]

2.6. Kaca

Kaca adalah pandang), dan biasanya rapuh. Jenis yang paling banyak digunakan selama berabad-abad adalah jendela dan gelas minum. Kaca dibuat dari campuran 75%

2

Sifat Kaca

Sifat kaca yang penting adalah sifat pada saat kaca berbentuk fasa cair dan fasa padatnya. Sifat fasa cair dari kaca digunakan dalam proses pengambangan (floating) dan pembentukan kaca, sedangkan untuk sifat fasa padat dari kaca digunakan di dalam pemakaiannya (kegunaannya). Beberapa sifat fisik dan kimia yang penting dari kaca antara lain :

1. Sifat mekanik

Tension strength atau daya tarik adalah sifat mekanik utama dari kaca.Tensile strength

merupakan tegangan maksimum yang dialami oleh kaca sebelum terpisahnya kaca akibat adanya tarikan (fracture). Sumber fracture ini dapat muncul jika kaca

mempunyai cacat di permukaan, sehingga tegangan akan terkonsentrasi pada cacat tersebut. Kekuatan dari kaca akan bertambah jika cacat di permukaan dapat dihilangkan.

2. Densitas dan Viskositas

Densitas adalah perbandingan antara massa suatu bahan dibagi dengan volumenya. Nilai densitas dari kaca adalah sekitar 2,49 g/cm3. Densitas dari kaca akan menurun seiring dengan kenaikan temperatur. Sedangkan, viskositas merupakansifat kekentalan dari suatu cairan yang diukur pada rentang temperatur tertentu. Harga viskositas dari kaca merupakan fungsi dari suhu dengan kurva eksponensial.

3. Sifat termal

Konduktivitas panas dan panas ekspansi merupakan sifat thermal yang penting dari kaca. Kedua sifat ini digunakan untuk menghitung besarnya perpindahan panas yang diterima oleh cairan kaca tersebut. Nilai dari tahanan kaca sekitar 1020 – 1Ω cm13.

4. Optical properties

• Refractive properties

Kaca mempunyai sifatmemantulkan cahaya yang jatuh pada permukaan kaca tersebut. Sebagian sinar dari kaca yang jatuh itu akan diserap dan sisanya akan diteruskan. Apabila cahaya dari udara melewati medium padat seperti kaca, maka kecepatan cahaya saat melewati kaca menurun. Perbandingan antara kecepatan cahaya di udara dengan kecepatan cahaya yang lewat gelas ini disebut dengan indeks bias. Nilai indeks bias untuk kaca adalah ± 1,52.

• Absorptive properties

Intensitas cahaya yang masuk ke dalam akan berkurang karena adanya penyerapan sepanjang tebal kaca tersebut. Jika kaca semakin tebal, maka energi cahaya yang diserap akan semakin banyak sedangkan intensitas cahaya yang masuk melalui kaca akan semakin rendah.

5. Stabilitas kimia

Stabilitas kimia adalah ketahanan suatu bahan terhadap pengaruh zat kimia. Stabilitas kimia banyak dipengaruhi oleh bahan–bahan pembentuk kaca.[18]

2.7. Garam

Secara fisik, garam adalah benda padatan berwarna putih berbentuk kristal yang merupakan kumpulan senyawa dengan bagian terbesar Natrium Chlorida (NaCl) (>80%) serta senyawa lainnya seperti Magnesium Chlorida (MgCl), Magnesium Sulfat (MgSO4), Calsium Chlorida (CaCl), dan lain-lain. Garam mempunyai

sifat/karakteristik higroskopis yang berarti mudah menyerap air, bulk density (tingkat kepadatan) sebesar 0,8-0,9 dan titik lebur pada tingkat suhu 801 oC.

Natrium klorida, juga dikenal denga mempengaruhi termal yang tinggi, tidak mudah terbakar, rentang cair yang tinggi, dan kemampuannya sebagai pelarut berbagai senyawa.[19]

2.8. Kolektor Surya

Kolektor surya dapat didefinisikan 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 di dalam kolektor surya untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi. Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu [20]:

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

2.8.1. Klasifikasi Kolektor Surya

Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya.

1. Flat-Plate Collector

Kolektor surya merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memanaskan fluida kerja yang mengalir kedalamnya dengan mengkonversikan energi radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan berupa cairan minyak , oli, dan udara.Kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 95°C. Dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air.

Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah dengan memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang murah. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri.

Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorbernya yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor pelat datar memanfaatkan radiasi matahari langsung dan terpencar, tidak membutuhkan pelacak matahari, dan hanya membutuhkan sedikit perawatan. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain digunakan untuk pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara, dan proses panas industri. Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor pelat datar antara lain; transparant cover, absorber, insulasi, dan kerangka.[21]

2. Concentrating Collector

Jenis kolektor ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur antara 100–400°C. Kolektor surya jenis ini mampu memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber. Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen konsentrator yang terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi. Berdasarkan komponen absorbernya jenis ini dikelompokkan menjadi dua jenis yaitu, Line Focus dan Point Focus.[23]

Gambar 2.8 Konsentrator [23]

Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber, konsentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur fluida melebihi 400oC dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada gambar diatas.

3. Evacuated Tube Collector

Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara absorber dan penutupnya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan.[24]

Gambar 2.9 Evacuated Receiver[25]

2.8.2. Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Langsung dan Tidak Langsung 1. Sistem Langsung

Sistem langsung atau sistem loop terbuka mensirkulasikan air yang dipanaskan langsung melalui kolektor. Sistem ini lebih murah daripada sistem tidak langsung dan menawarkan perpindahan panas yang baik dari kolektor ke tangki penyimpanan, namun memiliki banyak kekurangan seperti :

• Memberikan perlindungan panas yang kecil atau tidak ada.

• Pada daerah dingin tidak memberikan perlindungan terhadap pembekuan.

Sistem ini sering tidak dianggap cocok untuk cuaca dingin karena kolektor yang rusak akibat pembekuan air.

Gambar 2.10Pemanas air sistem langsung :[26] (A) sistem pasif dengan tangki di atas kolektor.

(B) sistem aktif dengan pompa dan kontroler didukung oleh sebuah panel

2. Sistem Tidak Langsung

Sistem tidak langsung atau sistem loop tertutup menggunakan alat penukar panas yang memisahkan air dari fluida penghantar panas (Heat Transfer Fluid) yang bersirkulasi melalui kolektor. Dua jenis fluida penghantar panas yang paling umum adalah air dan antibeku yaitu campuran air yang biasanya menggunakan glikol propilen yang tidak beracun. Meskipun sedikit lebih mahal, sistem tidak langsung memberikan perlindungan terhadap pembekuan dan biasanya memberikan perlindungan terhadap kehilangan panas.

Gambar 2.11Pemanas air sistem aktif tidak langsung :[26]

(C) sistem tidak langsung dengan penukar panas dalam tangki (D) sistem tidak langsung dengan reservoir drainback. Dalam skema

kontroller dan pompa didorong oleh listrik.

2.8.3. Sistem Pasif dan Sistem Aktif

Sistem pasif mengandalkan sistem berbasis konveksi panas untuk mensirkulasikan air atau fluida penukar pemanas dalam sistem. Sistem pemanas air tenaga surya pasif memerlukan biaya yang kecil dan pemeliharaan yang sangat rendah, namun efisiensi sistem pasif secara signifikan lebih rendah daripada sistem aktif.

Sistem aktif menggunakan satu atau lebih pompa untuk mensirkulasikan air atau fluida penghantar panas dalam sistem.

• Tangki penyimpanan dapat diletakkan lebih rendah dari kolektor, memungkinkan kebebasan dalam desain sistem dan memungkinkan tangki penyimpanan yang sudah ada untuk digunakan.

• Tangki penyimpanan dapat disembunyikan dari pandangan.

• Tangki penyimpanan dapat ditempatkan di ruang AC atau semi AC, mengurangi kehilangan panas.

• Efisien yang tinggi.

• Meningkatnya kontrol atas sistem.

Sistem aktif yang sudah modern memiliki pengendali elektronik yang menawarkan berbagai macam fungsi seperti modifikasi pengaturan yang mengontrol sistem, interaksi dengan listrik, fungsi keamanan, akses remote, dan menampilkan berbagai informasi seperti pembacaan suhu.[26]

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Metode Pelaksanaan Penelitian

Metodologi merupakan tahapan-tahapan pengerjaan dalam pengerjaan skripsi ini. Dalam pelaksanaan penelitian ini dilakukan kegiatan-kegiatan yang meliputi tahapan, yaitu :

3.2. Tempat Penelitian

Penelitian dilakukan di gedung lantai IV Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan yang terletak pada posisi 30 35’ LU 980 40’ BT.

3.3. Alat dan Bahan yang Digunakan

Penelitian ini akan menggunakan bahan-bahan untuk pengukuran dan beberapa alat produksi dan alat ukur.

3.3.1. Alat

Adapun alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini di antaranya : 1. Pompa

Digunakan untuk mensirkulasikan air garam di dalam pipa tembaga ke kolektor surya prismatik.

Dengan spesifikasi sebagai berikut :

Merk/model : Moswell/125A Tegangan/frekuensi : 220 volt/50 Hz Daya : 125 W

Total head : 33 m

Kapasitas maksimum : 42 liter/menit Sisi isap : 9 m

Dimensi : 1”x1”

2. Flowmeter

Flowmeter digunakan untuk mengetahui laju aliran fluida penukar panas (air garam). Selain itu, alat ini juga mampu untuk mengukur total volume air yang melewati alat tersebut. Satuan dari alat ini adalah gallon/menit.

Adapun spesifikasi dari flowmeter ini adalah sebagai berikut : Produksi : Great Plains Industries, Inc. Meter type : 1” NPT

Temperatur masuk : -40oC – 121oC Laju aliran massa maksimum : 20 GPM

Gbr 3.3 Flowmeter

3. Alat ukur temperatur udara, kecepatan angin, intensitas cahaya dan kelembaban (Station data logger HOBO Micro Station)

Dengan spesifikasi sebagai berikut :

- Skala Pengoperasian : 20o – 50oC dengan baterai alkalin 40o – 70oC dengan baterai litium

- Input Sensor : 3 buah sensor pintar multi channel monitoring

- Dimensi : 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm - Berat : 0,36 kg

- Memori : 512Kb Penyimpanan data nonvolatile flash.

- Interval Pengukuran : 1 detik – 18 jam (tergantung pengguna) - Akurasi waktu : 0 - 2 detik

Gambar 3.4Hobo Micro Station Data Logger

4. Agilent (Termokopel)

Digunakan untuk mengukur suhu pada berbagi titik pada kolektor maupun pada tangki air.

Gbr 3.5Agilent (termokopel) Spesifikasi :

- Daya 35 Watt

- Jumlah saluran termokopel 20 buah - Tegangan 250 volt

- Mempunyai 3 saluran utama

- Dapat memindai data hingga 250 saluran per detik - Mempunyai 8 tombol panel dan sistem kontrol

- Fungsional antara lain pembacaan suhu termokopel, RTD dan termistor, arus listrik AC.

Kompas digunakan untuk mengukur arah kolektor surya prismatik terhadap arah mata angin. Dimana posisi normal yang digunakan adalah terhadap arah timur.

Gambar 3.6 Kompas

6. Kolektor Surya Prismatik

Kolektor terdiri dari plat seng yang dibuat menjadi bentuk prismatik dan dicat hitam. Kolektor pada bagian atas dan samping yang berbentuk segitiga ditutup dengan kaca.

Adapun kolektor prismatik ini memiliki dimensi sebagai berikut : Panjang : 134 cm

Lebar : 100 cm Tinggi : 40 cm

Kolektor surya prismatik sebagai pemanas air memiliki bagian-bagian sebagai berikut, antara lain :

a. Tangki Air

Tangki besar merupakan tempat air yang akan dipanaskan. Pada tangki ini terdapat juga koil yang merupakan alat penukar kalor antara air garam dengan air yang akan dipanaskan.

Adapun dimensi tangki besar adalah : Diameter : 30 cm

Tinggi : 60 cm

60 cm

D = 30 cm Air garam keluar koil Air garam

masuk koil

Gambar 3.8 Tangki air

b. Tangki Air Garam

Tangki ini adalah sebagai tempat air garam. Tangki ini dimaksudkan untuk mempermudah saat pengisian air garam ke dalam pipa tembaga dan memastikan agar sirkulasi air garam yang dipompakan penuh masuk ke dalam pipa tembaga.

Adapun dimensi tangki air garam adalah : Diameter : 16 cm

20 cm

D = 16 cm Air garam

Gambar 3.9 Tangki air garam

c. Koil

Koil ini adalah sebagai alat penukar kalor antara air garam dengan air yang akan dipanaskan. Koil terbuat dari pipa tembaga dengan diameter dalam 10 mm dan tebal 1 mm.

Adapun diameter koil ini memiliki dimensi sebagai berikut : Diameter : 25 cm

Tinggi : 30 cm

30 cm

D = 25 cm Air garam

Gambar 3.10Koil

3.3.2. Bahan

Adapun bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain : a. Kabel termokopel

c. Tangki d. Plat seng

e. Kaca tebal 5 mm f. Busa

g. Glass and metal silicon sealant h. Air garam (NaCl-H2O)

i. Styrofoam

j. Isolasi aluminium foil k. Cat hitam

Dengan spesifikasi bahan-bahan lain antara lain :

• Plat absorbsi digunakan plat sengdengan ketebalan 0,5 mm dan dicatdengan warna hitam pudar.

• Pipa kolektor dan koil digunakan bahan tembagadengan diameter luar (Do) = 12 mm dan diameter dalam (Di) = 10 mm. Pipa kolektor dicat warna hitam pudar.

• Kaca Penutup digunakan jenis kacabening dengan ketebalan 5 mm dan transmisivitas 92 %.

• Bahan isolator styrofoam dengan density 27 kg/m3untuk isolator bagian bawah plat absorber.

3.4. Perakitan Alat Pengujian

Setelah persiapan bahan dan peralatan selesai maka dibuatlah skema instalasi kolektor surya prismatik sebagai pemanas air sebelum dirakit.Adapun skema instalasi kolektor surya prismatik dapat dilihat pada gambar 3.11 di bawah ini :

Kolektor surya prismatik

Flowmeter Tangki

air garam

Katup

Pompa sirkulasi Tangki

air

Koil

Gambar 3.11 Skema instalasi

Setelah itu, maka peralatan dan bahan yang sudah ada tersebut dirakit sesuai dengan sketsa instalasi kolektor surya prismatik yang telah dibuat dengan langkah-langkah sebagai berikut:

- Kolektor surya prismatik dipasangkan/didudukkan pada rangka besi yang dibuat khusus sebagai penopang. Untuk mengikat kolektor ke rangka besi digunakan baut untuk mencegah kolektor jatuh dan sekaligus memudahkan bongkar pasang kolektor.

- Hubungkan pipa tembaga dari kolektor surya prismatik ke tangki air garam. - Hubungkan pipa tembaga dari tangki kecil air garam ke koil yang ada di dalam

tangki air yang akan dipanaskan.

- Hubungkan pipa tembaga ke pompa. Untuk menghubungkan pipa tembaga ke pompa digunakan reducer karena perbedaan diameter pipa tembaga dengan diameter inlet dari pompa.

- Hubungkan pipa dari pompa ke flowmeter dengan terlebih dahulu sebuah katup dipasangkan pada pipa di antara pompa dan flowmeter.

- Bagian pipa-pipa dan tangki air garam maupun tangki air dilapisi dengan glasswool dan solasi aluminium foil untuk mencegah keluarnya panas secara konduksi dari dinding bagian tersebut.

- Pada kolektor surya prismatik dipasangkan tiga buah termokopel masing-masing pada bagian barat, timur, dan puncak kolektor. Kemudian pada pipa masuk kolektor surya prismatik, pipa keluar surya prismatik, dan pada tangki air masing-masing dipasangkan satu buah termokopel.

- Termokopel dihubungkan ke agilent untuk diterjemahkan dalam bentuk digital dan hasilnya ditampilkan dalam derajat celcius.

Setelah semuanya terpasang dengan baik, maka akan tampak seperti gambar 3.12 di bawah ini.

Gambar 3.12 Kolektor surya prismatik

3.5. Set Up Pengujian

Tabel 3.1 Titik set-up pengujian

Titik-titik yang diukur Keterangan titik

1 Ruang absorber sebelah timur

2 Ruang absorber sebelah utara

3 Lingkungan sekitar

4 Ruang absorber sebelah barat

5 Ruang absorber sebelah atas

6 Ruang absorber sebelah selatan

7 Pipa masuk tabung kecil (fuida kerja)

8 Pipa keluar tabung besar

9 Pipa tembaga sebelah barat

10 Pipa tembaga sebelah timur

11 Bagian dasar tabung air

12 Bagian atas tabung air

13 Bagian bawah isolasi kolektor timur

15 Permukaan kaca

16 Absorber bagian timur

17 Absorber bagian barat

18 Fluida kerja (dalam tabung kecil)

19 Absorber selatan bawah

20 Pipa keluar pompa

Agilent

Gambar 3.13 Titik set up pengujian

3.6. Pengujian dan Pengambilan Data

Pengujian dilakukan dengan menempatkan kolektor dengan luasan persegi menghadap ke timur, sedangkan luasan segitiga masing-masing menghadap ke utara dan selatan. Sebagai penukar kalor fluida yang digunakan adalah air garam NaCl yang memiliki salinitas 120 g/kg dengan laju alir 0,12 kg/s.

Sebelum menghidupkan pompa terlebih dahulu menghidupkan agilent termokopel untuk mencatat suhu awal dan memastikan flowmeter berada pada kondisi siap dan menunjukkan nol pada total debitnya. Pengujian dimulai pada pukul 09.00– 16.00 WIB dengan menghidupkan pompa dan mematikan pompa setelah pengujian selesai. Pengambilan data oleh termokopel dilakukan secara otomatis setiap 10 menit, sedangkan flowmeter dilihat setelah pengujian selesai untuk mendapatkan total debit air garam yang telah disirkulasikan melewati pipa tembaga.

Pengujian yang dilakukan pada kolektor surya prismatik ini dilakukan dengan berdasarkan variasi jarak kaca ke plat absorber.Pengujian dilakukan sebanyak tiga kali masing-masing pengujian untuk jarak 60 mm pada tanggal 21 Oktober 2011, pengujian untuk jarak 50 mm pada tanggal 24 Oktober 2011, dan pengujian untuk jarak 40 mm pada tanggal 26 Oktober 2011.

z = 40 mm Kaca

Pipa kolektor

Plat absorber

Stirofoam

(a).

z = 50 mm Kaca

Pipa kolektor Plat absorber

Stirofoam

(b).

z = 60 mm Kaca

Pipa kolektor Plat absorber

Stirofoam

(c).

Gambar 3.14 Jarak kaca ke plat absorber (z)

Adapun variabel input dari hasil pengujian yang akan dianalisa dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

- Komposisi fluida kerja (larutan air garam) yaitu 120 g/kg - Volume air yang akan dipanaskan adalah ±42 ltr

- Radiasi Matahari

- Nilai radiasi total yang diterima oleh kolektor - Kecepatan Angin

- Temperatur Lingkungan

- Temperatur Pipa Masuk dan Keluar - Temperatur Air Awal dan Akhir - Laju perpindahan panas pada kolektor - Laju perpindahan panas pada water storage

Dimana dengan menganalisa data-data input (temperatur pada kolektor dan temperatur yang dihasilkan di air yang dipanaskan) ini dihasilkan output berupa:

- Jumlah energi radiasi matahari yang diserap kolektor

- efisiensi thermal kolektor untuk setiap pengujian, sehingga diperoleh kesimpulan berapa jarak kaca ke absorber yang digunakan untuk mendapatkan efisiensi paling baik.

3.7. Perumusan Hasil Akhir

Data yang diperoleh dalam pengujian diterapkan ke persamaan atau rumus seperti yang tercantum dalam tinjauan pustaka. Data pengukuran yang diperoleh dalam pengujian dan fisis tambahan dari media yang digunakan kemudian dihitung, sehingga diperoleh efektivitas kolektor surya prismatik. Hasil tersebut kemudian ditabelkan dan diplot dalam bentuk grafik.

BAB IV

HASIL DAN ANALISA DATA

4.1Hasil Pengujian

Pengujian yang dilakukan memanfaatkan energi matahari. Pengujian dilakukan sebanyak tiga kali dengan memvariasikan jarak kaca ke plat absorber. Pengujian pertama dilakukan untuk jarak 60mm kaca terhadap absorber, pengujian kedua untuk jarak 50 mm, dan pengujian ketiga untuk jarak 40 mm.

Adapun hasil pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut :

Tabel 4.1 Hasil pengujian I untuk jarak kaca 60 mm terhadap absorber pada 21 Oktober 2011

No Jam Kecepatan

Angin, m/s

Radiasi Matahari,

MJ/m²

Suhu Lingkungan,

Ta, (oC)

Suhu Air Garam

Masuk, Ti

(oC)

Suhu Air Garam Keluar, To (

o C)

Suhu Air yang Dipanaskan,

Tf ( o

C)

1 9-10 0.17 1.418 30.17 35.61 40.96 38.93

2 10-11 0.45 1.912 31.83 39.97 46.01 44.03

3 11-12 0.41 1.794 32.12 44.71 48.81 47.64

4 12-13 0.92 1.548 31.70 47.31 50.33 49.73

5 13-14 1.62 1.051 30.63 49.00 49.75 49.65

6 14-15 1.60 0.593 29.52 48.30 48.35 48.43

7 15-16 0.75 0.876 29.96 47.16 48.88 48.22

Gambar 4.1 Grafik radiasi matahari pada pengujian I dengan jarak kaca ke absorber 60 mm

Tabel 4.2 Hasil pengujian II untuk jarak kaca 50 mm terhadap absorber pada 24 Oktober 2011

No Jam

Kecepatan Angin,

m/s

Radiasi Matahari,

MJ/m²

Suhu Lingkungan,

Ta, (oC)

Suhu Air Garam

Masuk, Ti

(oC)

Suhu Air Garam Keluar, To, (oC)

Suhu Air yang Dipanaskan,

Tf, (oC)

1 9-10 0.14 1.3309 28.21 24.71 37.83 36.26

2 10-11 0.15 2.3958 31.96 36.97 46.20 43.26

3 11-12 0.74 1.5654 31.25 44.81 47.64 46.48

4 12-13 1.11 1.8542 31.67 45.97 51.27 49.59

5 13-14 0.55 2.1119 33.15 49.44 55.13 53.16

6 14-15 0.58 1.0653 32.03 53.56 52.98 54.00

7 15-16 0.96 0.2165 29.42 51.65 49.68 51.03

Gambar 4.2 Grafik radiasi matahari pada pengujian II dengan jarak kaca ke absorber 50 mm

Tabel 4.3 Hasil pengujian III untuk jarak kaca 40 mm terhadap absorber pada tanggal 26 Oktober 2011

No Jam

Kecepatan Angin,

m/s

Radiasi Matahari,

MJ/m²

Suhu Lingkungan,

Ta, (oC)

Suhu Air Garam

Masuk, Ti

(oC)

Suhu Air Garam Keluar, To, (oC)

Suhu Air yang Dipanaskan,

Tf, (oC)

1 9-10 0.12 2.0458 32.40 37.69 45.65 33.50

2 10-11 0.17 2.2472 33.68 44.47 50.79 39.55

3 11-12 0.58 1.5905 32.41 49.25 52.43 49.39

4 12-13 0.55 1.4066 32.01 51.14 53.41 52.73

5 13-14 0.82 1.4752 32.23 52.46 54.55 54.30

6 14-15 1.14 0.8957 31.58 52.41 53.58 53.28

Gambar 4.3 Grafik radiasi matahari pada pengujian III dengan jarak kaca ke absorber 40 mm

Gambar 4.4 Grafik kenaikan temperatur air terhadap waktu

4.2Analisa Hasil Pengujian

Pengujian hari pertama dilakukan pada tanggal 21 Oktober 2011 dengan jarak kaca ke absorber 60 mm. Analisa perhitungan dilakukan per jam. Berikut adalah analisa perhitungan untuk jam 09.00-10.00 WIB.

4.2.1 Posisi Matahari

 Deklinasi (δ)

0 -11.75 365 294 284 360 sin 45 , 23 365 284 360 sin 45 , 23 =       + =       + = δ δ δ n

 Sudut Zenit

Dengan menggunakan persamaan 2.5 diperoleh sudut zenith matahari :

o z z z z 54 , 33 833 , 0 cos ) 30 cos( ) 58 , 3 cos( ) 75 , 11 cos( ) 58 , 3 sin( ) 75 , 11 sin( cos cos cos cos sin sin cos = = − + − = + = θ θ θ ω φ δ φ δ θ

 Sudut Azimuth

Dengan menggunakan persamaan 2.6 diperoleh sudut azimuth matahari :

o A A A z z A 34 , 107 29 , 0 cos ) 54 , 33 sin( ) 58 , 3 cos( ) 54 , 33 cos( ) 58 , 3 sin( ) 75 , 11 sin( cos sin cos cos sin sin cos = − = − − = − = θ θ θ θ φ θ φ δ θ

4.2.2 Radiasi Pada Bidang Miring

Radiasi bidang miring pada kolektor surya prismatik ini dibagi atas tiga bagian sudut kemiringan (β) yaitu bidang miring timur, barat, dan juga utara/selatan. Permukaan bidang miring utara dan selatan memiliki sudut kemiringan yang sama sehingga dapat digabungkan.

Berikut analisa perhitungan untuk bidang miring timur dengan sudut kemiringan β = 30o.

 Radiasi ekstraterestrial pada suatu permukaan horizontal dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

... 4.1 dimana :

Io = radiasi ektraterestial pada permukaan horizontal (MJ/m2) Gsc = konstanta radiasi matahari (W/m2)

ω = sudut jam (derajat)

  

 _{− +} −

= φ δ ω ω π ω ω φ δ

π 360 sin sin

) ( 2 ) sin (sin cos cos 1000 2 3600

24 _{2 1}

1 2 x xG x x

Sehingga diperoleh : 2 MJ/m 3,705 ) 75 , 11 sin( 58 , 3 sin( 360 )) 45 ( 30 ( 2 )) 45 sin( ) 30 )(sin( 75 , 11 cos( ) 58 , 3 cos( 1353 1000 2 3600 24 =         − − − − + − − − − = o o I x x x x I π π

 Radiasi Sebaran (IdT)

Radiasi yang diperoleh oleh alat ukur Hobo diperoleh I = 1,418 MJ/m2.

Dari grafik korelasi fraksi radiasi sebaran terhadap radiasi global yang terdapat pada gambar 4.5, untuk I/Io = 1,418/3,705 = 0,3827, fraksi sebaran adalah Id/I

= 0,8957 maka diperoleh Id = 1,219 MJ/m2.

Gambar 4.5 Grafik korelasi fraksi radiasi sebaran terhadap radiasi global[27] Dengan menggunakan persamaan 2.10 radiasi sebaran ditentukan sebesar :

2 / 1373 , 1 2 ) 30 cos( 1 ) 219 , 1 ( 2 cos 1 m MJ I I I I dT dT d dT =       + =       + = β

 Radiasi Sorotan (IbT)

Ib = I – Id = 1,418 – 1,219 = 0,199 MJ/m2.

Dengan menggunakan persamaan 2.9 radiasi sorotan diperoleh sebesar :

2 / 1998 , 0 ) 5 , 7 cos( ) 58 , 3 cos( ) 75 , 11 cos( ) 58 , 3 sin( ) 75 , 11 sin( ) 5 , 7 cos( ) 30 58 , 3 cos( ) 75 , 11 cos( ) 30 58 , 3 sin( ) 75 , 11 sin( ) 199 , 0 ( cos cos cos sin sin cos ) cos( cos ) sin( sin m MJ I I I I bT bT b bT = − − + − − − − + − − = + − + − = ω φ δ φ δ ω β φ δ β φ δ

 Radiasi Pantulan (IrT)

Dengan nilai reflektansi α=0,2 maka dengan menggunakan persamaan 2.11 radiasi pantulan diperoleh sebagai berikut :

0,1608 / 2

2 30 cos 1 ) 219 , 1 199 , 0 ( 2 , 0 2 cos 1 ) ( m MJ I I I I I rT rT d b rT =       − + =       − +

=α β

 Radiasi total pada permukaan miring

Dengan menggunakan persamaan 2.7 diperoleh radiasi total sebesar :

2 / 4979 , 1 1608 , 0 1373 , 1 1998 , 0 m MJ I I I I I I T T rT dT bT T = + + = + + =

4.2.3 Transmisivitas-Absorbsivitas Rata-Rata (ταave)

Sebelum menghitung transmiasivitas-absorbsivitas terlebih dahulu ditentukan sudut masuk dan sudut bias radiasi matahari yang masuk ke permukaan kaca dengan menentukan sudut masuk radiasi setiap jam.

Pada permukaan kolektor timur dengan kemiringan 30o, sudut normal kaca terdapat pada jam 10.00. Dengan menggunakan hukum pembiasan Snell diperoleh 2 dengan

menggunakan persamaan 2.15.

Berikut contoh perhitungan sudut bias matahari terhadap kaca untuk jam 09.00-10.00 WIB : 9068 , 4 526 , 1 5 , 7 sin sin 2 1 2 =       = − θ θ

Selanjutnya dihitung komponen tegak lurus arah matahari (r฀) dan komponen searah arah matahari (r∥), menggunakan persamaan 2.12 diperoleh :

0443 , 0 ) 5 , 7 9068 , 4 ( sin ) 5 , 7 9068 , 4 ( sin ) ( sin ) ( sin 2 2 1 2 2 1 2 2 = + − = + − = ⊥ ⊥ ⊥ r r r θ θ θ θ

0424 , 0 ) 5 , 7 9068 , 4 ( tan ) 5 , 7 9068 , 4 ( tan ) ( tan ) ( tan // 2 2 // 1 2 2 1 2 2 // = + − = + − = r r r θ θ θ θ

Reflektansi pada permukaan kaca dihitung dengan persamaan 2.13 diperoleh sebesar :

0434 , 0 ) 0424 , 0 0443 , 0 ( 2 1 ) ( 2 1 1 1 1 // = + = + = _⊥ θ θ θ r r r r r

Transmitansi dihitung dengan persamaan 2.14 diperoleh sebesar :

9169 , 0 0443 , 0 1 0443 , 0 1 0424 , 0 1 0424 , 0 1 2 1 1 1 1 1 2 1 // // =       + − + + − =       + − + + − = ⊥ ⊥ r r r r r r r τ τ τ

Absorbsi oleh kaca dapat dihitung dengan nilai K diperkirakan 32 m-1 untuk kaca dan tebal kaca 5mm dinyatakan dengan L(m), maka dengan menggunakan persamaan 2.16 diperoleh absorbsi radiasi sebesar :

8516 , 0 9068 , 4 cos ) 005 , 0 32 exp cos exp 2 =      ₋ =       − = a a a x KL τ τ θ τ

Maka transmitansi 1 kaca dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut[28] : ... 4.2

Sehingga diperoleh :

7808 , 0 9169 , 0 8516 , 0 = = τ τ x

Absorbsivitas kaca dihitung dengan persamaan :

... 4.3

Sehingga diperoleh absorbsivitas kaca sebesar :

r aτ τ τ = a τ α =1−

1484 , 0 8516 , 0 1 = − = α α

Dengan sudut masuk 30o dari tabel rasio absorbtansi berbagai sudut masuk sinar matahari pada gambar 4.6 diperoleh =0,9999

n α

α _.

Gambar 4.6 Rasio absorptansi berbagai sudut masuk sinar matahari pada permukaan hitam[28]

Reflektansi kaca dihitung dengan persamaan :

... 4.4

Sehingga diperoleh :

0708 , 0 7808 , 0 1484 , 0 1 = − − = ρ ρ

Selanjutnya dapat dihitung hasil transmitansi-absorbtansi kaca dengan persamaan[29]:

... 4.5

Sehingga diperoleh :

1233 , 0 ) ( 0708 , 0 ) 1484 , 0 1 ( 1 1484 , 0 , 0 7808 , 0 ) ( = − − = τα τα x τ α

ρ =1− −

ρ α τα τα ) 1 ( 1 ) ( − − =

Ketergantungan transmitansi-absorbtansi (τα)dari kaca dapat diperoleh dari grafik pada gambar 4.7 dengan membandingkan sudut masuk radiasi dengan jumlah kaca, maka diperoleh[30] :

9969 , 0 ) ( ) ( ₌ n τα τα

Gambar 4.7 Perbandingan τα/ταn untuk 1-4 lapis kaca[31]

Transmitansi-absorbtansi radiasi sebaran (τα)_n dihitung dengan persamaan :

... 4.6

Maka diperoleh transmitansi-absorbtansi radiasi sebaran sebesar :

0067 , 1 ) ( 9969 , 0 999 , 0 01 , 1 ) ( = = n

n x x

τα τα

Transmitansi-absorbsi radiasi sorotan dapat dihitung dengan persamaan :

... 4.7

Sehingga diperoleh :

0035 , 1 ) ( 9969 , 0 0067 , 1 ) ( = = b b x τα τα n n

n x x

) ( ) ( 01 , 1 ) ( τα τα α α τα = n n b x ) ( ) ( ) ( ) ( τα τα τα τα =

Dengan demikian transmitansi-absorbsi rata-rata yang tersedia untuk radiasi pada pada bidang miring dihitung dengan persamaan :

... 4.8

Sehingga diperoleh :

9635 , 0 ) (

0035 , 1 96 , 0 ) (

= =

av

av x

τα τα

b av 0,96x( )

)

Berikut adalah rangkuman perhitungan transmisivitas absorbsivitas rata-rata ke empat bidang kolektor yang dilakukan dengan excel. Tabel 4.4 Perhitungan transmisivitas absorbsivitas rata-rata untuk permukaan kolektor timur

Pukul 1 2 rT rII r r a ฀ ฀/฀n ฀ ( ฀) ( ฀)/( ฀)n ( ฀)n ( ฀)b ( ฀)av

9-10 7.5 4.907 0.044 0.042 0.043 0.917 0.852 0.781 0.148 1.000 0.071 0.123 0.997 1.007 1.004 0.963

10-11 7.5 4.907 0.044 0.042 0.043 0.917 0.852 0.781 0.148 1.000 0.071 0.123 0.997 1.007 1.004 0.963

11-12 22.5 14.523 0.053 0.035 0.044 0.916 0.848 0.777 0.152 0.997 0.071 0.126 0.991 0.997 0.988 0.949

12-13 37.5 23.511 0.076 0.019 0.048 0.910 0.840 0.765 0.160 0.988 0.075 0.131 0.969 0.966 0.936 0.899

13-14 52.5 31.325 0.132 0.002 0.067 0.882 0.829 0.731 0.171 0.950 0.098 0.136 0.913 0.876 0.799 0.767

14-15 67.5 37.259 0.271 0.024 0.147 0.764 0.818 0.625 0.182 0.869 0.193 0.135 0.738 0.647 0.477 0.458

15-16 82.5 40.519 0.636 0.342 0.489 0.356 0.810 0.289 0.190 0.595 0.522 0.095 0.225 0.135 0.030 0.029

Tabel 4.5 Perhitungan transmisivitas absorbsivitas rata-rata untuk permukaan kolektor barat

Pukul 1 2 rT rII r r a ฀ ฀/฀n ฀ ( ฀) ( ฀)/( ฀)n ( ฀)n ( ฀)b ( ฀)av

9-10 67.5 37.259 0.271 0.024 0.147 0.764 0.818 0.625 0.182 0.869 0.193 0.135 0.738 0.647 0.477 0.458

10-11 52.5 31.325 0.132 0.002 0.067 0.882 0.829 0.731 0.171 0.950 0.098 0.136 0.913 0.876 0.799 0.767

11-12 37.5 23.511 0.076 0.019 0.048 0.910 0.840 0.765 0.160 0.988 0.075 0.131 0.969 0.966 0.936 0.899

12-13 22.5 14.523 0.053 0.035 0.044 0.916 0.848 0.777 0.152 0.997 0.071 0.126 0.991 0.997 0.988 0.949

13-14 7.5 4.907 0.044 0.042 0.043 0.917 0.852 0.781 0.148 1.000 0.071 0.123 0.997 1.007 1.004 0.963

14-15 7.5 4.907 0.044 0.042 0.043 0.917 0.852 0.781 0.148 1.000 0.071 0.123 0.997 1.007 1.004 0.963

Tabel 4.6 Perhitungan transmisivitas absorbsivitas rata-rata untuk permukaan kolektor utara/selatan

Pukul 1 2 rT rII r r a ฀ ฀/฀n ฀ ( ฀) ( ฀)/( ฀)n ( ฀)n ( ฀)b ( ฀)av

9-10 60 34.577 0.185 0.001 0.093 0.842 0.823 0.693 0.177 0.900 0.130 0.137 0.838 0.761 0.638 0.612

10-11 60 34.577 0.185 0.001 0.093 0.842 0.823 0.693 0.177 0.900 0.130 0.137 0.838 0.761 0.638 0.612

11-12 60 34.577 0.185 0.001 0.093 0.842 0.823 0.693 0.177 0.900 0.130 0.137 0.838 0.761 0.638 0.612

12-13 60 34.577 0.185 0.001 0.093 0.842 0.823 0.693 0.177 0.900 0.130 0.137 0.838 0.761 0.638 0.612

13-14 60 34.577 0.185 0.001 0.093 0.842 0.823 0.693 0.177 0.900 0.130 0.137 0.838 0.761 0.638 0.612

14-15 60 34.577 0.185 0.001 0.093 0.842 0.823 0.693 0.177 0.900 0.130 0.137 0.838 0.761 0.638 0.612

Di bawah ini adalah grafik ταav pada ketiga bidang miring dan sama untuk pada ketiga

pengujian.

Gambar 4.8 Transmisivitas-absorbsivitas rata-rata terhadap waktu

4.2.4 Radiasi yang Diserap Absorber (S)

Radiasi yang diserap oleh absorber diperoleh dengan persamaan 2.17 :

T aveI S =(τα)

Table 4.7 Radiasi pada bidang miring timuruntuk pengujian jarak 60mm

No Jam β I IdT IbT IrT IT (τα)av S

(MJ/m2) (MJ/m2)

1 9-10 30 1.418 1.137 0.200 0.161 1.498 0.963 1.443

2 10-11 30 1.912 1.384 0.431 0.217 2.032 0.963 1.957

3 11-12 30 1.794 1.431 0.262 0.203 1.896 0.948 1.798

4 12-13 30 1.548 1.334 0.119 0.176 1.628 0.899 1.463

5 13-14 30 1.051 0.959 0.023 0.119 1.101 0.767 0.845

6 14-15 30 0.593 0.549 0.004 0.067 0.620 0.458 0.284

7 15-16 30 0.876 0.775 0.045 0.099 0.920 0.029 0.027

Table 4.8 Radiasi pada bidang miring baratuntuk pengujian jarak 60mm

No Jam β I IdT IbT IrT IT (τα)av S

(MJ/m2) (MJ/m2)

1 9-10 -30 1.418 1.137 0.145 0.161 1.443 0.458 0.661

2 10-11 -30 1.912 1.384 0.312 0.217 1.913 0.767 1.467

3 11-12 -30 1.794 1.431 0.190 0.203 1.824 0.899 1.639

4 12-13 -30 1.548 1.334 0.086 0.176 1.596 0.948 1.514

5 13-14 -30 1.051 0.959 0.017 0.119 1.095 0.963 1.055

119

121

123