Pengujian Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Pipa Panas Menggunakan Fluida Kerja Refrigeran R-718 pada Tekanan Vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg dengan Variasi Kemiringan Kolektor 400 dan 500.

PENGUJIAN PEMANAS AIR TENAGA SURYA SISTEM PIPA PANAS

MENGGUNAKAN FLUIDA KERJA REFRIGERAN R-718 PADA

TEKANAN VAKUM 45 cmHg, 40 cmHg DAN 35 cmHg DENGAN

VARIASI KEMIRINGAN KOLEKTOR 40

0

DAN 50

0

Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh:

ARDIKO PARDEDE

(110401009)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa karena hanya atas berkat dan karunia-Nya penulis dapat mengerjakan dan menyelesaikan skripsi ini dengan baik.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu “Pengujian Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Pipa Panas Menggunakan Fluida Kerja Refrigeran R-718 pada

Tekanan Vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg dengan Variasi Kemiringan Kolektor 400

dan 500.”

Penulis berterima kasih kepada banyak pihak yang telah banyak membantu penulis di berbagai hal dalam proses penyusunan skripsi ini. Oleh sebab itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada:

1. Orang tua penulis, Ayahanda M. Pardede dan Ibunda H. Siahaan almarhumah atas segala pengorbanan yang tiada terbalaskan di dalam membesarkan, menyekolahkan saya hingga ke jenjang perguruan tinggi. Permohonan saya kepada Tuhan melalui doa yang tulus kiranya kepada Ibunda tercinta diberikan tempat yang layak disisi-Nya dan kepada Ayahanda tercinta kiranya diberikan kekuatan dan kesehatan serta ketabahan di dalam membimbing kami anak-anak mu.

2. Bapak Ir.Tekad Sitepu, MT selaku Dosen Pembimbing yang telah memberikan banyak bimbingan, arahan, dan masukan yang positif kepada penulis selama penyusunan skripsi ini.

3. Bapak Dr.Eng. Himsar Ambarita,ST.MT. dan Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus, ST.MT sebagai dosen pembanding yang telah bersedia memberikan saran dan kritik yang sangat membangun.

4. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

5. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera.

6. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik Mesin di Universitas Sumatera Utara, yang telah banyak membantu penulis dan memberikan bimbingan selama perkuliahan.

7. Rekan satu tim skripsi yaitu Immanuel Richart Sembiring yang selalu menyemangati penulis dengan sabar.

8. Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara terkhusus stambuk 2011 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.

Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki berbagai kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis juga mengharapkan skripsi ini dapat menjadi tambahan pengetahuan bagi pembaca dan bermanfaat untuk kita semua. Terimakasih.

Medan, Juni 2015 Penulis

ABSTRAK

Penelitian ini adalah bagian dari suatu penelitian besar tentang pemanfaatan energi surya sebagai energi terbarukan untuk pemanas air. Latar belakang penelitian ini adalah adanya kebutuhan yang besar akan penggunaan air panas terutama di hotel, rumah sakit dan restauran. Sebuah alat pemanas air tenaga surya yang diuji memakai sistem pipa panas, dimana sistem pemanasan air berlangsung dengan prinsip termosifon. Alat pemanas air tenaga surya ini berukuran 1,16 m x 0,80 m x 0,21 m, yang dibagi menjadi 3 bagian kolektor dengan ukuran 1 m x 0,2 m per kolektor. Masing-masing kolektor dipasang 2 pipa panas berukuran 3/4 inchi dan tangki penyimpan air yang berisi 4 liter. Penelitian dilakukan di Kota Medan dengan ketinggian tempat penelitian 47 m dpl dan kemiringan kolektor 2 variasi yaitu 400 dan 500terhadap garis horizontal menghadap timur. Penelitian ini menggunakan refrigeran R-718 sebagai fluida kerja, pengujian dilakukan secara bersamaan pada tiga kolektor yang berbeda tekanan vakum refrigerannya, refrigeran di kolektor 1 divakum pada 45 cmHg, kolektor 2 pada 40 cmHg dan kolektor 3 pada 35 cmHg. Pengujian dilakukan sebanyak tiga tahap untuk masing-masing kemiringan kolektor. Pengujian menunjukkan hasil berikut : Temperatur air maksimum dari seluruh tahap penelitian adalah sebesar 62,750C, terjadi di tangki 1 pada tekanan vakum 45 cmHg dengan kemiringan kolektor 500. Pada saat itu total energi radiasi yang diukur oleh pyranometer adalah sebesar 15,13 MJ/m2/hari. Efisiensi maksimum dari seluruh tahap penelitian adalah sebesar 48,63 % terjadi pada tangki 3 dengan kemiringan kolektor 500. Kesimpulan adalah semakin tinggi kevakuman refrigeran maka temperatur air akan semakin tinggi, energi surya di kota Medan dapat digunakan sebagai pemanas air sehingga bisa mengurangi pengunaan bahan bakar untuk memanaskan air.

ABSTRACT

This research is part of a large research on solar energy utilization as renewable energy for heating water. The background of this research is the great needs that will use hot water especially in hotel, hospitals and restaurant. An instrument water heater solar tested wearing hot pipe system, where water heating system with the principle of lasting termosifon. A solar water heater this size 1,16 m x 0,80 m x 0,21 m divided into 3 of the collector with a measure of 1 m x 0,2 m one collector. Each mounted collector 2 pipe hot measuring 3/4 inches and tank the depositary of water that contains 4 liters. Research is done in the city of medan with the height of the research 47 m dpl and the slope of a

collector 2 variation that is 400 and 500 a horizontal line facing east. This study using a

refrigerant R-718 as a working fluid, testing be done simultaneously on three different collector vacuum pressure refrigerant, a refrigerant in collector 1 vacuum on 45 cmHg , collector 2 on 40 cmHg and collector 3 on 35 cmHg .Testing done in three phases for each the slope of a collector. Testing shows the results of the following: maximum water

temperature of the whole research phase 62,750C is as much as, happened in the tank 1 to

pressure vacuum 45 cmHg with a tilt collector 500. At the time the total radiation energy

measured by pyranometer is as much as 15,13 MJ/m2/day. Maximum efficiency of the

whole research phase is as much as 48,63 % happened on a tank 3 with a tilt collector 500.

The conclusion is the higher vacuum pressure a refrigerant and water temperatures are significantly higher, solar energy in the city of Medan can be used as heating of water so that it can help reduce using of fuel for heating water.

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR... i

ABSTRAK ... iii

ABSTRACT... iv

DAFTAR ISI... v

DAFTAR GAMBAR... ix

DAFTAR TABEL ... xiii

DAFTAR SIMBOL... xiv

DAFTAR LAMPIRAN ... xv

BAB I PENDAHULUAN... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Tujuan Penelitian ... 3

1.3. Batasan Masalah ... 3

1.4. Manfaat Penelitian ... 3

1.5. Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1. Perpindahan Panas ... 6

2.1.1. Perpindahan Panas Konduksi... 6

2.1.2. Perpindahan Panas Konveksi... 7

2.1.3. Perpindahan Panas Radiasi ... 8

2.2. Radiasi Surya ... 8

2.2.1. Teori Dasar Radiasi Surya ... 8

2.2.2. Absorbtivitas, Reflektivitas dan Transimitas... 9

2.2.3. Rumusan Radiasi Surya ... 11

2.2.4. Hipotesa Pengaruh Kemiringan Kolektor... 17

2.2.5. Analisa Pengaruh Kemiringan Kolektor Terhadap Kerja PATS ... 18

2.3. Pemanfaatan Energi Surya... 20

2.4. Kalor ... 28

2.4.1. Kalor Laten ... 28

Tenaga Surya ... 29

2.5. Alat Pemanas Air Tenaga Surya... 29

2.5.1. Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya ... 32

2.5.2. Energi yang Sampai pada Kolektor Pemanas Air Tenaga Surya ... 33

2.5.3. Energi yang Diserap oleh air ... 34

2.5.4. Efisiensi dari Kolektor ... 35

2.6. Refrigeran R-718 ... 35

BAB III METODE PENELITIAN ... 38

3.1. Tempat dan Waktu... 38

3.1.1. Tempat Penelitian ... 38

3.1.2. Waktu Pelaksanaan ... 38

3.2 Bahan dan Peralatan ... 38

3.2.1. Bahan ... 38

3.2.2. Peralatan... 39

3.3. Pelaksanaan Penelitian ... 47

3.3.1. Pemeriksaan Peralatan ... 47

3.3.2. Persiapan Pendahuluan ... 47

3.3.3. Mengatur Tekanan Refrigeran ... 48

3.3.4. Mengatur Sudut Kolektor ... 48

3.3.5. Mengambil Data Hasil Penelitian ... 48

3.4. EksperimentalSet-Up... 49

3.5. Variabel Penelitian ... 49

3.5.1. Variabel Bebas ... 49

3.5.2. Variabel Terikat ... 50

3.6. Analisa Data ... 50

3.7. Kerangka Konsep Penelitian ... 51

4.2.1. Pengujian Tahap I ... 53

4.2.2. Pengujian Tahap II ... 54

4.2.3. Pengujian Tahap III ... 56

4.3. Pengolahan Data Tahap I Sudut 40o... 58

4.3.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)... 58

4.3.2. Energi yang Diserap Air (Qu) ... 62

4.3.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum... 63

4.4. Pengolahan Data Tahap I Sudut 50o... 64

4.4.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)... 64

4.4.2. Energi yang Diserap Air (Qu) ... 68

4.4.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum... 69

4.5. Pengolahan Data Tahap II Sudut 40o... 70

4.5.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)... 70

4.5.2. Energi yang Diserap Air (Qu) ... 73

4.5.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum... 75

4.6. Pengolahan Data Tahap II Sudut 50o... 76

4.6.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)... 76

4.6.2. Energi yang Diserap Air (Qu) ... 76

4.6.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum... 79

4.7. Pengolahan Data Tahap III Sudut 40o... 81

4.7.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)... 81

4.7.2. Energi yang Diserap Air (Qu) ... 84

4.7.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum... 86

4.8. Pengolahan Data Tahap III Sudut 50o... 87

4.8.1. Energi yang sampai ke Kolektor (Qincident)... 87

4.8.2. Energi yang Diserap Air (Qu) ... 90

4.8.3. Efisiensi Kolektor Saat Suhu Air Maksimum... 91

4.9. Efisensi Kolektor Sudut Miring... 92

4.9.1. Efisensi Kolektor Sudut Miring Tahap I... 93

4.9.2. Efisiensi Kolektor Sudut Miring Tahap II ... 95

4.9.3. Efisiensi Kolektor Sudut Miring Tahap III... 96

4.11.1. Uji Regresi dan Korelasi pada kemiringan Kolektor 400... 102

4.11.2. Uji Regresi dan Korelasi pada kemiringan Kolektor 500... 103

4.12. Pembahasan ... 103

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 106

5.1. Kesimpulan ... 106

5.2. Saran ... 106

DAFTAR PUSTAKA... xvi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perpindahan panas konduksi melalui sebuah plat ... 6

Gambar 2.2 Perpindahan panas konveksi dari permukaan plat ... 7

Gambar 2.3 Interaksi energi surya ... 9

Gambar 2.4 Pola Absorbsi ... 10

Gambar 2.5 Radiasi Surya... 10

Gambar 2.6 Hubungan antara matahari dan bumi ... 11

Gambar 2.7 Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari ... 14

Gambar 2.8 Pengaruh koefisien sudut pengubah terhadap kemiringan ... 19

Gambar 2.9 Solar Water Heater... 21

Gambar 2.10 Kompor surya ... 22

Gambar 2.11 Solar Driers... 24

Gambar 2.12 Solar Arsitektur ... 25

Gambar 2.13 Sistem Pendingin dengan Energi Surya ... 25

Gambar 2.14 Solar Chimney... 26

Gambar 2.15 SolarDestilasi ... 27

Gambar 2.16 Solar Power Plant... 28

Gambar 2.17 Alat Pemanas Air Tenaga Surya ... 32

Gambar 2.18 Ilustrasi panas yang diserap oleh absorber ... 33

Gambar 3.1 Tata Letak Lokasi Penelitian... 38

Gambar 3.2 Skema Pemanas Air Tenaga Surya dengan R-718 pada tekanan yang bervariasi ... 40

Gambar 3.3 Pompa Vakum ... 41

Gambar 3.4 Manifold Gauge... 41

Gambar 3.5 Agilient 34972 A... 42

Gambar 3.6 Laptop... 43

Gambar 3.7 Hobo Microstation data logger... 43

Gambar 3.8 Skema Pengambilan Data Pemanas Air Tenaga Surya ... 49

Gambar 4.1 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu pada pengujian 40otahap 1... 53

Gambar 4.2 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu pada pengujian 50otahap 1... 54

Gambar 4.3 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu pada pengujian 40otahap 2... 55

Gambar 4.4 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu pada pengujian 50otahap 2... 56

Gambar 4.5 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu pada pengujian 40otahap 3... 57

Gambar 4.6 Grafik Temperatur Pelat Absorber, Temperatur air Vs Waktu pada pengujian 50otahap 3... 58

Gambar 4.8 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian

400tahap 1 ... 63

Gambar 4.9 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 400tahap 1... 64

Gambar 4.10 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 50otahap 1 ... 65

Gambar 4.11 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian

500tahap 1 ... 69

Gambar 4.12 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 500tahap 1... 70

Gambar 4.13 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 40otahap 2 ... 71

Gambar 4.14 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian

400tahap 2 ... 74

Gambar 4.15 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 400tahap 2... 75

Gambar 4.16 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 50otahap 2 ... 77

Gambar 4.17 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian

500tahap 2 ... 80

Gambar 4.18 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 500tahap 2... 81

Gambar 4.19 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 40otahap 3 ... 82

Gambar 4.20 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian

400tahap 3 ... 85

Gambar 4.21 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 400tahap 3... 86

Gambar 4.22 Grafik Intensitas Matahari Vs Waktu pada pengujian 50otahap 3 ... 88

Gambar 4.23 Grafik jumlah energi yang diserap air (Qu) Vs waktu pada pengujian

Gambar 4.24 Grafik efisiensi kolektor Vs waktu pada pengujian 500tahap 3... 92

Gambar 4.25 Tekanan saat awal pengujian, 45 cmHg Vakum ... 98

Gambar 4.26 Tekanan pada pukul 09.00 berkisar 41 cmHg Vakum ... 98

Gambar 4.27 Tekanan pada pukul 10.00 berkisar 35 cmHg Vakum ... 99

Gambar 4.28 Tekanan pada pukul 11.00 berkisar 26 cmHg Vakum ... 99

Gambar 4.29 Tekanan pada pukul 12.00 berkisar 20 cmHg Vakum ... 99

Gambar 4.30 Tekanan pada pukul 13.00 berkisar 23 cmHg Vakum ... 100

Gambar 4.31 Tekanan pada pukul 14.00 berkisar 30 cmHg Vakum ... 100

Gambar 4.32 Tekanan pada pukul 15.00 berkisar 34 cmHg Vakum ... 100

Gambar 4.33 Tekanan pada pukul 16.00 berkisar 40 cmHg Vakum ... 101

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Urutan hari berdasarkan bulan ... 12

Tabel 2.2 Faktor Koreksi Iklim ... 16

Tabel 2.3 Sifat–Sifat dari R-718 yang digunakan ... 36

Tabel 2.4 Sifat R-718 pada tekanan vakum 45 cmHg (0,400 bar absolut) ... 36

Tabel 2.5 Sifat R-718 pada tekanan vakum 40 cmHg (0,466 bar absolut) ... 36

Tabel 2.6 Sifat R-718 pada tekanan vakum 35 cmHg (0,533 bar absolut) ... 37

Tabel 3.1 SpesifikasiMeasurement Apparatus... 44

Tabel 3.2 SpesifikasiPyranometer ... 45

Tabel 3.3 SpesifikasiWind Velocity Sensor... 45

Tabel 3.4 SpesifikasiTdanRH Smart Sensor ... 46

Tabel 4.1 Tabel hasil pengujian dari keseluruhan tahap ... 52

Tabel 4.2 Perbandingan efisiensi kolektor sudut datar dan sudut miring ... 97

Tabel 4.3 Uji Regresi dan Korelasi pada kemiringan Kolektor 400... 102

Tabel 4.4 Uji Regresi dan Korelasi pada kemiringan Kolektor 500... 103

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

Qc Laju perpindahan panas konduksi W

Qh Laju perpindahan panas konveksi W

Qr Laju perpindahan panas radiasi W

h Koefisien konveksi W(m2K)

k Koefisien konduksi W/m.K

∆T Beda temperatur K

QL Kalor laten J

Qs Kalor sensibel J

Gon Radiasi atmosfer W/m2

Gsc Konstanta surya W/m2

Qincident Panas matahari J

A Luas penampang pelat absorber (m2)

I Intensitas radiasi matahari (W/m2)

Qabs Panas absorber J

Qref Panas yang dipantulkan J

α Difusifitas bahan

-Qu Energi berguna dari kolektor ke air kJ

P Tekanan Vakum cmHg

mw Massa air kg

Cp,w Panas jenis dari air kJ/kg.0C

Tw1 Temperatur awal air sebelum dipanaskan

kolektor 0C

Tw2 Temperatur aktual setelah dipanaskan

oleh kolektor 0C

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Data pengujian tahap I sudut 400tanggal 16 Maret 2015 ... xix

Lampiran 2 Data pengujian tahap I sudut 500tanggal 20 Maret 2015 ... xxi

Lampiran 3 Data pengujian tahap II sudut 400tanggal 23 Maret 2015 ... xxiii

Lampiran 4 Data pengujian tahap II sudut 500tanggal 26 Maret 2015 ... xxv

Lampiran 5 Data pengujian tahap III sudut 400tanggal 10 April 2015... xxvii

Lampiran 6 Data pengujian tahap III sudut 500tanggal 27 Maret 2015... xxix

Lampiran 7 Energi yang diserap air dan efisiensi pengujian tahap I sudut 400 tanggal 16 Maret 2015... xxxi

Lampiran 8 Energi yang diserap air dan efisiensi pengujian tahap I sudut 500 tanggal 20 Maret 2015... xxxiii

Lampiran 9 Energi yang diserap air dan efisiensi pengujian tahap II sudut 400 tanggal 23 Maret 2015... xxxv

Lampiran 10 Energi yang diserap air dan efisiensi pengujian tahap II sudut 500 tanggal 26 Maret 2015... xxxvii

Lampiran 11 Energi yang diserap air dan efisiensi pengujian tahap III sudut 400 tanggal 10 April 2015... xxxix

Lampiran 12 Energi yang diserap air dan efisiensi pengujian tahap III sudut 500

tanggal 27 Maret 2015... xli

ABSTRAK

Penelitian ini adalah bagian dari suatu penelitian besar tentang pemanfaatan energi surya sebagai energi terbarukan untuk pemanas air. Latar belakang penelitian ini adalah adanya kebutuhan yang besar akan penggunaan air panas terutama di hotel, rumah sakit dan restauran. Sebuah alat pemanas air tenaga surya yang diuji memakai sistem pipa panas, dimana sistem pemanasan air berlangsung dengan prinsip termosifon. Alat pemanas air tenaga surya ini berukuran 1,16 m x 0,80 m x 0,21 m, yang dibagi menjadi 3 bagian kolektor dengan ukuran 1 m x 0,2 m per kolektor. Masing-masing kolektor dipasang 2 pipa panas berukuran 3/4 inchi dan tangki penyimpan air yang berisi 4 liter. Penelitian dilakukan di Kota Medan dengan ketinggian tempat penelitian 47 m dpl dan kemiringan kolektor 2 variasi yaitu 400 dan 500terhadap garis horizontal menghadap timur. Penelitian ini menggunakan refrigeran R-718 sebagai fluida kerja, pengujian dilakukan secara bersamaan pada tiga kolektor yang berbeda tekanan vakum refrigerannya, refrigeran di kolektor 1 divakum pada 45 cmHg, kolektor 2 pada 40 cmHg dan kolektor 3 pada 35 cmHg. Pengujian dilakukan sebanyak tiga tahap untuk masing-masing kemiringan kolektor. Pengujian menunjukkan hasil berikut : Temperatur air maksimum dari seluruh tahap penelitian adalah sebesar 62,750C, terjadi di tangki 1 pada tekanan vakum 45 cmHg dengan kemiringan kolektor 500. Pada saat itu total energi radiasi yang diukur oleh pyranometer adalah sebesar 15,13 MJ/m2/hari. Efisiensi maksimum dari seluruh tahap penelitian adalah sebesar 48,63 % terjadi pada tangki 3 dengan kemiringan kolektor 500. Kesimpulan adalah semakin tinggi kevakuman refrigeran maka temperatur air akan semakin tinggi, energi surya di kota Medan dapat digunakan sebagai pemanas air sehingga bisa mengurangi pengunaan bahan bakar untuk memanaskan air.

ABSTRACT

This research is part of a large research on solar energy utilization as renewable energy for heating water. The background of this research is the great needs that will use hot water especially in hotel, hospitals and restaurant. An instrument water heater solar tested wearing hot pipe system, where water heating system with the principle of lasting termosifon. A solar water heater this size 1,16 m x 0,80 m x 0,21 m divided into 3 of the collector with a measure of 1 m x 0,2 m one collector. Each mounted collector 2 pipe hot measuring 3/4 inches and tank the depositary of water that contains 4 liters. Research is done in the city of medan with the height of the research 47 m dpl and the slope of a

collector 2 variation that is 400 and 500 a horizontal line facing east. This study using a

refrigerant R-718 as a working fluid, testing be done simultaneously on three different collector vacuum pressure refrigerant, a refrigerant in collector 1 vacuum on 45 cmHg , collector 2 on 40 cmHg and collector 3 on 35 cmHg .Testing done in three phases for each the slope of a collector. Testing shows the results of the following: maximum water

temperature of the whole research phase 62,750C is as much as, happened in the tank 1 to

pressure vacuum 45 cmHg with a tilt collector 500. At the time the total radiation energy

measured by pyranometer is as much as 15,13 MJ/m2/day. Maximum efficiency of the

whole research phase is as much as 48,63 % happened on a tank 3 with a tilt collector 500.

The conclusion is the higher vacuum pressure a refrigerant and water temperatures are significantly higher, solar energy in the city of Medan can be used as heating of water so that it can help reduce using of fuel for heating water.

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Energi surya merupakan sumber energi terbarukan yang mempunyai potensi paling besar. Energi ini berasal dari matahari yang jaraknya sekitar 150 km dari bumi. Laju energi yang dipancarkan matahari adalah sebesar 20

10 8 ,

3 

MW dan yang sampai di permukaan bumi adalah sekitar 10,81010MW. Seandainya energi ini dipanen sebesar 0,1% saja dengan efisiensi 10% maka akan diperoleh daya listrik sebesar 10,8106MW. Nilai ini lebih dari empat kali daya listrik yang saat ini dibangkitkan dunia, sekitar 3000 GW. Energi yang sampai ke permukaan bumi dalam satu tahun adalah sekitar 3.400.000 Exajoule (EJ). Sebagai catatan konsumsi energi dunia pada tahun 2008 adalah sebesar 474 EJ. Berdasarkan data ini, maka untuk memenuhi konsumsi energi dunia dalam satu tahun hanya dibutuhkan energi surya dengan lama paparan radiasi 1 jam 12 menit [1].

Potensi energi surya di Indonesia sebagai pemanas air sangatlah besar karena Indonesia terletak di garis khatulistiwa. Energi surya sangat luar biasa karena tidak bersifat polutif, bersifat kontinyu, dan tak dapat habis. Pada pemanas air tenaga surya, energi surya yang berupa gelombang elektromagnetik dapat dikumpulkan dan diubah menjadi energi panas yang berguna melalui bantuan suatu alat yang disebut kolektor surya.

Kolektor termal surya merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menyerap energi surya, yang kemudian mengubah energi surya menjadi energi termal, dan mentransfer energi tersebut ke fluida kerja untuk kemudian digunakan secara langsung atau disimpan terlebih dahulu pada suatu unit penyimpanan panas. Dalam aplikasinya kolektor termal surya banyak digunakan sebagai alat pemanas air pada rumah.

Air panas menjadi kebutuhan utama di hotel, rumah sakit, dan restauran. Pada umumnya air panas diperoleh dengan cara memasak air dengan

umumnya adalah bahan bakar fosil akan menimbulkan polusi udara, yaitu terbentuknya CO, CO2, dan lain-lain. Selain itu bahan bakar jenis ini merupakan sumber energi yang tak dapat diperbarui sehingga suatu saat akan habis dan perlu dicari sumber energi alternatif [2].

Untuk menghindari terbentuknya lebih banyak polutan, sejalan dengan penerapan ISO 9000 yang sejak tahun 1994 muncul dengan standarisasi di bidang lingkungan hidup, EMAS (Eco-Management and Audit Scheme) di Uni Eropa serta padanannya ISO 14000, maka salah satu solusinya adalah menggunakan peralatan penyerap energi matahari untuk memanaskan air.

Menurut Juni Handoko [3] berdasarkan protocol montreal (atas prakarsa Perserikatan Bangsa - Bangsa) tahun 1987 dan telah diratifikasi oleh lebih dari 170 negara, disepakati bahwa refrigeran yang mengandung Clorofluarocarbon

(CFC)tidak boleh digunakan dan diproduksi lagi. Clorofluarocarbon inilah yang

akan merusak ozon dan membahayakan kelangsungan hidup makhluk hidup. Salah satu refrigeran yang tidak mengandung Clorofluarocarbon adalah R-718, refrigeran ini sangat mudah diperoleh dan aman untuk kesehatahan lingkungan serta tidak merusak lingkungan. Oleh karena itulah refrigeran R-718 dipilih sebagai fluida sekunder untuk penelitian ini.

Berdasarkan hasil penelitian pemanas air tenaga surya yang dilakukan sebelumnya oleh Tekad Sitepu [4] melakukan kajian performansi pemanas air tenaga surya sistem pipa panas dengan menggunakan fluida kerja 718 dan R-141b, penelitian tersebut menggunakan kemiringan kolektor 300 dan hasilnya menunjukkan bahwa refrigeran R-718 mempunyai efisiensi maksium 26% pada tekanan 30 cmHg.

Berdasarkan hasil penelitian tersebut maka peneliti akan menyempurnakannya dengan meneliti penggunaan refrigeran sekunder R-718 (air) pada variasi tekanan vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg dengan kemiringan kolektor 40o dan 50o. Hal ini dilakukan mengingat semakin besar tingkat kevacuman refrigeran maka titik didihnya semain rendah, sehingga proses pemanasan air berlangsung cepat. Selain itu peneliti juga akan melihat pengaruh kemiringan kolektor terhadap efisiensi kolektor dan temperatur maksimum yang dapat dicapai air.

1.2. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Untuk mengetahui suhu kolektor dan temperatur air pada pemanas air tenaga surya sistem pipa panas menggunakan fluida kerja refrigeran R-718.

2. Untuk mengetahui efisiensi kolektor pemanas air tenaga surya sistem pipa panas menggunakan fluida kerja refrigeran R-718 pada tekanan vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg.

3. Untuk mengetahui perbandingan temperatur maksimum air yang di-panaskan dan efisiensi kolektor pada kemiringan kolektor 40odan 50o.

1.3. Batasan Masalah

Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada:

1. Fluida kerja yang digunakan adalah refrigeran R-718 pada tekanan vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg.

2. Kemiringan kolektor 400dan 500terhadap garis horizontal menghadap timur.

3. Tempat penelitian dilakukan di Lantai 4 gedung Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara Medan dengan ketinggian tempat penelitian adalah 47 m di atas permukaan laut.

1.4. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah:

1. Mengurangi ketergantungan terhadap pemakaian bahan bakar fosil. 2. Memberi masukan untuk peningkatan efisiensi energi di Indonesia. 3. Memberikan masukan untuk menghasilkan alat pemanas air dengan

1.5. Sistematika Penulisan

Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini disusun atas beberapa bab dengan garis besar tiap bab sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan masalah yang berisi antara lain : Latar belakang, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian , dan sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisi dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan sebagai landasan dalam memecahkan masalah dan menganalisis permasalahan yang berkaitan dengan perpindahan panas, pemanfaatan energi surya dan jenis pemanas air tenaga surya.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini berisi metode perancangan serta langkah yang dilakukan untuk mengidentifikasi permasalahan, beserta variabel-variabel yang akan diukur dan perlengkapan pengujian meliputi waktu dan tempat penelitian, peralatan pengujian, bahan pengujian, eksperimentalset-up, dan prosedur pengujian.

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi tentang data yang diperoleh dari pengujian, yaitu temperatur kolektor, temperatur air tiap tangki dan intensitas radiasi pada saat pengujian berlangsung, kemudian perhitungan intensitas radiasi secara teoritis, perhitungan energi yang sampai pada kolektor, perhitungan energi yang diserap oleh air dan perhitungan efisiensi dari kolektor pemanas air tenaga surya. Hasil analisis data akan disajikan dalam bentuk tabel dan grafik.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi kesimpulan dari analisa yang dilakukan terhadap permasalahan dan saran mengenai penyempurnaan hasil penelitian untuk generasi

DAFTAR PUSTAKA

Daftar pustaka berisikan literatur-literatur yang digunakan dalam penyusunan laporan ini.

LAMPIRAN

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Perpindahan Panas

Panas hanya akan berpindah jika ada perbedaan temperatur, yaitu dari sistem yang bertemperatur tinggi ke sistem bertemperatur rendah. Perbedaan temperatur ini mutlak diperlukan sebagai syarat terjadinya perpindahan panas. Selama ada perbedaan temperatur antara dua sistem maka akan terjadi perpindahan panas. Mekanisme perpindahan panas yang terjadi dapat dikategorikan atas 3 jenis yaitu: konduksi, konveksi dan radiasi.

2.1.1. Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas dari partikel yang lebih panas ke partikel yang lebih dingin sebagai hasil dari interaksi antara partikel tersebut. Karena partikelnya tidak berpindah, umumnya konduksi terjadi pada medium padat, tetapi bisa juga cair dan gas. Perpindahan panas di sini terjadi akibat interaksi antara partikel tanpa diikuti perpindahan partikelnya. Perhatikan gambar di bawah ini.

Gambar 2.1. Perpindahan panas konduksi melalui sebuah plat Secara matematik, untuk plat datar seperti gambar di atas ini, laju perpindahan panas konduksi dirumuskan dengan persamaan berikut. [5]

...(2.1) Atau sering dirumuskan dengan persamaan berikut ini.

= Laju perpindahan panas konduksi (W) A = Luas penampang (m2)

∆T = Beda temperatur (K) ∆x = Panjang (m)

k = Daya hantar (konduktivitas) (W/m.K)

2.1.2. Perpindahan Panas Konveksi

Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas antara permukaan padat yang berbatasan dengan fluida mengalir. Fluida di sini bisa dalam fasa cair atau fasa gas. Syarat utama mekanisme perpindahan panas konveksi adalah adanya aliran fluida. Perhatikan gambar di bawah ini.

Gambar 2.2. Perpindahan panas konveksi dari permukaan plat

Secara matematik perpindahan panas konveksi pada permukaan plat rata dapat dirumuskan dengan persamaan berikut ini.[6]

Qh= hA(T2-T3) ...(2.3)

Dimana:

Qh =Laju perpindahan panas konveksi (W) h = Koefisien konveksi (W/m2K)

A = Luas penampang perpindahan panas (m2)

T2 = Temperatur permukaan T3 = Temperatur udara lingkungan

2.1.3. Perpindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas radiasi adalah panas yang dipindahkan dengan cara memancarkan gelombang elektromagnetik. Berbeda dengan mekanisme konduksi dan konveksi, radiasi tidak membutuhkan medium perpindahan panas. Sampainya sinar matahari ke permukaan bumi adalah contoh yang jelas dari perpindahan panas radiasi.

Persamaan yang dapat digunakan untuk menghitung laju perpindahan panas radiasi adalah: [5]

Qr=εσA( T24-T34)...(2.4) dimana :

Qr =Laju perpindahan panas radiasi (W)

σ = Konstanta Boltzman: 5,67 x 10-8W/m2K4

ε = Emisivitas (0≤ e ≤ 1)

A = Luas penampang (m2) T2 = suhu permukaan plat (K) T3 = suhu lingkungan (K)

2.2. Radiasi Surya

2.2.1. Teori Dasar Radiasi Surya

Radiasi adalah proses perpindahan panas tanpa melalui media. Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian akan dipantulkan (refleksi) , sebagian lagi akan diserap (absorbsi) dan sebagian lagi akan diteruskan (transmisi). Kebanyakan benda padat tidak bisa mentransmisikan radiasi thermal sehingga penerapan transmisivitas dianggap nol. [7]

Terdapat dua jenis pantulan radiasi yaitu spektular dan diffuse. Jika sudut pantulan radiasi sama, maka pantulannya disebut spektular. Jika sudut pantulannya beragam ke semua arah maka pantulannya adalah diffuse. [7] Gambar 2.3 menjelaskan interaksi energi matahari terhadap bumi dimana energi yang akan dipakai dalam pemanas air tenaga surya inilah yang akan dikelola untuk dapat memanaskan air.

Gambar 2.3. Interaksi Energi Surya (Saharjo,B.H.1999)

2.2.2. Absorbtivitas, Reflektivitas, dan Transimitas

Segala sesuatu yang terkena pancaran matahari, konstan menerima energi radiasi. Secara tidak langsung ini berarti setiap benda yang terkena cahaya matahari, akan menerima radiasi dari segala arah sepanjang masih terpanacar oleh cahaya matahari. Jumlah energi radiasi yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu disebut dengan irradiation dan dilambangkan dengan G.

Ketika radiasi sampai ke permukaan, sebagian dari energi itu akan diserap, sebagian lagi di transmisikan, dan sisanya di refleksikan [8]. Energi radiasi yang di serap di sebut dengan absorbtivitas (α ), yang di transmisikan di sebut dengan transimitas (τ) dan energi radiasi yang di pantulkan di sebut reflectivitas ( ).

Absorbvitas= α =

0 α 1

Transimitas=τ =

0 1

Reflektivitas= =

Gambar 2.4. Pola Absorbsi (Yunus A.Cengel.(2002)

Atmosfer bumi terdiri atas empat lapisan dari yang terdekat dari permukaan bumi yaitu troposfer (0-10 km), stratosfer (10-30 km), mesosfer (30-50 km), dan thermosfer (50-400 km) [7].

Radiasi yang sampai di lapisan thermosfer dilambangkan (Gon). Radiasi yang diteruskan ke permukaan bumi dilambangkan (Gbeam/GD). Radiasi akibat pemantulan dan pembiasan dilambangkan (Gd).

Gambar 2.5. Radiasi Surya (Yunus A.Cengel.(2002)

2.2.3. Rumusan Radiasi Surya

Matahari mempunyai diameter 1,39×109m. Bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentuk elips dan matahari berada pada salah satu pusatnya. Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49×1011m.

Karena lintasan bumi terhadap matahari berbentuk elips, maka jarak antara bumi dan matahari adalah tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47x1011m yang terjadi pada tanggal 3 Januari, dan jarak terjauh pada tanggal 3 Juli dengan jarak 1,52x1011m. Perbedaan jarak ini hanya sekitar 3,3% dari jarak rata-rata.

Gambar 2.6. Hubungan antara Matahari Dan Bumi (Ambarita,Himsar.2011)

Karena adanya perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi yang diterima atmosfer bumi juga akan berbeda setiap hari.Radiasi ini biasanya disimbolkan dengan Gon, pada hari ke- n yang dirumuskan oleh Jhon dan Beckmann [9]

 

2

365 360 cos 033 , 0 1

m W n G

G_{on sc} 

  

  

 ...(2.5)

Dimana:

sc

G =Konstanta surya (1367 W/m2)

n =Nilai yang diperoleh berdasarkan urutan hari yang akan diprediksi radiasinya

Tabel 2.1. Urutan Hari Berdasarkan Bulan

Beberapa istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi adalah :

1. Air Mass(m)

Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari tepat pada posisi zenit. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit =0) nilai m=1 , pada sudut zenith 600, m=2. Pada sudut zenit dari 00-700.

m =

θ ... (2.6)

2. Beam Radiation

Radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer. Istilah ini sering juga disebut radiasi langsung (direct solar

radiation).

3. Diffuse Radiation

Radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokkan oleh atmosfer.

Bulan Nilai n pada hari yang ke - i

Januari I

Februari 31+i

Maret 59+i

April 90+i

Mei 120+i

Juni 151+i

Juli 181+i

Agustus 212+i

September 243+i

Oktober 273+i

November 304+i

4. Total Radiation

Adalah jumlahbeamdandiffuse radiation.

5. Irradiance(W/m2)

adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas permukaan tersebut Solar irradiance biasanya disimbolkan dengan G. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan Intensitas radiasi.

6. Irradiation atau Radian Exposure(J/m2)

Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu. Besaran ini didapat dengan mengintegralkan G pada interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasa disimbolkan H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan I.

7. SolarTime atau Jam Matahari

Adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan penunjukkan jam biasa (standard time, disimbolkan STD ). Hubungannya adalah:

ST =STD ±4(Lst-Lloc)+E ... (2.7) dimana :

STD = waktu lokal

Lst =standart meridianuntuk waktu lokal (o)

Lloc = derajat bujur untuk daerah yang dihitung (o) ; untuk bujur timur, digunakan -4, untuk bujur barat digunakan +4 E = faktor persamaan waktu

Pada persamaan ini Lst standard meridian untuk waktu lokal. Lloc adalah derajat bujur daerah yang sedang dihitung, jika daerah yang dihitung ada pada bujur timur, maka gunakan tanda minus didepan angka 4 dan jika bujur barat adalah tanda plus. E adalah equation of time, dalam satuan menit dirumuskan oleh Spencer pada tahun 1971.[10]

-dimana :

B = konstanta yang bergantung pada nilai n E = faktor persamaan waktu

Dalam menentukan arah radiasi terdapat beberapa sudut yang harus diketahui. Dapat dilihat pada gambar 2.8 beberapa sudut untuk mendefenisikan arah radiasi matahari.

Gambar 2.7. Sudut Sinar dan Posisi Sinar Matahari (Ambarita,Himsar.2011)

Slope β adalah sudut antara permukaan yang dianalisis dengan horizontal. Nilai 0 ≤ β ≤ 900. permukaan γ adalah sudut penyimpangan sinar

pada bidang proyeksi dimana 0o pada selatan dan positif ke barat. Sudut

penyinaran θ (angle accident) adalah sudut yang dibentuk sinar dan garis

normal dari suatu permukaan. Sudut zenith θz adalah sudut yang dibentuk

garis sinar terhadap garis zenith. Sudut ketinggian matahari αs(solar altitude

angel) adalah sudut antara sinar dengan permukaan. Sudut azimut matahari γs

adalah sudut antara proyeksi matahari terhadap selatan, ke timur adalah negatif dan ke barat adalah positif.

Sudut lain yang sering digunakan dalam menentukan jumlah radiasi yang dapat diterima oleh sebuah permukaan di bumi antara lain sudut deklinasi

δ , yaitu kemiringan sumbu matahari terhadap garis normalnya. Kemudian sudut jam ω adalah sudut pergeseran semu matahari dari dari garis siang.

Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω

berkurang 150 dan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 150. Artinya tepat

pukul 12.00 siang, ω=0 , pukul 11.00 pagi ω=-150dan pukul 14.00, ω = 300. Spencer (1971) mengajukan persamaan untuk menghitung sudut deklinasi [10] :

δ= C1+ C2CosB + C3sinB + C4cos2B + C5sin2B + C6cos3B

+ C7sin3B ... (2.9) dimana,

C1 = 0,006918 C5 = 0,000907

C2 = -0,399912 C6 = -0,002679

C3 = 0,070257 C7 = 0,00148

C4 = -0,006758 n = hari ke

δ = sudut deklinasi (rad)

B dihitung dengan menggunakan persamaan dan n adalah urutan hari pada suatu tahun. Berdasarkan bulan yang diketahui ditampilkan pada Tabel 2.1.

Sudut zenith θz adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Cosinus sudut zenith dapat dicari melalui persamaan berikut.

cosθz= cos φ cos δ cos ω + sin φ sin δ... (2.10)

Sudut jam matahari (ω) dihitung berdasarkan jam matahari. Definisi sudut

jam matahari adalah sudut pergeseran semu matahari dari garis siangnya. Perhitungan berdasarkan jammatahari (ST), setiap berkurang 1 jam , ω berkurang

15o, setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15o.[10]

ω = 15(STD –12) + (ST-STD) x ... (2.11) dimana :

= sudut jam matahari (o)

Dengan estimasi langit cerah, fraksi radiasi matahari yang diteruskan dari atmosfir ke permukaan bumi [10] adalah

τb= ao+ a1exp

θ ... (2.12) dimana

ao = ro(0,4237 - 0,0082 (6–A)2) a1 = r1(0,5055–0,00595 (6.5–A)2) k = rk(0.2711–0.01858 (2.5–A)2) A = ketinggian dari permukaan laut (km) ro,r1,rk = faktor koreksi akibat iklim

Tabel 2.2. Faktor Koreksi Iklim

Iklim ro r1 rk

Tropical 0,95 0,98 1,02

Midatude summer 0,97 0,99 1,02

Subarctic Summer 0.99 0,99 1,01

Midatude Winter 1,03 1,01 1,00

Sumber: Duffie,J.A. and Beckman,W.A., 2006

Radiasibeamadalah radiasi yang langsung di transmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi beam [10]:

Gbeam= Gonτbcos θz...(2.13) dimana :

Gon = radiasi yang diterima atmosfer (W/m2)

τb = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi

cos θz = cosinus sudut zenith

Gbeam = radiasi yang ditransmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi (W/m2)

Radiasi diffuse adalah radiasi yang di pantulkan ke segala arah, dan kemudian dimanfaatkan. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasidiffuse[10] adalah :

dimana :

Gon = radiasi yang diterima atmosfer (W/m2)

τb = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi

cos θz = cosinus sudut zenith

Gdifuse = Radiasi yang dipantulkan ke segala arah dan kemudian dapat dimanfaatkan.

Radiasi total adalah jumlah dari radiasibeamdan radiasidiffuseseperti pada persamaan berikut [10] :

Gtotal= Gbeam+ Gdifuse... (2.15)

2.2.4. Hipotesis Pengaruh Kemiringan Kolektor

Radiasi pada permukaaan yang dimiringkan akan mempengaruhi besarnya intensitas radiasi yang diterima oleh suatu permukaan. Radiasi yang diterima pada permukaan yang dimiringkan merupakan gabungan dari radiasi beam, isotropic

diffuse dan radiasi yang didapat dari permukaan. Dalam Beckman [9], dijelaskan

bahwa total energi radiasi yang diterima suatu permukaan yang dimiringkan dapat dihitung dengan persamaan berikut:

I = I R + I + I ... (2.16) Nilai Rbdapat dihitung dengan persamaan berikut:

= ( ) ( )

( ) = ... (2.17)

Untuk menghitung nilai Ib dan nilai Id, nilai Id/I harus diketahui dulu dengan persamaan berikut:

Id/I = 1-0,249kT jika 0≤ kT0,35 Id/I = 1,557 - 1,84 kT jika 0,35 kT< 0,75

Id/I = 0,177 jika kT>0,75... (2.18)

Dengan dimiringkannya permukaan absorber, akan berpengaruh terhadap durasi penyinaran. Suatu Pemanas Air Tenaga Surya dengan kolektor plat datar, akan menerima radiasi surya saat matahari terbit dan akan berhenti menerima radiasi surya saat terbenamnya matahari. Namun dengan memberi perlakuan

rentang waktu penerimaan radiasi matahari. Suatu PATS yang kolektornya dimiringkan 400 kearah timur akan memiliki perbedaan dengan PATS yang kolektornya tidak dimiringkan terhadap permukaan datar. Perbedaannya adalah pada rentang waktu penerimaan radiasi dari kolektor dalam PATS. Kolektor yang dimiringkan 400 ke arah timur akan menerima radiasi surya saat matahari terbit sama dengan kolektor yang sejajar bidang datar. Namun radiasi surya yang diterima kolektor dengan kemiringan 400 akan berlangsung dalam rentang waktu yang lebih pendek dibanding kolektor sejajar bidang datar. Hal ini disebabkan oleh, pada kolektor bidang datar saat matahari sesaat akan terbenam, kolektor tersebut masih menerima radiasi surya. Berbeda bila kolektor dimiringkan 400 kearah timur yang membuat saat matahari berada disisi barat namun belum terbenam, kolektor tidak akan menerima radiasi surya lagi karena telah tertutup sisi luar kolektor itu sendiri. Dengan kata lain, kolektor sejajar horizontal menerima radiasi lebih lama dibanding dengan kolektor yang dimiringkan. Rasio radiasi matahari yang diterima kolektor yang dimiringkan dengan kolektor yang sejajar bidang datar dapat di lihat dalam persamaan berikut:

= = + + ... (2.19)

2.2.5. Analisa Pengaruh Kemiringan Kolektor Terhadap Kerja PATS

Pemilihan pengaplikasian besar sudut kolektor sangat berpengaruh terhadap performansi PATS. Pemilihan sudut yang salah akan berakibat langsung terhadap kemampuan optimum pemanasan air di tangki penampungan. Kolektor yang terlalu dimiringkan akan berpengaruh terhadap durasi kolektor dalam menerima radiasi matahari. Namun apabila kolektor tidak dimiringkan atau dengan kata lain sejajar bidang datar, walaupun kondisi ini baik terhadap durasi dan kemampuan penyerapan radiasi surya, namun akan kesulitan dalam siklus sirkulasi fluida kerja di pipa panas dalam menghantarkan panas ke air di dalam tangki. Semakin besar kemiringan kolektor terhadap bidang datar akan mempengaruhi kerja siklus perpindahan panas dalam memanaskan air didalam tangki air.

Menurut Beckman [9] kemiringan terbaik untuk kolektor adalah berkisar antara 300, 450 dan 600. Hal ini dihitung berdasar pengaruh incidence angle

modifier (Kτα)yang dapat dihitung dengan persamaan berikut [9]:

1 1 ... (2.20)

... (2.21)

Dimana: = koefisien sudut pengubah = panas yang hilang

Nilai koefisien pengubah dimasukkan dalam persamaan 2.20 untuk mendapatkan besar energi radiasi surya yang di serap oleh kolektor.

Berikut grafik koefisien sudut pengubah terhadap dan (1/ 1

Gambar 2.8. Pengaruh koefisien sudut pengubah terhadap kemiringan bidang datar untuk kolektor dengan pelindung (a) kaca satu lapis, (b) kaca dua lapis dan

2.3. Pemanfaatan Energi Surya

Dalam era ini, penggunaan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui semakin meningkat seiring dengan meningkatnya populasi manusia, kemajuan teknologi dan lain-lain. Namun hal ini berbanding terbalik dengan ketersediaan sumber daya alam tersebut. Sehingga para ilmuwan telah mencoba mengembangkan potensi sumber daya alam yang dapat diperbarui contohnya air, angin dan energi surya. Pada dasarnya terdapat 2 macam pemanfaatan energi surya yaitu :

1. Pemanfaatan Fotovoltaic

Fotovoltaik (PV) adalah sektor teknologi dan penelitian yang berhubungan dengan aplikasi panel surya untuk energi dengan mengubah sinar matahari menjadi listrik. Karena permintaan yang terus meningkat terhadap sumber energi bersih, pembuatan panel surya dan kumpulan fotovoltaik telah meluas secara dramatis dalam beberapa tahun belakangan ini. Produksi fotovoltaik telah berlipat setiap dua tahun, meningkat rata-rata 48 persen tiap tahun sejak 2002, menjadikannya teknologi energi dengan pertumbuhan tercepat di dunia. Pada akhir 2007, menurut data awal, produksi global mencapai 12.400 megawatt. Secara kasar, 90% dari kapasitas generator ini meliputi sistem listrik terikat. Pemasangan seperti ini dilakukan di atas tanah (dan kadang-kadang digabungkan dengan pertanian dan penggarapan) atau dibangun di atap atau dinding bangunan, dikenal sebagaiBuilding Integrated Photovoltaicatau BIPV [11].

2. Pemanfaatan Termal

Terdapat 9 pemanfaatan termal terbesar yang sudah dilakukan dan diterapkan di beberapa negara yaitu:

 Solar Water Heater(Pemanas air dengan Energi Surya)

Alat yang digunakan untuk memanaskan air dengan menggunakan energi surya. Prinsip kerjanya adalah dengan menangkap panas matahari melalui plat absorber dan selanjutnya panas matahari diteruskan ke tabung air dengan perpindahan panas secara konduksi.

Gambar 2.9.Solar Water Heater

(www://pacemen.com/2011/11/09/solar-water-heater-till-today/) Keterangan gambar 2.9:

1. Absorber

Fungsinya sebagai pengumpul panas yang diteruskan ke tabung air. 2. Tabung air

Fungsinya untuk menampung air yang akan dipanasi oleh absorber

dengan perpindahan panas secara konduksi.

JenisSolar Water Heaterdibedakan menjadi 2 bagian, yaitu: 1. Sistem Aktif

Sistem aktif didefinisikan sebagai sistem pemanas air yang memerlukan energi tambahan (seperti menggunakan pompa) untuk memindahkan air menuju kolektor supaya air menjadi hangat.

Sistem aktif ini juga dibagi menjadi dua jenis yaitu:

a) Direct Circulation System(Sistem Sirkulasi Langsung)

b) Indirect Circulation System(Sistem Sirkulasi Tidak Langsung)

2. Sistem Pasif

Sistem pasif tidak menggunakan energi tambahan dari pompa mel-ainkan bergantung pada proses alam untuk mengedarkan air yaitu energi gravitasi dan sistem termosifon. Sistem ini dapat diandalkan

tahan lama dan tergolong lebih murah, sistem pasif ini cukup baik dalam proses menyediakan air panas dengan sinar matahari.

 Kompor Surya (Memasak dengan Energi Surya)

Kompor Surya adalah alat yang hanya menggunakan energi surya untuk memasak. Perkembangan penggunaan Kompor Surya ini telah meluas terutama di negara India yang memiliki radiasi matahari rata-rata 600 W/m2(Buddhi S.Dharma : 2010). Kompor Surya dapat digunakan memasak secara langsung maupun tidak langsung. Untuk memasak secara tidak langsung, diperlukan thermal storage yang menyimpan panas selama siang hari untuk dipakai memasak pada malam hari. Kompor Surya juga memiliki berbagai bentuk tipe, yaitu:

1) Kompor surya tipe kotak 2) Kompor surya tipe Panel 3) Kompor surya tipe ketel 4) Kompor surya tipe parabola 5) Kompor surya tipeScheffler

6) Kompor surya tipe indirect

Gambar 2.10. Kompor surya

(http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker)

Fungsinya untuk memancarkan sinar matahari ke pusat vessel yang bertujuan untuk memanaskan vessel.

2.Vessel

Fungsinya sebagai wadah untuk menampung makanan.

Berdasarkan studi literatur yang dilakukan, telah banyak peneliti yang melakukan penelitian tentang pemasak surya. Pemasak surya yang diteliti dapat dibagi atas pemasak dengan penyimpan panas dan tanpa penyimpan panas [1]. Yang dimaksud penyimpan panas (thermal storage) adalah material yang berfungsi menyimpan energi surya dan akan digunakan pada saat diperlukan. Material yang biasa digunakan adalah jenis phase change material (PCM). PCM termasuk material penyimpan panas latent. PCM ini menggunakan ikatan kimia untuk menyimpan dan melepas panas. Perpindahan panas ini terjadi ketika terjadi perubahan fasa pada PCM. Cara kerja PCM ini adalah temperatur dari PCM akan meningkat ketika PCM menyerap panas. Ketika PCM mencapai temperatur dimana PCM akan berubah fasa (titik leleh), PCM akan menyerap panas yang cukup besar tanpa bertambah temperaturnya. Temperatur akan konstan sampai proses pelelehan berakhir. Panas yang diserap selama perubahan fasa inilah yang disebut dengan panas laten. Banyak jenis PCM yang tersedia sesuai yang diinginkan. Range temperatur yang tersedia berkisar antara 0-150 OC biasanya digunakan untuk aplikasi energi solar. Banyak jenis PCM yang tersedia sesuai yang diinginkan. Range temperatur yang tersedia berkisar antara 0-150 OC biasanya digunakan untuk aplikasi energisolar.Berikut ini jenis PCM yang sering digunakan yaitu:

1. PCM Organik

Lebih jauh, material organik diklasifikasikan menjadi 2 yaitu material paraffin dan non paraffin.

2. PCM non-Organik

 Solar Driers( Pengering dengan Energi Surya)

Pada negara-negara berkembang, produk-produk pertanian dan perkebunan sering dikeringkan mengunakan tenaga matahari. Konsep inilah yang digunakan sebagai acuan untuk menciptakan solar driers.

Cara kerjanya adalah udara yang masuk ke dalam kolektor akan dipanaskan oleh energi surya, udara yang telah panas kemudian masuk ke dalam kotak pengering, kotak pengering inilah yang diisi produk-produk pertanian yang akan dikeringkan. Gambar 2.11 menunjukkan bagian-bagian utamasolar driers.

Gambar 2.11.Solar Driers

(Sumber: www.climatetechwiki.org)

 Solar Arsitektur

Solar arsitektur adalah desain arsitektur yang memanfaatkan energi surya untuk mensirkulasi udara pada ruangan sehingga menghasilkan temperatur ruangan yang nyaman. Dalam bidang arsitektur, pemanfaatan energi surya telah dikembangkan. Pemanfaatan dalam bidang ini sudah cukup banyak diterapkan di negara Jepang.

Gambar 2.12. Solar Arsitektur

(www.inhabitat.com/solar-wind-Pavilion/)

 Solar Air-Conditioning

Solar Air-Conditioning merupakan alat yang memanfaatkan energi

surya untuk mendinginkan ruangan. Prinsip kerjanya adalah dengan menggunakan kolektor surya untuk menyerap panas. Panas yang diserap kemudian diubah menjadi temperatur dingin dengan bantuan

Auxiliary Heat yang memanfaatkan refrigeran. Pemanfaatan energi

solar untuk air conditioning sudah diterapkan. Karena tercatat

kebutuhan listrik gedung-gedung komersial yang paling tinggi ada pada sistem pendinginan. Oleh karena itu, solar air conditioning

menjadi alternatif untuk mengurangi pemakaian bahan bakar minyak dalam memproduksi listrik.

 Solar Chimney

Solar Chimney digunakan untuk ventilasi pada gedung-gedung besar.

Sirkulasi udara menjadi baik dan ruangan menjadi tidak terlalu panas. Biasanya juga digunakan untuk menghasilkan listrik. Cara kerjanya adalah udara dipanaskan oleh energi surya. Udara yang panas akan cenderung bergerak ke atas dan keluar melalui cerobong. Pada cerobong biasanya dipasang turbin. Udara yang bergerak ke atas akan mengerakkan turbin, sehingga menghasilkan listrik. Gambar 2.14 menunjukkan bagian-bagian utamasolar chimney.

Gambar 2.14.Solar Chimney

(www://freenewsupdate.blogspot.com/2010/04/solar-updraft-dan concentracing-solar.html)

Keterangan gambar: 1. Turbin

2. Kolektor

3. Tower/Cerobong  Solar Destilasi

Digunakan untuk memurnikan air garam atau memisahkan air dengan garam. Prinsip kerjanya adalah dengan menguapkan air garam yang dibawah laut dengan panas matahari yang dikumpulkan melalui kolektor selanjutnya air garam melalui penguapan akan terpisah dengan garam sehingga dihasilkan air murni.

Berikut cara kerja dari Solar Destilasi:

plat penyerap akan memanasi air laut yang ada didalam kolam (basin). Air akan menguap dan berkumpul dibawah permukaan kaca penutup. Oleh karena temperatur udara di dalam basin lebih tinggi dari pada temperatur lingkungan, maka terjadi kondensasi yaitu uap berubah menjadi cair dan melekat pada kaca penutup bagian dalam. Cairan (air bersih) akan mengalir mengikuti kemiringan kaca penutup dan masuk kedalam kanal, terus mengalir ke tempat penampungan air bersih. Sedangkan garam akan tinggal diatas plat penyerap karena adanya perbedaan massa jenis.

Gambar 2.15.SolarDestilasi (benjimester.hubpages.com)

 Solar Powerplant

Solar Powerplant adalah alat yang memanfaatkan energi surya untuk

menghasilkan listrik. Aplikasi ini merupakan salah satu Pembangkit tenaga energi surya.Prinsip kerjanya adalah memanfaatkan luasan dari reflektor untuk memancarkan panas yang selanjutnya diteruskan ke kolektor , panas dari kolektor diubah menjadi tenaga listrik melalui pembangkit. Pembangkit tenaga listrik energi surya ini biasanya diterapkan di kawasan yang luas karena memerlukan banyak reflektor.

Gambar 2.16.Solar Power Plant

(Sumber : www.solar-panels-cost.net)

2.4. Kalor (Q)

Kalor adalah salah satu bentuk energi yang dapat mengakibatkan perubahan suhu. Pada abad ke 19 berkembang teori bahwa kalor merupakan fluida ringan yang dapat mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah, jika suatu benda mengandung banyak kalor, maka suhu benda itu tinggi (panas). Sebaliknya, jika benda itu mengandung sedikit kalor, maka dikatakan benda itu bersuhu rendah (dingin). Kuantitas energi kalor (Q) dihitung dalam satuan joules (J). Laju aliran kalor dihitung dalam satuan joule per detik (J/s) atau watt (W). Laju aliran energi ini juga disebut daya, yaitu laju dalam melakukan usaha.

2.4.1. Kalor Laten

Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi perpindahan kalor antara bahan dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu, aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair, cair menjadi uap dan perubahan struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi. Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah

QL=Lem... (2.22)

Dimana :

Le = Kapasitas kalor spesifik laten (J/kg)

M = Massa zat (kg)

2.4.2. Kalor Sensibel

Tingkat panas atau intensitas panas dapat diukur ketika panas tersebut merubah temperatur dari suatu substansi. Perubahan intensitas panas dapat diukur dengan termometer. Ketika perubahan temperatur didapatkan, maka dapat diketahui bahwa intensitas panas telah berubah dan disebut sebagai kalor sensibel. Dengan kata lain, kalor sensibel adalah kalor yang diberikan atau yang dilepaskan oleh suatu jenis fluida sehingga temperaturnya naik atau turun tanpa menyebabkan perubahan fasa fluida tersebut.

Qs= m Cp∆T...(2.23)

Dimana:

Qs =Kalor sensibel (J)

Cp = Kapasitas kalor spesifik sensibel (J/kg.K)

∆T = Beda temperatur (K)

2.4.3. Pemanfaatan Panas Laten Pada Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Panas yang di absorbsi kolektor pada suatu keadaan tertentu akan mengubah fasa dari refrigeran yang dipanaskan. Dengan di vakumnya refrigeran, maka tingkat titik didih akan menurun, dan dengan memanfaatkan panas yang ada, refrigeran akan berubah fasa. Hal ini membuat jumlah kalor yang dapat di transfer dari refrigeran ke air dalam tangki reservoir akan semakin besar. Hal ini dapat di lihat pada besaran koefesien latent heat pada kondisi vakum, jumlah energi kalor yang dihasilkan menjadi lebih besar. Kalor ini lah yang akan di transfer ke dalam air di tangki reservoir.

2.5. Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Pemanas air tenaga surya (PATS) merupakan produk teknologi yang memanfaatkan energi thermal surya yang cukup popular dan banyak digunakan, terutama di hotel, villa peristirahatan hingga perumahan. Seiring dengan itu, mulai

di masyarakat. Untuk perlindungan terhadap konsumen, telah dikeluarkan Standar Nasional Indonesia (SNI) untuk produk ini, berupa uji mutu sistem PATS yang diharapkan memberikan gambaran pada masyarakat akan mutu PATS yang dipasarkan.

Kualitas unit PATS bergantung pada keandalan fisik dan kemampuan

thermal system seperti kemampuan menyerap panas, kemampuan menyimpan

panas, komponen kolektor thermal surya, komponen tangki air, rendahnya rugi-rugi panas kedua komponen tersebut dan kemampuan responsif pemanas tambahan. Sifat-sifat yang dimiliki bahan yang dipakai sebagai komponen PATS sangat mempengaruhi kinerja dari PATS, oleh karena itu material yang dipilih haruslah tepat agar dapat menangkap panas dan mencegah panas keluar ke lingkungan, menyerap panas secara maksimal, menjaga suhu air agar tetap panas, dan meningkatkan efisiensi dari PATS.

Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya dan mencegah panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagian atas. Berdasarkan fungsi tersebut maka kaca penutup harus mempunyai sifat berikut ini:

 Transmisivitas tinggi( )  Absorsivitas rendah( )  Refleksivitas rendah( )  Tahan panas

Plat absorber berfungsi untuk menyerap radiasi surya dan mengkonversikannya menjadi panas. Kemudian energi matahari yang dapat diserap dan dipindahkan ke pipa nantinya akan semakin besar. Kemudian energi dialirkan melalui fluida kerja air yang terdapat didalam pipa secara konveksi. Kemudian air yang berada dalam pipa mengalirkan energike air yang berada pada tangki air. Dengan mengacu fungsinya sebagai absorber, maka dipilih sifat bahan antara lain:

 Absorsivitas tinggi( )  Emisifitas panas rendah( )  Kapasitas panas kecil (Cp)  Konduktifitas besar (k)

 Refleksi rendah ( )

 Tahan panas dan tahan korosi

Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk plat penyerap panas yaitu: aluminium, tembaga, kuningan, dan baja. Sesuai dengan pertimbangan diatas pada alat pemanas tenaga surya ini bahan yang digunakan sebagai plat absorber adalah tembaga dan permukaannya dilakukan pelapisan dengan cat hitam kusam (dof), agar jangan terjadi korosi dan mempunyai absorbsivitas maksimum.

Isolator berfungsi untuk memperkeil panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor. Jika isolasi pada kolektor bagus,maka air yang terdapat di dalam tangki suhunya akan terjaga dengan baik, artinya dengan adanya isolasi ini laju pindahan panas dari tangki ke lingkungan dapat diminimalisir. Pada isolasi terjadi pindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh sifat-sifat bahan, sehingga isolasi yang digunakan harus memiliki sifat-sifat berikut:

 Konduktifitas termal bahan (k) kecil  Mudah dibentuk dan praktis

 Mudah diperoleh

 Tahan panas dan tahan lama

Dalam hal ini Rockwool mempunyai tingkat isolasi yang sangat baik. Berikut di jelaskan beberapa keunggulan rockwool menurut Kamstrup [12].

 Tidak tergolong benda berbahaya

 Mempunyai tingkat insulasi yang sangat baik  Mampu menahan pemanasan sampai suhu 820oC  Mempunyai densitas yang besar

 Tidak Korosif, tidak bersifat karsinogen, mutagenic dan toxic  Tidak mudah rusak selama pemasangan

 Memiliki tingkat durabilitas yang baik  Tingkatheat lossyang rendah ( sekitar 5%)

Dengan sifat insulasi yang baik, dapat dihindari kebocoran panas, sehingga energi panas yang di serap oleh PATS dapat dimanfaatkan sebaik baiknya. Dalam

PATS ini di insulasi di daerah sekitar pelat absorber, dinding reservoir air dan seluruh daerah yang memungkinkan terjadinya kehilangan panas.

Gambar 2.17 menunjukkan alat pemanas air tenaga surya yang digunakan dalam penelitian ini.

Gambar 2.17. Alat Pemanas Air Tenaga Surya

2.5.1. Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Gambar 2.17 menunjukkan sebuah alat pemanas air tenaga surya dengan media pemanas air. Dengan didasari oleh teori efek rumah kaca, maka efektifitas pengumpulan panas bisa ditingkatkan. Sehingga energi panas yang dipancarkan oleh matahari diserap dan dikumpulkan untuk ditingkatkan temperaturnya oleh kolektor. Panas tersebut dialirkan terhadap pipa tembaga (1-2) yang berisi air, kemudian air akan menjadi panas. Akibatnya air berubah wujud dari cair menjadi gas dan massa jenis di titik 2 lebih kecil dari massa jenis di titik 1, sehingga air cenderung bergerak dari titik 1 ke titik 2. Air di titik 2 akan terdorong menuju titik 3 sambil melepaskan panas ke air yang ada pada tangki air. Pelepasan panas ini membuat air berubah wujud dari gas menjadi cair, dan suhunya akan turun. Pergerakan air ini meyebabkan terjadinya sirkulasi alamiah yang disebabkan efek

cenderung bergerak kesebelah atas. Posisinya akan digantikan air lain yang lebih dingin.

2.5.2. Energi yang sampai pada Kolektor Pemanas Air Tenaga Surya

Untuk menghitung energi yang sampai pada kolektor atau energi yang berguna untuk kolektor alat pemanas air tenaga surya terlebih dahulu perlu diketahui bagaimana proses distribusi energi matahari yang dialami oleh kolektor itu sendiri. Ilustrasi panas yang diserap oleh absorber alat pemanas air tenaga surya menurut Soteris [13] dapat di lihat pada Gambar 2.18.

Gambar 2.18. Ilustrasi panas yang diserap oleh absorber Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Pada Gambar 2.18 dapat dilihat bahwa panas matahari (Q incident) sebagian

dipantulkan ke atmosfir dan sebagian lagi diserap oleh kolektor. Panas yang diserap oleh kolektor (Qabs) inilah yang akan digunakan untuk memanaskan refrigeran.

Qincident

Qref

Q Pelat

absorber

Menurut Incropera [14] besaran energi radiasi yang diterima alat pemanas air tenaga surya di pengaruhi oleh sudut datangnya energi panas matahari seperti gambar 2.19. Energi radiasi yang sampai ke permukaan bumi akan diserap oleh kolektor yang digunakan untuk memanaskan air pada alat pemanas air tenaga surya. Jumlah energi radiasi per satuan luas yang diterima kolektor selama proses penelitian disebut Qincident.

Menurut Mehmet Esent [15], besarnya Qincident dapat dihitung dengan menggunakan rumus di bawah ini:





2

1

Idt A

Q_incident ... (2.24)

Dimana:

A = luas penampang dari pelat absorber (m2) I = intensitas cahaya matahari (W/m2)

Sedangkan panas yang diserap oleh absorber dapat ditentukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut:

incident

abs

Q

Q



α

... (2.25) Dan panas yang dipantulkan kembali ke atmosfir adalah:





incident

ref

Q

Q



1



α

... (2.26) Dimana:

α = difusifitas bahan

2.5.3. Energi yang diserap oleh air

Energi panas yang sudah diterima oleh kolektor akan diberikan terhadap air. Besarnya energi tersebut menurut Mehmet Esent [15] dapat ditentukan dengan menggunakan rumus:



Tw2 Tw1



C m

Dimana:

mw = Massa air (kg)

Cpw = Panas jenis dari air (kJ/kg.0C)

Tw1 = Temperatur awal air sebelum dipanaskan kolektor (0C) Tw2 = Temperatur actual setelah dipanaskan oleh kolektor (0C)

2.5.4. Efisiensi dari Kolektor

Efisiensi dari kolektor dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara energi berguna yang diberikan kolektor ke air dengan panas incident. Hal itu menurut Mehmet Esent [15] dapat dirumuskan sebagai berikut:



w w



incident

pw

wC T T Q

m 2  1 /



η ... (2.28) Definisi efisiensi disini adalah kemampuan dari kolektor untuk memanasi air sampai suhu maksimum dalam rentang waktu tercepat. Semakin cepat didapat pemanasan suhu maksimum, maka akan semakin besar pula tingkat efisiensi yang diperoleh dan semakin lama rentang waktu pencapaian suhu maksimum, semakin kecil pula tingkat efisiensi yang didapat oleh kolektor. Nilai efisiensi yang ditinjau pada penelitian ini adalah nilai efisiensi saat temperatur air maksimum.

2.6. Refrigeran R-718

Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak zat, seperti garam-garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan zat organic lainnya. Pada tekanan atmosfir R-718 (air) mendidih pada suhu 1000C dan membeku pada suhu 0oC. Apabila tekanannya dinaikkan maka titik didihnya semakin besar, sebaliknya bila tekanannya diturunkan titik didihnya lebih rendah. Pada tekanan vacuum titik didih R-718 dibawah 100oC seperti pada tekanan vacuum 35 cm Hg (0,533 bar absolut) R-718 akan mendidih pada suhu 79,54 0C. Refrigeran R-718 akan berubah menjadi gas jika temperaturnya dinaikkan dari 79,54 0C pada tekanan vacuum 35 cm Hg dan akan berubah menjadi cair jika suhunya diturunkan, sifat refrigeran R-718 adalah sebagai berikut:

Tabel 2.3. Sifat–Sifat dari R-718 yang digunakan

Properties R-718

Komposisi Hidrogen 11,19%

Komposisi Oksigen 88,81%

Massa jenis 1000 kg/m3

Pada tekanan 1 bar dan 0°C Tidak berasa dan tidak berbau

Jenis warna Tidak berwarna

Titik lebur 00C

Titik didih 1000C

Tabel 2.4. Sifat R-718 pada tekanan vakum 45 cmHg (0,400 bar absolut)

Properties R-718

Titik didih 75,80oC

Specifitic heat liquid 4,1936 kJ/kg.oC Specifitic heat vapour 2,001 kJ/kg.oC

Density liquid 974,32 kg/m3

Density vapour 0,2498 kg/m3

Laten Heat 2319,23 kJ/kg

Tabel 2.5. Sifat R-718 pada tekanan vakum 40 cmHg (0,466 bar absolut)

Properties R-718

Titik didih 79,54oC

Specifitic heat liquid 4,196 kJ/kg.oC Specifitic heat vapour 2,010 kJ/kg.oC

Density liquid 972,07 kg/m3

Density vapour 0,2885 kg/m3

Tabel 2.6. Sifat R-718 pada tekanan vakum 35 cmHg (0,533 bar absolut)

Properties R-718

Titik didih 82,810C

Specifitic heat liquid 4,199 kJ/kg.oC Specifitic heat vapour 2,020 kJ/kg.oC

Density liquid 969,99 kg/m3

Density vapour 0,2498 kg/m3

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Tempat dan Waktu

3.1.1. Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan di Lantai 4 gedung Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun letak penelitian ini seperti ditunjukkan pada gambar berikut:

Gambar 3.1. Tata Letak Lokasi Penelitian 3.1.2. Waktu Pelaksanaan

Penelitian ini dilaksanakan selama 3 bulan, yaitu mulai bulan Februari 2015 sampai Mei 2015.

3.2. Bahan dan Peralatan

3.2.1. Bahan

Pada penelitian ini, bahan pengujian yang digunakan adalah sebagai berikut:

1. Air murni

Air yang dipakai dalam penelitian ini adalah air murni dan bersih. Sumber air tersebut diambil dari kran air PAM.

2. Refrigeran R-718

Refrigeran ini digunakan sebagai fluida kerja di dalam pipa tembaga.

3.2.2. Peralatan

Peralatan-peralatan yang digunakan dalam pengujian ini adalah sebagai berikut:

1. Kolektor Pemanas Air Tenaga Surya

Pada sistem pemanas air tenaga surya ini dapat dibagi atas tiga unit fungsional, yaitu:

- Kolektor surya berfungsi untuk mengumpulkan radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas yang kemudian diteruskan ke refrigeran yang berada di pipa-pipa kolektor.

- Reservoir air panas digunakan sebagai tempat penyimpan air panas sebelum digunakan.

- Pipa-pipa sirkulasi.

Untuk melakukan penelitian unjuk kerja alat pemanas air tenaga surya dengan tekanan refrigeran yang berbeda pada kondisi kerja yang sama seperti pada radiasi matahari, temperatur udara, kecepatan aliran, dimensi dan jenis bahan kolektor. Tiga pelat absorber dengan pipa panas yang diisi kasus kolektor yang sama.

Setiap pelat absorber berisi dua pipa panas yang diisi dengan fluida kerja. Ketiga absorber tersebut diisi dengan refrigeran yang sama tetapi tekanan yang berbeda. Pipa panas tersebut terbuat dari bahan tembaga dengan diameter 3/4 in dan panjang 1050 mm. Setiap pelat absorber mempunyai ukuran ketebalan 0,8 mm, lebar 200 mm dan panjang 1000 mm dan juga terbuat dari tembaga yang dicat dengan warna hitam(black body).Ketiga plat absorber dan pipa panas yang menyatu berada pada satu rumah kolektor dengan ukuran panjang kolektor 1150 mm dengan lebar 800 mm dan ketebalannya 200 mm. Isolator mempunyai ketebalan 100 mm dari pelat absorber dan 100 mm jarak antara kaca penutup dengan pelat absorber. Kaca penutup dibuat satu lapis. Pelat penyerap panas dengan pipa panas berada pada kedudukan yang sama tetapi setiap pipa tidak

dengan yang lain adalah 50 mm. Jarak antara dua pipa sirkulasi atau pipa panas adalah 100 mm. Pipa sirkulasi dihubungkan langsung dengan pelat penyerap panas dengan solderan.

Tiga tangki air berada dibagian bawah kolektor, dimana tangki yang satu dipisahkan dengan isolator terhadap tangki yang lain.Volume setiap tangki selalu diset 4 liter.

Gambar 3.2 menunjukkan skema pemanas air tenaga surya dengan menggunakan media pemanas R-718 pada vakum 45 cmHg, 40 cmHg dan 35 cmHg.

Gambar 3.2. Skema Pemanas Air Tenaga Surya dengan R-718 pada tekanan yang bervariasi

2. Pompa Vakum

Pompa vakum digunakan untuk:

1. Memeriksa apakah ada kebocoran pada pipa sirkulasi

2. Untuk membuat vakum bagian dalam pipa sirkulasi supaya tidak ada udara yang tinggal di dalam pipa.

Gambar 3.3 menunjukkan pompa vakum yang digunakan dalam penelitian ini.

Gambar 3.3. Pompa Vakum Spesifikasi:

Merek : ROBINAIR

Model No. : 15601 Kapasitas : 142l/m

Motor H.p : ½

Volt : 110-115 V / 220-250 V

4. Manifold Gauge

Manifold Gauge adalah alat yang digunakan untuk pengukur tekanan

vakum pada saat pemvakuman. Adapun spesifikasi alat ini adalah : - Ukuran maksimum : 120 psi

- Pengukuran minimum : 76 cmHg vakum

- Ketelitian : 1 psi

04/10/2015 15:20:31:769 277,4517 258,6082 253,1742 1782,487 0,155654 0,145083 0,142034 04/10/2015 15:30:31:778 271,0479 252,1209 246,0682 1823,775 0,148619 0,138241 0,134922 04/10/2015 15:40:31:788 263,4738 244,1454 238,377 1861,732 0,141521 0,131139 0,12804 04/10/2015 15:50:31:744 256,117 237,3237 231,7058 1894,912 0,13516 0,125243 0,122278 04/10/2015 16:00:31:796 249,5627 231,455 224,9342 1926,551 0,129539 0,12014 0,116755

Lampiran 12.Energi yang diserap air dan efisiensi pengujian tahap III sudut 50

0

tanggal 27 Maret 2015

Waktu (WIB) Qu Tangki 1 Qu Tangki 2 Qu Tangki 3 Qincident Efisiensi Tangki 1 Efisiensi Tangki 2 Efisiensi Tangki 3

03/27/2015 08:00:36:884 0 0 0 3,255 0 0 0

03/27/2015 08:10:36:876 34,81104 36,51648 40,16144 37,17 0,936536 0,982418 1,08048 03/27/2015 08:20:36:862 75,00592 74,7384 82,1788 68,151 1,100584 1,096659 1,205834 03/27/2015 08:30:36:889 110,4189 110,9706 119,4644 109,2522 1,010679 1,015729 1,093474 03/27/2015 08:40:36:889 145,4138 146,601 157,5526 156,9 0,926793 0,934359 1,004159 03/27/2015 08:50:36:862 173,8211 183,1174 212,344 207,6522 0,837078 0,881847 1,022595 03/27/2015 09:00:36:862 207,9466 214,4674 243,3094 262,5006 0,792176 0,817017 0,926891 03/27/2015 09:10:36:884 243,8278 245,3326 272,3855 321,0906 0,759374 0,76406 0,848314 03/27/2015 09:20:36:893 251,4855 261,4841 262,8217 380,5188 0,660902 0,687178 0,690693 03/27/2015 09:30:36:866 262,3368 278,5552 270,9643 443,1498 0,591982 0,62858 0,611451 03/27/2015 09:40:36:862 282,2838 303,3342 292,9511 508,1508 0,555512 0,596937 0,576504 03/27/2015 09:50:36:911 279,5584 305,3908 277,1507 551,5152 0,506892 0,553731 0,502526 03/27/2015 10:00:36:862 290,5769 318,215 282,7018 611,1702 0,475443 0,520665 0,462558 03/27/2015 10:10:36:900 307,4641 340,5697 303,5516 687,4752 0,447237 0,495392 0,441546 03/27/2015 10:20:36:891 324,6522 355,5508 321,5925 729,8598 0,444815 0,487149 0,440622 03/27/2015 10:25:36:887 333,1794 361,1353 329,8856 761,6526 0,437443 0,474147 0,433118 03/27/2015 10:30:36:893 330,5711 362,4896 321,3584 805,1376 0,410577 0,450221 0,399135 03/27/2015 10:36:36:885 339,3993 365,3822 324,8362 855,6726 0,396646 0,427012 0,379627 03/27/2015 10:37:36:908 339,4662 364,9976 322,8298 864,4098 0,392714 0,422251 0,373468 03/27/2015 10:40:36:884 336,4231 362,4394 320,4722 890,0364 0,377988 0,407219 0,360066 03/27/2015 10:50:36:867 324,9866 340,3022 293,8038 974,2098 0,33359 0,349311 0,301582 03/27/2015 11:00:36:876 329,0329 338,6803 287,5004 1043,188 0,315411 0,324659 0,275598 03/27/2015 11:10:36:899 330,337 341,5896 285,8953 1122,334 0,29433 0,304356 0,254733 03/27/2015 11:20:36:907 324,2342 329,7351 275,7128 1156,115 0,280452 0,28521 0,238482 03/27/2015 11:30:36:896 321,5256 323,9834 269,3926 1238,914 0,259522 0,261506 0,217443 03/27/2015 11:40:36:885 312,3296 312,5135 258,6918 1314,161 0,237665 0,237805 0,196849 03/27/2015 11:50:36:867 306,9959 307,7483 251,3518 1358,21 0,22603 0,226584 0,185061 03/27/2015 12:00:36:894 297,4488 292,7505 240,0658 1417,672 0,209815 0,206501 0,169338 03/27/2015 12:10:36:862 301,2777 298,0507 237,5745 1472,519 0,2046 0,202409 0,161339 03/27/2015 12:20:36:877 301,6957 304,5046 240,8516 1527,537 0,197505 0,199344 0,157673 03/27/2015 12:30:36:867 293,8707 290,5769 235,033 1568,968 0,187302 0,185203 0,149801

03/27/2015 12:50:36:868 279,6086 272,536 223,2287 1702,656 0,164219 0,160065 0,131106 03/27/2015 13:00:36:862 274,5257 272,0344 220,7374 1765,139 0,155526 0,154115 0,125054 03/27/2015 13:10:36:870 266,7174 261,7683 216,3234 1815,271 0,14693 0,144203 0,119169 03/27/2015 13:20:36:862 260,7818 256,4012 211,6083 1866,533 0,139715 0,137368 0,11337 03/27/2015 13:30:36:862 255,3311 248,1081 208,7826 1929,001 0,132364 0,12862 0,108234 03/27/2015 13:40:36:899 250,0309 245,7338 206,375 1956,903 0,127769 0,125573 0,10546 03/27/2015 13:50:36:896 246,4528 241,487 207,5788 2029,967 0,121407 0,118961 0,102257 03/27/2015 14:00:36:904 237,6581 235,0665 200,9744 2066,365 0,115013 0,113758 0,09726 03/27/2015 14:10:36:878 232,6086 228,1444 197,6638 2140,915 0,108649 0,106564 0,092327 03/27/2015 14:20:36:862 227,1914 225,5194 198,2323 2189,53 0,103763 0,102999 0,090536 03/27/2015 14:30:36:865 221,1387 217,9452 193,5674 2231,935 0,099079 0,097649 0,086726 03/27/2015 14:40:36:888 214,9189 205,957 184,6891 2309,695 0,093051 0,089171 0,079963 03/27/2015 14:50:36:862 205,4219 194,3031 172,4668 2354,05 0,087263 0,08254 0,073264 03/27/2015 15:00:36:901 193,9687 173,8044 149,3096 2371,961 0,081776 0,073275 0,062948 03/27/2015 15:10:36:878 183,3348 160,4786 137,0873 2390,164 0,076704 0,067141 0,057355 03/27/2015 15:20:36:881 172,5337 146,4338 126,6206 2399,263 0,071911 0,061033 0,052775 03/27/2015 15:30:36:867 164,1068 135,4153 118,6953 2412,712 0,068018 0,056126 0,049196 03/27/2015 15:40:36:909 152,7372 126,0019 111,6896 2437,804 0,062654 0,051687 0,045816 03/27/2015 15:50:36:912 143,8087 120,3673 105,8209 2479,016 0,05801 0,048554 0,042687 03/27/2015 16:00:36:873 135,8166 110,0845 98,74832 2499,916 0,054328 0,044035 0,039501

Lampiran 13. Korelasi dan Regresi Kemiringan Kolektor Sudut 40

0

Regresi Kolektor 1

SUMMARY OUTPUT

Regression Statistics

Multiple R

0,909614852

R Square

0,827399179

Adjusted R Square

0,808906234

Standard Error

0,028504674

Observations

32

ANOVA

df

SS

MS

F

Significance F

Regression

3

0,109059224 0,036353 44,74134

8,26666E-11

Residual

28

0,02275046 0,000813

Coefficients

Stand. Error

t Stat

P-value

Lower 95%

Upper 95%

Intercept 0,440588

0,263970

1,669082 0,106246

-0,100130

0,98130

31,924

-0,010971

0,008354

-1,31332

0,199737

-0,028083

0,00614

61,7

-0,001115

0,000650

-1,71589

0,097229

-0,002447

0,00021

234,4

0,0003422

5,3516E-05

6,396149

6,35E-07

0,000232

0,00045

Regresi Kolektor 2

SUMMARY OUTPUT

Regression Statistics

Multiple R

0,89474

R Square

0,800559

Adjusted R Square

0,779191

Standard Error

0,028575

Observations

32

ANOVA

df

SS

MS

F

Significance F

Regression

3

0,091773 0,030591 37,46419

6,16E-10

Residual

28

0,022863 0,000817

Total

31

0,114636

Coefficients

Standard Error

t Stat

P-value

Lower 95%

Upper 95%

Intercept

0,245063

0,264624

0,92608

0,362318

-0,29699

0,78712

31,924

-0,00698

0,008375

-0,83372

0,411495

-0,02414

0,010173

61,7

-0,00015

0,000652

-0,22918

0,820391

-0,00148

0,001186

234,4

0,000318

5,36E-05

5,921205

2,26E-06

0,000208

0,000428

Regresi Kolektor 3

SUMMARY OUTPUT

R Square

0,809877

Adjusted R Square

0,789507

Standard Error

0,032269

Observations

32

ANOVA

df

SS

MS

F

Significance F

Regression

3

0,124195 0,041398 39,75776

3,17E-10

Residual

28

0,029155 0,001041

Total

31

0,15335

Coefficients

Standard Error

t Stat

P-value

Lower 95%

Upper 95%

Intercept

0,499942

0,298827

1,673015 0,105463

-0,11218

1,112061

31,924

-0,01367

0,009457

-1,44555 0,159405

-0,03304

0,005701

61,7

-0,00115

0,000736

-1,55848 0,130352

-0,00266

0,000361

234,4

0,000377

6,06E-05

6,220323

1,01E-06

0,000253

0,000501

Lampiran 14. Korelasi dan Regresi Kemiringan Kolektor Sudut 50

0

Regresi Kolektor 1

SUMMARY OUTPUT

Regression Statistics

Multiple R

0,965943

R Square

0,933045

Adjusted R

Square

0,925871

Standard Error

0,011634

Observations

32

ANOVA

df

SS

MS

F

Significance F

Regression

3

0,052816 0,017605

130,064

1,53E-16

Residual

28

0,00379 0,000135

Coefficients

Standard Error

t Stat

P-value

Lower 95%

Upper 95%

Intercept

-0,05936

0,089104

-0,66624

0,510708

-0,24188

0,123156

33,001

0,00531

0,002199

2,414244 0,022553

0,000805

0,009815

61,2

-0,00056

0,000381

-1,462

0,154876

-0,00134

0,000223

379,4

0,000124

1,23E-05

10,04852

8,65E-11

9,86E-05

0,000149

Regresi Kolektor 2

SUMMARY OUTPUT

Regression Statistics

Multiple R

0,961323

R Square

0,924141

Adjusted R

Square

0,916013

Standard Error

0,013531

Observations

32

ANOVA

df

SS

MS

F

Significance F

Regression

3

0,062456 0,020819 113,7019

8,73E-16

Residual

28

0,005127 0,000183

Total

31

0,067583

Coefficients

Standard Error

t Stat

P-value

Lower 95%

Upper 95%

Intercept

-0,09326

0,103633

-0,89988

0,375859

-0,30554

0,119025

33,001

0,006407

0,002558

2,504751

0,01835

0,001167

0,011647

61,2

-0,00071

0,000443

-1,60033

0,12075

-0,00162

0,000199

379,4

0,000128

1,43E-05

8,907091

1,16E-09

9,83E-05

0,000157

Regresi Kolektor 3

SUMMARY OUTPUT

Regression Statistics

Multiple R

0,956111

Adjusted R

Square

0,904951

Standard Error

0,011233

Observations

32

ANOVA

df

SS

MS

F

Significance F

Regression

3

0,037621

0,01254 99,38196

4,91E-15

Residual

28

0,003533 0,000126

Total

31

0,041154

Coefficients

Standard Error

t Stat

P-value

Lower 95%

Upper 95%

Intercept

-0,08203

0,086031

-0,95344

0,348525

-0,25825

0,094201

33,001

0,005598

0,002124

2,63615

0,013521

0,001248

0,009948

61,2

-0,0006

0,000368

-1,62713

0,114913

-0,00135

0,000155