RANCANG BANGUN ALAT KONVERSI ENERGI SURYA MENJADI ENERGI MEKANIK - Politeknik Negeri Padang

  

RANCANG BANGUN ALAT KONVERSI ENERGI

SURYA MENJADI ENERGI MEKANIK

Yazmendra Rosa

  (1)

  , Rino Sukma,

  (1)

  (1)

Laboratorium Refrigerasi & Pengkondisian Udara, Jurusan Teknik Mesin

Politeknik Negeri Padang

  

ABSTRACT

A solar collector chimney model has been studied. The appliance of convert solar energy

become mechanic energy by heated the air at collector resulting the forming of air stream

naturally, which able to turn around turbine in the chimney. Solar energy is the nature

source of energy with character: unpollutant, free of charge and also continuous all day

long. The change of air density because of temperature changes will result air emit a

stream naturally to the lower temperature place and hot weather will ride on to chimney.

  Examination have conducted in air-gap broadly, the surface of collector 1 m

  2 , high of

chimney 1 m and diameter 7,5cm (PVC 3"). The result showed that turbine which is

attached by a chimney at output of collector could rotate. It’s means that solar energy can

turn into mechanic energy with rotation equal to mean 110 rpm. With this wide of collector

was obtained the increase of secretory air temperature of collector equal to mean 15 o C.

  Keywords: heat transfer, Solar Energy & Solar Power Chimney

1. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

  LU sampai 11

  . Energi sebesar ini dilakukan transfer energi ke energi mekanik dengan menghasilan putaran fan, jika diasumsikan saja efisiensi 10% maka diperoleh energi 40 watt/m

  Indonesia merupakan salah satu negara yang berada pada lintasan sumber energi yaitu pada garis khatulistiwa 6

  Penelitian ini bermanfaat sebagai alternatif energi baru dalam membudayakan hemat energi dan pemanfaatan sumber energi ramah lingkungan dengan keuntungan Indonesia berada di khatulistiwa yang menerima surya sepanjang hari dan kontiniyu.

  Pemanfaatan sumber energi surya menjadi energi mekanik putaran dengan menggunakan kolektor pelat datar yang dapat menghasilkan aliran fluida. Aliran fluida karena perbedaan temperatur oleh kolektor dialiarkan melewati turbin sehinga menghasilkan energi mekanik.

  1.2 Tujuan dan Manfaat

  Bangunan gedung dan rumah menghasilkan panas radiasi surya yang terbuang dan menjadi permasalahan dalam pendinginan ruangan. Konstruksi bangunan ini jika dimanfaatkan dengan kondisi alam Indonesia tentunya bisa memanfaatkan energi panas dari surya ini untuk pemanfaatan yang lebih baik.

  [2] .

  Issu krisis energi memerlukan energi alternatif dengan memanfaatkan kondisi wilayah Indonesia yang berada di khatulistiwa. Posisi ini memungkinkan akan menerima secara maksimal energi surya secara berkelanjutan selama setahun perjalanan surya menyinari bumi. Negara Eropa seperti Spayol telah membuat dengan kapasitas 50 kW, kolektor surya ber-radius 126 m, panjang sudu turbin 5 m dan 1500 rpm

  2 radiasi surya.

  2

  o

  untuk menghasilkan udara panas sehingga diperoleh energi 400 Watt/m

  [1,3,4]

  Jika kolektor pelat datar surya digunakan mempunyai efisiensi 55%

  2 [1,3,4] .

  o

  2

  Kolektor surya menangkap radiasi dengan absorber sehingga udara yang mengalir dipermukaannya akan panas, sehingga dapat digunakan untuk proses pemanasan dan pengeringan. Kondisi udara panas ini akan secara alamiah akan mengalirkan udara tersebut ke tempat udara yang mempunyai temperatur yang rendah, sehingga aliran udara jika kita rencanakan sebuah alat transfer energi misalkan fan yang berputar tentu dapat merubahnya ke energi putaran. Solar konstan yang sampai ke permukaan bumi berkisar antara 1350 Watt/m

  LS. Posisi yang sangat strategis ini membawa negara ini menjadi negara yang sangat kaya sumber energi, tentunya pemanfaatan energi yang terorganisasi dan efisien akan dapat dipertahankan untuk anak cucu dimasa mendatang. sumber energi masih dimanfaatkan dengan mengandalkan sumber minyak bumi, dimana pada suatu saat akan habis jika tidak memperhitungkan siklusnya yang beribu tahun. Untuk memutus rantai sumber energi minyak bumi, maka perlu mencari alternatif energi dengan jalan memanfaatkan langsung sumber dari segala sumber energi yaitu energi surya.

  . Posisi kota padang dapat radiasi surya antara 700 s/d 1000 Watt/m

  ... (5) dimana: n = hari ke berapa dihitung dari tanggal 1 Januari

  adalah sudut kemiringan permukaan terhadap bidang datar di bumi. Dalam perhitungan biasanya komponen I

  I I absorb tot

   

    

  1. Absorbsivitas yaitu kemampuan suatu material untuk menyerap beberapa bagian dari total radiasi yang terjadi pada permukaan material,

  Radiasi yang mengenai suatu material akan mengalami tiga proses yaitu:

  r bukanlah komponen utama.

  2

  2. Koefisien Reflektivitas adalah ratio antara radiasi yang dipantulkan dengan radiasi yang terjadi. 

  

  ... (4) dimana

  2 cos 

  2

  1

   

  [14] F ss

  , ,

    

  ss

  Gerakan dan posisi surya sangat menentukan besarnya energi yang dapat diterima oleh kolektor. Untuk mengamati posisi surya terhadap bumi dapat di gambarkan dalam dua sudut:  Sudut Zenit yaitu sudut yang diukur dari sumbu vertikal dengan bidang sinar datang matahari.

  365 ( 284 , ( )) Sin n

  [13]    23 45

  The American Epherimes and Naval Almanac merumuskan:

  Deklinasi matahari adalah sudut yang terbentuk antara sinar datang matahari dengan garis tegak lurus terhadap sumbu polar dalam bidang matahari. Dengan mengetahui deklinasi matahari maka posisi orbit bumi dapat ditentukan.

  2.1.3 Deklinasi Matahari

   Sudut Azimuth yaitu sudut antara sumbu horizontal dengan proyeksi sinar datang matahari arah selatan posisi pengamatan.

  2.1.2 Geometri Surya

  

  , ,

  I I trans tot

  

    

  3. Koefisien Transmissivitas adalah ratio antara kemampuan suatu material untuk meneruskan radiasi matahari yang terjadi dengan total yang terjadi, 

  , ,

  I I ref tot

  dirumuskan:

  adalah masing-masing angka perbandingan antara radiasi surya difussi dengan radiasi surya langsung yang jatuh pada permukaan horizontal dan faktor sudut antara permukaan dan langit Untuk mencari harga F

  Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa)

   Posisi surya  Lokasi permukaan.  Hari dalam tahun.  Keadaan cuaca dan kemiringan permukaan.

  ... (1) dengan,

  

  ( sin )

  I A B ^DN 

  [14]

  Besarnya radiasi langsung yang diterima dari matahari yaitu:

  Radiasi surya yang diterima oleh permukaan bumi tergantung pada hal-hal berikut:

  ss

  2.1.1 Radiasi Surya

  Energi surya adalah sumber energi yang terdapat dialam, dimana tidak bersifat polutif, tidak habis dan gratis. Energi ini tersedia dalam jumlah yang besar dan bersifat kontinue bagi kehidupan makhluk di bumi. Untuk memanfaatkan energi surya diperlukan pengetahuan dan teknologi yang tinggi agar dapat efisiensi yang lebih baik serta ekonomis.

  2.1. Energi Surya

  2. TINJAUAN PUSTAKA

  Alat konversi energi surya ke energi mekanik dirancang skala kecil untuk tahap pengujian laboratorium. Kolektor pelat datar dengan fluida kerja udara dirancang dalam penelitian ini serta dilakukan pengujian dengan mengasumsikan kecepatan udara lingkungan, penyebaran intensitas radiasi pada permukaan absorber merata dan laju aliran massa udara tetap

  1.3 Batasan Masalah

  2 .

• A = iradiasi nyata surya, W/m
• B = koefisien pemandangan atmosfir, tak berdimensi. Radiasi yang diterima langsung dari surya disebut radiasi langsung, sedangkan yang diterima setelah melewati rintangan disebut dengan radiasi diffusi. Intensitas radiasi surya total pada sebuah kolektor adalah:

     cos 

  berturut-turut adalah total radiasi matahari pada suatu permukaan, komponen radiasi langsung , radiasi diffusi dan radiasi gelombang pendek yang dipantulkan oleh permukaan lain. Semua variabel dalam satuan W/m

  ... (3) dimana C dan F

  

  I C I F DS DN ss

  ,

  [11]

  Harga dari komponen radiasi diffusi

  2 .

  r

  ... (2) dimana I

  dan I

  DS

  , I

  DN

  , I

  io

  [14]

  I I

  I I io DN DS r

  Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.2,Desember 2008

  T

  4. Rangka yang kokoh, mudah dibentuk dan tahan lama.

  E

  reff

  E

  glob

  T

  in

  out

  2. Penutup berupa bahan transparan, mempunyai transmisi yang besar untuk gelombang pendek dan menghalangi perpindahan panas konveksi dan radiasi.

  Q

  L

  Gambar 2 Kesetimbangan energi pada kolektor Persamaan kesetimbangan energi pada kolektor:

  Q Q Q Q a u l s

    

  ... (10) Prinsip kerja kolektor adalah pelat absorber menyerap radiasi surya yang jatuh ke permukaan dan dikonversikan dalam bentuk panas, sehingga temperatur pelat tersebut menjadi naik. Panas dipindahkan ke fluida kerja yang mengalir pada pelat absorber. Perpindahan panas akan terjadi secara konduksi, konveksi dan radiasi.

  2.3 Prinsip Solar Chimney

  Gambar 3 Prinsip solar chimney Radiasi surya mengenai sistem kolektor, maka pada pelat absorber menyerap radiasi surya yang jatuh ke permukaan dan dikonversikan dalam bentuk panas, sehingga temperatur pelat tersebut menjadi naik.

  3. Isolasi untuk menghindari kehilangan panas ke lingkungan.

  1. Absorber dari bahan yang berwarna hitam untuk memaksimalkan penyerapan radiasi surya.

  ISSN 1829-8958  

       sin (sin cos cos sin cos ) cos (cos cos sin sin cos cos sin sin sin )

  Polar axis Equatorial plane ^Surya Collector site at latitude 

  Gambar 1. Deklinasi matahari Pada gambar dapat ditentukan sudut jam siang matahari:

  Cos s

       tan .tan

  ... (6) Untuk matahari terbit berharga positif dan terbenam berharag negatif.

  2.1.4 Sudut Insiden Surya

  Sudut Insiden Surya adalah hubungan antara luas sebuah kolektor dengan radiasi langsung dari surya ditentukan oleh besar sudut antara sinar datang dengan vektor garis normal dari permukaan kolektor.

  Cos s s s s             

  ... (7)

   ... (9) Komponen kolektor pelat datar adalah:

  2.2 Kolektor Energi Surya

  Kolektor surya adalah suatu alat yang dapat mengumpulkan atau menyerap radiasi surya dan mengkonversikan menjadi panas. Panjang gelombang radiasi surya yang dapat diserap adalah 0, 29 sampai 2, 5 m. Besarnya panas dari kolektor yang akan dapat dimanfaatkan adalah:

  Q m c T u p

  

   

  ... (8) maka temperatur udara keluaran dapat dihitung dengan persamaan:

  T Q m c T ko u p kin

   

  Panas dipindahkan ke fluida kerja yang mengalir pada pelat absorber. Karena adanya perbedaan temperatur terjadilah aliran udara secara alamiah dari udara bertemperatur tinggi ke udara bertemperatur rendah. Pada point (a) udara masuk ke sistem solar chimney, point (b) udara menjadi panas , sehingga terjadi aliran udara karena perbedaan density dan kemudian point (c) aliran udara dihambat dengan sebuah turbin sehingga turbin merubah ke energi dengan adanya perbedaan tekanan dan sifat-sifat udara tersebut.

  Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa)

Power output yang dapat dihasilkan oleh sistem ini radiasi surya di serap, kemudian di lalui fluida kerja

  adalah udara sebagai pembawa energi panas.

   

  Perencanaan kolektor yang akan dibahas meliputi

  .  .  .  .  (11)

P  Q  Q pelat absorber, penutup transparan, isolasi, saluran

solar coil tower turbin solar plant

  udara dan rangka kolektor. Pertimbangan yang perlu Perbedaan tekanan yang terjadi antara cerobong diperhatikan dalam perencanaan yaitu: ekonomis, (tower) dan keluaran kolektor serta lingkungan produktifitas tinggi, mudah pembuatan, kuat dan diperoleh dengan hubungan: mudah dioperasikan.

  H tower

  3.2 Dasar Idealisasi dan Data Perencanaan

  ... (12)

   p  g .      . dH tot a tower

  

  Parameter yang merupakan dasar dari perancangan kolektor adalah:

  o

  ... (13)

   p   p   p

  1 Kondisi udara masuk ke kolektor, Tkin = 33 C =

  tot s d

  306 K dimana

  o

  2 Kondisi udara keluar dari kolektor, Tkout= 69 C gesekan diabaikan,

  [1,3,4]

  = 342 K = perbedaan tekanan statik,

   p s

  2 3 Intensitas radiasi matahari, E . = 900 watt/m . glob

  = perbedaan tekanan dinamik

   p d

  4 Asumsi awal kolektor pelat datar mempunyai

  [1,3,4]

  Dengan total perbedaan tekanan dan laju aliran udara efisiensi 45% pada maka daya P dari aliran diperoleh:

   p  tot o o s

  5 Lokasi penelitian kota Padang, 0 LS dan 100 BT, serta ketinggian ±8 meter dari permukaan laut.

  . . ... (14) P   p v A tot tot tower , max coil

  Pada kolektor terjadi kehilangan panas, baik yang Maka efisiensi cerobong (tower) adalah: terjadi pada bagian atas, bawah maupun samping kolektor yang dipengaruhi oleh kecepatan angin yang

  P tot

  mengalir pada lingkungan kolektor. Intensitas surya ... (15)

   

   tower

  diasumsikan tetap setiap saat dan radiasi surya yang

  Q

  sampai pada permukaan pelat absorber merata serta keseimbangan energi dalam keadaan stasioner. Tanpa turbin , kecepatan maksimum ( ),

  v , max tower

  Faktor-faktor yang mempengaruhi temperatur dan yang dikonversi ke energi kinetik adalah: efisiensi kolektor adalah:

   1

  2  Luas permukaan kolektor dan bentuk absorber. tower , max ... (16)

  P  m v tot

  2  Intensitas radiasi matahari maksimum.

  Menggunakan persamaan Boussinesq (Unger, 1988):  Laju aliran massa udara  T  Kecepatan udara lingkungan.

  ... (17)

  v  2 . g . H . tower , max tower

  T  Isolasi dan mutu pembuatan kolektor.

  3.3 Perancangan Kolektor Pelat Datar

  dimana

  3.3.1 Perancangan Pelat Absorber  T = Perbedaaan temperatur yang terjadi antara

  keluaran kolektor (in tower) denagn lingkungan Pelat absorber berfungsi untuk menyerap radiasi surya dan mengkonversikan menjadi panas. Energi

  Sedangkan menurut persamaan (Schlaich 1995) dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi. efisiensi cerobong adalah:

  Dengan mengacu fungsi absorber maka dipilih sifat bahan antara lain:

  . g H

    ... (18) tower

  .  Absorbsivitas tinggi () c T p

   Emisifitas panas rendah ()

  3. METODE PENELITIAN  Kapasitas panas kecil (C ). p

  3.1 Pendahuluan

   Konduktifitas besar (k) Kolektor surya adalah alat untuk mengkonversikan energi surya ke dalam energi panas. Pada absorber,  Refleksi rendah ()

ISSN 1829-8958

3.3.2 Perancangan Kaca Penutup.

  = Laju kehilangan energi dari kolektor ke lingkungan. Pada keadaan stedi tidak ada penambahan energi dalam ( U=0)

  a

  = Q

  u

  l

  ... (19) dengan, Q

  a

  = laju radiasi surya yang dapat diserap oleh pelat absorber. Q

  u

  = Laju perpindahan panas dari pelat absorber ke fluida udara (energi yang berguna). Q

  l

  Besar panas yang dapat dimanfaatkan dari absorber oleh fluida kerja udara, dipengaruhi oleh laju aliran, peningkatan suhu dan panas jenis dari fluida kerja. Keadaan ini dinyatakan dalam persamaan:

  3.4.1 Laju Aliran Energi yang digunakan (Q u )

  Suatu sistem dianalisa dengan keseimbangan energi, dimana keseimbangan energi selalu tetap. Persamaan keseimbangan energi adalah:

  Q

  u

  =

  m

   C

  p

  (T

  out

  in

  ) ... (20a)

  Q

  3.4 Keseimbangan Energi Pada Kolektor

• Q

     E glob

  Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.2,Desember 2008

   Tahan panas dan tahan korosi  Kaku dan mudah dibentuk  Harga murah Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk pelat pengumpul yaitu: aluminium, tembaga, kuningan, dan baja. Dalam perancangan ini digunakan aluminium sesuai pertimbangan di atas. Luas kolektor 1m

  2

  untuk skala kecil pengujian dan efisiensi kolektor awal diasumsikan 45 %, sehingga didapat daya energi panas yang dapat dimanfaatkan adalah

  W m W E m A Q glob k u

  405 . 45 , 900 . 1 .

  2

  2    

  Aluminium yang digunakan mempunyai ketebalan 0,3 mm. Permukaannya dilakukan pelapisan dengan cat semprot hitam kusam (Pylox Black Flat Paint 109A), agar jangan terjadi refleksi dan mempunyai absorsivitas maksimum.

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

   Transmisivitas tinggi ()  Absorsivitas rendah ()  Refleksivitas rendah ()  Tahan panas  Murah dan kuat Hubungan radiasi yang terjadi pada kaca dapat dilihat pada pada “Gambar (4)”

  Gambar 4 Radiasi yang terjadi pada kaca Dengan pertimbangan sifat di atas, maka digunakan kaca bening dengan ketebalan 5mm. Transmisivitas

   Tidak terlalu berat.  Mudah dibentuk dan dibuat.  Tahan lama.

  kaca,  = 0,85, refleksi  = 0,09 dan absorsivitas

  =0,06, maka diperoleh panas yang dapat melalui kaca adalah:

  Q E Watt m Watt m _glob    ..

  , . / / 0 85 900 765

  2

  2 3.3.3 Perancangan Isolasi.

  Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor. Pada isolasi terjadi perpindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh sifat-sifat bahan. Isolasi yang digunakan adalah:  Konduktifitas termal bahan (k) kecil.

   Mudah dibentuk dan praktis  harga murah  Tahan lama.

  Bahan yang biasa digunakan untuk isolasi yaitu: gelas wol, silika aerogel, serbuk gergaji, kapuk, asbes semen, dan gabus. Berdasarkan sifat di atas maka digunakan gabus yang mempunyai konduktifitas termal, k = 0,048 W/m C, dengan ketebalan 4 cm.

  3.3.4 Perancangan Rangka

  Fungsi rangka adalah tempat kolektor membentuk sistem yang bermanfaat. Untuk itu rangka diperlukan sifat-sifat antara lain:  Kuat dan kaku.

• T

  

  Panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan dipengaruhi oleh koefisien perpindahan panas total, luas pelat absorber dan beda temperatur absorber dengan lingkungan. Panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan terjadi pada tiga sisi kolektor yaitu: bagian bawah, samping dan atas kolektor. Jumlah total rugi panas secara ke seluruhan ke lingkungan adalah:

  r

  = F

  L

  ) ... (23a) Q

  ~

  r

  (T

  k

  A

  L

  = F’ U

  L

  Q

  3.4.3 Rugi-rugi Panas Pada Kolektor.

   

  1 ^{2 2} Watt W m m Q _a

  743 85 , / 900 . ) ( 87 , 95 ,

  ... (22) Dengan mengunakan ”Persamaan (22)” di dapat: .

   . . .  

  Q E A a glob a

  menjadi:

  Q a

  Persamaan panas yang dapat diserap oleh kolektor,

• T

   = 0,95.

  = 0,09 dan harga absorpsivitas dari pelat absorber

  d

  ) dari suatu kaca penutup dipengaruhi oleh sudut jatuh,  dari radiasi surya. Sudut jatuh,  radiasi derajat (tegak lurus kolektor). Harga  = 0,85 dan harga 

  U

  A

• T

  L

  ... (24) dengan, A

  (T

  in

  ~

  ) ... (23b) - Rugi Panas Melalui Belakang. Panas yang hilang pada bagian belakang dipengaruhi oleh lapisan isolasi berupa luas, konduktifitas dan ketebalan isolasi. Lapisan yang digunakan dapat dilihat pada ”Gambar (6)”

  T b ~ ^{T b ~ h R 2 R 1 R 3 R 5 R T a 4 T a triplek triplek gabus pelat baja seng}

  Gambar 6 Bahan isolasi bagian belakang kolektor Koefisien perpindahan panas keseluruhan melalui bagian bawah adalah:

  [5] U A A t k t k t k t k h

  T T T T b b k b a b a

        

  . .

  ( ) ( ) ~ ~

  1

  k

• =

  2

  2

  3

  3

  4

  4

  1

  b = luas permukaan bagian belakang.

  A

  k = luas kolektor.

  t

  1 = tebal bahan

  1

  1

  

  ) dan refleksivitas (

  C = 322

  , 36 0102

  s kg x m 011 ,

  Berdasarkan ”Persamaan 20a”, didapat laju aliran massa udara:

  [4] .

  C

  o

  = 1,0102 kJ/kg

  p

  C , diperoleh C

  o

  K. Pada keadaan udara T = 49

  o

  o

  

  Kondisi fluida kerja dalam kolektor antara temperatur keluar dan temperatur masuk, maka diasumsikan temperatur rata-rata (T r ) =49

  [9] .

  F’ = Faktor efisiensi kolektor, (0,8 - 0,9)

  [6]

  = Faktor transpor panas kolektor, (0,5 - 0,8)

  r

  ...(20c) dengan, F

     ' ( ) ( ~)  

    Q A F E k T T u k glob eff r

  ...(20b)

     ( ) ( ~)  

  Q A F E k T T u k r glob eff in

  Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa)  

  1 405 ,  

  3.4.2 Laju Energi yang Diserap (Q a ).

  ...(21) Besar harga transmisivitas (

  2 (1- )  d (1- )

  . ^{d N} _{d n}

        . .

    

  1    

  1

  1

     

    

   .

  

  kolektor Persamaan transmittance absorptance product ialah :

  2 Gambar 5 Radiasi matahari yang jatuh pada sistem

  2   d

  2  d

  Kemampuan sistem kolektor untuk menerima radiasi surya menjadi panas dipengaruhi oleh harga transmisivitas (  ), kaca penutup dan harga absorpsivitas (  ), dari pelat absorber.

  (1- )

  2  d

  (1- )

  (1- ) (1- ) d

  Kaca   d

  ialah harga refleksifitas dari kaca penutup.

   d

  product (  ). Proses radiasi yang sampai ke kolektor dapat dilihat pada ”Gambar (5)”.

  ) bahan disebut dengan transmittance-absorptance

  

  ) dan absorpsivitas (

  

  Pengaruh transmisivitas (

  h = koefisien konveksi bagian bawah kolektor

  Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.2,Desember 2008

  ISSN 1829-8958 2 o

  =5,7 + 3,8 (1,5)= 11,4 W/m

  C. - Total Rugi-rugi Panas Pada Kolektor

  o

  T ~ = Temperatur belakang kolektor , C.

  b     ... (26a)

  Q F A U . ( U U ).( T T ~) total r k f b s in o

  T~ = Temperatur lingkungan, C

      ... (26b) Q F A U '. ( U U ).( T T ~) total k f b s r

  Kehilangan panas bagian bawah ”Persamaan (24)”

  2 o

  adalah  Dengan mengunakan ”Persamaan (26b)” di dapat:

  U 1 , 03818 W / m C b

  Q Watt  162 , 84 . tot - Rugi Panas Melalui Bagian Atas.

  3.4.4 Efisiensi Termal Kolektor.

  Pada bagian atas terjadi perpindahan panas konduksi, konveksi dan radiasi seperti terlihat pada “Gambar Efisiensi kolektor ditentukan oleh besarnya panas

  (7)” Koefisien perpindahan panas total melalui yang diterima kolektor (Q ) terhadap panas yang

  in [5]

  bagian atas kolektor dapat dirumuskan: dapat di manfaatkan (Q ). Energi yang di terima oleh

  u

  kolektor yaitu:

  

  1 A T  T ~  R R .    f a f c r

  ... (25)

    U  R    f k

  Q E . A  in glob k

    A  R R   T T ~  k c r a

  maka efisiensi teoritis kolektor adalah: dengan,

  F E A U A T T '. . .   (  ~) glob k L k r R = tahanan termal konduksi kaca. k

   ... (27a)

   

    E A . glob k t R = k k kaca

  F . E . A .   U A ( T  T ~) r glob k L k in

   

  ... (27b)

   

   R = tahanan termal konveksi dari tutup ke

  c E A . glob k lingkungan.

  Sedangkan efisiensi aktual kolektor dapat ditulis:

  1 R  c

   h f . . m C  T Q p u

  ... (28a)

    

  h = 5,5 + 2,7 (v) = koefisien konveksi termal pada

  f Q E . A in glob k permukaan kaca.

  v = kecepatan udara disekitar kolektor = 1,5 m/s.

  Q  Q a L

  ... (28b)

   

   R r = tahanan termal radiasi antara penutup ke

  E . A glob k lingkungan.

  Dengan mengunakan ”Persamaan (27a)”, di dapat:

  1 R   r

   , 505  50 , 5 %

  2 2 th   . .( T  T ~ ).( T  T ~) k

  2

  3.5 Prosedur Pengujian T~

  1. Pengujian dilakukan dari jam 10.00 WIB sampai

  T ~ _{f jam 15.00 WIB (pada saat intensitas maksimal)} h~ kaca

  2. Periksa dan pasang alat ukur intensitas surya di

  R r R c T _a atas kolektor.

  R _k 3. Pasang termokopel pada sistem alat pengujian. h~ T _a

  4. Catat parameter yang didapat:

  T ~ _b

   Intensitas radiasi matahari (mv) Gambar 7 Bahan isolasi bagian atas kolektor  Temperatur lingkungan, temperatur masuk dan keluar kolektor. dengan,

   Temperatur kolektor yaitu temperatur absorber,

• 8

   = konstanta boltzman, 5,67 x 10 W/m.K dan temperatur bagian belakang.

   Temperatur di keluar penghambat (turbin)  = emisivitas kaca, 0,9.  Putaran turbin yang dihasilkan (rpm) T = temperatur kaca, K.  Laju aliran Massa udara. Berdasarkan ”Persamaan (28)”, diperoleh rugi panas _{2 o} melalui bagian atas adalah:

  U  _f 6 , 0081 W / m C

  Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa)

  7. Ulangi prosedur 4, dengan selang waktu 10 menit selama satu hari.

  8. Lakukan pengujian beberapa hari kemudian untuk melihat variasi pengaruh lingkungan

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

  Sistem alat yang direncanakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada “Gambar (8)” dan ”Gambar (9)”. Pengujian menggunakan data aquisisi dengan card ADC PCL-818L with PLCD-8115 dan sensor termokopel tipe T yang dihubungkan ke komputer seperti set-up yang terlihat pada ”Gambar (10)”

  Gambar 8 Rangka Kolektor surya pelat datar Gambar 9 Sistem alat kolektor pelat datar dan cerobong

  Gambar 10 Sistem data akusisi yang digunakan

4.1 Data dan Hasil pengujian

  30

  

55

  10

  Gambar 11.Grafik Perbandingan Temperatur Data Aquisisi dengan Termometer Kaca (turun/naik)

  Naik Turun Rata-rata Linear (Turun) Linear (Naik) Linear (Rata-rata)

  C) T e m p e ra tu r ( ^o C )

  90 95 100

Temperatur Data A quis is i (

^o

  85

  80

  75

  70

  65

  60

  50

  40

  45

  40

  35

  20

  25

  20

  15

  90 100

  80

  70

  60

  50

  30

  Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.2,Desember 2008

ISSN 1829-8958

  30

  60

  In te n s ita s (W a tt )

  T~ Tout-kolektor (in cerobong) T(out -cerobong) Intensitas 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

  Gambar 13 Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (Perngujian 2)

  20

  30

  40

  50

  70

  T e m p e ra tu r ( ^o C )

  80

  90 100 10:48 11:45 12:43 13:40 14:38 15:36 16:33 Waktu (WIB)

  T e m p e ra tu r ( ^o C )

  100 200 300 400 500 600 700 800

  In te n s ita s (W a tt )

  T~ Tout-kolektor (in cerobong) T(out -cerobong) Intensitas 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

  Gambar 14 Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (Perngujian 3)

  100 200 300 400 500 600 700 800

  90 100 10:48 11:45 12:43 13:40 14:38 15:36 Waktu (WIB)

  40

  In te n s ita s (W a tt )

  50

  60

  70

  80

  90 100 10:48 11:45 12:43 13:40 14:38 15:36 Waktu (WIB)

  T e m p e ra tu r ( ^o C )

  100 200 300 400 500 600 700 800

  T~ Tout-kolektor (in cerobong) T(out -cerobong) Intensitas 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

  20

  Gambar 12 Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (Perngujian 1)

  20

  30

  40

  50

  60

  70

  80

  Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa) 300 400 500 600 700 800 900 1000

  90 110 130 150 170

  Intensitas putaran rpm 3 per. Mov. Avg. (putaran rpm) 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

  P u ta ra n (r p m )

  90 110 130 150

  70

  50

  30

  10:48 11:02 11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 Waktu In te n s ita s (W a tt )

  100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

  Gambar 16 Grafik intensitas dan putaran (rpm) terhadap waktu (Perngujian 2)

  Intensitas putaran rpm 3 per. Mov. Avg. (putaran rpm) 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

  P u ta ra n (r p m )

  70

  1100 1200 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 Waktu

  50

  30

  9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 Waktu In te n s it a s (W a tt )

  300 400 500 600 700 800 900

  Gambar 15 Grafik intensitas dan putaran (rpm) terhadap waktu (Perngujian 1)

  Intensitas putaran 3 per. Mov. Avg. (putaran) 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

  P u ta ra n (r p m )

  90 110 130 150 170

  70

  50

  30

  In te n s it a s (W a tt )

  Gambar 17 Grafik intensitas dan putaran (rpm) terhadap waktu (Perngujian 3)

  Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.2,Desember 2008

   Penelitian dikembangkan dengan mengabungkan dengan pemanfaatan energi angin sebagai energi awal agar terjadi aliran fluida udara secara paksa.  Pengembangan kolektor dengan menggunakan energi penyimpan untuk menjaga temperatur keluar kolektor konstan.  Perlu penelitian lanjut peningkatan secara optimal dari pemanfaatan cerobong terhadapat aliran fluida udara sistem secara keseluruhan.

  o

  serta berbentuk profil atap rumah. (vidio visual pengujian)

  2. Kolektor pelat datar energi surya dapat menaikan temperatur udara secara rata-rata berkisar  15

  o

  C sehingga dapat mengalirkan udara secara panas mengguanakan cerobong yang dapat memutar turbin.

  3. Pemanfaatan sistem alat ini untuk pembangkit energi listrik perlu menyesuaikan putaran yang dihasilkan terhadap generator yang ada (yg dapat dibuat).

  4. Energi mekanik yang dihasilkan model alat ini dapat dikembangkan sebagai energi alternatif yang bersih dan ramah lingkungan serta tersedia sepanjang hari karena kondisi wilayah indonesia berada dalam jalur garis khatulistiwa , yang memberikan intensitas paling besar dipermukaan bumi ini.

  5.2 Saran

  UCAPAN TERIMA KASIH

  2

  Kepada Bapak/Ibu yang telah membantu terlaksananya penelitian terutama keluarga besar penulis. Pimpinan dan pengelola dana DIPA Politeknik Negeri Padang, semoga dana yang diberikan menghasilkan cikal bakal teknologi yang bermanfaat yaitu pemanfaatan sumber energi surya menjadi energi listrik dikemudian hari terwujud hendaknya.

  PUSTAKA

  1. Adly Havendry, Rosa. Yazmendra, Hanif, Kolektor Energi Surya untuk Sistem Pengering Kulit Manis, Jurnal TeknikA Tahun

  IV, Universitas Andalas, 1997.

  2. Sukhatme, Solar Energi: Principles of Thermal

  Collection and Storage, Tata McGraw-Hill

  Publishing Company Limited, New Delhi, India, 2001

  3. Rosa. Yazmendra, Hanif & Zulhendri, Optimasi Udara Panas Keluaran Kolektor Surya, Jurnal Teknik Mesin, Vol.1 No.1 Politeknik Negeri Padang, 2004

  , kemiringan kolektor 10

  1. Alat konversi energi surya menjadi energi mekanik yang direncanakan ini dapat menghasilkan putaran pada turbin berkisar antara  110 rpm dengan luas kolektor pelat datar 1m

  ISSN 1829-8958

  50

  4.2 Pembahasan

  Pada “Gambar (11)” perbandingan alat ukur temperatur data akusisi dengan termometer kaca yang diperoleh hubungan persamaan naik dan turun pengukuran yaitu Pers. Naik = y = 1.043x - 2.118, R

  2

  = 0.9687 dan Pers. Turun = y = 0.9239x + 2.5623, R

  2

  = 0.9425 serta persamaan rata rata antara naik dan turun diperoleh y = 0.9835x + 0.2221. Histerisis alat ukur akan makin melebar pada saat temperatur makin tinggi (Temperatur > 50

  o C).

  Pada ”Gambar (12)” sampai ”Gambar (14)” merupakan data hasil pengolahan grafik temperatur dan intensitas terhadap waktu. Data grafik terlihat temperatur keluaran kolektor dapat mencapai di atas

  o

  Hasil pengujian dan pembahasan dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu;

  C dan selama pengujian temperatur yang dapat dihasil kolektor dapat kenaikan dari lingkungan berkisar antara 10

  o

  C sampai dengan 20

  o

  C. Intensitas maksimum pada siang hari mengakibatkan temperatur keluaran kolektor paling maksimal dan hasil putaran turbin (alat ukur anemometer) menunjukan maksimal berkisar antara 0,3 m/s sampai dengan 0,4 m/s.

  Dari grafik dan data diperoleh secara rata-rata putaran turbin 110 rpm dengan rincian pengujian 114,37 rpm, 96,50 rpm, 103,24 rpm dari hasil pengujian. Peningkatan rpm turbin mungkin dapat diberikan apabila penambahan luas kolektor surya yang dibuat dan sekaligus dapat meningkatkan dayanya. Pada ”Gambar (15)”, ”Gambar (16)”, dan ”Gambar (17)”, hasil putaran turbin dapat lebih stabil pada kondisi stedi yang diakibatkan oleh sistem alat masih cukup menyimpan panas walaupun terjadi penurunan radiasi surya. Perlu dipertimbangkan pengguanaan penyimpan energi dalam sistem alat ini. Pada saat pengujian sistem alat ini dapat terlihat secara visual putaran turbin (lihat vidio pengujian) atau boleh dikatakan sistem model alat yang direncanakan dapat mengalirkan udara di dalam cerobong yang kemudia memutar turbin yang menghasilkan energi mekanik. Aliran ini disebabkan perbedaan temperatur, density karena pengaruh energi panas dari surya yang ditangkap melalui kolektor.

  5 KESIMPULAN DAN SARAN

  5.1 Kesimpulan

  4. Rosa. Yazmendra, Maimuzar & Nasrullah, Rancang Bangun Pengering Gambir dengan Memanfaatkan Energi Surya, Jurnal Teknik

  Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa)

  New York, 1995

  yrosa@Telkom.net.id & yrosa@polinpdg.ac.id .

  ISTN,. Email:

  Penulis menyelesaikan studi sarjana di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Andalas tahun 1997 dan tahun 2003 menyelesaikan studi S2 bidang Konversi Energi, Departemen Teknik Mesin di Institut Teknologi Bandung, Sekarang sebagai dosen dan staf Labor Refrigerasi & Pengkondisian Udara di Program Studi Teknik Mesin Politeknik Universitas Andalas, staf pengajar dan pembimbing di program D4 Konservasi Energi serta mengajar dan membimbing di Pasca Sarjana

  Solar Energy 82 (2008), 198-205, Elsevier. 2008

  Assessment of a Solar Chimney for Food Drying,

  17. Andre G Ferreira, Technical Feasibility

  World Energy Congress, Sydney Australia, Sep 2004

  Power Station Development, 19 th

  16. The Solar Tower : Large scale Renewable energy

  www.floatinglarchimney.gr , September 2008

  15. Floating Solar Chimney Technology ,

  Refrigerasi dan Pengkondisian Udara , Erlangga, Jakarta, 1992.

  14. Stoecker, Wilbert F., & Jerols, W. Jones,

  Energy Thermal Processes , John Wiley & Sons,

  Mesin, Vol.3 No.1 Politeknik Negeri Padang, 2006.

  13. Dufie, John A., & Beckman, William A., Solar

  N., Solar Energy Technology Handbook Part A, Marcel Dekker, New York, 1980.

  12. Dickinson, William C & Cheremisinoff, Paul

  11. Culp, Archie W. Jr., Prinsip-prinsip Konversi Energi , Erlangga, Jakarta, 1985.

  10. ASHRAE, Fundamentals Handbook,. 1997.

  9. C. P. Arora, Refrigeration and Air Conditioning, McGraw-Hill, Singapore, 2000.

  Departement of Mechanical Engineering & Science, Tokyo Institute of Technology, Japan, Int, J. Heat Mass Transfer.

  Heat Transfer Enhancement in Latent Thermal Energi Storage with Direct Contact Melting ,

  8. A. Saito dan H. Hong, Experimental Study on

  Latent Heat Materials , CRC Press, Inc., Florida, 2000.

  7. George A. Lane, Ph.D, Solar Heat Storage:

  6. Zainuddin, Dahnil, Solar Teknik 1 & 2, Universitas Andalas, Padang, 1990.

  Thermal Design and Optimization , John Wiley & Sons, New York, 1996.

  5. A. Bejan, G. Tsatsaronis dan M. Moran,