BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Rancang Bangun Prototipe Alat Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Pipa Panas

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1Energi

Energi adalah sesuatu yang bersifat abstrak yang sukar dibuktikan, tetapi dapat dirasakan. Energi tidak dapat pula diciptakan dan dimusnahkan. Namun, semua energi dapat diubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain [1] Oleh karena itu, hukum kekekalan energi menyatakan energi total sistem tetap konstan, meskipun energi dapat berubah menjadi bentuk lain.

Secara umum, energi dapat dikategorikan menjadi beberapa macam, yaitu energi mekanis, listrik, elektromagnetik, kimia, nuklir, dan surya [10].

1. Energi Mekanis

Bentuk transisi dari energi mekanis adalah kerja.Energi yang tersimpan adalah energi potensial atau energi kinetik. Energi potensial adalah energi yang dikandung oleh suatu benda/massa yang berada pada ketinggian tertentu terhadap bidang referensi. Energi potensial banyak dimanfaatkan untuk PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air), dimana energi potensial berupa massa air yang ada di dalam waduk diubah menjadi energi kinetik dan digunakan untuk menggerakkan turbin. Energi kinetik adalah energi yang dikandung oleh suatu benda/massa yang sedang bergerak. Sebuah pesawat supersonik yang bergerak karena adanya kecepatan aliran udara yang mendorongnya merupakan salah satu konsep energi kinetik.

2. Energi Elektromagnetik

Energi elektromagnetik merupakan bentuk energi yang berkaitan dengan radiasi elektromagnetik.Energi radiasi dinyatakan dalam satuan energi yang sangat kecil, yakni elektro volt (eV) atau mega elektrovolt (MeV), yang juga digunakan dalam evaluasi energi nuklir.

Energi transmisi semakin besar apabila panjang gelombangnya semakin pendek dan frekuensinya semakin tinggi. Panjang gelombang elektromagnetik dibagi atas beberapa kelas dimana radiasi sinar gamma merupakan jenis radiasi yang paling energetik dari radiasi elektromagnetik. Gelombang radio merupakan gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang paling tinggi.

3. Energi Kimia

Energi kimia merupakan energi yang keluar sebagai hasil interaksi elektron dimana dua atau lebih atom/molekul berkombinasi sehingga menghasilkan senyawa kia yang stabil. Energi kimia hanya dapat terjadi dalam bentuk energi tersimpan. Bila energi dilepas dalam suatu reaksi maka reaksinya disebut reaksi eksotermis.Yang dinyatakan dalam kj,Btu, atau kkal. Bila energi dalam reaksi kimia terserap maka disebut dengan

reaksi endotermis . Sumber energi bahan bakar yang sangat penting bagi

manusia adalah reaksi kimia eksotermis yang pada umumnya disebut reaksi pembakaran.Reaksi pembakaran melibatkan oksidasi dari bahan bakar fosil.

4. Energi Nuklir

Energi nuklir adalah energi dalam bentuk dalam bentuk tersimpan yang dapat dilepas akibat interaksi partikel dengan atau di dalam inti atom. Energi ini dilepas sebagai akibat hasil usaha partikel-partikel untuk memperoleh kondisi yang lebih stabil. Pada reaksi nuklir dapat terjadi peluruhan radoaktif, yaitu fisi dan fusi[1]. Fisi merupakan reaksi terpisahnya inti senyawa terbelah menjadi dua atau lebih inti massa yang lebih rendah, yang disebut produk bersih. Fusi merupakan reaksi kebalikan dari reaksi fisi dimana inti bermassa lebih ringan bergabung menjadi satu inti. Kedua reaksi ini sama-sama menghasilkan energi yang cukup besar.

Saat ini pusat listrik bertenga nuklir mampu bersaing dengan pusat listrik berbahan fosil meskipun sebagian orang menganggap bahwa penggunaan pusat listrik bertenaga nuklir mengandung resiko tinggi, terutama dengan bahaya radiasi yang timbul bilamana terjadi kebocoran. Jadi dalam hal ini kendala utama pembangunan pusat listrik bertenaga nuklir terletak pada masalah pengamanan operasional serta kualitas reaktor nuklir.

5. Energi Surya

Energi surya merupakan energi yang bersumber dari matahari dan merupakan energi terbesar yang diterima bumi. Energi matahari mempengaruhi pola cuaca, arah angin, gelombang laut, dan iklim. Energi surya sampai ke bumi dalam bentuk radiasi matahari. Energi matahari juga mempengaruhi terbentuknya energi lain seperti energi angin dan energi gelombang laut.

Fotovoltaik merupakan salah satu pemanfaatan energi matahari untuk menghasilkan tenaga listrik dengan menggunakan sel surya untuk mengubahnya menjadi aliran electron (Fanchi JR 1995). Efek fotovoltaik mengacu pada foton elektron yang menarik cahaya ke dalam keadaan energi yang lebih tinggi. Sel surya ini terdiri atas silikon digabungkan menjadi modul yang disebut array, dan jumlah array yang digunakan menentukan jumlah listrik yang dihasilkan. Selain fotovoltaik, pemanfaatan energi surya digunakan untuk memanaskan air. Air yang dipanaskan ini biasanya digunakan untuk keperluan rumah tangga. Bahkan, saat ini air yang dipanaskan digunakan untuk membangkitkan energi listrik. Air yang dipanaskan tersebut diubah menjadi uap. Uap tersebut yang menggerakkan turbin sehingga dihasilkan listrik.

2.2 Radiasi Energi Surya

Beberapa fakta tentang matahari (surya). Matahari mempunyai diameter 1,39 x 10

m. Bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentuk ellips dengan matahari berada pada salah satu pusatnya. Jarak rata

–rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,495 x 10

. waktu tempuh sinar matahari sampai ke permukaan bumi sekitar 8 menit 20 detik. Gambar2.1 menunjukkan hubungan matahari dan bumi. Pada gambar juga ditampilkan nilai konstanta matahari G sc , yang merupakan daya radiasi rata

– rata yang diterima bumi (diluar atmosfir) dari matahari pada arah tegak lurus permukaan.

Gambar 2.1. Hubungan antara matahari dan bumi

Karena lintasan bumi berbentuk elips, maka jarak matahari dan bumi tidak

tetap. Jarak terdekat 1,47 x 10 m dan jarak terjauh 1,52 x 10 m. Perbedaan jarak ini hanya 3,3% dari jarak rata

– rata. Akibat perbedaan jarak ini, maka radiasi di permukaan di luar atmosfer akan berbeda setiap hari. Radiasi ini biasanya disimbolkan dengan G , pada hari ke n dirumuskan oleh Duffie dan Beckmann

(1991) [5] ( ⁄ +............................................(2.1)

) * Dimana :

G = Konstanta surya

= 1367 W/m N = Nilai yang diperoleh berdasarkan urutan hari yang akan diprediksi radiasinya.

Harganya dapat diperoleh dari tabel berikut: Tabel.2.1 Urutan Hari Berdasarkan Bulan

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 121 + i September 243 + i Oktober 273 + i November 304 + i Desember 334 + i

2.3 Perpindahan Panas

Panas dapat berpindah dari suatu tempat atau benda ketempat atau kebenda lain. Panas dapat berpindah dari suatu zat yang lebih panas ke zat yang lebih dingin. Dengan kata lain, panas hanya akan berpindah dari suatu benda ke benda lainnya bila terdapat perbedaan temperatur di antara dua benda tersebut[11]. Atau panas akan berpindah dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang temperatur lebih rendah. Karena itu dapat disimpulkan bahwa perbedaan temperatur (∆t) adalah merupakan potensial pendorong bagi proses perpindahan panas. Dalam proses perpindahan, dikenal 3 macam metode perpindahan panas, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

1. Konduksi

Konduksi adalah perpindahan panas suatu benda yang partikel- partikel dalam benda tersebut mentransfer energi melalui tumbukan. Konduksi panas hanya terjadi apabila terdapat perbedaan temperatur.

Panas yang mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum fourrier [4].

…………........…………(2.2) Dimana, Q = Laju perpindahan panas k = Konduktivitas termal (W / (m.K))

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

= Temperatur akhir (ºC) T

= Temperatur awal (ºC) L = Tebal plat (m) Dari Persamaan (2.1) dapat disederhanakan menjadi persamaan yang dikenal dengan konsep resistansi thermal yang dianalogikan dengan resistansi listrik. Hal ini karena laju aliran kalor dianggap sebagai sebuah aliran listrik yang mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah (perbedaan temperatur). Konsep resistansi thermal juga berlaku untuk kedua jenis perpindahan panas yang lain. Dengan demikian, persamaan (2.3) menjadi [4]:

(2.3)

………………....…

……...................………………...(2.4) Dimana, Q = laju perpindahan panas (W) k = konduktivitas termal (W/ (m.K))

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

2 T = temperature akhir (ºC)

1 T = temperature awal (ºC)

L = tebal plat (m) R = resitansi thermal (ºC/m) 2. Konveksi

Perpindahan panas konveksi terjadi di antara permukaan benda dan suatu fluida. Dengan kata lain, perpindahan panas konveksi adalah perpaduan perpindahan panas konduksi dengan suatu aliran fluida. Perpindahan panas konveksi terdiri dari tiga jenis, yaitu konveksi paksa aliran dalam, aliran luar, dan alamiah. Apabila aliran fluida disebabkan oleh blower/fan maka disebut konveksi paksa dan apabila disebabkan oleh gradient massa jenis maka disebut konveksi alamiah. Pada umumnya laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan hukum persamaan pendinginan Newton, yaitu sebagai berikut [3]

s f

– T )............................(2.5) ̇= hA (T Dimana,Q = Laju perpindahan panas h = koefisien konveksi (W / m².K)

A = Luas permukaan kolektor surya (m²) T

= Temperatur plat (ºC) T

= Temperatur fluida (ºC) Nilai koefisien konveksi dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut[3]

……………….....……… (2.6) Dimana, h = koefisien konveksi (W / m².K)

Nu = bilangan Nusselt k = konduktivitas termal (W/m.K) L = panjang plat (m)

Secara umum, pola aliran terbagi menjadi 3 jenis, yaitu aliran

laminar, transisi , dan turbulen[3]. Aliran laminar adalah aliran yang

molekul-molekul fluidanya masih tersusun rapi atau tidak acak, sedangkan aliran turbulen adalah aliran yang molekul-molekul fluidanya acak atau radial. Aliran transisi merupakan pola aliran yang berada diantara aliran laminar dan turbulen. Persamaan yang digunakan untuk menghitung bilangan Reynold adalah sebagai berikut [3].

………........…………….

(2.7)

Dimana, Rₑ = bilangan Reynold ρ = massa jenis fluida (kg/m³) U = kecepatan aliran fluida (m/s) L = panjang pipa (m) µ = viskositas (Ns/m²)

Bilangan Nusselt sebuah plat dapat ditentukan dengan melihat kasusnya. Berikut ini adalah beberapa kasus dalam menentukan bilangan Nusselt.

1. Pada kasus plat dengan temperature konstan.

Misalnya sebuah plat datar yang ditiup angin dengan kecepatan dan temperature . temperature plat adalah konstan sebesar . Jika temperature plat lebih tinggi dari temperature udara,

maka panas akan mengalir dari plat ke fluida. Bilangan Nusselt ( ) dapat dihitung berdasarkan kasus ini adalah[3]

5 N = 0,332 x R untuk < 5x10

.........................(2.8)

7 N = 0,0296 x untuk 5x10 .............(2.9)

10 Dimana, N = bilangan Nusselt sepanjang x R = bilangan Reynold sepanjang x

Pr = bilangan prandlt 2.

Konveksi natural permukaan luar bidang horizontal.

Misalnya permukaan kaca yang terpapar oleh sinar matahari, maka panas dari kaca ini akan hilang ke udara linkungan. Bilangan Nusselt (Nu) untuk kasus ini dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut [3].

7 Nu = 0,54 x untuk 10 < R < 10 ..................(2.10)

9 Nu = 0,15 x untuk 10 <R < 10 .................(2.11)

Dimana, N = bilangan Nusselt R = bilangan Rayleigh 3. Konveksi natural pada ruang tertutup yang dipanasi dari sisi bawah.

Solar kolektor plat datar umumnya mempunyai penutup kaca yang fungsinya meneruskan sinar matahari tetapi mengurangi panas terbuang ke lingkungan. Susunan absorber dengan penutup kaca ini akan membentuk ruang tertutup persegi yang miring dan didalamnya terjadi konveksi natural. Bilangan Nusselt (Nu) untuk kasus ini dapat dihitung berdasarkan persamaan diajukan oleh Holland dkk (1976) dengan RaL < 10, yaitu [3]

Nu = 1 + 1,44 ............................(2.12)

Dimana, N = Bilangan Nusselt R = Bilangan Rayleigh

Arti dari operator [] adalah yang diambil hanya nilai positif. Jika nilai yang di dalam kurung negatif maka hasilnya

dengan nol. Perhatikan operasi berikut [1] = 1 tetapi [-1] = 0 Untuk bilangan Rayleigh sendiri dapat dihitung dari persamaan berikut [5]

= .............................................(2.13) Dimana, R = bilangan Rayleigh

β = 1/Tr g = percepatan gravitasi (9,81 m/s²) Ts = temperature permukaan plat (K) Tr = temperature referensi (K) L = panjang karakteristik (luas permukaan (m)) β = difusivitas thermal v = viskositas kiematik

3 Radiasi

Radiasi adalah proses perpindahan panas melalui gelombang elektromagnetik atau paket-paket energi (photom) yang dapat dibawa sampai pada jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium (ini yang menyebabkan mengapa perpindahan panas radiasi sangat penting pada ruang vakum). Disamping itu jumlah energi yang dipancarkan sebanding dengan temperature benda tersebut. Kedua hal tersebut yang membedakan antara peristiwa perpindahan panas konduksi dan konveksi dengan perpindahan panas radiasi.

Energi matahari merupakan energi terbesar yang diterima bumi.

9 Matahari mempunyai diameter 1,39x 10 m. Bumi mengelilingi matahari

dengan lintasan berbentuk elips dan matahari berada pada salah satu

pusatnya. Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49 x 10 m.

Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk elips, maka jarak antara

bumi dan matahari tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47 x 10 m yang terjadi pada tanggal 3 januari 2011, dan jarak terjauh pada tanggal 3 juli

dengan jarak 1,52 x 10 m. Karena adanya perbedaan ini, menyebabkan radiasi yang diterima atmosfer bumi juga berbeda [5] Persamaan radiasi pada atmosfer ( ) yang diajukan oleh Spencer tahun 1971 [2] adalah :

Gon = Gsc(1,00011 + 0,034221 cos B + 0,00128 sin B + 0,00071 cos

2B+0,000077sin

2B) ………………………..........……(2.14)

2 Dimana, =daya radiasi rata-rata yang diterima atmosfer bumi(W/m )

dengan nilai B (konstanta hari) sebagai berikut [2] B = ..................................................................(2.15)

2 Dimana, = 1367 W/m

B = konstanta yang bergantung pada nilai n

= raadiasi yang diterima atmosfer bumi (W/m ) n = tanggal ke-i Beberapa istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi adalah :

1. ) Air Mass (

Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari tepat pada posisi zenith. Artinya pada posisi tegak lurus (zenith = 0) nilai ma = 1, pada sudut zenith 60º, m= 2. Pada sudut zenith dari 0º- 70º [2]

= ....................................(2.16) 2.

Beam Radiation Radiasi energi dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer.

Intilah ini sering juga disebut radiasi langsung (direct solar

radiation ) 3. Diffuse Radiation

Radiasi energi surya dari matahari yang telah dibelokkan oleh atmosfer.

4. Total Radiation

Adalah jumlah beam dan diffuse radiation 5. Irradiance (W/m²)

Adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas 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 biasanya disimbolkan I.

7. Solar Time atau Jam Matahari Adalah waktu berdasarkan pergerakan semua matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan penunjukan jam biasa (standard time, disimbolkan STD). hubungannya adalah [2] :

ST =STD ± 4(Lst

– L loc) + E ……………..(2.17) Dimana, STD = waktu local

Lst = standart meridian untuk waktu local (º) Lloc = derajat bujur untuk daerah yang dihitung (º) ; untuk bujur timur , digunakan -4, untuk bujur barat digunakan +4

E = factor persamaan waktu

st loc

Pada persamaan ini L standard meridian untuk waktu local. L 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 dalah tanda plus. E adalah equation of time, dalam satuan menit dirumuskan oleh Spencer pada tahun 1971 [2].

E=229,2(0,000075+0,001868cosB –0,032077sinB– ,014615cos2B– 0,04089sin2

B…………………………………..........(2.18) Dimana, B = konstanta yang bergantung pada nilai n

E = factor persamaan waktu Dalam menentukan arah radiasi terdapat beberapa sudut yang harus diketahui. Beberapa sudut untuk mendefenisikan arah radiasi matahari. Slope β adalah sudut antara permukaan yang dianalisis dengan horizontal. Nilai 0 ≤ β ≤ 90º. 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 adalah sudut yang dibentuk θ

garis sinar terhadap garis zenith .Sudut ketinggian matahari α (solar

altitude angle) adalah sudut antara sinar dengan permukaan.Sudut azimuth s

adalah sudut antara proyeksi matahari terhadap selatan, matahari γ ketimur 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 garis siang. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω berkurang 15º dan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15º. Artinya tepat pukul 12.00 siang, ω=0, pukul 11.00 pagi ω = -15º dan pukul 14.00, ω = 30º.

Spencer (1971) mengajukan persamaan untuk menghitung sudut deklinasi yaitu [2]:

C cosB+C sinB + C cos2B + C sin2B + C cos3B + δ = C

…(2.19)

7 C sin3B.................................................................................

1 Dimana: C = 0,006918

2 C = -0,399912

3 C = 0,070257

4 C = -0,006758

5 C = 0,000907

6 C = -0,002679

7 C = 0,00148 n = hari ke-

δ = sudut deklinasi (rad)

– 0,0082 (6 – A)²)

Tabel 2.2 Faktor koreksi iklim

k = r k

(0,2711 + 0,01858 (2,5

r o

1 ,r k

= factor koreksi akibat iklim

Iklim R

1 R k

Tropical Midatude Summer Subarctic Summer Midatude Summer

0,95 0,97 0,99 1,03

0,98 0,99 0,99 1,01

1,02 1,02 1,01 1,00

(0,5055 + 0,00595 (6,5 – A)²)

= r

Radiasi beam adalah radiasi yang berlangsung di transmisikan dari atmosfer ke permukaan bumi. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi beam adalah [2]),

Dengan estimasi langit cerah, fraksi radiasi matahari yang diteruskan dari atmosfer ke permukaan bumi adalah [2] = a

B = konstanta hari Sudut zenith

adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Cosinus sudut zenith dapat dicari melalui persamaan berikut [2] Cos θz = cos θ cos δ cos ω + sin θ sin δ……………………(2.20) Sudut jam matahari (ω) dihitung berdasarkan jam matahari. Defenisi sudut jam matahari adalah sudut pergeseran semu matahari dri garis siangnya. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω berkurang 15º, setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15º [2]

ω = 15(STD – 12) + (ST-STD) x .................................................(2.21)

Dimana : STD = waktu local ST = solar time ω = sudut jam matahari (º)

1 exp

( ).........................................(2.22) Dimana : a

= r

(0,4237

– A)²) A = ketinggian dari permukaan laut (km)

beam on b z

G = G η cos θ …….....………..(2.23)

Dimana :

G = radiasi yang diterima atmosfer (W/m²)

= fraksi radiasi yang diteruskan ke bumi η

θ = sudut zenith

beam

G = radiasi yang ditransmisikan dari atmosfer ke permukaan bumi (W/m²) Radiasi diffuse adalah radiasi yang dipantulkan ke segala arah, dan kemudian dimanfaatkan. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi diffuse adalah [2]:

difuse on z b

G = G (0,271 cos θ – 0,294 η )……….............(2.24) Dimana :

G = radiasi yang diterima atmosfer

= fraksi radiasi yang diteruskan ke bumi η

θ = sudut zenith

difuse

G = radiasi yang dipantulkan ke segala arah dan kemudian dapat dimanfaatkan Radiasi total adalah jumlah dari radiasi beam dan radiasi diffuse adalah sebagai berikut [2]

total beam diffuse

G = G + G …………………………………..(2.25) Radiasi total yang diterima oleh suatu permukaan, tidak semuanya mampu diserap oleh kolektor. Hal ini disebabkan adanya absorbsivitas,

reflektansi , dan transmisivitas suatu medium. Untuk kolektor dengan kaca

penutup, panas hilang radiasi kolektor dapat ditentukan dengan mengetahui nilai temperatur absorber, temperatur kaca penutup, emisivitas absorber, dan emisivitas kaca penutup. Berikut ini adalah persamaan yang digunakan untuk menghitung panas hilang radiasi yang terjadi [5]

...............................................(2.26) ̇ =

( )

Dimana, Q = laju perpindahan panas (W) A = luas permukaan plat (m²)

= konstanta Stefan-Boltzman (5,56 x 10 W/m²K ) ζ

T = temperature plat

T = temperature kaca terluar

= emisivitas plat ε

= emisivitas kaca terluar ε

2.4 Perkembangan Teknologi Pemanas Air

1. Akhir Tahun 1800an

Solar Water Heater (Pemanas Air Tenaga Surya atau Matahari) mulai tumbuh dan berkembang di akhir tahun 1800 an di California, Amerika Serikat. Adalah seorang Clarence M Kemp yang mematenkan pemanas air tenaga surya/matahari komersial pertama di dunia pada tahun 1891 [9].

Konsep sistem pemanas yang dibuat oleh Kemp, menempatkan tangki air bercat hitam (terdiri dari tiga tangki) di dalam sebuah kotak kaca yang tertutup kemudian dibagian bawah kotak dipanaskan, air dingin dalam tangki menyerap panas dan air tersebut menjadi cukup panas untuk mandi atau keperluan lainnnya. Tetapi Pemanas air komersial pertama ini memiliki kekurangan yaitu air yang dipanaskan akan terus disimpan didalam tangki, yang pada malam hari air tersebut terkena suhu malam sehingga pada saat pagi hari air menjadi tidak terlalu panas untuk dipergunakan. Pada tahun 1895, Kemp menjual hak eksklusif manufaktur sistem pemanas air nya kepada dua pengusaha dari Pasadena, California.

2. Awal Tahun 1900an

Pada tahun 1909 seorang insinyur California bernama William J. Bailey menemukan solusi dari permasalahan yang dihadapi pada pemanas air tenaga matahari komersial pertama.Bailey memisahkan antara tangki penyimpanan dan kolektor pemanas air. Kolektor surya yang Ia gunakan terdiri dari pipa air yang melekat pada pelat logam bercat hitam di dalam sebuah kotak kaca yang tertutup dan dihubungkan ke tangki penyimpanan terisolasi yang terletak di atas kolektor. Sekarang, kolektor pemanas air buatan Bailey tersebut dikenal dengan “kolektor flat” [9].

Cara kerja sistem pemanas air tenaga matahari tersebut adalah saat matahari memanaskan air yang berada didalam pipa, air tersebut akan menjadi lebih ringan dari air dingin, kemudian air dingin masuk dan menuju bawah memaksa air yang lebih panas secara alami naik ke dalam tangki penyimpanan. Air tersebut akan disimpan di dalam tangki dan akan tetap hangat selama malam hari serta keesokan paginya.

3. Tahun 1920 – 1930

Antara tahun 1920 dan 1930, cadangan besar gas alam ditemukan di daerah Los Angeles. Untuk memanfaatkan sumber daya alam tersebut, Bailey mulai memproduksi pemanas air berbahan bakar gas. Penjualan pemanas air gas ini langsung meroket dan penjualan pemanas air surya turun dengan sangat drastis. Kemudian perusahaan gas menawarkan kerjasama kepada Bailey untuk hookup pemanas gas baru mereka. Bailey membuat batch terakhir tentang pemanas air surya pada tahun 1941 [9].

4. Tahun 1939 – 1945

Semua instalasi yang berkenaan dengan pemanas air surya dihentikan saat Perang Dunia II. Hal itu terjadi karena tembaga merupakan komponen utama dari pemanas air tenaga surya dan penggunaan tembaga dibekukan untuk semua penggunaan non-militer pada waktu itu. Ketika perang usai, perusahaan surya kembali, tetapi pemanas air surya kurang diminati seperti sebelumnya. Hal tersebut slah satu faktornya terjadi karena turunnya harga listrik sehingga pemanas air listrik lebih digemari pada saat itu [9].

5. Tahun 1950an

Pada tahun 1950 terjadi krisis bahan bakar di Israel sehingga pemerintah mengeluarkan larangan memanaskan air dari antara jam 22.00-06.00 (jam 10 malam

– 6 pagi). Demi menghadapi larangan ini, Levi Yissar membuat prototipe pemanas air pertama di Israel. Namun hanya 20% penduduk yang menggunakan alat ini hingga tahun 1967. Ketika terjadi krisis energi, Israel Knesset mengeluarkan peraturan yang mengharuskan setiap rumah baru untuk menggunakan Solar Water Heater. Peraturan ini pun membuat Israel bisa menghemat setidaknya 2 juta barel minyak per tahunnya [9].

6. Tahun 1960an

Setelah tahun 1960an, penggunaan Solar Water Heater semakin meningkat dan menyebar ke penjuru dunia terutama di negara

– negara yang berlimpahan dengan sinar matahari seperti Jepang, Kolombia, Cina, Austria dan Indonesia. Bahkan di Cina, setidaknya sudah ada 30 juta rumah tangga yang menggunakan

Solar Water Heater. Ini dikarenakan adanya tabung khusus yang memungkinkan pemanas air tetap berfungsi walaupun langit gelap dan suhu berada di bawah titik beku [9].

Di Indonesia sendiri pemanas air tenaga surya hadir pada tahun 1960an yang dipelopori oleh PT. Inti Sarana Adi Sejahtera dengan menggunakan kolektor flat. Teknologi ini bertahan cukup lama dan terus berevolusi sampai tahun 1990an. Baru pada tahun 1993 INTI SOLAR merubah teknologi kolektor surya yang digunakan dari koletor flat menjadi kolektor tabung vacum.

7. Tahun 1993

Pada Tahun 1993 dimulailah era baru teknologi pemanas air tenaga surya yaitu dengan ditemukannya inovasi tabung vacum. Teknologi tabung vacum ini merupakan terobosan yang sangat mutakhir dan merupakan penyempurnaan dari sistem kolektor flat yang masih memiliki banyak kekurangan. Salah satu kelebihan yang sangat menonjol dari sistem tabung vacuum ini dibandingkan sistem flat adalah proses penyerapan energi yang begitu efisien dengan heat loss yang dihasilkan begitu kecil sehingga air panas dalam unit dapat terjaga kestabilan suhunya [9].

8. Tahun 2005

Tidak mau terlena dengan adanya teknologi tabung vacum, perusahaan Inti Solar terus bereksperimen untuk memberikan pelayanan yang lebih maksimal kepada para konsumennya. Pada tahun 2005, diperkenalkanlah teknologi “Heat

Exchanger Indirect System ”. Sistem ini menambahkan kumparan tembaga di

dalam tangki penyimpanan air yang berfungsi sebagai penukar panas antara air panas yang berada dalam tangki penyimpanan dan air dingin yang numpang lewat pada pipa spiral tembaga [9].

9. Tahun 2008

Tahun 2008 perusahaan Inti Solar kembali mengeluarkan inovasi produk pemanas air tenaga surya. Sistem Pemanasan Split Active, merupakan sistem yang menempatkan kolektor penyerap energi matahari dan tangki penampungan air panas secara terpisah. Dengan sistem ini penempatan kolektor dan tangki dapat fleksibel mengikuti bentuk dan desain arsitektural bangunan di berbagai kebutuhan dengan tetap menggunakan prinsip dan konsep teknologi tabung vacuum [9].

10. Tahun 2012

Inovasi terbaru yang dihadirkan oleh Inti Solar pada akhir tahun 2012 ini adalah Double Tank Indirect Heating System. Sistem ini dilengkapi dengan 2 tangki, dimana lapisan pertama tangki berisi air panas yang berfungsi sebagai media untuk memanaskan lapisan tangki yang kedua. Tangki kedua inilah yang berfungsi sebagai tangki persediaan air panas yang nantinya akan digunakan oleh pemakai. Sistem ini juga dihadirkan dengan kemampuan menerima air bertekanan, yang menjadikan temperatur dan debit air panas lebih konstan, sehingga lebih aman dan nyaman digunakan [9].

2.5 Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Pemanas air tenaga surya (PATS) merupakan produk teknologi yang memanfaatkan energi termal surya yang cukup popular dan banyak digunakan, terutama di hotel, villa peristirahatan hingga perumahan. Seiring dengan itu, mulai beredar beberapa merek PATS domestik maupun impor yang banyak dipasarkan di masyarakat. Untuk perlindungan terhadap konsumen, telah dikeluarkan Standar Nasional Indonesia (SNI) yaitu SNI 04-3020-1992 , 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 termal sistem seperti kemampuan menyerap panas, kemampuan menyimpan panas, komponen kolektor thermal surya, komponen tangki air, rendahnya rugi

– rugi panas kedua komponen tersebut dan kemampuan responsive pemanas tambahan

Gambar 2.2 Alat Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Pipa-PanasGambar 2.3 Alat Pemanas Air Sistem Thermosiphon

Keterangan : 1. Pipa Saluran Air Dingin

2. Tangki Penampungan Air

3. Kolektor

4. Pipa Saluran Air Panas

2.6 Cara Kerja Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Gambar 2.2 diatas menunjukkan sebuah alat pemanas air tenaga surya sistem pipa-panas dengan media pemanas refirgeran. 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 yang berisi refrigeran, kemudian refrigeran akan menjadi panas.

Dengan memanfaatkan efek termosiphon dari refrigeran, maka refrigeran yang panas akan mengalami penurunan berat jenis atau perubahan fasa dari cair menjadi gas. Akibat perubahan berat jenis dan perubahan wujud maka refrigeran tersebut akan naik ke bagian atas dan akan memanasi air yang ada pada tangki penyimpan air.

Refrigeran pada tangki akan mengalami pendinginan oleh air dengan kata lain panas diserap oleh air. Oleh karena itu, air akan mengalami peningkatan berat jenis dan perubahan wujud dari gas menjadi cair. Hal itu akan mengakibatkan refrigeran akan turun kembali menuju kolektor. Kemudian dipanaskan oleh matahari kembali. Hal itu akan terjadi secara terus

– menurus hingga air menjadi panas.

Pada Gambar 2.3 menunjukkan sebuah alat pemanas air tenaga surya sistem thermosiphon. Pada saat matahari bersinar, kolektor menangkap sinar matahari dan secara mekanis mengalirkan panas ke pipa-pipa tembaga yang berisi refrigeran, sehingga suhu air di dalamnya perlahan meningkat. Air yang lebih panas akan bergerak ke atas memasuki tangki penyimpanan dan air yang lebih dingin akan turun memasuki rangkaian pipa tembaga untuk dipanaskan. Begitu seterusnya air bergerak sendiri sampai seluruh air dalam tangki penyimpanan mencapai suhu yang diinginkan. Ketika suhu air panas di tangki penyimpanan sama dengan suhu air panas di panel kolektor, dengan sendirinya air berhenti mengalir.

Hal yang menjadi perbedaan dari pemanas sistem pipa-panas dengan sistem thermosiphon adalah pada sistem pipa-panas air

2.7 Energi Berguna Kolektor Alat Pemanas Air Tenaga Surya

Untuk menghitung energi yang diserap atau energi yang berguna untuk kolektor alat pemanas air tenaga surya terlebih dahulu diketahui bagaimana proses distribusi energi matahari yang dialami oleh kolektor itu sendiri. Hal itu dapat dilihat sebagai berikut: incident ...........................................(2.28)

Dan panas yang dipantulkan kembali ke atmosfir adalah Q

) I = intensitas cahaya matahari (W/m

= (1

ref

Gambar 2.4. Ilustrasi Panas yang Diserap oleh Absorber Alat Pemanas Tenaga

Q abs = α Q

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

Q abs = α Q ^incident Q _ref = (1- α) Q incident Q _incident

Dimana : A = luas penampang dari pelat absorber (m

∫ .................................................(2.27)

dapat dihitung dengan menggunakan rumus di bawah ini: = A

incident

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

incident

Surya Pada gambar di atas dapat kita lihat bahwa panas matahari (Q

..................................(2.29) Dimana

– α) Q incident

Besarnya energi tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan rumus: Q u = m w C p,w (T w2 – T w1 )..................................(2.30) Dimana : m w : massa air (kg)

C p,w : Panas jenis dari air (kJ/kg.

C) T

: Temperatur awal air sebelum dipanaskan kolektor (

C) T w2 : Temperatur actual setelah dipanaskan oleh kolektor (

α = difusifitas bahan

2.8 Energi berguna yang diberikan Kolektor ke air Energi panas yang sudah diterima oleh kolektor akan diberikan terhadap air.

2.9 Efisiensi dari kolektor

Efisiensi dari kolektor dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara energy berguna yang diberikan Kolektor ke air dengan panas incident. Hal itu dapat dirumuskan sebagai berikut:

= m w C p,w (T w2 w1 ) / Q incident .....................(2.31) Ƞ – T

2.8 Sifat Refrigeran R-718

Tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau pada kondisi standar, yaitu pada tekanan 100 kPa (1 bar) dan temperatur 273,15 K (0 °C). Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang penting, yang memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak zat kimia lainnya, seperti garam-garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan banyak macam molekul organik. Zat ini memiliki titik lebur 0 °C (273.15 K) (32 ºF) dan titik didih 100 °C (373.15 K) (212 ºF)

BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Rancang Bangun Prototipe Alat Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Pipa Panas