RANCANG BANGUN PEMANAS AIR MENGGUNAKAN KOLEKTOR SURYA.

(1)

RANCANG BANGUN PEMANAS AIR MENGGUNAKAN

KOLEKTOR SURYA

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk Memenuhi Sebagian dari Syarat Memperoleh Gelar Ahlimadya Diploma III

Jurusan Pendidikan Teknik Mesin

Oleh

DONA BELLA GENEVIEVE SITUMEANG

5133220011

TEKNIK MESIN D-III

JURUSAN PENDIDIKAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS NEGERI MEDAN

2017

(2)

(3)

(4)

ABSTRAK

Dona Bella G. Situmeang. NIM. 5133220011. Rancang Bangun Pemanas Air Menggunakan Kolektor Surya. Program Studi Teknik Mesin Jurusan Pendidikan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Negeri Medan, 2017.

Kolektor surya adalah alat yang difungsikan untuk mengkonversi radiasi matahari menjadi energi panas, yang nantinya dimanfaatkan memanaskan fluida kerja yang mengalir kedalam kolektor. Kolektor surya akan mengumpulkan radiasi matahari, radiasi tersebut akan diserap dan diubah menjadi panas dengan bantuan plat datar yang ada didalamnya. Energi panas tersebut dapat digunakan untuk memanaskan fluida. Untuk mendapatkan performa optimal perlu dilakukan penentuan ukuran dan sifat bahan yang akan digunakan dalam pembuatan kolektor. Bagian-bagian utama kolektor surya yang menjadi fokus dalam pembuatan kolektor meliputi plat penyerap, pipa pemanas, insulasi, oli pump dan kaca penutup. Ukuran yang digunakan dalam perancangan dari hasil simulasi yaitu, tebal plat penyerap 1 mm (aluminium), tebal kaca 5 mm, jarak kaca ke plat 2 cm, jarak antar pipa 10 cm, dan tebal insulasi 2 cm (styrofoam dan kapuk).Pengujian kolektor dilaksanakan dalam 10 kali pengukuran. Pengujian tersebut menunjukkan kinerja kolektor hasil rancanganmencapai suhu tertinggi 84oC.

(5)

ii ABSTRACT

Dona Bella G. Situmeang. NIM. 5133220011. The design of water heater by using Solar Collector.Mechanical Engineering Study Program,Mechanical Engineering Education Department, Faculty Of Engineering, State University Of Medan, 2017.

Solar collector is a device functioned for converting sun’s radiation into heat energy. Solar collector collects, absorbs,and converts the sun’s radiation into heat by flat plate inside the device. The heat energy is subsequently used to heat working fluid flowing into the collector. To gain the optimal performance, it needs to determine the size and characteristics of the material used in creating the collecter. The main parts of solar collector are absorbing plate, heating pipe, and covering glass. From the simulation result, the size of design are ; 1 mm of aluminum for absorbing plate’s thickness; 5 mm for glass’ thickness ; glass’ gap to plate of 2 cm; gap among pipes of 10 cm; and 2 cm styrofoam for insulation’s thickness.The experiment of the collector was conducted in 10 times of measuring. The experiment shows that the performance of design collector reaches it highest temperature of the output fluid84oC.

(6)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir ini yang berjudul “RANCANG BANGUN PEMANAS AIR

MENGGUNAKAN KOLEKTOR SURYA”.

Tugas Akhir ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar ahli madya pada Prodi D3 Teknik Mesin, Jurusan Pendidikan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Medan.

Dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa, nasihat dan bantuan baik materil, maupun moril dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Harun Sitompul, M.Pd selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Negeri Medan

2. Bapak Janter P Simanjuntak, ST, MT, Ph.D selaku dosen pembimbing yang telah membantu dalam bimbingan serta dukungan dalam penulisan tugas akhir ini.

3. Ibu Dr. Hj. Rosnelli, M.Pd selaku Wakil Dekan I Fakultas Teknik Universitas Negeri Medan.

(7)

4. Bapak Drs. Hidir Efendi, M.Pd selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Negeri Medan.

5. Bapak Drs. Selamat Riadi, MT selaku Sekretaris Jurusan Teknik Mesin Universitas Negeri Medan.

6. Bapak Drs. Robert Silaban, M.Pd selaku Ketua Prodi D3 Teknik Mesin Universitas Negeri Medan.

7. Teristimewa kepada kedua orang tua penulis Anggiat Maruli Tua Situmeang dan Elita Br.Manalu yang tidak pernah putus – putusnya memberikan dukungan, doa, nasehat, baik materi maupun moral selama perkuliahan.

8. Ketiga adik penulis, Evan Situmeang, Silvana Situmeang, Febrian Situmeang yang ikut serta memberikan doa dan dukungan sehingga penulis semangat dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

9. Rekan satu tim yaitu Rahman Sitorus yang telah sama – sama berjuang dan saling bertukar pikiran dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

10. Sayro Situmeang, Niota Siahaan dan Rinaldi S Marpaung, S.ST yang selalu senantiasa mengingatkan, mendukung , memberi semangat dan menemani penulis di saat jenuh.

11. Teman – teman penulis khususnya mahasiswa Teknik Mesin D3 Angkatan 2013 yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

(8)

12. Tornado Munthe yang telah membantu, memberikan support, menemani penulis selama perkuliahan dan sampai akhir ini.

13. Teman – teman penulis khususnya k’Yanti, Bona, Herman, Renta yang bersama – sama tertawa di kos icy dan tiada habis – habisnya memberi semangat.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kesalahan dan kekeliruan dalam penulisan Tugas Akhir ini. Oleh karena itu, penulis akan sangat berterima kasih dan senang hati menerima saran dan krirtik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih sempurna. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima Kasih.

Medan, Maret 2017

Penulis

DONA BELLA G. SITUMEANG NIM. 5133220011

(9)

vi DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ... i

ABSTRACT ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... vi

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR TABEL ... xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

A. Latar Belakang Masalah ... 1

B. Rumusan Masalah ... 3

C. Tujuan Perencanaan ... 3

D. Manfaat Perencanaan ... 3

E. Teknik Perencanaan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

A. Pengertian Kolektor Surya ... 5

B. Pemanfaatan Energi Matahari ... 10

C. Tinjauan Perpindahan Panas ... 13

1. Konduksi ... 14

2. Konveksi ... 15

(10)

4. Viskositas ... 18

D. Radiasi Matahari ... 19

E. Pemanas Air Energi Surya ... 24

BAB III METODE PENELITIAN ... 25

A. Tempat dan Waktu Pelaksanaan ... 25

B. Alat dan Bahan ... 25

1. Rangka ... 25

2. Kolektor Surya ... 26

3. Peralatan Pengujian ... 28

4. Bahan Pengujian ... 30

C. Tahap Perancangan ... 32

1. Perancangan Mekanik ... 33

2. Perancangan Plat Absorber ... 34

3. Perancangan Kaca Penutup ... 35

4. Perancangan Isolasi ... 36

5. Perancangan Rangka ... 36

6. Diagram Alir ... 37

BAB IV PEMBUATAN DAN HASIL ... 38

A. Gambar Umum Konstruksi Alat ... 38

B. Proses Pembuatan Komponen Utama ... 39

(11)

viii

2. Kolektor Surya ... 41

3. Wadah Pemanas Air ... 42

C. Pembahasan ... 44

D. Analisis Biaya ... 44

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 47

A. Kesimpulan ... 47

B. Saran ... 47

DAFTAR PUSTAKA ... 49 LAMPIRAN

(12)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1 Kolektor Surya ... 6

Gambar 2 Skema Sistem Kolektor Surya Prismatik ... 7

Gambar 3 Kolektor Surya Plat Datar ... 8

Gambar 4 Kolektor Surya Konsetrator ... 9

Gambar 5 Evacuated Tube Collectors... 10

Gambar 6 Hubungan Matahari Dan Bumi ... 10

Gambar 7 Energi Yang Masuk Bumi ... 12

Gambar 8 Perpindahan Panas Pada Kolektor Surya Plat Datar ... 13

Gambar 9 Perpindahan Panas Konduksi ... 14

Gambar 10 Perpindahan Panas Konduksi Pada Kolektor ... 15

Gambar 11 Bilangan Nusselt ... 16

Gambar 12 Skema aliran panas melalui kolektor ... 19

Gambar 13 Skema Sistem Pengumpulan Energi Surya ... 21

Gambar 14 Penampang Melintang Sel Surya ... 24

Gambar 15 Besi Profil L ... 26

Gambar 16 Triplek kayu dan Broti ... 28

Gambar 17 Alat Pemanas Air ... 28

Gambar 18 Termometer ... 29

Gambar 19 Timbangan Digital ... 30

(13)

Gambar 22 Sterofoam ... 32

Gambar 23 Kolektor ... 33

Gambar 24 Diagram Alir ... 37

Gambar 25 Kolektor Surya ... 38

Gambar 26 Proses Pengerjaan Rangka ... 40

(14)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1 Perlengkapan Pembuatan Kerangka Kolektor ... 25

Tabel 2 Bahan Rangka Kolektor ... 26

Tabel 3 Perlatan Pembuatan Kolektor Surya ... 26

Tabel 4 Bahan Pembuatan Kolektor Surya ... 27

(15)

1 BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Masalah

Energi radiasi dari matahari merupakan salah satu energi alternatif yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan guna menggantikan energi yang dihasilkan oleh minyak bumi. Salah satu bentuk pemanfaatan dari energi radiasi matahari adalah untuk memanaskan air. Indonesia sebagai salah satu negara yang sangat strategis untuk melakukan berbagai hal dengan kekayaan alamnya yang agraris dan terletak pada garis khatulistiwa sehingga bumi Indonesia mendapatkan energi matahari sepanjang tahun, sehingga dapat dikatakan bahwa energi matahari merupakan energi yang tidak terhabiskan hal ini sangatlah penting untuk melakukan berbagai hal dalam bentuk yang baru sehingga dapat digunakan oleh masyarakat Indonesia secara khusus dan masyarakat internasional secara umum. Untuk dapat secara langsung memanfaatkan energi radiasi matahari untuk memanaskan air dapat digunakan suatu perangkat yang dapat mengumpulkan energi matahari yang sampai ke permukaan bumi dan mengubahnya kembali menjadi energi kalor yang berguna. Perangkat ini disebut dengan kolektor surya. Ada beberapa macam jenis tipe kolektor surya yang tentunya untuk berbagai keperluan sesuai dengan kebutuhan. Salah satu tipe kolektor yang paling sering digunakan adalah kolektor surya plat datar. Untuk mendapatkan hasil pemanasan yang lebih maksimal kolektor tersebut dicat dengan warna hitam kelabu yang berfungsi untuk menyerap radiasi surya yang dipancarkan oleh matahari. Untuk

(16)

menjaga agar tidak terjadi kerugian panas secara radiasi dan konveksi ke atmosfer, maka digunakan kaca pelindung sehingga mengurangi terjadinya efek rumah kaca sedangkan bagian bawah plat kolektor surya dilapisi dengan sterofoam dan kapuk yang dapat mengisolasi terjadinya kebocoran panas yang dihasilkan oleh plat kolektor surya.

Sebagai titik awal dalam melakukan perhitungan untuk mendesain kolektor surya tipe plat datar. Perhitungan geometris dari kolektor (luasan permukaan kolektor) kemiringan permukaan kolektor terhadap intensitas matahari radiasi langsung efek termosiphon pada pipa – pipa sirkulasi untuk menentukan sistem konveksi alami serta suhu masuk dan keluar pipa sirkulasi.

Prinsip kerja dari sistem pemanas air dengan menggunakan plat datar dapat menunjukkan bahwa air yang masuk ke dalam kolektor melalui pipa distribusi akan mendapatkan panas yang baik secara konveksi maupun secara radiasi, sebagai akibat dari tertangkapnya radiasi surya di dalam kolektor yang dibatasi oleh plat dan kaca bening tembus cahaya. Karena adanya perpindahan panas tersebut maka suhu air yang berada di dalam pipa – pipa kolektor secara langsung akan meningkat. Meningkatnya suhu air yang ada di dalam pipa – pipa kolektor mengakibatkan adanya perbedaan massa jenis air. Dimana air yang bersuhu lebih tinggi memiliki massa jenis yang lebih kecil, sehingga kecenderungan akan bergerak ke arah yang lebih tinggi. Sebaliknya air yang berada di dalam pipa kolektor yang suhunya lebih rendah memiliki massa jenis yang lebih besar dan akan bergerak ke bawah, sehingga terjadi peristiwa konveksi

(17)

B. Rumusan Masalah

Dalam tugas akhir ini secara menyeluruh menjelaskan tentang desain perancangan dan pembuatan pemanas air dengan memanfaatkan energi surya sebagai energi alternatif terbarukan. Adapun batasan masalahnya adalah ;

1. Fluida yang digunakan adalah air bersih

2. Sistem aliran dalam pipa adalah sistem pasif memanfaatkan sirkulasi water pump

3. Temperatur air yang diharapkan keluar kolektor kurang lebih 70oC 4. Kolektor surya di desain untuk memanaskan 1kg air per jam. 5. Berapa biaya yang dibutuhkan untuk membuat mesin

C. Tujuan Perencanaan

Secara teknis rancang bangun sebuah pemanas air tenaga surya dengan menggunakan kolektor surya plat datar dapat digunakan oleh masyarakat secara umum maupun perusahaan dan industri – industri sebanyak 1kg per jam. Perencanaan ini diharapkan dapat memberikan gambaran perhitungan serta dapat mengembangkan ilmu pengetahuan dan teknologi sesuai dengan perkembangan zaman.

D. Manfaat Perencanaan

Adapun manfaat yang dapat diperoleh adalah : 1. Bagi Mahasiswa

a. Sebagai suatu penerapan teori dan praktek kerja yang diperoleh saat di bangku perkuliahan, khususnya termodinamika, perpindahan panas dan mekanika fluida.

(18)

b. Mengembangkan ide pembuatan alat/ mesin pemanas air.

c. Sebagai model belajar aktif tentang cara inovasi teknologi bidang teknik mesin.

2. Bagi Dunia Pendidikan

a. Menambah perbendaharaan dari modifikasi alat/mesin pemanas air. b. Membangun kerjasama dalam bidang pendidikan antara pihak

Universitas dengan Lembaga/Industri yang membutuhkan mesin pemanas air.

E. Teknik Perencanaan

Teknik perencanaan yang digunakan penulis dalam penyusunan laporan tugas akhir ini adalah.

1 Studi literatur dengan mencari buku – buku dan jurnal yang ada dalam perpustakaan Universitas Negeri Medan maupun sumber lain dari luar yang berkaitan dengan perancangan mesin tersebut.

2 Melakukan studi lapangan dengan mengamati mesin rancangan yang sudah ada dan mengadakan diskusi dengan teman.

3 Membuat desain rancangan mesin dalam bentuk gambar teknik. 4 Membuat mesin pemanas air.

5 Menguji mesin. 6 Laporan tugas akhir.

(19)

46 BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan

Adapun kesimpulan yang dihasilkan dari pengujian ini adalah :

1. Telah dirancang bangun sebuah kolektor surya pemanas air berukuran 99x99 cm yang menggunakan wadah pemanas air sebagai tempat pemanas air dan menggunakan panas matahari sebagai sumber energinya serta menggunakan air bersih sebagai sampelnya.

2. Dari pengujian diperoleh panas radiasi tertinggi yang dapat diserap kolektor adalah 80oC.

3. Pelat absorber menyerap dengan sempurna kalor radiasi matahari sehingga suhu plat absorber bertambah.

4. Air panas bersuhu 70oC sebanyak 1 liter dalam waktu 1/2 jam pada saat kondisi cuaca cerah. Hal ini sudah mencukupi kebutuhan rumah tangga.

B. Saran

Adapun saran untuk perbaikan tugas akhir ini adalah :

1. Diperlukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui besar nilai absorbsivitas pada jenis cat yang digunakan pada pelat absorber pada kolektor.

2. Diperlukan penelitian terhadap jenis kaca, jumlah kaca dan jarak antara kaca yang baik digunakan pada kolektor.

(20)

3. Menambah roda pada kaki – kaki kolektor agar mempermudah proses pemindahan.

4. Menambah lapisan isolasi pada kolektor untuk mengurangi panas yang hilang.

(21)

DAFTAR PUSTAKA

Duffie, A John dan Beckman, A. William. (1980). Solar Of Thermal Processes, Second Editions.New York: John Wiley & Sons, Inc.

Https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_collector http://www.greenspec.co.uk.solar-collectors.php

Jansen, J. Ted. (1995). Teknologi Rekayasa Surya. (Terjemahan Prof. Wiranto Arismunandar). Cetakan Pertama. Jakarta: Pradnya Paramita.

Sumarsono, M. (2005). Optimasi Jumlah Pipa-Pemanas Terhadap Kinerja Kolektor Surya Pemanas Air. Jurnal Ilmiah Teknologi Energi Vol 1, No 1T.Tangerang.

Wiranto Arismunandar. (1985). Teknologi rekayasa surya, edisi pertama Jakarta : PT. Pradnya Paramita.

Zainuddin, Dahnil. (2006). Teknik Energi Surya. Fakultas Teknik Universitas Andalas Padang.

(1)

(2)