REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR

  REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR Disusun Oleh: ROSYID KUS RAHMADI M0206060 SKRIPSI Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mendapat Gelar Sarjana Sains Fisika JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA

  REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR Disusun Oleh: ROSYID KUS RAHMADI M0206060 SKRIPSI Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mendapat Gelar Sarjana Sains FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA

  

HALAMAN PENGESAHAN

  Skripsi dengan judul: REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR

  Yang ditulis oleh: Nama : Rosyid Kus Rahmadi NIM : M0206060

  Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada: Hari : Selasa Tanggal : 17 September 2013

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

  Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “REKAYASA

  KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR

  ” adalah hasil kerja saya atas arahan pembimbing dan sepengetahuan saya hingga saat ini, isi sekripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya, jika ada maka telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.

  Surakarta, September 2013

ROSYID KUS RAHMADI

  MOTTO Apapun yang diberikan kepadamu, maka itu adalah kesenangan hidup di dunia.

  Sedangkan apa yang ada di sisi Allah lebih baik dan lebih kekal bagi orang-orang yang beriman, dan hanya kepada Tuhan mereka bertawakal.

  {Q.S. Asy-Syura (42): 36} Jika anda bisa memimpikan sesuatu, maka anda tentu bisa meraihnya

  (Zig Ziglar)

  

PERSEMBAHAN

Dengan rahmat Allah SWT, karya ini kupersembahkan kepada:

  1. Allah SWT, atas segala kesempatan dan karunianya hingga selesainya sekripsi ini.

  2. Orang tua dan seluruh keluargaku tercinta, atas semua dukungan dan kasih sayangnya.

  3. Almamaterku, jurusan Fisika serta fakultas MIPA

  

REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA

MODEL PLAT DATAR

  Rosyid Kus Rahmadi M0206060

  Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret

  

ABSTRAK

  Sistem pemanas air tenaga surya telah banyak diteliti baik secara eksperimen maupun secara teoritis. Kolektor surya mampu menyerap energi matahari, mengubahnya menjadi panas dan menyalurkannya menuju pipa-pipa fluida sebagai sistem pemanas air. Parameter-parameter yang mempengaruhi kinerja kolektor surya tersebut diantaranya letak antar pipa-pipa pemanas, diameter pipa, jumlah kaca penutup, tebal insulasi dan material yang digunakan. Sehingga didapat temperatur air panas keluaran yang tinggi serta lebih efisien.

  Melalui rumusan matematis yang telah disimulasikan dengan komputer, parameter-paremeter tersebut dapat direkayasa untuk mendesain sebuah kolektor. Nilai parameter optimal yang didapatkan diantaranya jarak antar pipa: 1 cm, diameter pipa 1 cm, jumlah kaca penutup: 2, dan tebal insulasi: 7 cm.

  Dengan menggunakan ukuran-ukuran diatas, kolektor surya telah digunakan untuk memanaskan air sebanyak 40 Liter dari pukul 08.00 WIB sampai pukul 15.00

  o

  WIB. Dalam pengukuran tersebut diperoleh suhu air keluaran tertinggi 51 C pada

  o

  tanggal 20 Maret 2013 pukul 13.15 WIB dan 52 C pada tanggal 21 Maret 2013 pukul 14.00 WIB. Kata kunci : Kolektor surya, pemanas air, simulasi, pengoptimalan

  

DESIGNING OF FLAT PLATE SOLAR WATER HEATER COLLECTORS

Rosyid Kus Rahmadi

M0206060

  

Departement of Physics. Faculty of Mathematics and Natural Sciences

Sebelas Maret University

ABSTRACT

  Solar water heater systems have been development by experimentally and teoretically. Solar collector able to absorb solar radiation, convert it into heat energy and finally transfer this heat to working fluid as water heater system. The parameters which affect to performance of solar collector is distant betwent fluid pipes, pipe diametre, thick of insulation and material properties will be using. So, can be collect outlet hot water temperatures in higger rate and more efficient.

  Through the matematic equation in computer simulation, that parameters can be optimized to design a solar collector. The optimized parameter value was gained in simulation are distance each pipes is 1 cm, pipe diametre is 1 cm, many of glass cover is 2 and thick of insulation is 7 cm.

  By using the above measures, the solar collector has been used to heat the water as much as 40 liters from 08.00 am until 15.00 pm. The measurements

  o

  obtained in the highest output water temperature 51 C on March 20, 2013 at 13:15

  o pm and 52 C on March 21, 2013 at 14:00 pm.

  Key word : Solar collectors, water heater, optimizing, Designing

KATA PENGANTAR

  Puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala nikmat dan karunia-Nya, sehingga penulis mampu menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Selesainya skripsi ini dikarenakan adanya dorongan, bimbingan, saran, pendampingan serta berbagai bantuan baik moriil maupun materiil dari banyak pihak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada: 1.

  Bapak Prof. Ir. Ari Handono R., M.Sc., Ph.D. selaku Pembimbing I yang telah memberikan bimbingan, masukan, memberi motivasi dan saran dalam penyusunan skripsi.

  2. Bapak Ahmad Marzuki, M.Sc., Ph.D. selaku Pembimbing II yang telah mendampingi selama penelitian, memberi bimbingan dan saran serta motivasi dalam penyelesaian skripsi.

  3. Bapak dan Ibu dosen beserta para staff di Jurusan Fisika, terima kasih atas segala bimbingan dan bantuannya.

  4. Bapak, Ibu, Kakak dan seluruh keluarga saya, yang telah memberikan dukungan moral dan material.

  5. Teman-temanku Keluarga besar angkatan 2006, terima kasih atas bantuan dan motivasinya.

  6. Adik-adik tingkat di jurusan Fisika, terima kasih atas kebersamaannya 7.

  Semua pihak yang telah ikut mendukung dalam proses penyelesaian skripsi ini.

  Semoga Allah SWT memberikan balasan atas kebaikan dan bantuan yang telah diberikan. Penulis menyadari masih ada banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini. Penulis berharap semoga karya ini dapat memberi manfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya. Amin.

  Surakarta, September 2013 Penulis

  

DAFTAR ISI

  Halaman

  HALAMAN JUDUL

  …………………………………………………………. i

  HALAMAN PENGESAHAN

  ………………………………………............... ii

  HALAMAN PERNYATAAN

  ……………………………………………….. iii

  HALAMAN MOTTO

  ………………………………………………………... iv

  HALAMAN PERSEMBAHAN

  …………………………………………....... v

  HALAMAN ABSTRAK

  ……………………………………………………... vi

  HALAMAN ABSTRACT

  …………………………………………………… vii

  KATA PENGANTAR

  …………………………………………...................... viii

  HALAMAN PUBLIKASI

  …………………………………………………… ix

  DAFTAR ISI

  ……………………………………………………...................... x

  DAFTAR TABEL

  ……………………………………………….................... xii

  DAFTAR GAMBAR

  ………………………………………………................ xiii

  DAFTAR SIMBOL

  …………………………………………………………... xiv

  DAFTAR LAMPIRAN

  xvi ………………………………………………………

  BAB I PENDAHULUAN

  1 …………………………………………............

  1.1 LatarBelakang ……………………………………………........ 1

  1.2 PerumusanMasalah ………………………………………........ 2

  1.3 BatasanMasalah ……………………………………………..... 3

  1.4 TujuanPenelitian ……………………………………………… 3

  1.5

  3 ManfaatPenelitian ………………………………………….....

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA

  4 ………………………………………….

  2.1 Radiasi Surya 4 ………………………………………………....

  2.2

  5 RadiasiMatahari di Bumi ……………………………………..

  2.3

  7 PotensiRadiasiMatahari di Indonesia ………………………...

  2.4

  9 RadiasiPadaBidang Miring …………………………………..

  2.4.1 PerbandinganRadiasiLangsungPadaBidang Miring TerhadapBidangHorisontal

  …………………………........ 9

  2.4.2 IntensitasRadiasipadaBidang Miring ………………........ 13

  2.5 Kolektor Surya Plat DatarPemanas Air …………...................... 14

  2.5.1 Bagian- BagianKolektor …………………………............. 16

  2.5.2 Proses PadaKolektor Plat Datar …………………………. 19

  2.5.2.1 Proses PengumpulanEnergi Surya ……………… 19

  2.5.2.2PerpindahanPanas ……………………………….. 20

  2.5.3 KesetimanganLajuEnergiPanasKolektor ………………… 25

  2.5.3.1 LajuEnergiPanas yang Masuk …………………… 25

  2.5.3.2 LajuEnergiPanas yang Hilang …………………… 25

  2.5.4 EfisiensiKolektor Surya …………………………………. 28

2.6 SimulasiKolektordengan Delphi 7 ……………………………. 29

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN

  ………………………………….. 30

  3.1 WaktudanTempatPenelitian …………………………………… 30

  3.2 AlatdanBahan …………………………………………………. 30

  3.3 Langkah-LangkahPercobaan ………………………………....... 32

  3.4 Kedudukan, Dimensidan Material Kolektor ………………....... 32

  3.5 TeknikAnalisa Data …………………………………………… 33

  3.6 Diagram AlirPenelitian ……………………………………........ 34

  3.7 Kolektor Surya ………………………………………………… 35

  BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

  …………………………………… 36

  4.1 PenentuanDesainKolektor Surya MelaluiSimulasi ………......... 36

4.2 PengujianKolektor Surya ……………………………………… 44

  4.3 PerbandinganHasilPengukuranNyatadenganHasilSimulasi

  49 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN …………………………………… 52

  5.1 Kesimpulan …………………………………………………….. 52

  5.2 Saran-Saran ……………………………………………………. 52

DAFTAR PUSTAKA

  53 ………………………………………………………..

  LAMPIRAN-LAMPIRAN

  56 ………………………………………………….. Lampiran I SimulasiKolektor

  ………………………..………………… 57 LampiranII DesainKolektor

  …………………………………………… 64 LampiranIII Data Pengukuran

  ………………………………………… 66

  

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1.1 SumberdayaEnergiAlternatif di Indonesia

  1 Tabel 2.1 IntensitasRadiasiMatahari di Indonesia

  8 Tabel 2.2 Nilai n dalamTahun

  11 Tabel 2.3 Sifat-SifatBeberapa Material Absorer

  18 Tabel 2.4 Jenis Insulator

  18 Tabel 4.1 Data masukan yang dibuattetap

  36

  

DAFTAR GAMBAR

Halaman

  35 Gambar 4.1 Waktu Surya

  49 Gambar 4.12 Grafik Perbandingan suhu air keluaran dengan hasil simulasi

  48 Gambar 4.11 Grafik suhu air keluaran terhadap waktu penyinaran

  47 Gambar 4.10 Grafik suhu ambient terhadap waktu pengukuran

  46 Gambar 4.9 Grafik perbandingan suhu kaca penutup dengan waktu penyinaran

  45 Gambar 4.8 Grafik perbandingan suhu plat penyerap terhadap waktu

  43 Gambar 4.7 Grafik distribusi intensitas radiasi matahari harian

  41 Gambar 4.6 Grafik simulasi untuk variasi Tebal Insulasi

  40 Gambar 4.5 Grafik simulasi untuk Jarak kaca ke plat penyerap

  39 Gambar 4.4 Grafik simulasi variasi Jumlah Kaca Penutup

  37 Gambar 4.3 Grafik simulasi untuk variasi Jarak Antar Pipa

  36 Gambar 4.2 Grafik simulasi untuk variasi Tebal Plat Penyerap

  35 Gambar 3.4 Alat ukur yang digunakan

Gambar 2.1 Spektrum gelombang elektromagnetik

  34 Gambar 3.3 Kolektor surya yang telah dibuat

  31 Gambar 3.2 Alur pelaksanaan penelitian

  16 Gambar 3.1 Kolektor pemanas air plat datar untuk percobaan

  15 Gambar 2.10 Bagian-bagian dari kolektor surya plat datar

  14 Gambar 2.9 Kerugian panas utama kolektor surya selama beroperasi

  14 Gambar 2.8 Penentuan Cos θ T

  12 Gambar 2.7 Radiasi sorotan tiap jam pada permukaan miring

  10 Gambar 2.6 Sudut radiasi datang terhadap permukaan bumi

  9 Gambar 2.5 Sudut antara posisi matahari terhadap bidang bumi

  7 Gambar 2.4 Waktu Surya

  6 Gambar 2.3 Persentase energi matahari yang dipantulkan dan diserap bumi

  5 Gambar 2.2 Posisi kedudukan matahari dan bumi

  50

• 8

  Kerapatan (massa jenis) Kg/m

  a

  R

  Laju perpindahan kalor pada arah x dT dx Gradien temperatur pada arah x

  x

  C Q

  3 k Konduktivitas panas W/m. o

  ) ρ

  r

  o

  Sudut masuk derajat (

  T

  Intensitas radiasi langsung pada sudut masuk normal θ

  bn

  I

  Bilangan Raileigh P

  Bilangan Prandtl N

  Komponen sorotan

  c

  f

  .K k

  2

  Koefisien perpindahan panas konveksi bebas W/m

  c

  Temperatur penutup kaca K h

  Temperatur plat penyerap K T

  u

  p

  /s T

  2

  Viskositas udara m

  a Jarak kaca ke plat penyerap m μ a

  2

  Bilangan Nusselt g Konstanta gravitasi m/s

  I Radiasi pada bidang horosontal

  bt

  

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

  4

  (jari-jari) meter ∅

  Radius

  Kelvin R

  2 T Temperatur

  A Luas m

  ε Emisivitas (Kefisien pancaran)

  2 K

  ) δ

  W/m

  Konstanta Stefan-Boltzman 5,67 x 10

  σ

  Hz

  f Frekuensi

  υ Kecepatan gelombang Meter/sekon

  λ Panjang gelombang Meter (m)

  

Latitude (garis lintang) derajat (

o

  

Declination (Deklinasi) derajat (

o

  I

  ) θ z

  )

  o

  Perbandingan radiasicbidang miring dengan permukaan horizontal derajat (

  b

  ) R

  

Zenith angle (sudut zenith) derajat (

o

  

Angle of incident (sudut datang) derajat (

o

  ) β

  ) θ

  

Hour angle (sudut jam) derajat (

o

  ) ω

  o

  Sudut permukaan azimuth derajat (

  ) γ

  

Slope (kemiringan) derajat (

o

  Konduktivitas panas udara W/m.K

  ρ f Kerapatan air dalam pipa Kg/m

  Luas permukaan plat penyerap m

  Koefisien kerugian panas bawah kolektor

  2 K N Jumlah penutup transparan U b

  U t Koefisien kerugian panas atas W/m

  α Absorbansi

  η Transmitansi

  2

  p

  Konduktivitas insulasi W/m.K

  Energi yang hilang J/s A

  l

  Energi yang masuk J/s q

  i

  Energi berguna J/s q

  u

  k is

  t is Tebal insulasi

  Emisivitas kaca ε p

  Besarnya intensitas radiasi yang masuk dan diserap oleh plat penyerap W/m

  u

  t

  3

  V Volume fluida m

  η Efisiensi kolektor

  2

  T

  m

  Temperatur air masuk K G

  i

  Temperatur air keluar K T

  o

  m Laju aliran massa fluida Kg/s T

  U L Koefisien kerugian panas total

  Emisivitas plat penyerap q

  Laju perpindahan panas radiasi W ε k

  3 D Diameter luar pipa m

  s

  2

  Koefisien konveksi angin W/m

  w

  Temperatur fluida (air) K h

  f

  Temperatur permukaan bidang K T

  Laju perpindahan panas secara konveksi W T

  V

  c

  Viskositas air Kg/m.s q

  f

  Kelajuan aliran air dalam pipa m/s μ

  f

  V

  .K

  w

  r

  Koefisien konfeksi transfer panas plat - kaca W/m

  Temperatur absolut permukaan K q

  b

  Laju pemancaran energi W T

  e

  Q

  2 K

  pk

  Kelajuan angin m/s

  Temperatur plat penyerap K h

  p

  Temperatur lingkungan (ambient) K T

  a

  Temperatur permukaan kaca K T

  k

  T

  Waktu pergerakan fluida s