Analisa Komponen Kolektor pada Mesin Pendingin Siklus Adsoprsi Tenaga Surya dengan Variasi Sudut 0o dan 30o
ANALISA KOMPONEN KOLEKTOR PADA MESIN
PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI TENAGA SURYA DENGAN
VARIASI SUDUT KOLEKTOR 00 DAN 300
Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh:
BUDIMAN I. N.
100401030
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Matahari merupakan salah satu sumber penghasil energi terbesar di
permukaan bumi. Matahari menghasilkan energi surya, salah satu pemanfaatan
energi surya digunakan sebagai sumber tenaga mesin pendingin siklus adsorpsi.
Mesin pendingin siklus adsorpsi tenaga surya disamping membutuhkan biaya
yang ekonomis juga ramah lingkungan. Salah satu yang mempengaruhi kerja dari
mesin pendingin ini adalah adsorber/generator/kolektor. Jenis kolektor yang
digunakan adalah tipe kolektor plat datar. Kolektor pada mesin pendingin ini
dilengkapi bagian isolasi yaitu triplek, busa hitam, sterofoam, rockwall, dan kaca.
Luas penampang dari plat adsorber adalah 1 m 2 dengan tebal pelat 1 mm. Pada
adsorber diisi karbon aktif sebanyak 25 kg. Adapun tujuan penelitian ini untuk
melihat kinerja kolektor pada mesin pendingin adsorpsi dengan variasi sudut
kemiringan kolektor 0o dan 30o. Dari hasil penelitian diperoleh total kerugian
panas tertinggi yang hilang sebesar 8445472,42 J, total panas tertinggi yang
digunakan kolektor untuk proses desorpsi sebesar 2287248,84 J, dan efisiensi
kolektor tertinggi sebesar 65,67%.
Kata kunci : energi surya, mesin pendingin, adsorber, kolektor, panas
i
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
The sun is one of the largest source of energy in the earth's surface. The sun
produces solar energy, one of the utilization of solar energy as a source of power
for adsorption cycle refrigeration machine. Adsorption cycle refrigeration
machine requires a low cost and also safe for the environment. One that affects the
performance of equipment is adsorber/generator/collector. Collector type used is
a type of flat plate collector. Collector on a refrigeration machine equipped with
insulation parts as wood, black foam, styrofoam, rockwall and glass. The
dimensions of each collector is the absorber plate measuring 1 m 2 with plate
thickness 1 mm. Activated carbon is filled in the adsorber in the amount of 25 kg.
The purpose of research to determine the performance of the collector on
equipment with variations of the angle of the collector 0o dan 30o. From the
research obtained the highest amount of heat loss is 8445472,42 J, the highest heat
total used a collector for the desorption process is 2370637,89 J, and the actual
efficiency of the collector is 65,67%.
Keywords: solar energy, refrigeration machine, adsorber, collector, heat
ii
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas
berkat, kasih, kekuatan dan kesehatan yang diberikan selama pengerjaan skripsi
ini, sehingga skripsi ini dapat penulis selesaikan.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu
“Analisa Komponen Kolektor pada Mesin Pendingin Siklus Adsoprsi Tenaga
Surya dengan Variasi Sudut 0o dan 30o.”
Penulis berterima kasih kepada banyak pihak yang telah banyak
membantu penulis di berbagai hal dalam proses penyusunan skripsi ini. Oleh
sebab itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada:
1. Orang tua penulis Bapak B. Nainggolan dan Ibunda F. Sianturi yang tidak
pernah putus-putusnya memberikan dukungan materil dan doa serta kasih
sayangnya yang tak terhingga kepada penulis. Kepada kedua saudara
kakak dan adik penulis yang terus memberi semangat.
2. Bapak Ir.Tekad Sitepu,M.T selaku Dosen Pembimbing yang telah
memberikan banyak bimbingan, arahan, dan masukan yang positif kepada
penulis selama penyusunan skripsi ini.
3. Bapak Ir. Zamanhuri, M.T. dan Bapak Tulus B.Sitorus, ST.M.T sebagai
dosen pembanding yang telah bersedia memberikan saran dan kritik yang
sangat membangun.
iii
Universitas Sumatera Utara
4. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita yang telah banyak membantu memberi
saran dan waktu diskusi serta membimbing secara langsung di lapangan
selama pengerjaan Tugas Akhir ini.
5. Bapak Tulus Burhanudin, ST, MT yang juga telah banyak meluangkan
waktunya untuk berdiskusi dengan penulis dan tim serta memberi saran
dan masukan dalam pengerjaan Tugas Akhir ini.
6. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara.
7. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera.
8. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik Mesin
di Universitas Sumatera Utara, yang telah banyak membantu penulis dan
memberikan bimbingan selama perkuliahan.
9. Rekan satu tim skripsi yaitu Piter H, Jagardo Damanik, dan Parna E
Sitanggang yang terus saling menyemangati.
10. Sahabat-sahabat saya kaum terpelajar yang terus memberi semangat
kepada penulis.
11. Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara
terkhusus stambuk 2010 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki berbagai
kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun
dari berbagai pihak. Penulis juga mengharapkan skripsi ini dapat menjadi
tambahan pengetahuan bagi pembaca dan bermanfaat untuk kita semua.
Terimakasih.
iv
Universitas Sumatera Utara
Medan, April 2016
Penulis,
Budiman I. N.
NIM. 100401030
v
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK …….………………………………………………………........
i
KATA PENGANTAR ……………………………………………………...
iii
DAFTAR ISI ……………………………………………………………...... vi
DAFTAR GAMBAR …………………………………………………….....
x
DAFTAR TABEL ………………………………………………………...... xiii
DAFTAR LAMPIRAN ...............................................................................
xiv
DAFTAR NOTASI. ………………………………………………………... xv
BAB I. PENDAHULUAN ……..…………………………………………...
1
1.1 δatar Belakang ……………...…………………………………………
1
1.2 Tujuan Penelitian ……………...………………………………………
3
1.3 Batasan εasalah ………………………………………………………. 3
1.4 εanfaat Penelitian …………………………………………………….
3
1.5 Sistematika Penulisan …………………………………………………. 4
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA …………………………………….…..... 6
2.1 Energi Surya .....................…………………………………………….. 6
2.2 Kolektor Surya ............………………………………………………...
8
2.2.1 Klasifikasi Kolektor Surya ..………………………………………. 9
2.2.2 Manfaat Kolektor Surya …….…………….……………………….
12
2.3 Mesin Pendingin Siklus Adsorps ……………………………………...
13
2.3.1 Siklus Ideal Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi …………….....…...
13
2.3.2 Perkembangan Mesin Pendingin Adsorpsi …………...…………...
16
2.4 Tinjauan Perpindahan Panas …………………………………………..
18
2.4.1 Konduksi …………………………………………………………..
20
vi
Universitas Sumatera Utara
2.4.2 Konveksi …………………………………………………………..
21
2.4.3 Radiasi ………………………….…………………………………. 22
2.5 Intensitas Radiasi Matahari ...............………………………………….
24
2.6 Posisi Matahari .......................................……………………………… 25
2.7 Perhitungan Perpindahan Panas pada Kolektor Plat Datar ………........
26
2.7.1 Perhitugan Panas yang Diserap Kolektor ...................…………...... 26
2.7.2 Perhitungan Kerugian Panas Kolektor ………….............................
28
2.8 Energi Panas Aktual yang Digunakan Kolektor untuk Proses Desorpsi. 30
2.9 Efisiensi Kolektor ................................................................................... 31
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ………………………………..
32
3.1 Tempat Waktu dan Penelitian ………………………………………...
32
3.1.1 Tempat Penelitian …………………………………………………. 32
3.1.2 Waktu Penelitian ……………...…………………………………..
32
3.2 Alat dan Bahan yang Digunakan ……………………………………....
33
3.2.1 Peralatan Penelitian ……………………………………………......
33
3.2.2 Bahan Penelitian …………………………………………….........
37
3.3 Proses Pembuatan Model Fisik Kolektor ………...................................
39
3.4 Persiapan Penelitian ……………………...............................................
42
3.5 Prosedur Penelitian ………………………………………………….....
43
3.6 Variabel Penelitian …………………………………………………….
44
3.7 Kerangka Konsep Hasil Penelitian …….……………………………....
45
BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ……………….... 46
4.1 Hasil Penelitian ………………………………………………………..
46
4.1.1 Hasil Penelitian Kolektor Surya Sudut 0 o ………………................
46
vii
Universitas Sumatera Utara
4.1.2 Hasil Penelitian Kolektor Surya Sudut 30 o ……………………….
49
4.2 Pengolahan Data Kolektor .....................................................................
52
4.2.1 Pengolahan Data Kolektor Sudut 0o ……………………................. 52
4.2.1.1 Perhitungan Intensitas Radiasi Matahari ...................................
52
4.2.1.2 Perhitungan Panas yang Diserap Kolektor.................................
53
4.2.1.3 Perhitungan Total Kerugian Panas yang Hilang dari Kolektor..
56
4.2.1.3.1 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Atas Kolektor ................
56
4.2.1.3.2 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Bawah Kolektor ............. 58
4.2.1.3.3 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Samping Kolektor .........
60
4.2.2 Pengolahan Data Kolektor Sudut 30o …………………………….. 62
4.2.2.1 Perhitungan Intensitas Radiasi Matahari .................................... 62
4.2.2.2 Perhitungan Panas yang Diserap Kolektor.................................. 65
4.2.2.3 Perhitungan Total Kerugian Panas yang Hilang dari Kolektor..
67
4.2.2.3.1 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Atas Kolektor ................
68
4.2.2.3.2 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Bawah Kolektor ............. 70
4.2.2.3.3 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Samping Kolektor .........
71
4.3 Energi Panas Aktual yang Digunakan Kolektor untuk Proses Desorpsi. 73
4.3.1 Energi Panas yang Digunakan Kolektor 0o untuk Proses Desorpsi..
73
4.3.2 Energi Panas yang Digunakan Kolektor 30o untuk Proses Desorpsi
74
4.4 Kesetimbangan Energi ...........................................................................
75
4.4.1 Kesetimbangan Energi Kolektor 0o................................................... 75
4.4.2 Kesetimbangan Energi Kolektor 30o................................................. 77
4.5 Efisiensi Kolektor ................................................................................... 78
4.5.1 Efisiensi Kolektor Kosong ……………………...............................
79
viii
Universitas Sumatera Utara
4.5.1.1 Kolektor Sudut 0o ...................................................................... 79
4.5.1.2 Kolektor Sudut 30o .................................................................... 80
4.5.2 Efisiensi Kolektor Berisi Karbon Aktif ……………………............ 80
4.5.2.1 Kolektor Sudut 0o ...................................................................... 80
4.5.2.2 Kolektor Sudut 30o .................................................................... 81
4.6 Analisa Grafik ........................................................................................
82
4.6.1 Data Hobo ……………………........................................................
82
4.6.2 Perhitungan Analisa Data Kolektor Sudut 0o dan 30o ..................... 84
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ……………………………….......
88
5.1 Kesimpulan ………………………………………................................
88
5.2 Saran ......................................................................................................
89
DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………...
xvi
LAMPIRAN ………………………………………………………............... xvii
ix
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Judul
Halaman
2.1.
Kolektor Surya Pelat Datar Sederhana ….............................................
10
2.2
Kolektor Konsentrator ………………………..............………………
11
2.3
Kolektor Tabung Vakum..…………………………….....…………....
12
2.4
Diagram Tekanan vs Temperatur penunjuk Garis Isoster....................
14
2.5
Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi …..…....
14
2.6
Perpindahan Panas pada Kolektor Plat Datar ……......................…….
19
2.7
Perpindahan Panas pada Isolasi Kolektor Surya ………….................
21
2.8
Intensitas Radiasi Matahari………....................................................
24
3.1
Tata Letak Lokasi Penelitian……………………………………….…
32
3.2
Laptop.................................................………………………………...
33
3.3
Pace XR5 Data Logger …………………………….....……...….....…
34
3.4
Termokopel .....………………………..…………………………………….
34
3.5
Hobo Microstation data logger ……………………....……..……………
35
3.6
Pompa Vakum…………………………………………...……………
36
3.7
Karbon Aktif............................…………………………………………….
37
3.8
Kaca..............................................................................…………...…..
37
3.9
Rockwool ……..............................................................................……
38
3.10
Sterofoam…………..............................................................................
38
3.11
Busa hitam............................……………………………………….…
38
3.12
Triplek.................................................…………………...…………...
39
3.13
Stainless Steel.............. …………………………….....……...…….…
39
x
Universitas Sumatera Utara
3.14
Cat............... .....………………………..…………………………………….
39
3.15
Desain Kolektor pada Solidwork ……………………...........……………
40
3.16
Rangka Kolektor …………………………………………...…………
40
3.17
Kotak Isolator Kolektor............................…………………………….….
40
3.18
Adsorber..............................................................................…………..
41
3.19
Pemasangan Adsorber pada Kotak Isolasi ……………...........………
41
3.20
Kaca Kolektor ….…….….........................................................………
41
3.21
Pemasangan Kolektor pada Mesin Pendingin ………….….......……..
42
3.22
Peletakan Titik Termokopel pada Kolektor ………..….…..........……
42
3.23
Diagram Alir Tahapan Penelitian.............………..…............….…..…
45
4.1
Isolasi pada Kolektor…………..............................................…….…..
59
4.2
Kesetimbangan Energi Kolektor ……...…...........................................
75
4.3
Kesetimbangan Energi Pengujian I Kolektor 0o....................................
75
4.4
Kesetimbangan Energi Pengujian II Kolektor 0o..................................
76
4.5
Kesetimbangan Energi Pengujian III Kolektor 0o.................................
76
4.6
Kesetimbangan Energi Pengujian I Kolektor 30o..................................
77
4.7
Kesetimbangan Energi Pengujian II Kolektor 30o................................
77
4.8
Kesetimbangan Energi Pengujian III Kolektor 30o...............................
78
4.9
Grafik Temperatur Lingkungan terhadap Waktu Pengujian Kolektor
0o..........................................................................................................
4.10
82
Grafik Temperatur Lingkungan terhadap Waktu Pengujian Kolektor
30o........................................................................................................
83
4.11
Grafik Intensitas Radiasi Matahari Kolektor 0o....................................
83
4.12
Grafik Intensitas Radiasi Matahari Kolektor 30o..................................
84
xi
Universitas Sumatera Utara
4.13
Grafik Temperatur Plat Rata-rata Kolektor 0o.......................................
85
4.14
Grafik Temperatur Plat Rata-rata Kolektor 30o.....................................
85
4.15
Grafik Jumlah Panas yang Masuk Kolektor 0o......................................
86
4.16
Grafik Jumlah Panas yang Masuk Kolektor 30o....................................
86
4.17
Grafik Jumlah Panas yang Diserap Kolektor 0o....................................
87
4.18
Grafik Jumlah Panas yang Diserap Kolektor 30o..................................
87
xii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Nomor
Judul
Halaman
3.1
Spesifikasi Pyranometer………………………………………….…..…....
36
4.1
Data Pengujian Pengujian I Kolektor Sudut 0o…………………….......….
46
4.2
Data Pengujian Pengujian II Kolektor Sudut 0o……………………......….
47
4.3
Data Pengujian Pengujian III Kolektor Sudut 0o………………...........….
48
4.4
Data Pengujian Pengujian I Kolektor Sudut 30o……………………......….
49
4.5
Data Pengujian Pengujian II Kolektor Sudut 30o…………….....…......….
50
4.6
Data Pengujian Pengujian III Kolektor Sudut 30o……………………...….
51
4.7
Data Pengujian I Kolektor Sudut 0o dalam 60 menit ……………….…….
52
4.8
Hasil Perhitungan Intensitas Matahari kolektor 0o selama 24 jam...…...….
53
4.9
Data Perhitungan Panas yang Diserap ke dalam Kolektor 0o…….....……..
55
4.10
Hasil Perhitungan Qrad, S dan QLKolektor 0o.............................................
62
4.11
Data Intensitas Kolektor 30o dalam 60 menit...............................................
63
4.12
Perhitungan Pengujian I Kolektor 30o….......................................................
64
4.13
o o
Data Perhitungan
Panas yangRadiasi
Diserap
ke dalam
Kolektor
.....................
Perhitungan
Data Intensitas
Matahari
Kolektor
3030
........................
66
61
4.14
o
Hasil Perhitungan
Qrad, S dan QKolektor
Perhitungan
Nilai Tranmisivitas
300o .............................................
………................................
L Kolektor
73
64
4.15
Energi PanasNilai
Aktual
yang
Digunakan
Kolektor
0o untuk Desorpsi(Q
ic)......
Perhitungan
Panas
yang
Masuk ke
dalam Kolektor
30o..…........…....
74
69
4.16
o
Data
Perhitungan
Koefisien
Kerugian Panas
U T.30
Kolektor
30o….…..….....
Energi
Panas Aktual
yang Digunakan
Kolektor
untuk Desorpsi(Q
ic)....
70
74
xiii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Lamp 1. Data Pengujian Kolektor Sudut 0 Derajat Tangggal 16 - 19 November 2015........... xviii
Lamp 2. Data Pengujian Kolektor Sudut 30 Derajat Tangggal 26 - 29 November 2015....…. xxxiv
xiv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI
Simbol
Keterangan
Satuan
Temperatur Plat Rata-rata
o
Temperatur Lingkungan
o
G
Intensitas Cahaya Matahari
W/m2
Ac
Luas Penampang Adsorber
m2
Qit
Panas masuk kolektor
J/m2
QT
Kerugian panas sisi atas kolektor
W/m2K
QB
Kerugian panas sisi bawah kolektor
W/m2K
QE
Kerugian panas sisi samping kolektor
W/m2K
QL
Jumlah panas hilang dari kolektor
J/m2
Tpm
∞
C
C
S
Panas yang diserap kolektor
J
Qic
Energi panas yang diserap karbon aktif
J
Qit
Intensitas matahari
J
mac
Massa karbon aktif dalam kolektor
kg
mr
Massa refrigeran metanol yang teradsorpsi
kg
Cpac
Panas spesifik karbon aktif
J/kg K
Cpr
Panas spesifik refrigeran metanol
J/kg K
∆
Temperatur pemanasan
K
Efisiensi Kolektor
%
Ƞ
xv
Universitas Sumatera Utara
PENDINGIN SIKLUS ADSORPSI TENAGA SURYA DENGAN
VARIASI SUDUT KOLEKTOR 00 DAN 300
Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh:
BUDIMAN I. N.
100401030
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Matahari merupakan salah satu sumber penghasil energi terbesar di
permukaan bumi. Matahari menghasilkan energi surya, salah satu pemanfaatan
energi surya digunakan sebagai sumber tenaga mesin pendingin siklus adsorpsi.
Mesin pendingin siklus adsorpsi tenaga surya disamping membutuhkan biaya
yang ekonomis juga ramah lingkungan. Salah satu yang mempengaruhi kerja dari
mesin pendingin ini adalah adsorber/generator/kolektor. Jenis kolektor yang
digunakan adalah tipe kolektor plat datar. Kolektor pada mesin pendingin ini
dilengkapi bagian isolasi yaitu triplek, busa hitam, sterofoam, rockwall, dan kaca.
Luas penampang dari plat adsorber adalah 1 m 2 dengan tebal pelat 1 mm. Pada
adsorber diisi karbon aktif sebanyak 25 kg. Adapun tujuan penelitian ini untuk
melihat kinerja kolektor pada mesin pendingin adsorpsi dengan variasi sudut
kemiringan kolektor 0o dan 30o. Dari hasil penelitian diperoleh total kerugian
panas tertinggi yang hilang sebesar 8445472,42 J, total panas tertinggi yang
digunakan kolektor untuk proses desorpsi sebesar 2287248,84 J, dan efisiensi
kolektor tertinggi sebesar 65,67%.
Kata kunci : energi surya, mesin pendingin, adsorber, kolektor, panas
i
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
The sun is one of the largest source of energy in the earth's surface. The sun
produces solar energy, one of the utilization of solar energy as a source of power
for adsorption cycle refrigeration machine. Adsorption cycle refrigeration
machine requires a low cost and also safe for the environment. One that affects the
performance of equipment is adsorber/generator/collector. Collector type used is
a type of flat plate collector. Collector on a refrigeration machine equipped with
insulation parts as wood, black foam, styrofoam, rockwall and glass. The
dimensions of each collector is the absorber plate measuring 1 m 2 with plate
thickness 1 mm. Activated carbon is filled in the adsorber in the amount of 25 kg.
The purpose of research to determine the performance of the collector on
equipment with variations of the angle of the collector 0o dan 30o. From the
research obtained the highest amount of heat loss is 8445472,42 J, the highest heat
total used a collector for the desorption process is 2370637,89 J, and the actual
efficiency of the collector is 65,67%.
Keywords: solar energy, refrigeration machine, adsorber, collector, heat
ii
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas
berkat, kasih, kekuatan dan kesehatan yang diberikan selama pengerjaan skripsi
ini, sehingga skripsi ini dapat penulis selesaikan.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu
“Analisa Komponen Kolektor pada Mesin Pendingin Siklus Adsoprsi Tenaga
Surya dengan Variasi Sudut 0o dan 30o.”
Penulis berterima kasih kepada banyak pihak yang telah banyak
membantu penulis di berbagai hal dalam proses penyusunan skripsi ini. Oleh
sebab itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada:
1. Orang tua penulis Bapak B. Nainggolan dan Ibunda F. Sianturi yang tidak
pernah putus-putusnya memberikan dukungan materil dan doa serta kasih
sayangnya yang tak terhingga kepada penulis. Kepada kedua saudara
kakak dan adik penulis yang terus memberi semangat.
2. Bapak Ir.Tekad Sitepu,M.T selaku Dosen Pembimbing yang telah
memberikan banyak bimbingan, arahan, dan masukan yang positif kepada
penulis selama penyusunan skripsi ini.
3. Bapak Ir. Zamanhuri, M.T. dan Bapak Tulus B.Sitorus, ST.M.T sebagai
dosen pembanding yang telah bersedia memberikan saran dan kritik yang
sangat membangun.
iii
Universitas Sumatera Utara
4. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita yang telah banyak membantu memberi
saran dan waktu diskusi serta membimbing secara langsung di lapangan
selama pengerjaan Tugas Akhir ini.
5. Bapak Tulus Burhanudin, ST, MT yang juga telah banyak meluangkan
waktunya untuk berdiskusi dengan penulis dan tim serta memberi saran
dan masukan dalam pengerjaan Tugas Akhir ini.
6. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara.
7. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera.
8. Seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi Departemen Teknik Mesin
di Universitas Sumatera Utara, yang telah banyak membantu penulis dan
memberikan bimbingan selama perkuliahan.
9. Rekan satu tim skripsi yaitu Piter H, Jagardo Damanik, dan Parna E
Sitanggang yang terus saling menyemangati.
10. Sahabat-sahabat saya kaum terpelajar yang terus memberi semangat
kepada penulis.
11. Seluruh mahasiswa Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara
terkhusus stambuk 2010 yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki berbagai
kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun
dari berbagai pihak. Penulis juga mengharapkan skripsi ini dapat menjadi
tambahan pengetahuan bagi pembaca dan bermanfaat untuk kita semua.
Terimakasih.
iv
Universitas Sumatera Utara
Medan, April 2016
Penulis,
Budiman I. N.
NIM. 100401030
v
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
ABSTRAK …….………………………………………………………........
i
KATA PENGANTAR ……………………………………………………...
iii
DAFTAR ISI ……………………………………………………………...... vi
DAFTAR GAMBAR …………………………………………………….....
x
DAFTAR TABEL ………………………………………………………...... xiii
DAFTAR LAMPIRAN ...............................................................................
xiv
DAFTAR NOTASI. ………………………………………………………... xv
BAB I. PENDAHULUAN ……..…………………………………………...
1
1.1 δatar Belakang ……………...…………………………………………
1
1.2 Tujuan Penelitian ……………...………………………………………
3
1.3 Batasan εasalah ………………………………………………………. 3
1.4 εanfaat Penelitian …………………………………………………….
3
1.5 Sistematika Penulisan …………………………………………………. 4
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA …………………………………….…..... 6
2.1 Energi Surya .....................…………………………………………….. 6
2.2 Kolektor Surya ............………………………………………………...
8
2.2.1 Klasifikasi Kolektor Surya ..………………………………………. 9
2.2.2 Manfaat Kolektor Surya …….…………….……………………….
12
2.3 Mesin Pendingin Siklus Adsorps ……………………………………...
13
2.3.1 Siklus Ideal Mesin Pendingin Siklus Adsorpsi …………….....…...
13
2.3.2 Perkembangan Mesin Pendingin Adsorpsi …………...…………...
16
2.4 Tinjauan Perpindahan Panas …………………………………………..
18
2.4.1 Konduksi …………………………………………………………..
20
vi
Universitas Sumatera Utara
2.4.2 Konveksi …………………………………………………………..
21
2.4.3 Radiasi ………………………….…………………………………. 22
2.5 Intensitas Radiasi Matahari ...............………………………………….
24
2.6 Posisi Matahari .......................................……………………………… 25
2.7 Perhitungan Perpindahan Panas pada Kolektor Plat Datar ………........
26
2.7.1 Perhitugan Panas yang Diserap Kolektor ...................…………...... 26
2.7.2 Perhitungan Kerugian Panas Kolektor ………….............................
28
2.8 Energi Panas Aktual yang Digunakan Kolektor untuk Proses Desorpsi. 30
2.9 Efisiensi Kolektor ................................................................................... 31
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ………………………………..
32
3.1 Tempat Waktu dan Penelitian ………………………………………...
32
3.1.1 Tempat Penelitian …………………………………………………. 32
3.1.2 Waktu Penelitian ……………...…………………………………..
32
3.2 Alat dan Bahan yang Digunakan ……………………………………....
33
3.2.1 Peralatan Penelitian ……………………………………………......
33
3.2.2 Bahan Penelitian …………………………………………….........
37
3.3 Proses Pembuatan Model Fisik Kolektor ………...................................
39
3.4 Persiapan Penelitian ……………………...............................................
42
3.5 Prosedur Penelitian ………………………………………………….....
43
3.6 Variabel Penelitian …………………………………………………….
44
3.7 Kerangka Konsep Hasil Penelitian …….……………………………....
45
BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ……………….... 46
4.1 Hasil Penelitian ………………………………………………………..
46
4.1.1 Hasil Penelitian Kolektor Surya Sudut 0 o ………………................
46
vii
Universitas Sumatera Utara
4.1.2 Hasil Penelitian Kolektor Surya Sudut 30 o ……………………….
49
4.2 Pengolahan Data Kolektor .....................................................................
52
4.2.1 Pengolahan Data Kolektor Sudut 0o ……………………................. 52
4.2.1.1 Perhitungan Intensitas Radiasi Matahari ...................................
52
4.2.1.2 Perhitungan Panas yang Diserap Kolektor.................................
53
4.2.1.3 Perhitungan Total Kerugian Panas yang Hilang dari Kolektor..
56
4.2.1.3.1 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Atas Kolektor ................
56
4.2.1.3.2 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Bawah Kolektor ............. 58
4.2.1.3.3 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Samping Kolektor .........
60
4.2.2 Pengolahan Data Kolektor Sudut 30o …………………………….. 62
4.2.2.1 Perhitungan Intensitas Radiasi Matahari .................................... 62
4.2.2.2 Perhitungan Panas yang Diserap Kolektor.................................. 65
4.2.2.3 Perhitungan Total Kerugian Panas yang Hilang dari Kolektor..
67
4.2.2.3.1 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Atas Kolektor ................
68
4.2.2.3.2 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Bawah Kolektor ............. 70
4.2.2.3.3 Perhitungan Kerugian Panas Sisi Samping Kolektor .........
71
4.3 Energi Panas Aktual yang Digunakan Kolektor untuk Proses Desorpsi. 73
4.3.1 Energi Panas yang Digunakan Kolektor 0o untuk Proses Desorpsi..
73
4.3.2 Energi Panas yang Digunakan Kolektor 30o untuk Proses Desorpsi
74
4.4 Kesetimbangan Energi ...........................................................................
75
4.4.1 Kesetimbangan Energi Kolektor 0o................................................... 75
4.4.2 Kesetimbangan Energi Kolektor 30o................................................. 77
4.5 Efisiensi Kolektor ................................................................................... 78
4.5.1 Efisiensi Kolektor Kosong ……………………...............................
79
viii
Universitas Sumatera Utara
4.5.1.1 Kolektor Sudut 0o ...................................................................... 79
4.5.1.2 Kolektor Sudut 30o .................................................................... 80
4.5.2 Efisiensi Kolektor Berisi Karbon Aktif ……………………............ 80
4.5.2.1 Kolektor Sudut 0o ...................................................................... 80
4.5.2.2 Kolektor Sudut 30o .................................................................... 81
4.6 Analisa Grafik ........................................................................................
82
4.6.1 Data Hobo ……………………........................................................
82
4.6.2 Perhitungan Analisa Data Kolektor Sudut 0o dan 30o ..................... 84
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ……………………………….......
88
5.1 Kesimpulan ………………………………………................................
88
5.2 Saran ......................................................................................................
89
DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………...
xvi
LAMPIRAN ………………………………………………………............... xvii
ix
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Judul
Halaman
2.1.
Kolektor Surya Pelat Datar Sederhana ….............................................
10
2.2
Kolektor Konsentrator ………………………..............………………
11
2.3
Kolektor Tabung Vakum..…………………………….....…………....
12
2.4
Diagram Tekanan vs Temperatur penunjuk Garis Isoster....................
14
2.5
Diagram Clayperon pada Sistem Pendingin Siklus Adsorpsi …..…....
14
2.6
Perpindahan Panas pada Kolektor Plat Datar ……......................…….
19
2.7
Perpindahan Panas pada Isolasi Kolektor Surya ………….................
21
2.8
Intensitas Radiasi Matahari………....................................................
24
3.1
Tata Letak Lokasi Penelitian……………………………………….…
32
3.2
Laptop.................................................………………………………...
33
3.3
Pace XR5 Data Logger …………………………….....……...….....…
34
3.4
Termokopel .....………………………..…………………………………….
34
3.5
Hobo Microstation data logger ……………………....……..……………
35
3.6
Pompa Vakum…………………………………………...……………
36
3.7
Karbon Aktif............................…………………………………………….
37
3.8
Kaca..............................................................................…………...…..
37
3.9
Rockwool ……..............................................................................……
38
3.10
Sterofoam…………..............................................................................
38
3.11
Busa hitam............................……………………………………….…
38
3.12
Triplek.................................................…………………...…………...
39
3.13
Stainless Steel.............. …………………………….....……...…….…
39
x
Universitas Sumatera Utara
3.14
Cat............... .....………………………..…………………………………….
39
3.15
Desain Kolektor pada Solidwork ……………………...........……………
40
3.16
Rangka Kolektor …………………………………………...…………
40
3.17
Kotak Isolator Kolektor............................…………………………….….
40
3.18
Adsorber..............................................................................…………..
41
3.19
Pemasangan Adsorber pada Kotak Isolasi ……………...........………
41
3.20
Kaca Kolektor ….…….….........................................................………
41
3.21
Pemasangan Kolektor pada Mesin Pendingin ………….….......……..
42
3.22
Peletakan Titik Termokopel pada Kolektor ………..….…..........……
42
3.23
Diagram Alir Tahapan Penelitian.............………..…............….…..…
45
4.1
Isolasi pada Kolektor…………..............................................…….…..
59
4.2
Kesetimbangan Energi Kolektor ……...…...........................................
75
4.3
Kesetimbangan Energi Pengujian I Kolektor 0o....................................
75
4.4
Kesetimbangan Energi Pengujian II Kolektor 0o..................................
76
4.5
Kesetimbangan Energi Pengujian III Kolektor 0o.................................
76
4.6
Kesetimbangan Energi Pengujian I Kolektor 30o..................................
77
4.7
Kesetimbangan Energi Pengujian II Kolektor 30o................................
77
4.8
Kesetimbangan Energi Pengujian III Kolektor 30o...............................
78
4.9
Grafik Temperatur Lingkungan terhadap Waktu Pengujian Kolektor
0o..........................................................................................................
4.10
82
Grafik Temperatur Lingkungan terhadap Waktu Pengujian Kolektor
30o........................................................................................................
83
4.11
Grafik Intensitas Radiasi Matahari Kolektor 0o....................................
83
4.12
Grafik Intensitas Radiasi Matahari Kolektor 30o..................................
84
xi
Universitas Sumatera Utara
4.13
Grafik Temperatur Plat Rata-rata Kolektor 0o.......................................
85
4.14
Grafik Temperatur Plat Rata-rata Kolektor 30o.....................................
85
4.15
Grafik Jumlah Panas yang Masuk Kolektor 0o......................................
86
4.16
Grafik Jumlah Panas yang Masuk Kolektor 30o....................................
86
4.17
Grafik Jumlah Panas yang Diserap Kolektor 0o....................................
87
4.18
Grafik Jumlah Panas yang Diserap Kolektor 30o..................................
87
xii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Nomor
Judul
Halaman
3.1
Spesifikasi Pyranometer………………………………………….…..…....
36
4.1
Data Pengujian Pengujian I Kolektor Sudut 0o…………………….......….
46
4.2
Data Pengujian Pengujian II Kolektor Sudut 0o……………………......….
47
4.3
Data Pengujian Pengujian III Kolektor Sudut 0o………………...........….
48
4.4
Data Pengujian Pengujian I Kolektor Sudut 30o……………………......….
49
4.5
Data Pengujian Pengujian II Kolektor Sudut 30o…………….....…......….
50
4.6
Data Pengujian Pengujian III Kolektor Sudut 30o……………………...….
51
4.7
Data Pengujian I Kolektor Sudut 0o dalam 60 menit ……………….…….
52
4.8
Hasil Perhitungan Intensitas Matahari kolektor 0o selama 24 jam...…...….
53
4.9
Data Perhitungan Panas yang Diserap ke dalam Kolektor 0o…….....……..
55
4.10
Hasil Perhitungan Qrad, S dan QLKolektor 0o.............................................
62
4.11
Data Intensitas Kolektor 30o dalam 60 menit...............................................
63
4.12
Perhitungan Pengujian I Kolektor 30o….......................................................
64
4.13
o o
Data Perhitungan
Panas yangRadiasi
Diserap
ke dalam
Kolektor
.....................
Perhitungan
Data Intensitas
Matahari
Kolektor
3030
........................
66
61
4.14
o
Hasil Perhitungan
Qrad, S dan QKolektor
Perhitungan
Nilai Tranmisivitas
300o .............................................
………................................
L Kolektor
73
64
4.15
Energi PanasNilai
Aktual
yang
Digunakan
Kolektor
0o untuk Desorpsi(Q
ic)......
Perhitungan
Panas
yang
Masuk ke
dalam Kolektor
30o..…........…....
74
69
4.16
o
Data
Perhitungan
Koefisien
Kerugian Panas
U T.30
Kolektor
30o….…..….....
Energi
Panas Aktual
yang Digunakan
Kolektor
untuk Desorpsi(Q
ic)....
70
74
xiii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Lamp 1. Data Pengujian Kolektor Sudut 0 Derajat Tangggal 16 - 19 November 2015........... xviii
Lamp 2. Data Pengujian Kolektor Sudut 30 Derajat Tangggal 26 - 29 November 2015....…. xxxiv
xiv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI
Simbol
Keterangan
Satuan
Temperatur Plat Rata-rata
o
Temperatur Lingkungan
o
G
Intensitas Cahaya Matahari
W/m2
Ac
Luas Penampang Adsorber
m2
Qit
Panas masuk kolektor
J/m2
QT
Kerugian panas sisi atas kolektor
W/m2K
QB
Kerugian panas sisi bawah kolektor
W/m2K
QE
Kerugian panas sisi samping kolektor
W/m2K
QL
Jumlah panas hilang dari kolektor
J/m2
Tpm
∞
C
C
S
Panas yang diserap kolektor
J
Qic
Energi panas yang diserap karbon aktif
J
Qit
Intensitas matahari
J
mac
Massa karbon aktif dalam kolektor
kg
mr
Massa refrigeran metanol yang teradsorpsi
kg
Cpac
Panas spesifik karbon aktif
J/kg K
Cpr
Panas spesifik refrigeran metanol
J/kg K
∆
Temperatur pemanasan
K
Efisiensi Kolektor
%
Ƞ
xv
Universitas Sumatera Utara