PENENTUAN KONSTANTA WAKTU KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR Skripsi Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Sains Program Studi Fisika Jurusan Fisika

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  PENENTUAN KONSTANTA WAKTU KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR Skripsi Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Sains Program Studi Fisika Jurusan Fisika Oleh : Imanuel Sairo Awang NIM : 023214001 PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2009

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  

DETERMINING THE TIME CONSTANT

OF THE FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR

SCRIPTION

Presented as Partial Fulfillment of the Requirement to Obtain

The Sarjana Sains Degree in Physics

  

By

Imanuel Sairo Awang

NIM : 023214001

PHYSICS STUDY PROGRAM

  

PHYSICS DEPARTEMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

UNIVERSITY OF SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2009

  ii

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  iii iv

  24 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  Sebagai ungkapan rasa terima kasih dan ucapan syukur Skripsi ini saya persembahkan kepada

  

T T u u h h a a n n Y Y e e s s u u s s K K r r i i s s t t u u s s

P P a a p p a a T T e e r r c c i i n n t t a a O O

b

b e e d d T T o o d d u u G G e e l l a a M M a a m m a a T T e e r r c c i i n n t t a a F F r r

a

a

n n s s i i s s k k a a N N u u r r s s i i a a h h

  v

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  

Terlalu ajaib bagiku pengetahuan itu, terlalu tinggi, tidak

sanggup aku mencapainya.(Mazmur 139:6)

sebab di dalam Dialah tersembunyi segala harta hikmat

dan pengetahuan.(Kolose 2:3)

  

Sekalipun ada emas dan permata banyak, tetapi yang

paling berharga ialah bibir yang berpengetahuan.(Amsal

20:15)

Sebab bumi akan penuh dengan pengetahuan tentang

kemuliaan TUHAN, seperti air yang menutupi dasar

laut.(Habakuk 2:14)

  

Hati orang berpengertian memperoleh pengetahuan, dan

telinga orang bijak menuntut pengetahuan.(Amsal 18:15)

The mystery will make us to think The think yield a science

  A science make human to believe

  vi

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  vii

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  viii

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  INTISARI Telah dilakukan penelitian untuk menentukan konstanta waktu kolektor surya plat datar dalam mengkonversi energi surya menjadi panas menggunakan

  

thermometer probe , lightsensor dan loggerpro dari Vernier Software and Technology.

  Kolektor surya plat datar yang digunakan adalah kolektor surya plat datar berwarna hitam dan biru dengan dan tanpa penutup kaca.

  Konstanta waktu adalah waktu yang dibutuhkan kolektor surya plat datar untuk menaikkan kinerja menjadi 0,632 dari nilai keadaan akhir. Nilai konstanta waktu yang diperoleh dengan rata-rata laju aliran air 0,004 kg/s untuk masing-masing tipe kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca berturut-turut adalah (93 1) s, (82 ± ± 1) s, (116 ± 1) s, dan (115 ± 1) s. ix

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  ABSTRACT A research has been done for determining the time constant of the flat plate solar collector to convert the solar energy into thermal energy using thermometer

  

probe , lightsensor and loggerpro equipment produced by Vernier Software and

Technology . The types of the flat plate solar collectors are blue and black with glazed

  and unglazed.

  The time constant is the time required to rise become 0,632 of its final steady value. The time constant value for four types of flat plate solar collector with water flow 0,004 kg/s for black with unglazed, black with glazed, blue with unglazed, blue with glazed configurations are (93 ± 1) s, (82 ± 1) s, (116 ± 1) s, and (115 ± 1) s respectively. x

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  KATA PENGANTAR Berawal dari keinginan untuk belajar sedikit saja tentang fenomena keseharian kita dalam dunia fisika, dan dengan keinginan yang kuat untuk menghasilkan sebuah karya, penulis akhirnya dapat menyelesaikan tugas akhir ini.

  Pada kesempatan ini, tidak lupa kami panjatkan puji dan syukur kepada Allah Bapa di surga, Tuhan kami Yesus Kristus, serta Roh Kudus, yang telah memberikan kasih karunia dan bimbinganNya sehingga penulisan skripsi ini dapat diselesaikan.

  Penulis menyadari dalam proses penulisan skripsi ini sangat melelahkan dan mengalami banyak kesulitan. Namun, berkat bimbingan dari semua pihak akhirnya karya tulis ini dapat diselesaikan. Untuk itu penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada:

  1. Dr. Ign. Edi Santosa M.S selaku dosen pembimbing yang dengan sabar membimbing serta tidak pernah lelah memberikan masukan-masukan yang konstukrif dari awal sampai akhir penulisan karya tulis ini.

  2. Ir. Sri Agustini Sulandari M.Si selaku ketua program studi fisika, yang juga mendorong penulis agar dapat menyelesaikan karya tulis ini.

  3. Segenap dosen program studi fisika yang telah memberikan ilmu pengetahuannya selama perkuliahan.

  4. Bapak Petrus Sugito, Mas Ngadiono, atas bantuannya dalam pengadaan peralatan penelitian.

  5. Adik saya Samuel Billy Awang yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi. Terima kasih atas dukungannya. xi

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  6. Teman-teman seperjuangan di prodi fisika khususnya angkatan 2002. Terima kasih atas dukungannya.

  7. Semua pihak yang tidak bisa saya sebutkan satu-persatu, terima kasih atas segala bantuan, dan perhatiannya.

  Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih banyak kekurangannya, oleh karena itu segala kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan demi kemajuan penulisan di waktu yang akan datang. Akhirnya, semoga tulisan ini berguna bagi perkembangan dunia ilmu pengetahuan. Terima kasih.

  Yogyakarta, 24 Februari 2009 Penulis xii

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  DAFTAR ISI Halaman

  HALAMAN JUDUL INDONESIA i

  HALAMAN JUDUL INGGRIS ii

  HALAMAN PERSETUJUAN iii

  HALAMAN PENGESAHAN iv

  HALAMAN PERSEMBAHAN v

  HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA vii HALAMAN PERNYATAAN PUBLIKASI ILMIAH viii

  INTISARI ix

  ABSTRACK x

  KATA PENGANTAR xi

  DAFTAR ISI xiii

  DAFTAR TABEL xvi

  DAFTAR GAMBAR xvii

  BAB. I : PENDAHULUAN

  1 A. Latar Belakang

  1 B. Rumusan Masalah

  3 C. Batasan Masalah

  3 D. Tujuan Penelitian

  3 E. Manfaat Penelitian

  4 xiii

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  5

  19 xiv

  18

  15

  15

  15

  10

  9

  8

  7

  7

  6

  6

  6

  BAB. II : DASAR TEORI

  A. Energi Surya

  D. Metode Analisis Data

  C. Metode Pengambilan Data

  B. Alat dan Objek Penelitian

  A. Tempat dan Waktu Penelitian

  BAB. III : PENELITIAN

  D. Karakteristik Dinamik Kolektor Surya Plat Datar Dalam Mengkonversi Energi Surya Menjadi Panas

  2. Kolektor Surya Plat Datar Dengan Penutup Kaca (Glazed)

  1. Kolektor Surya Plat Datar Tanpa Penutup Kaca (Unglazed)

  C. Konversi Energi Surya Menjadi Panas dan Perpindahan Panas Pada Kolektor Surya Plat Datar

  3. Radiasi

  2. Konveksi

  1. Konduksi

  B. Panas dan Perpindahan Panas

  5

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  31

  46 xv

  43

  36

  35

  34

  33

  32

  31

  BAB. IV : HASIL DAN PEMBAHASAN

  A. Hasil Penelitian

  20

  20

  LAMPIRAN D : GRAFIK HUBUNGAN PERBEDAAN SUHU AIR TERHADAP WAKTU PADA TIGA TIPE KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR

  LAMPIRAN C : GRAFIK HUBUNGAN INTENSITAS RADIASI MATAHARI TERHADAP WAKTU DAN SUHU AIR KELUARAN TERHADAP WAKTU PADA TIGA TIPE KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR

  LAMPIRAN B : HASIL PENGUKURAN SUHU AIR MASUKAN PADA EMPAT TIPE KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR

  LAMPIRAN A : HASIL PENGUKURAN LAJU ALIRAN AIR UNTUK TIGA TIPE KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR

  B. Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

  A. Kesimpulan

  B. Pembahasan BAB. V : PENUTUP

  27

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data hasil pengukuran laju aliran air pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca.Tabel 4.2 Nilai konstanta waktu dari empat tipe kolektor surya plat datar dengan n = 0,004 kg/s.

  xvi

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Energi surya yang diterima permukaan bumi.

Gambar 2.2. Kolektor surya plat datar tanpa penutup kaca.Gambar 2.3. Kolektor surya plat datar dengan penutup kaca.Gambar 2.4. Skema intensitas radiasi matahari yang mengenai kolektor.Gambar 3.1. Susunan rangkaian eksperimen.Gambar 4.1. Grafik hubungan intensitas radiasi matahari terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan

  n = 0,004 kg/s.

Gambar 4.2. Grafik hubungan suhu air keluaran terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s.Gambar 4.3. Grafik hubungan perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan

  n = 0,004 kg/s.

Gambar 4.4. Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s.Gambar 4.5. Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s.Gambar 4.6. Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s.

  xvii

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

Gambar 4.7. Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s.

  xviii

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Kebutuhan akan energi dewasa ini semakin meningkat seiring meningkatnya

  pertumbuhan penduduk. Sebagian besar energi yang digunakan saat ini merupakan energi hasil olahan dari bahan bakar fosil misalnya batubara dan minyak bumi. Ketersediaan bahan bakar fosil saat ini semakin berkurang karena tidak dapat diperbaharui. Oleh karena itu, untuk mengatasi permasalahan tersebut perlu dicari bentuk energi lain. Bentuk energi lain yang dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan hidup manusia yaitu energi radiasi matahari atau energi surya.

  Energi surya adalah suatu bentuk energi yang tersedia sangat berlimpah terlebih di daerah yang beriklim tropis seperti di Indonesia. Pemanfaatan energi surya dapat dilakukan baik secara langsung, misalnya untuk mengeringkan pakaian, maupun tidak langsung seperti penyediaan air panas untuk pencucian alat-alat rumah tangga, yaitu dengan membuat alat pengumpul energi surya yang disebut kolektor surya [Saputro, 2005].

  Kolektor surya tersusun atas selembar bahan konduktif sebagai plat penyerap dan pipa pembawa cairan yang menempel pada plat peyerap. Umumnya plat penyerap berwarna hitam, karena dapat memaksimalkan penyerapan. Namun dengan alasan estetika, penggunaan warna lain telah dilakukan yaitu warna biru.

  Selain itu penambahan lapisan penutup kaca pada permukaan kolektor dapat pula

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  2 memaksimalkan penyerapan energi surya [Tripanagnospoulost, et al, 2000].

  Kolektor surya jenis ini disebut kolektor surya plat datar.

  Kolektor surya plat datar menyerap energi surya kemudian mengkonversikannya menjadi panas. Kemampuan kolektor surya plat datar dalam mengkonversi energi surya menjadi panas diketahui dari karakteristik kolektor surya plat datar. Karakteristik kolektor surya plat datar dibagi menjadi karakteristik statik dan karakteristik dinamik [Doeblin, 1983].

  Penelitian untuk mengetahui karakteristik statik kolektor surya plat datar telah dilakukan Joko Saputro pada tahun 2005 [Saputro, 2005]. Pada penelitian tersebut diketahui kemampuan kolektor surya plat datar mengkonversi energi surya menjadi panas. Untuk kepentingan perancangan, tidak hanya karakteristik statik yang perlu diteliti tetapi juga karakteristik dinamik. Penelitian untuk mengetahui karakteristik dinamik kolektor surya plat datar dilakukan dengan menentukan konstanta waktu.

  Konstanta waktu merupakan waktu yang dibutuhkan sistem untuk menaikkan kinerja menjadi 63,2 % dari nilai keadaan akhir [Pakpahan, 1988]. Nilai konstanta waktu diukur menggunakan alat yang dapat mengikuti proses konversi energi dan perpindahan energi pada kolektor surya plat datar. Oleh karena itu, pada penelitian ini digunakan seperangkat alat ukur dari Vernier Software and Technology.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  3 B. Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang, maka rumusan masalahnya :

  1. Bagaimana mendapatkan data yang baik untuk menentukan konstanta waktu.

  2. Bagaimana pola karakteristik dinamik dari kolektor surya plat datar.

  C. Batasan Masalah

  Dalam penelitian ini masalah dibatasi pada :

  1. Kolektor yang digunakan adalah kolektor surya plat datar dengan konfigurasi plat penyerap berwarna hitam tanpa penutup kaca, plat penyerap berwarna hitam dengan penutup kaca, plat penyerap berwarna biru tanpa penutup kaca, dan plat penyerap berwarna biru dengan penutup kaca.

  2. Intensitas radiasi matahari yang datang dianggap konstan.

  D. Tujuan Penelitian

  Tujuan dari penelitian ini : 1. Mendapatkan data untuk menentukan konstanta waktu.

  2. Mengetahui karakteristik dinamik kolektor surya plat datar warna hitam dan biru dengan dan tanpa penutup kaca.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  4 E. Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini :

  1. Menambah kemampuan mengkaji secara analitis terhadap suatu sistem fisis sehingga dapat menuliskannya dalam persamaan matematika khususnya dalam bidang panas.

  2. Mampu mengoperasikan alat-alat serta piranti pengukuran yang terkomputerisasi.

  3. Mampu merancang dan membuat sistem pemanas berupa kolektor surya plat datar agar diperoleh penyerapan maksimal.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

BAB II DASAR TEORI A. Energi Surya Energi surya atau juga dikenal dengan energi radiasi matahari memegang

  peranan yang penting bagi kehidupan manusia. Semua sumber energi yang dipergunakan manusia memperoleh energi yang berasal dari energi surya. Energi surya dipancarkan matahari ke segala arah dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

Gambar 2.1 Energi surya yang diterima permukaan bumi

  Intensitas radiasi matahari yaitu laju energi surya setiap satu-satuan luas yang sampai ke permukaan bumi berubah-ubah karena saat melalui atmosfer, sebagian intensitas diserap, sebagian dipantulkan, dan sebagian lagi diteruskan menuju ke permukaan bumi seperti tampak pada Gambar 2.1. Intensitas radiasi matahari yang

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  6 diterima atmosfer bumi disebut konstanta surya yang besarnya kurang lebih

  2

  1353 Watt/m , sedangkan intensitas radiasi matahari yang sampai ke permukaan bumi

  2 antara jam 08.00 WIB–16.00 WIB rata-rata sebesar 530 Watt/m [Kreith, 1986].

B. Panas dan Perpindahan Panas Panas adalah bentuk energi yang mengalir akibat adanya perbedaan suhu.

  Perpindahan panas didefinisikan sebagai berpindahnya panas dari suhu tinggi ke suhu yang lebih rendah [Kreith, 1986]. Perpindahan panas dapat terjadi melalui tiga metode yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

  1. Konduksi Konduksi adalah perpindahan panas yang terjadi pada satu medium atau pada medium yang berlainan tanpa disertai perpindahan partikel zat

  [Kreith, 1986]. Apabila ditinjau dari teori molekuler yakni benda atau zat yang tersusun atas molekul–molekul, pemberian panas pada zat atau benda menyebabkan molekul itu bergetar [Naga, 1991]. Molekul–molekul yang bergetar ini tetap di tempatnya, tetapi getaran–getaran molekul ini menyebabkan bergetarnya molekul–molekul yang ada di sampingnya. Pada proses ini tenaga panas berubah menjadi tenaga getar, sebagai akibatnya temperatur pada bagian lain benda itu akan naik dan pada kondisi ini terjadi perpindahan panas.

  2. Konveksi Konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi karena partikel zat bersuhu tinggi berpindah tempat ke partikel zat yang bersuhu lebih rendah.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  7 Umumnya konveksi terjadi pada satu medium yang dapat mengalir yaitu medium cair dan gas. Oleh karena itu konveksi sangat erat kaitannya dengan fluida.

  3. Radiasi Radiasi adalah perpindahan panas akibat pemancaran energi dari suatu benda ke benda lainnya [Kreith, 1986]. Pada saat mencapai benda lainnya panas yang diradiasikan sebagian diserap, sebagian dipantulkan, dan sebagian lagi diteruskan.

  Sesuai penyelidikan Scheele, apabila benda dikenai radiasi panas, maka pada permukaannya akan menyerap panas itu, memantulkannya, dan meneruskannya ke dalam benda. Benda yang dapat menyerap seluruh panas dan memancarkan seluruh panas pada suhu yang sama disebut benda hitam.

  Kemampuan sebuah benda dalam menyerap energi dipengaruhi oleh koefisien serapannya. Semakin besar koefisien serapan suatu benda semakin besar pula kemungkinan benda tersebut dikatakan sebagai benda hitam [Naga, 1991].

  

C. Konversi Energi Surya Menjadi Panas dan Perpindahan Panas Pada

Kolektor Surya Plat Datar

  Kolektor surya plat datar merupakan alat yang dapat mengumpulkan energi surya kemudian mengkonversikannya menjadi panas. Panas hasil konversi tersebut, kemudian digunakan untuk menaikan suhu air yang mengalir pada kolektor. Pada penelitian ini, kolektor surya plat datar dibedakan menjadi dua yakni kolektor surya plat datar tanpa penutup kaca dan kolektor surya plat datar dengan penutup kaca.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  8

  1. Kolektor Surya Plat Datar Tanpa Penutup Kaca Sinar matahari yang datang dengan seluruh panjang gelombang langsung diterima oleh plat penyerap. Dari jumlah energi surya yang diterima plat, sebagian energi surya diserap, dan sebagian dipancarkan kembali ke lingkungan. Energi surya yang diserap kolektor langsung dikonversi menjadi panas.

  Panas hasil konversi dipindahkan secara konduksi ke pipa pembawa cairan. Dari pipa, panas dikonduksikan ke air yang mengalir. Selanjutnya terjadi perpindahan panas secara konveksi pada air sehingga suhu air yang mengalir melalui pipa menjadi naik. Gambar kolektor surya plat datar tanpa penutup kaca dapat dilihat pada Gambar 2.2 dibawah ini.

Gambar 2.2. Kolektor surya plat datar tanpa penutup kaca

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  9

  2. Kolektor Surya Plat Datar Dengan Penutup Kaca Penambahan penutup kaca pada permukaan kolektor seperti tampak pada

Gambar 2.3 dilakukan untuk mengoptimalkan kerja kolektor yakni menghambat pemancaran kembali (reradiasi) sinar matahari ke udara. Ketika sinar matahari

  yang datang dengan seluruh panjang gelombang mengenai penutup kaca, energi yang dipancarkan dengan gelombang pendek dapat menembus kaca, sedangkan energi dengan panjang gelombang panjang dipantulkan kembali oleh kaca.

Gambar 2.3. Kolektor surya plat datar dengan penutup kaca

  Energi yang menembus kaca tersebut diterima plat penyerap. Dari jumlah energi yang diterima plat penyerap sebagian energi diserap dan sebagian dipancarkan. Energi yang terpancar dari plat yang berlaku sebagai benda hitam tersebut mempunyai energi yang lebih kecil dibandingkan energi yang

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  10 menembus kaca. Energi yang terpancar tersebut terjebak sehingga tidak dapat keluar dari penutup kaca.

  Energi surya yang diserap plat langsung dikonversi menjadi panas. Panas kemudian dikonduksikan menuju pipa. Dari pipa, panas dikonduksikan ke air.

  Pada air terjadi perpindahan panas secara konveksi sehingga suhunya menjadi naik.

  

D. Karakteristik Dinamik Kolektor Surya Plat Datar Dalam Mengkonversi

Energi Surya Menjadi Panas

  Energi surya dengan intensitas radiasi matahari yang mengenai kolektor (I d ), sebagian intensitasnya diserap (I s ) dan sebagian lagi dipancarkan (I p ), seperti tampak pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Skema intensitas radiasi matahari yang mengenai kolektor

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  q t

  C p adalah kapasitas panas plat

  dimana q t adalah daya panas yang diterima plat dan air

  q t = C D(T o -T i ) (2.3)

  )

  i

  p ) D (T o

  a

  = (C

  Panas hasil konversi yang dikonduksikan ke plat dan air digunakan untuk menaikkan suhu plat dan air. Daya panas yang diterima plat dan air yang semula bersuhu T i naik menjadi T o adalah [D’Azzo & Houpis, 1966],

  11 Intensitas radiasi matahari yang diserap oleh kolektor (I s ) adalah [Stoecker & Jones, 1987],

  Saat mengenai kolektor, energi surya berubah menjadi panas. Panas tersebut digunakan untuk menaikan suhu plat dan air, dan dipindahkan ke lingkungan.

  dimana P s adalah daya matahari yang diserap oleh kolektor.

  P s = I s A P s = I d α A (2.2)

  Daya matahari yang diserap oleh kolektor dengan luas permukaan A adalah

  α adalah koefisien serapan. α tidak besatuan dan nilainya tergantung dari warna plat penyerap.

  adalah intensitas radiasi matahari yang mengenai kolektor

  I d

  dimana

   I s = I d α (2.1)

• + C
• T

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  12

  C a adalah kapasitas panas air C = C a + C p d D = . dt

  Selanjutnya panas dipindahkan secara konveksi pada air, sehingga suhu air di dalam pipa menjadi seragam yakni sebesar T o . Panas hasil konversi juga dipindahkan ke lingkungan melalui air yang mengalir. Daya panas yang dipindahkan melalui air ke lingkungan yang bersuhu T a adalah

  q = n S (T -T )

  (2.4)

  a o a

  dimana q a adalah daya panas yang dipindahkan ke lingkungan melalui air

  n adalah laju aliran air S adalah panas jenis air.

  Selain melalui air yang mengalir, panas hasil konversi juga dipindahkan ke lingkungan secara konduksi melalui penghambat. Daya panas yang dipindahkan ke lingkungan yang bersuhu T a melalui penghambat pada kolektor surya adalah

  T T o a q = - (2.5) e

  R R

  dimana q adalah daya panas yang dipindahkan melalui penghambat

  e R adalah hambatan panas penghambat.

  Berdasarkan hukum kekekalan energi, maka daya matahari yang diserap kolektor sama dengan jumlah daya panas yang diterima plat dan air dengan daya panas yang keluar dari kolektor melalui air dan penghambat.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  13 Oleh karena itu, persamaan (2.2), (2.3), (2.4), dan (2.5), dapat dituliskan menjadi

  P + s = q q a + q e (2.6) _t T T

o a

  I d α A = CD(T o -T - i ) + nS(T -T + o a ) (2.7) R R

  Jika laju aliran air konstan dan suhu lingkungan sama dengan suhu air masukan, maka persamaan (2.7), dapat dituliskan menjadi

1 I d α A = C D θ + ( nS+ ) θ (2.8)

  R

  dimana θ = T o - T i Persamaan (2.8) di atas dapat disederhanakan menjadi

  α A C

   I d = D θ +θ (2.9) ( + + nS

  1 R ) ( nS

  1 R ) K I τ D

  1 d = ( ) +

  θ (2.10) α A dengan K =

• nS

1 R

  ( ) C τ merupakan konstanta waktu [Doeblin, 1983].

  = ( + 1 R ) nS

  Konstanta waktu merupakan besaran yang menunjukan karakteristik dinamik kolektor surya plat datar dalam mengkonversi energi surya menjadi panas. Konstanta waktu adalah waktu yang diperlukan oleh kolektor surya plat datar untuk menaikan suhu air menjadi 0,632 dari nilai keadaan akhir.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  14 Apabila kolektor dikenai intensitas radiasi matahari sebagai masukan fungsi tangga, maka penyelesaian khusus persamaan (2.10) adalah θ SS (t) = K I d (2.11) sedangkan penyelesaian komplementer persamaan (2.10) adalah θ

• t/
• t/
• t/
• K I

  T (t) = B e

  d

  ) (2.15) Nilai konstanta waktu diperoleh dengan fit grafik θ terhadap t dengan persamaan (2.15).

  τ

  K I d (1- e

  θ

  ( ) = t

  ) (2.14) sehingga diperoleh penyelesaian akhirnya adalah

  τ

  (e

  d

  τ

  θ K I

  maka,

  B = - K I d

  θ = 0, jadi,

  (2.13) Untuk menentukan nilai B diberikan syarat batas yaitu, pada , = t ( ) t

  τ

  θ (t) = θ T (t) + θ SS (t) = K I d + B e

  (2.12) dengan B adalah konstanta maka penyelesaian total dari persamaan (2.10) merupakan jumlahan dari penyelesaian khusus dan penyelesaian komplementer yaitu

  ( ) = t

• t/

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

BAB III PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilaksanakan di halaman bengkel fisika, laboratorium fisika, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Waktu penelitian untuk pengambilan data antara jam 10.00 WIB sampai 13.00 WIB. B. Alat dan Objek Penelitian

  a. Alat Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah.

  1. Satu Unit Komputer Digunakan untuk merekam dan menampilkan data selama proses pengukuran berlangsung. Pada komputer dilengkapi perangkat lunak

  loggerpro dari Vernier Software and Technology.

  2. Loggerpro Loggerpro merupakan piranti lunak yang dioperasikan untuk mengukur

  intensitas radiasi matahari dan suhu air.

3. Interface

  Adalah perangkat yang digunakan untuk mengubungkan thermometer probe dan lightsensor ke komputer.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  16

  4. Thermometer Probe

  Digunakan untuk mengukur suhu air sebelum dan sesudah melewati kolektor.

  5. Lightsensor

  Digunakan untuk megukur intensitas radiasi matahari yang mengenai kolektor.

  6. Gelas Ukur Digunakan untuk mengukur volume air yang melewati kolektor.

  7. Stopwatch Digunakan untuk mengukur waktu aliran air yang melewati kolektor.

  b. Objek Penelitian Pada penelitian ini yang dijadikan objek penelitian adalah 1. Kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca.

  2. Kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca.

  3. Kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca.

  4. Kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca. Keempat tipe kolektor tersebut memiliki dimensi dan ukuran yang sama. Berikut adalah dimensi dan ukuran dari keempat tipe kolektor surya plat datar tersebut.

  1. Plat penyerap

  a. Bahan : Tembaga

  b. Tebal : 1 mm

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  17

  c. Panjang : 1 m

  d. Lebar : 0,45 m

  e. Jarak plat ke kaca : 0,05 m

  f. Warna hitam : Cat aerosol semprot pylox hitam 103

  g. Warna biru : Cat aerosol semprot pylox biru 109

  2. Pipa cairan

  a. Bahan : Tembaga

  b. Panjang : 4,5 m

  c. Diameter pipa : 0,0055 m

  3. Kaca penutup

  a. Bahan : Kaca bening

  b. Tebal : 0,03 m

  4. Penghambat (isolator)

  a. Bahan : Styroform(Polystyrene heat insulation)

  b. Tebal : 0,122 m

  5. Kerangka

  a. Bahan : Kayu

  b. Panjang : 1,04 m

  c. Lebar : 0,47 m

  d. Tinggi : 0,15 m

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  18 C. Metode Pengambilan Data

1. Susunan Alat • Thermometer probe dan lightsensor dihubungkan dengan komputer.

• Lightsensor ditempatkan sejajar dengan kolektor, hal ini dimaksudkan agar intensitas radiasi matahari yang terukur merupakan intensitas radiasi yang mengenai kolektor.
• Susunan rangkaian eksperimen dapat dilihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Susunan rangkaian eksperimen

  2. Proses Pengambilan Data

• Nyalakan komputer yang sudah disusun seperti pada gambar di atas, dan operasikan piranti lunak loggerpro.
• Ukur volume air yang melewati kolektor setiap satu-satuan waktu.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  19

• Atur lama pengambilan data selama satu menit dan pencacahan data setiap satu detik. Kemudian rekam data suhu air masukan. Selama pengambilan data berlangsung kolektor ditutup dengan penghalang agar tidak ada sinar matahari yang masuk.
• Atur lama pengambilan data selama tiga jam dan pencacahan data setiap satu detik. Rekam data suhu air keluaran dan intensitas radiasi matahari. Perekaman dimulai bersamaan dengan dibukanya penghalang kolektor. Apabila suhu air keluaran sudah konstan, kolektor kembali dihalangi terhadap sinar matahari. Sementara itu perekaman data terus dilakukan hingga suhu air keluaran konstan kembali.

D. Metode Analisis Data

  1. Menghitung laju aliran air yaitu dengan mengetahui massa air yang melewati kolektor setiap satu-satuan waktu.

  2. Menghitung suhu air masukan yaitu dengan merata-ratakan nilai suhu air yang diperoleh saat pengukuran.

  3. Menentukan konstanta waktu dengan dengan fit grafik hubungan perbedaaan suhu air ( θ ) terhadap waktu ( ), dengan persamaan (2.15). t

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. Hasil Penelitian Telah dilakukan pengumpulan energi surya dengan menggunakan kolektor surya

  plat datar berwarna hitam dan biru, dengan dan tanpa penutup kaca untuk menentukan konstanta waktu. Kolektor surya plat datar disinari langsung dengan sinar matahari selama tiga jam dari jam 10:00 WIB s/d 13:00 WIB.

  Penelitian untuk menentukan konstanta waktu kolektor surya plat datar dalam mengkonversi energi surya menjadi panas, diawali dengan menganalisis sistem fisis kolektor yaitu dengan membuat persamaan kesetaraan panas. Setelah diperoleh persamaan kesetaraan panas, kemudian dilakukan eksperimen terhadap empat jenis kolektor dengan tipe yang berbeda untuk mendapatkan data-data yang diperlukan. Untuk setiap tipe kolektor surya plat datar dilakukan pengukuran laju aliran air, suhu air masukan, serta intensitas radiasi matahari dan suhu air keluaran.

  Pengukuran laju aliran air yang melewati kolektor dilakukan dengan cara menghitung waktu yang dibutuhkan air untuk mengisi gelas ukur dengan volume 50 mL, 100 mL, 150 mL, 200 mL, dan 250 mL sebanyak tiga kali. Hasil pengukuran laju aliran air pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dapat dilihat pada Tabel 4.1.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  21

Tabel 4.1 Data hasil pengukuran laju aliran air pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca.

  Waktu (s) Volume Air (mL)

  I II

  III 50 10,8 10,8 10,8 100 21,6 21,8 21,1 150 32,0 31,9 32,1 200 41,9 42,0 42,3 250 52,7 51,9 52,7

  Dari data hasil pengukuran tersebut, dihitung laju aliran air yang melewati kolektor yaitu dengan membagi volume air terhadap waktu. Setelah itu satuannya dirubah menjadi massa per satuan waktu. Kemudian hasil laju aliran air pada

Tabel 4.1 di atas dirata-ratakan, sehingga menghasilkan laju aliran air kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca adalah 0,004 kg/s.

  Setelah mengukur laju aliran air yang melewati kolektor, selanjutnya adalah mengukur suhu air yang menuju kolektor. Data hasil pengukuran suhu air masukan kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dapat dilihat pada Lampiran B.1. Dari data hasil pengukuran suhu air masukan diperoleh nilai suhu air masukan dengan merata-ratakan nilai suhu air masukan. Nilai suhu air masukan kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s

  o

  ± C. adalah (33,8 0,2)

  Langkah selanjutnya adalah pengukuran intensitas radiasi matahari dan suhu air keluaran. Grafik hasil pengukuran intensitas radiasi matahari dan suhu air keluaran

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  22 pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan n = 0,004 kg/s tanpa penutup kaca dapat dilihat pada Gambar 4.1 dan 4.2. ₁₂₀₀₀₀

  lux) ₁₀₀₀₀₀ ( ri ha ₈₀₀₀₀ ta a M ₆₀₀₀₀ si a di a ₄₀₀₀₀ s R a it ns 20000 te In _{50 100 150 200 250 300 350 400}

  Waktu (s)

Gambar 4.1 Grafik hubungan intensitas radiasi matahari terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan

  n = 0,004 kg/s.

  48 )

  46 oC

  44 n ( ra a

  42 lu e

  40 K ir

  38 uhu A

  36 S

  34 50 100 150 200 250 300 350 400

Waktu (s)

Gambar 4.2 Grafik hubungan suhu air keluaran terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan

  n = 0,004 kg/s.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  23 Pada Gambar 4.1 terlihat bahwa intensitas radiasi matahari yang mengenai permukaan kolektor adalah konstan. Selanjutnya dibuat grafik hubungan suhu air keluaran terhadap waktu seperti yang terlihat pada Gambar 4.2. Dari Gambar 4.2 dibuat grafik perbedaan suhu air terhadap waktu seperti yang ditampilkan pada

Gambar 4.3 dibawah ini.

  14 C) o

  12 ( ir

  10 A u

  8 h u

6 S

  4 aan ed

  2 rb e P

  50 100 150 200 250 300 350 400

Waktu (s)

Gambar 4.3 Grafik hubungan perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan

  n = 0,004 kg/s.

  Perbedaan suhu air diperoleh dari selisih suhu air keluaran terhadap suhu air masukan. Dari Gambar 4.3 kemudian dilakukan fit grafik dengan persamaan (2.15).

  Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan n = 0,004 kg/s dapat dilihat pada

Gambar 4.4 dibawah ini.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  24

Gambar 4.4 Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca dengan

  n = 0,004 kg/s.

  Dengan cara yang sama pengambilan data untuk tiga tipe kolektor surya plat datar yang lain telah dilakukan. Data hasil pengukuran laju aliran air dan suhu air masukan, pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca, dan kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca dapat dilihat pada Lampiran A dan B.

  Data hasil pengukuran intensitas radiasi matahari dan suhu air keluaran pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca, dan kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca ditampilkan dalam bentuk grafik. Grafik hubungan intensitas radiasi matahari terhadap waktu dan grafik hubungan suhu air keluaran terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca, kolektor

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  25 surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca, serta kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca dapat dilihat pada Lampiran C.

  Dari grafik hubungan suhu air keluaran terhadap waktu pada Lampiran C, selanjutnya dibuat grafik hubungan perbedaan suhu air terhadap waktu. Grafik hubungan perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca, serta kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca dapat dilihat pada Lampiran D. Dari Gambar D.1, D.2, dan D.3 pada Lampiran D, selanjutnya dilakukan fit grafik dengan persamaan (2.15). Hasil fit grafik hubungan perbedaan suhu air terhadap waktu dengan persamaan (2.15) pada tiga tipe kolektor surya plat datar ditampilkan pada Gambar 4.5, 4.6, dan 4.7.

Gambar 4.5 Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca dengan

  n = 0,004 kg/s.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  26

Gambar 4.6 Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca dengan

  n = 0,004 kg/s.

Gambar 4.7 Hasil fit grafik perbedaan suhu air terhadap waktu pada kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca dengan

  n = 0,004 kg/s.

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  27 Dari hasil fit grafik pada Gambar 4.4, 4.5, 4.6, dan 4.7 diperoleh nilai konstanta waktu dengan laju aliran air 0,004 kg/s pada kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan penutup kaca, kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa penutup kaca, dan kolektor surya plat datar berwarna biru dengan penutup kaca berturut-turut adalah (93 ± 1) s, (82 ± 1) s, (116 ± 1) s, dan (115 ± 1) s.

B. Pembahasan

  Kolektor surya plat datar adalah alat yang dapat mengkonversi energi surya menjadi panas. Kemampuan kolektor surya plat datar dalam mengkonversi energi surya menjadi panas diketahui dari karakteristik statik dan karakteristik dinamik.

  Karakteristik statik adalah karakteristik dari sistem yang timbul sebagai akibat dari ciri fisik sistem. Misalnya, perbedaan kemampuan kolektor surya plat datar berwarna hitam dan biru dalam mengkonversi energi surya menjadi panas. Demikian pula perbedaan kemampuan kolektor surya plat datar tanpa penutup kaca dan dengan penutup kaca dalam mengkonversi energi surya menjadi panas [Saputro, 2005].

  Karakteristik dinamik berkaitan dengan respon sistem akibat dikenainya input. Karakteristik dinamik kolektor surya plat datar ditentukan dari nilai konstanta waktu. Untuk dapat melihat serta menganalisis respon kolektor surya plat datar terhadap masukan harus dilakukan pengukuran yang bersifat kontinu.

  Untuk mendapatkan data secara kontinu diperlukan alat yang dapat mengikuti proses yang terjadi selama pengukuran berlangsung. Pada penelitian ini digunakan

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  28 alat ukur thermometer probe, lightsensor dan loggerpro yang sudah terhubung dengan komputer. Keunggulan lain dari sistem pengukuran ini adalah dapat merekam data sebanyak-banyaknya, serta dapat menampilkan data sehingga membantu peneliti untuk menganalisis data saat pengukuran berlangsung. Selain itu, sistem pengukuran ini dapat mengurangi efek kesalahan pembacaan skala. Pada penelitian ini pengukuran diawali dengan mengukur laju aliran air yang melewati kolektor.

  Pengukuran laju aliran air yang melewati kolektor dilakukan sebanyak tiga kali dengan cara menghitung waktu yang diperlukan air untuk mengisi gelas ukur. Setelah diperoleh hasil pengukuran, selanjutnya dirata-ratakan nilai laju aliran air pada semua tahapan untuk mendapatkan laju aliran air yaitu massa per satuan waktu yang melewati kolektor surya plat datar.

  Setelah didapat laju aliran air untuk masing-masing tipe kolektor, langkah selanjutnya adalah pengukuran suhu air masukan. Kemudian dilakukan pengukuran intensitas radiasi matahari yang mengenai kolektor dan suhu air keluaran.

  Pengukuran intensitas radiasi matahari dan suhu air keluaran dilakukan bersamaan. Intensitas radiasi matahari sebagai input fungsi tangga dikenakan pada kolektor dengan cara membuka penghalang kolektor dari sinar matahari saat dimulainya pengukuran. Selama pengukuran suhu air keluaran, intensitas radiasi matahari yang terbaca harus konstan. Pada Gambar 4.1 dan Gambar C.1, C.3, C.5 pada Lampiran C, memperlihatkan bahwa intensitas radiasi matahari yang mengenai kolektor surya plat datar adalah konstan. Pengukuran intensitas radiasi matahari dan

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  29 suhu air keluaran diakhiri apabila suhu air keluaran yang terbaca pada layar komputer konstan.

  Pada Gambar 4.2, dan Gambar C.2, C.4, C.6 pada Lampiran C terlihat bahwa suhu air keluaran naik secara eksponensial kemudian bergerak konstan mengikuti persamaan (2.15). Pada Gambar 4.2, dan Gambar C.2, C.4, C.6 pada Lampiran C juga memperlihatkan bahwa suhu air keluaran akan bergerak menuju ke keadaan yang konstan apabila telah melewati konstanta waktunya.

  Konstanta waktu diperoleh dengan mem-fit grafik hubungan perbedaan suhu air terhadap waktu seperti pada Gambar 4.3, dan D.1, D.2, D.3 pada Lampiran D dengan persamaan (2.15). Fit grafik dilakukan menggunakan perangkat lunak loggerpro. Pada perangkat tersebut, fit grafik dilakukan dengan mencari grafik yang mendekati bentuk asli yakni grafik perbedaan suhu air terhadap waktu seperti yang terlihat pada Gambar 4.4, 4.5, 4.6, dan 4.7. Dari hasil fit grafik diperoleh nilai konstanta waktu keempat tipe kolektor surya plat datar. Nilai konstanta waktu keempat tipe kolektor surya plat datar dapat dilihat pada Tabel 4.2.

Tabel 4.2 Nilai konstanta waktu dari empat tipe kolektor surya plat datar dengan n = 0,004 kg/s.

  Warna plat Konstanta Waktu (s) penyerap Tanpa penutup kaca Dengan penutup kaca

  Hitam 93 ± 1 82 ± 1 Biru 116 ± 1 115 1 ±

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  30 Dari Tabel 4.2 diperoleh nilai konstanta waktu rata-rata untuk empat tipe kolektor surya plat datar yaitu (101 ± 17) s. Apabila nilai konstanta waktu empat tipe kolektor surya plat datar pada Tabel 4.2 dibandingkan dengan nilai konstanta waktu rata-rata maka terdapat selisih. Nilai selisih ini merupakan efek dari warna plat penyerap dan penggunaan penutup kaca pada kolektor.