Rancang Bangun Kolektor Surya Plat Datar untuk Pemanas Air Dengan Kaca Berlapis Ketebalan 5mm

RANCANG BANGUN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR UNTUK
PEMANAS AIR DENGAN KACA BERLAPIS KETEBALAN 5MM

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

OLEH

CHRIST JULIO BANGUN
NIM. 130421021

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN EKSTENSI
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
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

RANCANG BANGUN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR UNTUK
PEMANAS AIR DENGAN KACA BERLAPIS KETEBALAN 5MM

CHRIST JULIO BANGUN
NIM. 130421021

Telah Disetujui Oleh:

Pembimbing Skripsi,

Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST.MT
NIP. 197206102000121001

Penguji I

Penguji II

Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc.

Ir. Zaman Huri, M.T.

NIP. 194910121981031002

NIP. 194511051971061001

Diketahui Oleh :
Departemen Teknik Mesin
Ketua,

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri
NIP.196412241992111001

Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa sebab karena kasih dan
karuniaNya penulis mampu menyelesaikan tugas sarjana ini.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
sehingga memperoleh gelar sarjana, di Departemen Teknik Mesin, Fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun tugas sarjana yang dipilih dengan
judul “ Rancang Bangun Kolektor Surya Plat Datar Untuk Pemanas Air
Dengan Kaca Berlapis Ketebalan 5mm ”.
Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini penulis banyak mendapat
dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini penulis ingin
menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST., MT., selaku dosen pembimbing
yang telah meluangkan waktu untuk memberikan arahan dan masukan
dalam penyelesaian skripsi ini.

2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin, Fakultas Teknik, Univesitas Sumatera Utara.
3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai serta staff laboratorium di
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
4. Orang Tua penulis Ibu Rumondang Sianipar dan Darmawan Bangun(+)
yang senantiasa memberikan doa dan dorongan dalam menyelesaikan
skripsi ini.
5. Abang dan kakak, Ferry Gunawan Bangun, Dony Franky Bangun, Novrida
Krisyanti Bangun dan Selvy Rehulinta Bangun yang telah memberikan
dukungan baik dalam doa, dana dan motivasi untuk menyelesaikan skripsi
ini.
6. Rekan satu tim Safriansyah Hasibuan dan teman-teman ekstensi angkatan
2013 yang telah memberikan saran dan masukan sehingga skripsi ini dapat
diselesaikan dengan baik.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan-kekurangan dalam skripsi ini.
Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun

i
Universitas Sumatera Utara

untuk penyempurnaan skripsi ini. Sebelum dan sesudahnya penulis mengucapkan
banyak terima kasih.

Medan, 13 Februari 2016
Penulis.

Christ Julio bangun
NIM. 130421021

ii
Universitas Sumatera Utara

ABSTRAK
Salah satu sumber daya energi terbarukan yang potensial untuk
menghasilkan air panas adalah energi surya. Alat ini dinamakan sebagai pemanas
air tenaga surya. Pada peralatan ini, energi matahari dikumpulkan kemudian
ditransfer ke air pada pipa penukar kalor. Salah satu kelemahan pemanas air
tenaga surya tekhusus pada kolektor surya plat datar adalah kehilangan panas
yang cukup tinggi. Menggunakan kaca berlapis merupakan salah satu solusi
terbaik. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui performansi

pemanas air tenaga surya dengan kaca berlapis. Kali ini yang akan dipanasi oleh
kolektor surya adalah air laut. Dimensi dari kolektor surya plat datar ini adalah 1,5
m x 0,64 m x 0,169 m, dan kaca penutup 1 yaitu 1,2 m x 0,6 m x 0,005 m
sedangkan kaca penutup 2 yaitu 1,0 m x 0,5 m x 0,005 m dengan jarak antara kaca
penutup 1 dan kaca penutup 2 adalah 0,005 m. Kolektor surya terdiri dari lapisan
kayu, sterofoam, dan rockwoll sebagai isolator, plat alumunium sebagai penyerap
panas. Dan juga dirancang tangki tempat air yang akan dipanasi yaitu 0,3 m x
0,3m x 0,4 m. Dari hasil analisis yang dilakukan diperoleh panas radiasi pada
pukul 12.41 WIB adalah 870,6 W/m2 yang dapat diserap kolektor adalah 689,09
Watt, kehilangan panas pada kolektor adalah 174,838 Watt dan efisiensi dari
kolektor surya yang didapat adalah 64,7%.

Kata Kunci : Pemanas Air, Kolektor Surya, Kaca Berlapis, Pindahan Panas

iii
Universitas Sumatera Utara

ABSTRACT
One of the potential renewal energy resources in producing hot water is
solar energy. This device is called solar energy water heater. In this device, solar

energy is collected and transfered to water. The weakness of this solar energy
water heater is that the process of transfering in pipe. One disadvantage of solar
water heaters especially those on a flat plate solar collector is high enough heat
loss. Using a layered glass is one of the best solution. The objective of the
research was to find out the performance of solar energy water heater with glasslined. This time will be heated by the solar collectors is sea water. Dimension of
the flat-plate collector is 1,5 m x 0,64 m x 0,169 m and glass cover one is 1,2 m x
0,6 m x 0,005 m and glass cover two is 1,0 m x 0,5 m x 0,005. Solar collector
consist of a layer of wood, sterofoam and rockwoll as insulators, alumunium plate
as a heat sink. And also designed the tank where the water will be heated namely
0,3m x 0,3m x 0,4m. From the result obtained by the analysis at.12.41 is 870
W/m2 carried an average heat radiation that can be absorbed by the collector is
689,09 Watts, the average heat loss in collector is 174,838 Watts and the average
efficiency of the solar collector obtained during the testing process is 64,7 %.

Keywords : Heat Water, Solar Collector, Glass-lined, Heat Transfer

iv
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ......................................................................................

i

ABSTRAK ........................................................................................................ iii
DAFTAR ISI ......................................................................................................

v

DAFTAR TABEL ............................................................................................ viii
DAFTAR GAMBAR .........................................................................................

ix

DAFTAR LAMPIRAN………………………………………………………... xii
DAFTAR NOTASI ............................................................................................ xiii
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang ............................................................................................

1

1.2. Tujuan penelitian.........................................................................................

3

1.3. Manfaat Penelitian ......................................................................................

3

1.4. Batasan Masalah..........................................................................................

3

1.5. Sistematika Penulisan .................................................................................

4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA.......................................................................

5

2.1. Kolektor Surya Plat Datar ...........................................................................

5

2.2. Klasifikasi Kolektor Surya ..........................................................................

7

2.2.1. Jenis Kolektor Surya ...........................................................................

8

2.2.2. Sistem Pemanas Air Tenaga Surya .....................................................

10

2.3. Posisi Matahari .............................................................................................

12

2.4. Perpindahan Panas .......................................................................................

13

2.4.1. Konduksi .............................................................................................

13

v
Universitas Sumatera Utara

2.4.2. Konveksi .............................................................................................

15

2.4.3. Radiasi .................................................................................................

18

2.5. Penukar Kalor (Heat Exchanger) .................................................................

22

2.5.1 Jenis Penukar Kalor.............................................................................

23

2.6. Kehilangan Panas pada Bagian Atas ............................................................

24

2.7. Tinjauan Mekanika Fluida ...........................................................................

27

2.7.1 Viskositas ............................................................................................

27

2.7.2 Bilangan Reynold ................................................................................

27

2.7.3 Persamaan Kontinuitas ........................................................................

28

2.7.4 Perpindahan Klaor pada Air ................................................................

28

2.8. Desalinasi Air Laut............................................................................... .......

29

2.9. Energi Panas yang dikumpulkan Kolektor....... ............................................

31

2.10. Efisiensi Termal Kolektor.......................................................... ................

31

BAB III METODE PENELITIAN ..................................................................

32

3.1. Metode Pelaksanaan Penelitian ....................................................................

32

3.2. Waktu dan Tempat Penelitian ......................................................................

33

3.3. Metode Perancangan ....................................................................................

33

3.4. Perancangan Kolektor Surya ........................................................................

33

3.4.1. Perancangan Kaki Penyangga .............................................................

33

3.4.2. Perancangan Absorber ........................................................................

34

3.4.3. Perancangan Kaca Penutup .................................................................

34

3.4.4. Perancangan Isolasi .............................................................................

35

vi
Universitas Sumatera Utara

3.5. Alat dan Bahan .............................................................................................

35

3.5.1. Alat .....................................................................................................

35

3.5.2. Bahan .................................................................................................

39

3.6. Set Up Experimental ....................................................................................

45

BAB IV RANCANG BANGUN DAN HASIL DATA ....................................

47

4.1. Rancang Bangun Alat ..................................................................................

47

4.1.1 Penyangga Kolektor Surya ...................................................................

47

4.1.2 Perancangan Tangki Air Laut ..............................................................

47

4.1.3 Perancangan Pipa Air Sirkulasi ............................................................

48

4.1.4 Perancangan Kolektor Surya ................................................................

49

4.2 Perhitungan dan Hasil Data ...........................................................................

51

4.2.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari (Solar Radiation)........................

51

4.2.2 Perhitungan Kolektor Surya .................................................................

51

4.2.3 Menghitung Koefisien Konveksi .........................................................

53

4.2.4 Menghitung Kehilangan Panas ............................................................

56

4.2.5 Menghitung Panas Masuk pada Kolektor ...........................................

65

4.3 Efisiensi Kolektor Surya Plat Datar Kaca Berlapis ......................................

66

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................

67

5.1 Kesimpulan ..................................................................................................

67

5.2 Saran.............................................................................................................

67

DAFTAR PUSTAKA................................................................................. .......

69

LAMPIRAN

vii
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Nilai Parameter m, K, dan n .............................................................. 28
Tabel 3.1 Titik-titik Pengukuran Temperatur pada Kolektor Surya .................. 49
Tabel 4.1 Konduktivitas Termal Bahan .............................................................. 52
Tabel 4.2 Data Suhu dan Intensitas Radiasi Matahari ......................................... 54
Tabel 4.3 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 309,35 K ..................................... 56
Tabel 4.4 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 338,37 K ..................................... 57
Tabel 4.5 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 328,44 K ..................................... 64
Tabel 4.6 Sifat Fisik Udara Pada Temperatur 334,34 K ..................................... 66

viii
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Bagian Kolektor Surya Plat Datar ................................................... 5
Gambar 2.2 Kolektor Surya Plat Datar. .............................................................. 9
Gambar 2.3 Kolektor Surya Konsentrator .......................................................... 9
Gambar 2.4 Evacuted Receiver ........................................................................... 10
Gambar 2.5 Pemanas Air Sistem Langsung ........................................................ 11
Gambar 2.6 Pemanas Air Sistem Aktif Tidak Langsung ..................................... 11
Gambar 2.7 Deklinasi Matahari ........................................................................... 12
Gambar 2.8 Posisi Sudut Matahari....................................................................... 13
Gambar 2.9 Radiasi Sorotan Tiap Jam Pada Permukaan Miring......................... 14
Gambar 2.10 Komponen Radiasi Pada Permukaan Miring .................................. 15
Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konduksi ........................................................ 16
Gambar 2.12 Perpindahan Panas Konduksi Pada Kolektor ................................ 16
Gambar 2.13 Perpindahan Panas Konveksi Paksa dan Konveksi Natural .......... 17
Gambar 2.14 Perpindahan Panas Konveksi Plat Datar ....................................... 18
Gambar 2.15 Konveksi Natural dan Tebal Lapisan Batas ................................. 20
Gambar 2.16 Perpindahan Panas Radiasi............................................................ 21
Gambar 2.17 Skema Kehilangan Energi Panas Pada Kolektor........................... 26
Gambar 2.18 Penampang Saluran Pipa ............................................................... 30
Gambar 2.19 Skema Desalinas Sistem Vacum Natural.................................... .. 33
Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Pelaksanaan Penelitian .................................. 35
Gambar 3.2 Tube Cutter...................................................................................... 38

ix
Universitas Sumatera Utara

Gambar 3.3 Las Gas ............................................................................................ 39
Gambar 3.4 Pompa .............................................................................................. 39
Gambar 3.5 Gelas Ukur....................................................................................... 40
Gambar 3.6 Agilent (termokopel) ....................................................................... 40
Gambar 3.7 Hobo Microstation data logger ....................................................... 41
Gambar 3.8 Anemometer.............................................................................. ....... 42
Gambar 3.9 Kerangka Besi ................................................................................. 42
Gambar 3.10 Kayu Triplek ................................................................................. 43
Gambar 3.11 Rockwool ....................................................................................... 43
Gambar 3.12 Gabus (Sterofoam)......................................................................... 44
Gambar 3.13 Kaca............................................................................................... 44
Gambar 3.14 Plat Alumunium ............................................................................ 45
Gambar 3.15 Pipa Tembaga ................................................................................ 45
Gambar 3.16 Poros (Pejal) .................................................................................. 46
Gambar 3.17 Tangki Air Sirkulasi ...................................................................... 46
Gambar 3.18 Tangki Air Laut ............................................................................. 47
Gambar 3.19 Penyangga Kolektor Surya ............................................................ 47
Gambar 3.20 Set Up Experimental...................................................................... 48
Gambar 4.1 Kolektor Surya ................................................................................ 50
Gambar 4.2 Tangki Air Laut ............................................................................... 51
Gambar 4.3 Pipa Distribusi ................................................................................. 51
Gambar 4.4 Pipa Penukar Kalor.......................................................................... 51

x
Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.6 Dimensi Kolektor Surya .................................................................. 52
Gambar 4.7 Grafik Intensitas Radiasi Matahari .................................................. 54
Gambar 4.8 Grafik Temperatur Pada Tiap Titik Kolektor .................................. 55
Gambar 4.9 Lapisan-lapisan Susunan Kolektor .................................................. 60
Gambar 4.10 Dimensi Kolektor Surya ............................................................... 62
Gambar 4.11 Grafik Temperatur Kaca Penutup 1 dan Penutup 2....................... 63
Gambar 4.11. Grafik Kehilangan Panas pada Dinding, Alas, dan Atas.............. 68

xi
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Intensitas Matahari 04 Januari 2016.............................................. 71
Lampiran 2 Sifat Fisik Udara ............................................................................. 73
Lampiran 3 Sifat Fisik Air .................................................................................. 74
Lampiran 4 Sifat Fisik Air ................................................................................... 74
Lampiran 5 Koefisien Konveksi ......................................................................... 75
Lampiran 6 Kehilangan Panas ............................................................................ 79
Lampiran 7 Efisiensi Kolektor Surya .................................................................. 83

xii
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR NOTASI
̅A

Temperatur rata-rata air masuk dan air keluar (oC)

A

Massa jenis air (kg/m3)

Qa

Laju aliran air yang melewati pipa penukar kalor (m3/menit)

qa

Kapasitas panas pada air (Joule)

h1

Koefisien konveksi permukaan luar (W/m2K)

h2

Koefisien konveksi permukaan dalam (W/m2K)

Q1

Kehilangan panas pada sisi dinding (Watt)

Q2

Kehilangan panas pada sisi alas (Watt)

Q3

Kehilangan panas pada sisi atas (Watt)

Aa

Luas sisi kolektor bagian atas (m2)

TPa

Temperatur plat absorber (oC)

Tk1

Temperatur kaca penutup 1 (oC)

Tk2

Temperatur kaca penutup 2 (oC)

TG1

Temperatur ruangan antara kaca penutup 1 dan 2 (oC)

TG2

Temperatur ruangan kolektor surya (oC)

TL

Temperatur Lingkungan (oC)

Ua

Koefisien kehilangan panas dari bagian atas (W/m2K)

hv-k1

Kehilangan panas secara konveksi diatas permukaan kaca penutup 1 (W/m2K)

hd-k1

Kehilangan energi panas karena konduktivitas termal kaca 1 dan 2 (W/m2K)

hv-k2

Kehilangan panas akibat konveksi natural pada kaca penutup 2 (W/m2K)

hv-PA

Kehilangan panas akibat konveksi pada permukaan plat absorber (W/m2K)

hr-PA

Kehilangan panas akibat radiasi dari plat absorber ke lingkungan (W/m2K)

Qloss

Kehilangan panas total pada kolektor surya (Watt)

η

Efisiensi kolektor surya (%)

xiii
Universitas Sumatera Utara

I

Intensitas matahari(W/m2)

k

Konduktifitas termal (W/m.K)

σ

Konstanta Stefan Boltzman (W/m2K4)

Cp

Kapasitapanas spesifik (kJ/kg.K)

μ

Viskositas (N.s/m2)

v

Viskositas kinematik (m2/s)

Q

Debit aliran (m3/s)

ṁA

Laju aliran massa (kg/s)

qA

Kapasitas panas (J/s)

Kky

Konduktivitas termal kayu (W/m.K)

Kst

Konduktivitas termal sterofoam (W/m.K)

Kp

Konduktivitas termal plat absorber (W/m.K)

Krw

Konduktivitas termal rockwoll (W/m.K)

Qrad

Panas yang masuk pada kolektor (Watt)

xiv
Universitas Sumatera Utara