Perbandingan kemampuan kolektor surya plat datar berwarna hitam dan biru dengan atau tanpa lapisan kaca penutup dalam mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal - USD Repository

  

PERBANDINGAN KEMAMPUAN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR

BERWARNA HITAM DAN BIRU DENGAN ATAU TANPA LAPISAN

KACA PENUTUP DALAM MENGKONVERSI ENERGI RADIASI

MATAHARI MENJADI ENERGI TERMAL

SKRIPSI

  Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sains

  Program Studi Fisika Oleh :

  Joko Saputro

NIM : 993214007

NIRM : 990051122801120007

PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA

  

SKRIPSI

PERBANDINGAN KEMAMPUAN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR

BERWARNA HITAM DAN BIRU DENGAN ATAU TANPA LAPISAN

KACA PENUTUP DALAM MENGKONVERSI ENERGI RADIASI

MATAHARI MENJADI ENERGI TERMAL

  Oleh: Joko Saputro

  NIM: 993214007 NIRM: 990051122801120007

  Telah Disetujui Oleh: Pembimbing I

  Dr. Ign. Edi Santosa, M.Si Tanggal: 14 Maret 2005

  

SKRIPSI

PERBANDINGAN KEMAMPUAN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR

BERWARNA HITAM DAN BIRU DENGAN ATAU TANPA LAPISAN

KACA PENUTUP DALAM MENGKONVERSI ENERGI RADIASI

MATAHARI MENJADI ENERGI TERMAL

  Dipersiapkan dan ditulis oleh: Joko Saputro

  NIM: 993214007 NIRM: 990051122801120007

  Telah dipertahankan di depan Panitia Penguji pada tanggal 22 Maret 2005 dan dinyatakan memenuhi syarat

  Susunan Panitia Penguji Nama Lengkap Tanda Tangan

  Ketua : Ir. Ign. Aris Dwiatmoko, M. Sc. ____________ Sekretaris : Ir. Sri Agustini, M. Si. ____________ Anggota : Dr. Ign Edi Santosa, M. Si. ____________ Anggota : Drs. Drs. (Vet) Asan Damanik, M. Si. ____________ Anggota : Drs. Severinus Domi, M. Si. ____________

  Yogyakarta, 22 Maret 2005 Fakultas MIPA Universitas Sanata Dharma

  Halaman Motto dan Persemahan ORA ET LABORA “Biarlah Kebijaksanaan-Mu Menaungi Dan Menuntun Karyaku, Bunda”

   ”Sempurnakanlah karyaku ya Yesus agar menjadi rahmat untuk

sesama”

  “SEGALA SUATU PEKERJAAN JIKA DIHAYATI DENGAN PENGABDIAN DAN PENUH RASA SYUKUR AKAN MENJADI INDAH PADA WAKTUNYA”

  Skripsi ini kupe rse mba hka n untuk: Tuhanku Yesus yang baik, Keluargaku:

  Bapak,ibu,kakak-kakakku,adikku,kekasihku dan segenap keluarga besar di Lampung dan Palembang

  Pernyataan Keaslian Karya

  Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi yang saya tulis ini tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.

  Yogyakarta,

  22 Maret 2005 Penulis

  Joko Saputro

  

ABSTRAK

PERBANDINGAN KEMAMPUAN KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR

BERWARNA HITAM DAN BIRU DENGAN ATAU TANPA LAPISAN

KACA PENUTUP DALAM MENGKONVERSI ENERGI RADIASI

MATAHARI MENJADI ENERGI TERMAL

  Kolektor surya plat datar merupakan suatu peralatan yang dapat digunakan untuk memanaskan air. Kolektor tersebut menyerap energi radiasi dari matahari dan mengkonversikannya menjadi energi panas pada plat dan air. Parameter- parameter yang diteliti dalam penelitian ini adalah warna plat penyerap dan lapisan kaca penutup kolektor. Warna plat penyerap yang digunakan untuk penelitian adalah hitam dan biru dan pada bagian atas kolektor dibedakan dengan atau tanpa lapisan kaca penutup.

  Dari hasil penelitian didapatkan perbandingan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal oleh empat jenis kolektor yaitu kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup, kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan kaca penutup, kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca penutup, kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan kaca penutup. Secara berurutan perbandingan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal dari empat jenis kolektor tersebut adalah: 1 : 0,7 : 0,6 : 0,5.

  

ABSTRACT

THE ABILITY COMPARISON OF THE BLACK AND BLUE FLAT

PLATE SOLAR COLLECTOR WITH GLAZED OR UNGLAZED TO

CONVERT SOLAR RADIANT ENERGY INTO THERMAL ENERGY

  The flat plate solar collector is an equipment that can be used for water heating. This collector absorbs the radiant energy from the sun and than converts it into thermal energy in the plate and water. In this research, the examined parameters are absorber plate colour and cover of the collector.

  The comparison of the conversion solar radiant energy into thermal energy have been measured in four collectors i .e black glazed flat plate solar collector, black unglazed flat plate solar collector, blue glazed flat plate solar collector, blue unglazed flat plate solar collector. The comparison of the conversion solar radiant energy into thermal energy from these collectors are 1 : 0,7 : 0,6 : 0,5, respectively.

  

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmat- Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan dan penyusunan skripsi ini. Skripsi ini ditulis untuk memenuhi salah satu syarat dalam memperoleh gelar Sarjana Sains, Program Studi Fisika, Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.

  Dalam proses penulisan dan penyusunan skripsi ini, penulis menyadari bahwa tanpa bantuan dari berbagai pihak yang telah memberikan sumbangan pikiran, waktu, dan tenaga, skripsi ini tidak akan tersusun dengan baik. Oleh karena itu pada kesempatan ini Penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang tak terhingga kepada :

  1. Yesus, Bunda Maria, Santo Yosef, Para Santa/Santo, Roh Kudus, dan Malaikat Tuhan yang selalu menjagaku dan melindungiku.

  Terima kasih atas semua anugerah dan berkat yang telah kuterima.

  2. Bapak Dr. Ign Edi Santosa, M. Si , selaku Dosen Pembimbing yang telah membimbing dengan sabar, mengarahkan, menyediakan waktu dan memberi masukan yang berharga dalam proses penyusunan skripsi ini.

  3. Ayahanda A. Wakiyo dan Ibunda Maria Goretti Katherina, Ibu terkasih Rosalia Marsila, Kakak-kakakku (Mbak Yuni dan Kak Helman, Mas Kadri, Mas Pur) dan adik Anton, terima kasih atas segala doa dan usaha yang telah kita lalui dan yang akan terus kita perjuangkan sekeluarga.

  4. Ibu Ir. Sri Agustini Sulandri, M.Si., selaku Kaprodi fisika yang telah banyak memberikan dukungan dan bantuan selama masa kuliah.

  Ibu Dosen yang telah mendidik dan membagi pengetahuan dan pengalaman kepada penulis selama kuliah.

  6. Bapak Gito, Mas Agus dan Mas Eswanto yang telah membantu untuk menyiapkan alat-alat.

  7. Ibu Suwarni dan Bapak Tukijan di Sekretariat FMIPA.

  8. Para sahabatku angkatan ’99 (Berti, Wening, Heni, Indri, Sisi, Agnes), teman-teman FMIPA (Purbadi, Restu, Lusi, Acak, Vivi, Eros, Yudi, Yogi dan teman-teman lainnya), almamater FMIPA, komunitas KMPKS (Tuti, Tanti, Para Frater dan Romo SCJ di Papringan), My frends: Mas Ferry, Rico, Sam, WR, Anton, Djohan, Wanto, Endah, Frans, Andi, Ferry, Daniel, Sigit, dan alumnus IPA angkatan ’99 SMU. Xaverius Pringsewu, Lampung.

  9. Bapak dan Ibu Karyawan UPT Perpustakaan Paingan.

  10. Universitas Sanata Dharma atas segala fasilitas dan bantuan yang diberikan selama masa kuliah kepada penulis.

  11. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan di atas yang telah rela membantu dengan doa dan usaha untuk penulis hingga selesainya proses penyusunan skripsi ini. Penulis menyadari masih banyak kekurangan dan kesalahan dalam skripsi ini. Karena itu penulis sangat mengharapkan masukan dan saran dari pembaca demi perbaikan skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap semoga skripsi yang tidak sempurna ini bermanfaat bagi setiap pembaca.

  Yogyakarta, 22 Maret 2005 Penulis

  DAFTAR ISI

  8 2. Konveksi ..................................................................................

  14 BAB III METODE ANALISIS PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian .........................................................

  2. Kolektor surya plat datar tanpa kaca penutup (unglazed) ........................................................... 14 F. Konversi Energi Radiasi menjadi Energi Termal ...........................

  1. Kolektor surya plat datar dengan memakai kaca penutup (glazed) ............................................................... 13

  13

  12 E. Kolektor Surya Plat Datar ...............................................................

  3. Radiasi....................................................................................... 10 D. Benda Teradiasi dan Hukum Kirchoff ............................................

  10

  8 1. Konduksi ...................................................................................

  Halaman Halaman Judul............................................................................................. i Halaman Persetujuan Pembimbing ............................................................. ii Halaman Pengesahan .................................................................................. iii Halaman Motto dan Persembahan .............................................................. iv Pernyataan Keaslian Karya ......................................................................... v ABSTRAK .................................................................................................. vi ABSTRACT ............................................................................................... vii Kata Pengantar ............................................................................................ viii Daftar Isi ..................................................................................................... x Daftar Tabel ................................................................................................ xii Daftar Gambar............................................................................................. xiv

  7 C. Perpindahan Panas ..........................................................................

  6 B. Energi Panas....................................................................................

  BAB II DASAR TEORI A. Energi Surya....................................................................................

  E. Manfaat Penulisan........................................................................... 4

  3 D. Tujuan Penulisan ............................................................................ 4

  2 C. Rumusan Masalah ...........................................................................

  BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah.................................................................. 1 B. Batasan Masalah .............................................................................

  19

  BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. Hasil Penelitian ............................................................................... 29 B. Pembahasan..................................................................................... 42 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan ..................................................................................... 46 B. Saran................................................................................................ 47 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN Lampiran I : Hasil Pengukuran Perubahan Temperatur Air, dan Intensitas Radiasi Matahari untuk Empat Jenis Kolektor. Lampiran II : Data Hubungan Intensitas Radiasi Matahari Terhadap Perubahan Temperatur Air untuk Berbagai Laju Aliran Air Pada Empat Jenis Kolektor. Lampiran III : Gambar Kolektor yang Digunakan dalam Penelitian.

  DAFTAR TABEL

  Halaman

Tabel 4.1. Nilai perubahan suhu air dan intensitas radiasi matahari dari kolektor surya plat datar berwarna hitam

  dengan lapisan kaca penutup (glazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon.......................................... 30

Tabel 4.2. Nilai perubahan suhu air dan intensitas radiasi matahari dari kolektor surya plat datar berwarna hitam

  tanpa lapisan kaca penutup(unglazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon. ........................................ 31

Tabel 4.3. Nilai perubahan suhu air dan intensitas radiasi matahari dari kolektor surya plat datar berwarna biru

  dengan lapisan kaca penutup(glazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon.......................................... 31

Tabel 4.4. Nilai perubahan suhu air dan intensitas radiasi matahari dari kolektor surya plat datar berwarna biru

  tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon.......................................... 32

Tabel 4.5. Nilai perubahan suhu air terhadap intensitas radiasi matahari dari kolektor surya plat datar berwarna hitam

  dengan lapisan kaca penutup (glazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon.......................................... 33

Tabel 4.6. Nilai perubahan suhu air terhadap intensitas radiasi matahari dari kolektor surya plat datar berwarna hitam

  tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon..........................................

  34 Tabel 4.7. Nilai perubahan suhu air terhadap intensitas radiasi Matahari dari kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca penutup (glazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon.......................................... 35

Tabel 4.8. Nilai perubahan suhu air terhadap intensitas radiasi matahari dari kolektor surya plat datar berwarna biru

  tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon..........................................

  36 Tabel 4.9. Hubungan nilai konstanta 1/ η terhadap laju aliran air (

  V ) dari kolektor surya _air

  kaca penutup (unglazed) .........................................................

  39 Tabel 4.11. Hubungan nilai konstanta 1/ η terhadap laju aliran air (

  V ) dari kolektor surya _air

  plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca penutup (glazed) .............................................................. . 40

Tabel 4.12. Hubungan nilai konstanta 1/ η terhadap laju aliran air (

  V ) dari kolektor surya _air

  plat datar berwarna biru tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) ......................................................... 41 ρ c _{air air}

Tabel 4.13. Nilai gradien atau untuk empat

  k jenis kolektor surya plat datar..................................................

  42 Tabel 4.14. Nilai konstanta k dari empat jenis kolektor surya plat datar.........................................................................

  44 Tabel 4.15. Perbandingan konstanta k untuk empat _relatif jenis kolektor surya plat datar..................................................

  45

  

DAFTAR GAMBAR

  34 Gambar 4.2. Grafik hubungan delta T (

  C) terhadap laju aliran air ( ) _air

  o

  37 Gambar 4.5. Grafik hubungan nilai konstanta 1/ η (lux/

  C) terhadap intensitas radiasi matahari (lux) untuk plat penyerap berwarna biru tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon ...................................

  

o

  36 Gambar 4.4. Grafik hubungan delta T (

  C) terhadap intensitas radiasi matahari (lux) untuk plat penyerap berwarna biru dengan lapisan kaca penutup (glazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon ...................................

  

o

  35 Gambar 4.3. Grafik hubungan delta T (

  C) terhadap intensitas radiasi matahari (lux) untuk plat penyerap berwarna hitam tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon ...................................

  

o

  C) terhadap intensitas radiasi matahari (lux) untuk plat penyerap berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup (glazed) dengan laju aliran air 4,0 ml/sekon ...................................

  Halaman

  

o

  26 Gambar 4.1. Grafik hubungan delta T (

  dari kolektor surya plat datar ..............................................

Gambar 3.8. Sketsa penentuan kemampuan mengkonversi energi matahari menjadi energiGambar 3.7. Kolektor surya plat datar tanpa kaca penutup (unglazed)........................................... 24

  24 Gambar 3.6. Kolektor surya plat datar dengan memakai kaca penutup (glazed) ............................. 24

  23 Gambar 3.5. Bingkai kolektor dan bagian bawah kotak kolektor yang telah diisolasi dengan bahan isolator berupa gabus ................................................

  23 Gambar 3.4. Kaca penutup kolektor yang telah bingkai dengan kayu ....

  23 Gambar 3.3. Plat dan pipa tembaga yang sudah direkatkan ....................

  22 Gambar 3.2. Pipa tembaga .......................................................................

Gambar 2.2. Proses konduksi pada suatu penampang ............................. 9 Gambar 3.1. Plat tembaga ........................................................................Gambar 2.1. Pancaran energi radiasi matahari ke segala arah ................ 6

  V (ml/sekon)

  tanpa lapisan kaca penutup(unglazed) ................................ 39

  o

Gambar 4.7. Grafik hubungan nilai konstanta 1/

  C) η (lux/ terhadap laju aliran air (

  V ) (ml/sekon)

_air

  dari kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca penutup(glazed).................................. 40

  o

Gambar 4.8. Grafik hubungan nilai konstanta 1/ η (lux/

  C) terhadap laju aliran air (

  V ) (ml/sekon)

_air

  dari kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) ............................... 41

BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah Masalah energi merupakan suatu masalah yang tidak akan pernah

  berhenti dibicarakan, dikembangkan, dan diteliti orang. Hal tersebut dikarenakan pemakaian energi cenderung meningkat terus dengan meningkatnya peradaban manusia dan keterbatasan sumber energi khususnya sumber energi konvensional (minyak bumi, gas alam, dan batu bara).

  Peristiwa ini yang menyebabkan krisis energi. Satu di antara bentuk energi yang dapat digunakkan selain sumber energi konvensional adalah energi surya. Energi surya yang disediakan oleh alam untuk umat manusia khususnya yang tinggal di daerah tropis sangatlah berlimpah. Selain berlimpah dan tidak habis pakai, energi surya juga tidak menimbulkan polusi.

  Pemanfaatan energi surya dapat secara langsung maupun tidak langsung. Contoh pemanfaatan secara langsung misalnya untuk mengeringkan pakaian, hasil pertanian dan lain sebagainya. Sedangkan contoh pemanfaatan secara tidak langsung seperti digunakan untuk menyediakan air panas di rumah- rumah sakit, untuk keperluan industri seperti pencucian botol, dan sistem air panas untuk keperluan rumah tangga, yaitu dengan membuat alat-alat pembawa cairan yaitu air. Plat penyerap akan meyerap energi radiasi surya dan mengkonversikannya menjadi energi termal pada air. Parameter- parameter yang berpengaruh pada kemampuan kolektor surya dalam mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal di antaranya adalah warna plat penyerap dan lapisan penutup kolektor.

  Umumnya plat penyerap pada kolektor surya berwarna hitam untuk memaksimalkan energi radiasi yang diserap. Untuk pengembangan dari segi estetika pada warna plat penyerap, dalam penelitian ini selain warna hitam akan diteliti juga warna yang lain yaitu warna biru.

  Plat penyerap berwarna biru mempunyai nilai konversi yang lebih kecil dibandingkan dengan plat penyerap berwarna hitam. Untuk melihat seberapa perbedaan antara kedua plat penyerap maka dalam peneltian ini akan diukur dan dibandingkan nilai konversi yang dihasilkan pada kedua plat penyerap tersebut. Begitu juga halnya untuk bagian penutup kolektor, dalam penelitian ini akan dibedakan dengan atau tanpa lapisan kaca penutup.

  (Tripanagnostopoulost, et al., 2000) Dari alasan tersebut maka peneliti mengkaji lebih jauh tentang perbandingan kemampuan kolektor surya plat datar berwarna hitam dan biru dengan atau tanpa kaca penutup (glazed or unglazed) dalam mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal.

  1. Kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup (glazed).

  2. Kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan kaca penutup (unglazed).

  3. Kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca penutup (glazed).

  4. Kolektor surya plat datar berwarna biru tanpa lapisan kaca penutup (unglazed).

  Keempat kolektor memiliki bentuk, luas, bahan (isolator, plat, pipa) yang sama, begitu juga untuk tipe kolektor dengan lapisan kaca penutup mengunakan bahan kaca yang sama. Sampel cairan yang digunakan adalah air.

C. Rumusan Masalah

  Secara singkat penelitian ini akan menjawab beberapa persoalan sebagai berikut,yaitu :

  1. Bagaimana membuat alat pemanas air dengan mengunakan energi radiasi surya atau kolektor surya plat datar?

  2. Berapa besar perubahan temperatur air yang dihasilkan untuk berbagai laju aliran air dan intensitas radiasi matahari pada kolektor surya plat datar

  3. Berapa besar perbandingan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal dari kolektor surya plat datar berwarna hitam dan biru dengan atau tanpa memakai lapisan kaca penutup (glazed

  or unglazed )?

  D. Tujuan Penelitian

  Tujuan dari penelitian ini, yaitu: 1. Membuat kolektor surya plat datar.

  2. Mengukur perubahan temperatur air untuk berbagai laju aliran air dan intensitas radiasi matahari pada kolektor surya plat datar berwarna hitam dan biru dengan atau tanpa memakai lapisan kaca penutup (glazed or unglazed ).

  3. Menghitung dan membandingkan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal dari kolektor surya plat datar dengan plat berwarna hitam dan biru dengan atau tanpa memakai lapisan kaca penutup (glazed or unglazed).

  E. Manfaat Penelitian

  Manfaat dari penelitian ini adalah :

  1. Bagi peneliti berkaitan dengan bidang yang dipelajari adalah untuk

  2. Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan masukan bagi ilmu pengetahuan dan teknologi, maupun masyarakat khususnya dalam pemanfaatan energi surya melalui pembuatan alat pemanas air seperti kolektor surya (solar collector).

BAB II DASAR TEORI A. Energi Surya Pada dasarnya energi surya berasal dari reaksi nuklir yang ada di

  −

  d _s T

  π _s

  d

  , adalah luas permukaan matahari, dengan adalah diameter matahari, adalah temperatur permukaan matahari. ^{2 s}

  4

  2 K

  ×

  matahari. Energi tersebut dipancarkan ke segala arah dalam bentuk radiasi elektromanetik (Gambar 2.1).

  

Matahari

_s

d

R

  10 67 .

  W/m ⁸

  Dengan σ adalah tetapan Stefan-Boltzmann =

  

T d P π σ =

  Besarnya daya radiasi yang dipancarkan oleh matahari dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Stefan-Boltzmann (Jansen, 1995): _{4 2 s s total}

Gambar 2.1. Pancaran energi radiasi matahari ke segala arah

  Bumi

  5

  2

  adalah

  4 R . Berarti intensitas radiasi yang diterima oleh permukaan bumi π adalah: _{2 4}

  σ d T _{s s}

  I = ₂

  4 R Dengan konstanta-konstanta yang telah diketahui yaitu diameter ₉ matahari

  1 . 39 × 10 m, temperatur permukaan matahari 5762 K, dan jarak rata- ₁₁ rata antara matahari dan bumi 1 . 5 × 10 m, maka besarnya intensitas radiasi matahari sampai permukaan bumi dalam arah tegak lurus adalah: _{8 2 4 9 2 2 3 4 4}

  −

  5.67

  10 W/ m K

  1.39 10 m 5.672

  10 K × × × × ×

  ( ) ( ) ( ) I = _{11 2 2}

  4 × 1.5 × 10 m

  ( )

  2 = 1353 W/m .

  Nilai I disebut sebagai konstanta surya.

  Setelah mengalami proses penyerapan, pemantulan, dan sebaran di dalam atmosfer, besarnya intensitas radiasi matahari yang sampai ke

  2

  permukaan bumi antara jam 8.00 - jam 16.00 WIB rata-rata sebesar 530 W/m untuk sebuah permukaan datar.

B. Energi Panas

  Jika suatu zat bermassa m dipanaskan sehingga suhunya berubah sebesar

  T

  Δ dan panas jenis zat adalah sebesar c, maka energi Q yang diserap oleh zat dengan:

  Q adalah energi (kalori) m adalah massa zat (kg) o c adalah panas jenis zat (kalori/kg

  C)

  o

  Δ adalah perubahan suhu pada zat ( T

  C)

C. Perpindahan Panas

  Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu antara benda- benda tersebut (Kreith, 1973).

  Ada tiga proses dalam perpindahan panas yaitu: konduksi, konveksi, dan radiasi.

1. Konduksi

  Konduksi kalor adalah proses di mana panas mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam suatu medium atau antara medium-medium yang berlainan (padat, cair, gas) yang bersinggungan secara langsung (Kreith, 1973).

  Pada perpindahan panas secara konduksi, energi panas ditransfer lewat interaksi antara atom-atom atau molekul-molekul, walaupun atom- atomnya sendiri tidak berpindah. Sebagai contoh, jika salah suatu ujung atom di ujung lebih dingin. Karena interaksi atom-atom yang lebih energetik dengan sekitarnya, energi dipindahkan sepanjang batang.

  Jika padatan adalah logam, maka perpindahan energi panas dibantu oleh elektron-elektron bebas yang bergerak di seluruh logam, sambil menerima dan memberi energi panas ketika bertumbukan dengan atom- atom logam.

  

A

H T ₁ T ₂ Δ x

Gambar 2.2. Proses konduksi pada suatu penampang dindingGambar 2.2 menunjukkan suatu penampang dengan luas permukaan A yang mempunyai perbedaan suhu T T T x .

  Δ yaitu dan sepanjang Δ _{1 2} Bila suhu di permukaan sebelah kiri T dan sebelah kanan T dengan T > _{1 2 1} T maka panas akan dikonduksikan dari permukaan penampang yang ₂ bersuhu lebih tinggi ke permukaan penampang yang bersuhu lebih rendah.

  Besarnya gradien temperatur pada penampang tersebut adalah .

  Δ / T Δ x

  Jika Δ adalah jumlah energi yang dikonduksikan lewat penampang Q dalam selang waktu Δ t , maka laju konduksi energi adalah Δ / Q Δ t dan sering disingkat dengan H .

  Δ T

  H = − k A

  Δ x dengan k adalah konduktivitas termal (Joule/s m K) yang menyatakan laju perpindahan panas yang melewati satu satuan luasan penampang sejauh satu satuan panjang penampang dan

  

o

  mempunyai perbedaan suhu 1 C.

  o

  Nilai k ini mempunyai jangkauan antara 0,03 W/m C (isolator yang

  o

  baik) sampai 400 W/m C (logam-logam yang konduktif) (Prasetyo dan Setiawan, 1991).

  Tanda ( - ) menunjukkan arah aliran panas dari suhu tinggi ke suhu rendah.

2. Konveksi

  Berbeda dengan perpindahan panas secara konduksi, perpindahan panas secara konveksi merupakan perpindahan panas yang disebabkan karena adanya perpindahan massa. Proses perpindahan panas secara konveksi berhubungan erat dengan aliran fluida. Jika air yang dipanaskan dipaksa bergerak dengan alat peniup atau pompa kompresor maka proses tersebut dinamakan konveksi paksa. Kalau air yang dipanaskan mengalir akibat perbedaan massa jenis oleh karena perbedaan temperatur maka proses tersebut merupakan konveksi bebas atau alami (Sears dan Zemansky, 1969). Pada saat mencapai permukaan tersebut, foton-foton akan diserap, dipantulkan atau diteruskan (Stoecker dan Jones, 1982).

  Pada tahun 1879, Joseph Stefan melakukan pengukuran daya total yang dipancarkan oleh benda hitam sempurna. Dia menyatakan bahwa daya total itu sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya. Lima tahun kemudian Ludwing Boltzmann menurunkan hubungan yang sama.

  Persamaan yang didapat dari hubungan tersebut dikenal sebagai Hukum Stefan-Boltzmann yang menyatakan bahwa energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan benda dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu sebanding dengan luas permukaan dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu. Secara matematis dapat ditulis (Tipler, 1991):

  Δ Q ₄ = e σ A T

  Δ t ₄ P = e σ A T dengan:

  P adalah daya yang diradiasikan (watt)

  e adalah koefisien emisivitas benda

  A adalah luas permukaan benda (m) ₄ T adalah suhu mutlak permukaan benda (K) ₈

  2

  4 −

  σ adalah konstata Stefan-Boltzmaan 5 , 67 ×

  10 W/m K

D. Benda Teradiasi Panas dan Hukum Kirchoff

  Sesuai yang diselidiki Scheele, benda yang dikenai radiasi panas, permukaannya akan menyerap panas, memantulkannya, dan meneruskannya ke dalam benda. Umumnya bagian panas yang langsung diteruskan ke dalam benda tidak trasparan kecil sekali. Sebagian besar dari panas yang diteruskan adalah melalui serapan dulu, sehingga bagian panas yang diteruskan dapat diabaikan.

  Jika suatu benda dengan koefisien serapan dan koefisien emisi e untuk α

  α dan e tergantung pada panjang gelombang, maka koefisien serapan dan emisi tersebut dapat dituliskan sebagai α dan e . Jika benda tersebut

  λ λ

  mempunyai daya emisi P , maka daya emisi yang diserap oleh benda pada

  λ

  panjang gelombang λ hingga λ Δ λ + adalah:

  dP = α P d λ _{serapan λ λ}

  Benda ini juga akan mengemisikan panas pada panjang gelombang yang

• sama yaitu Δ , daya yang diemisikan sebesar:

  λ hingga λ λ

  dP = e P d λ _emisi λ λ

  Sehingga daya emisi total yang diserap dan diemisikan oleh benda tersebut adalah:

  dP − dP = ( α − e ) P d λ _{serap emisi} λ λ λ panjang gelombang setelah kesetimbangan termal terjadi, memenuhi:

  ( ) ∫ ∞

  = − λ α λ λ λ

  P d e

  sehingga:

  λ

  α =

  λ e

  Koefisien emisi dan koefisien serapan suatu benda pada keadaan yang sama (temperatur sama) adalah sama. Hal ini dikenal sebagai hukum Kirchoff.

  Benda hitam dapat menyerap seluruh panas yakni α = 1 dan pada keadaan yang sama pula dapat memancarkan seluruh panas e = 1 (Naga, 1991).

E. Kolektor Surya Plat Datar

  Seperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya, untuk bagian penutup kolektor surya plat datar dalam penelitian ini akan dibedakan yaitu kolektor surya plat datar dengan lapisan kaca penutup (glazed) dan kolektor surya plat datar tanpa lapisan kaca penutup (unglazed).

  1. Kolektor plat datar dengan lapisan kaca penutup (glazed) Matahari memancarkan energi hampir pada seluruh panjang gelombang dan sampai ke bumi dalam bentuk radiasi gelombang elektromagnet. Ketika sinar matahari mengenai lapisan kaca penutup pada kolektor, energi dengan panjang gelombang paling pendek dapat menembus kaca sedangkan energi dengan panjang gelombang terpanjang naik sehingga menghalangi panas yang keluar sehingga panas terjebak di dalam kolektor.

  Suhu di dalam kolektor akan tetap tinggi dibanding dengan suhu di luarnya begitu juga yang terjadi pada suhu plat. Kalor yang diserap plat kemudian akan dikonduksikan ke pipa dan air yang selanjutnya air akan mengalami proses konveksi sehingga temperatur air akan naik.

  2. Kolektor surya plat datar tanpa lapisan kaca penutup (unglazed) Pada kolektor surya plat datar tanpa lapisan kaca penutup (unglazed), sinar radiasi matahari akan langsung diterima oleh plat, sebagian radiasi diserap oleh plat dan sebagian lagi akan dipantulkan. Plat sebagai sumber kalor yang lebih dingin dibandingkan matahari akan memancarkan kembali kalor yang diterimanya dalam bentuk energi radiasi ke lingkungan sekeliling. Tidak ada panas yang terjebak di dalam kolektor sehingga suhu pada plat dan air akan mudah turun akibat faktor lingkungan seperti keadaan angin atau perbedaan suhu antara plat dan lingkungan.

F. Konversi Energi Radiasi menjadi Energi Termal

  I _d

  I _pantul T _{input air} T _{output air}

  

I _serap kolektor Besarnya intensitas radiasi yang diserap olek kolektor adalah:

  

a

  =

  P t W _{serap serap}

  W Δ t

  ) ( _serap

  ) Dan besarnya energi radiasi yang diserap oleh kolektor dalam selang waktu adalah:

  2

  P adalah daya yang diserap kolektor (W) A adalah luas kolektor (m

  α = (2.2) dengan: _serap

  I P _{d serap}

  

A a

  I P _{serap serap}

  I I _{d serap}

  

A

  ) Berarti daya yang diserap pada luasan (A) kolektor:

  2

  a adalah konversi satuan dari (lux) menjadi (W/m

  α adalah fraksi dari intensitas radiasi yang datang yang diserap oleh kolektor. Nilai α tidak besatuan dan nilainya tergantung dari warna plat penyerap dan ada atau tidaknya lapisan kaca penutup kolektor.

  I adalah intensitas radiasi yang datang (lux)

  ) _d

  2

  

I adalah intensitas radiasi yang diserap kolektor (W/m

  α = (2.1) dengan: _serap

  Δ = (Joule)

  W = _{serap d} I k Δ t (2.4)

  dengan: 239 k = a A , adalah konstanta yang menentukan seberapa α besar kemampuan kolektor dalam mengkonversi energi radiasi menjadi energi termal, dan Δ t adalah selang waktu kolektor menyerap energi radiasi (s).

  Di dalam kolektor energi radiasi berubah menjadi panas. Berdasarkan hukum kekekalan energi sebagian panas akan hilang dan sebagian lagi panas akan digunakan untuk menaikkan temperatur plat dan air sebesar T Δ .

  Jumlah energi termal yang diterima oleh plat dan air adalah:

  Q = m c Δ T m c Δ T ^{plat air ( plat plat plat air air air )} +

• (kalori) (2.5)

  Untuk Δ T = Δ T maka persamaan (2.5) dapa dituliskan menjadi: _{plat air}

  Q = m c m c Δ T (2.6) ( )

• plat air plat plat air air air

  dengan:

  m adalah massa air (kg) ( m vol ) _{air air air air} = ρ vol adalah volume air ( l ) _air

  ρ adalah massa jenis air (kg/l) _air

  o c adalah panas jenis air (kal/kg _air

  C)

  m adalah massa plat dan pipa (kg) _plat o

  adalah panas jenis plat dan pipa (kal/kg

  C)

  c _plat

• (2.7)
• Δ
• −

  V adalah laju aliran air (ml/s)

  ρ =

  V c m c k

  ⎜ ⎜ ⎝ ⎛

  ⎟ ⎟ ⎠ ⎞

  (2.12) dengan nilai η konstan untuk satu laju aliran air untuk satu-satuan waktu, substitusi persamaan (2.11) ke dalam persamaan (2.12) menghasilkan:

  = η

  c m c m t k

  ⎜ ⎜ ⎝ ⎛

  ⎟ ⎟ ⎠ ⎞

  (2.11) Jika dituliskan

  ρ =

  V m

  Untuk satu satuan waktu, massa air menjadi: _{air air air}

  (2.10) dengan: _air

  V m ρ Δ = t

  = vol m ρ ( ) _{air air air}

  Selama selang waktu t Δ massa air yang mengalir melalui kolektor adalah: _{air air air}

  = Δ (2.9)

  ⎜ ⎜ ⎝ ⎛

  ⎟ ⎟ ⎠ ⎞

  I c m c m t k T

  ( ) air air plat plat ^{hilang d air air plat plat air} c m c m W

  (2.8)

  I T c m c m − Δ = Δ +

  ( ) hilang d air air air plat plat W t k

  W W Q − =

  Berdasarkan hukum kekekalan tenaga maka persamaan (2.4) dan (2.6) menjadi: _{hilang serap air plat}

• Δ _{air air plat plat}

  η (2.13)

• _{air air air plat plat}

Dari persamaan (2.14), nilai η dapat diperoleh melalui grafik hubungan

  Δ T terhadap

  I . Selanjutnya nilai _{air d} η disebut sebagai konstanta yang o

  menyatakan besarnya nilai perubahan temperatur air T Δ (

  C) yang dihasilkan tiap satuan kuat cahaya (lux).

  I _d

  Dari persamaan (2.13) akan didapatkan: ρ + c

  V m c 1 air air air plat plat = k

  η

  m c 1 ρ c plat plat _{air air} = +

  V (2.15) _air k k

  η

  1 terhadap

  V , _air

  Dari persamaan (2.15) melalui grafik hubungan η

  c

  ρ _{air air} diperoleh nilai gradien atau . Selanjutnya dari nilai gradien

  k

  didapatkan nilai konstanta k yang menentukan kemampuan kolektor dalam mengkonversi energi radiasi menjadi energi termal. Selain dari nilai gradien, nilai konstanta k dapat juga ditentukan dari nilai titik potong.

BAB III METODE ANALISIS PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian Kegiatan penelitian dilaksanakan di laboratorium/halaman Universitas Sanata Dharma. Metode yang dipakai adalah metode

  eksplorasi eksperimental yaitu kajian teoritis akan dikembangkan dalam eksperimen untuk mendapatkan perbandingan kemampuan mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal dari empat jenis kolektor surya plat datar. Waktu pengambilan data antara jam 10.00 WIB sampai

  13.00 WIB.

B. Obyek Penelitian

  Obyek yang digunakan adalah empat jenis kolektor surya plat datar yaitu:

  1. Kolektor surya plat datar berwarna hitam dengan lapisan kaca penutup (glazed).

  2. Kolektor surya plat datar berwarna hitam tanpa lapisan kaca penutup (unglazed).

  3. Kolektor surya plat datar berwarna biru dengan lapisan kaca penutup

  Keempat kolektor memiliki bentuk, luas, bahan (isolator, plat, pipa) yang sama, begitu juga untuk tipe kolektor dengan lapisan kaca penutup mengunakan bahan kaca yang sama. Sampel cairan yang digunakan adalah air.

  C. Alat/Instrumen

  Alat/Instrumen yang digunakan dalam penelitian adalah: a. Empat buah kolektor surya plat datar.

  b. Dua buah termometer suhu air.

  c. Satu buah termometer lingkungan.

  d. Satu buah Lightmeter untuk mengukur intensitas radiasi matahari.

  e. Satu buah gelas ukur untuk mengukur volume air.

  f. Satu buah Stopwatch untuk melihat waktu dalam pengukuran intensitas radiasi matahari dan perubahan temperatu air tiap 10 menit.

  g. Tiga buah tabung yang sudah diisolasi dengan bahan isolator berupa kertas manila dan plastik. Pengunakan tabung tersebut dimaksudkan untuk menjaga agar aliran air tetap kontinu sebelum masuk ke kolektor.

  h. Selang atau pipa plastik sebagai penghubung aliran air dari kran ke kolektor.

  D. Langkah Penelitian

  Alat sebagian besar dibuat di laboratorium Universitas Sanata Dharma, dan sebagian lagi dikerjakan di luar kampus. Pipa dibentuk sedemikian rupa agar luasan kontak antara pipa dan plat semakin lebar sehingga panas yang dikonduksikan dari plat ke pipa pembawa cairan semakin besar. Setelah itu plat dan pipa direkatkan dengan cara dipatri dengan timah selanjutnya plat yang telah merekat dengan pipa diberi warna.

  Sedangkan untuk kotak atau bingkai terbuat dari kayu yang dibentuk empat persegi panjang yang pada bagian dasar dan sisi-sisinya terisolasi dengan bahan isolator berupa gabus. Bagian atas atau penutup kolektor dalam penelitian dibedakan menjadi dua yaitu dengan lapisan kaca penutup (glazed) dan tanpa lapisn kaca penutup (unglazed). Susunan dan dimensi peralatan untuk penbuatan kolektor:

  a. Plat penyerap

• Bahan: Tembaga Tebal : 1 mm - Panjang : 1 m - Lebar : 0.45 m - Jarak plat ke kaca: 0.05 m -

  b. Pipa cairan c. Kaca penutup Bahan: Kaca bening - Tebal: 3 mm -

  d. Isolator Bahan: Gabus - Tebal: 0.1 m -

  e. Kerangka

• Bahan: Kayu Panjang : 1.04 m - Lebar : 0.47 m - Tinggi : 0.15 m -

  f. Pelapis plat penyerap

• Cat pylox hitam 103 dan biru 109 aerosol spray paint

Gambar 3.2. Pipa tembagaGambar 3.3. Plat dan pipa tembaga yang sudah direkatkan Lubang untuk pipa input Lubang untuk pipa output Gabus

Gambar 3.5. Bingkai kolektor dan bagian bawah kotak kolektor yang telah

  diisolasi dengan bahan isolator berupa gabus Kaca penutup Bingkai kaca Pipa pembawa cairan

  Plat penyerap Gabus Kotak kolektor

Gambar 3.6. Kolektor surya plat datar dengan memakai lapisan kaca penutup (glazed)

  Pipa pembawa cairan

  2. Tahap pengambilan data Untuk setiap kolektor dari keempat kolektor, data yang diambil sebanyak 5 kali percobaan dengan laju aliran yang berbeda. Adapun prosedur pengambilan data adalah sebagai berikut:

  a. Mengeset alat

• Kolektor dipanaskan di bawah sinar matahari langsung selama 3 jam antara jam 10.00 WIB sampai 13.00 WIB.

  Luxmeter dipasang sama tinggi dengan kolektor hal ini -