Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Analisis Performansi Kolektor Surya Pemanas Air Dengan Pelat Kolektor Bentuk-V Jalaluddin1,a *, Effendi Arief2,b dan Rustan Tarakka3,c 1,2 dan 3
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin, Tamalanrea Makassar, 90245, Indonesia a
[email protected],
[email protected],
[email protected]
Abstrak Energi matahari dikenal sebagai sumber energi yang ramah terhadap lingkungan dengan penggunaan yang sangat luas. Salah satu pemanfaatan sumber energi ini adalah untuk suplai air panas dengan pemanfaatan kolektor surya pemanas air. Pengembangan kolektor surya pemanas air di Indonesia sangat potensial untuk penghematan energi khususnya pada perumahan, bangunan komersial dan industri. Pemanfaatan kolektor ini banyak digunakan untuk kebutuhan pemanasan air rumah tangga, perhotelan dan kebutuhan lainnya. Penelitian tentang penggunaan pelat absorber bentuk-V pada kolektor surya pemanas air dilakukan dengan metode experimental laboratory dan membuat perbandingan dengan pelat absorber konvensional, pelat datar. Faktor penting yang akan menjadi kajian utama adalah penyerapan energi pada pelat absorber bentuk-V dan kehilangan energi ke permukaan kolektor. Hasil penelitian menunjukkan bahwa performansi kolektor dengan pelat absorber bentuk-V terhadap kolektor dengan pelat absorber datar meningkat masing-masing sebesar 2.36 % pada debit 0.5 L/min dan 4.23 % pada debit 2.0 L/min. Hasil penelitian ini diharapkan dapat menjadi informasi untuk pengembangan kolektor surya pemanas air sehingga meningkatkan performansi sistem pemanas air dan penghematan biaya penggunaan energi listrik pada perumahan, hotel dan industri dalam konsep green energy building. Kata kunci : KOLEKTOR SURYA PEMANAS AIR, PELAT ABSORBER BENTUK-V, PERFORMANSI. tersebut. Dari hasil penelitiannya, kolektor surya tersebut memberikan pengurangan penggunaan energi yang menakjubkan. Berbagai penelitian untuk menganalisis unjuk kerja kolektor, modifikasi bentuk pelat absorber dan material kolektor telah dilakukan. Ayompe & Duffy [3] meneliti unjuk kerja sistem pemanas air tenaga matahari dengan kolektor pelat datar 4 m2 di Dublin, Irlandia. Hasil menunjukkan bahwa fraksi matahari rata-rata 32,2 %; unjuk kerja kolektor 45,6 % dan unjuk kerja sistem 37,8 %. Model analitik telah dikembangkan oleh Subiantoro & Tiow [4] untuk memprediksi kehilangan panas pada permukaan penutup kolektor dengan 1(satu) dan 2(dua) penutup kaca. Analisis energi dan exergi dari kolektor pelat datar untuk mengetahui kondisi operasi optimal telah dilakukan oleh Jafarkazemi &
Pendahuluan Perkembangan berkaitan dengan isu energi keberlanjutan dan bangunan ramah lingkungan menyebabkan peningkatan fokus pada peralatan yang memanfaatkan energi matahari karena tidak menyebabkan polusi dan terbarukan [1]. Untuk kawasan Asia dan Australia termasuk Indonesia, pemanfaatan energi matahari umumnya adalah untuk suplai air panas. Pengembangan kolektor surya pemanas air di Indonesia sangat potensial untuk penghematan energi khususnya pada perumahan, bangunan komersial dan industri. Studi tentang kolektor surya telah dilakukan oleh banyak peneliti. Mumma [2] telah meneliti dan memasang kolektor surya pemanas air dalam jangka waktu 28 tahun. Kolektor tersebut bekerja secara baik dengan hanya sedikit perawatan selama periode KE-35
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Ahmadifard [5]. Hasilnya menunjukkan bahwa temperatur air masuk sekitar 40o lebih dari temperatur lingkungan serta laju aliran yang rendah akan meningkatkan performansi kolektor keseluruhan. Deng et al. [6] mengembangkan desain baru untuk pelat datar absorber kolektor dengan penggunaan susunan micro-channel heat pipe. Hasilnya menunjukkan bahwa Kolektor ini merupakan salah satu kolektor surya terbaik di antara produk saat ini. Integrasi pelat absorber dengan reflektor bentuk-V dapat meningkatkan performansi kolektor. Studi eksperimental dan analisis biaya dari kolektor ini telah dilakukan oleh Chong et al. [7]. Efisiensi optik dan unjuk kerja keseluruhan kolektor memperlihatkan hasil yang sangat memuaskan. Modifikasi permukaan pelat absorber banyak diteliti karena berhubungan dengan penyerapan energi matahari yang tersedia secara maksimal dan perbedaan intensitas matahari serta arah datang sinar matahari dalam sehari. Modifikasi ini dilakukan untuk memaksimalkan energi yang diserap dan transfer panas ke fluida. Besarnya transfer panas ke fluida akan mengurangi kehilangan energi keluar kolektor. Berkaitan dengan hal ini, pengembangan kolektor dengan pelat absorber bentuk-V dilakukan untuk memaksimalkan penyerapan energi matahari, meningkatkan efisiensi penyerapan pada kondisi matahari tidak tegak lurus pada pagi dan sore hari. Faktor penting yang akan menjadi kajian utama adalah arah sinar matahari setelah mengenai pelat absorber bentuk-V terhadap penyerapan energi dan kehilangan energi ke permukaan kolektor. Hal ini akan berpengaruh terhadap performansi kolektor. Peningkatan performansi kolektor surya masih perlu terus diupayakan untuk memaksimalkan penggunaan peralatan ini dan pemanfaatan sumber energi terbarukan seefisien mungkin. Berkaitan dengan hal tersebut, penelitian tentang analisis performansi kolektor surya pemanas air dengan penggunaan pelat absorber bentuk-V dilakukan.
Kolektor Surya Pemanas Air dan Uji Eksperimental Kolektor surya pemanas air adalah alat penukar kalor yang mengkonversi energi radiasi matahari menjadi energi termal pada air. Dalam aplikasinya, energi radiasi matahari diserap oleh pelat kolektor dan dipindahkan ke air. Selanjutnya, air panas digunakan untuk kebutuhan penyediaan air panas pada perumahan, bangunan komersial dan industri. Modifikasi pelat absorber dengan penggunaan pelat absorber bentuk-V pada kolektor surya pemanas air dilakukan dalam penelitian ini. Dua buah pelat absorber seperti ditunjukkan pada gambar 1 antara lain : a) pelat abosrber datar dan b) pelat absorber bentuk-V dipasang masing-masing pada kolektor surya pemanas air.
a) Pelat absorber datar
b) Pelat absorber bentuk-V
Gambar 1. Kolektor surya pemanas air dengan a) pelat absorber datar dan b) pelat absorber bentuk-V
KE-35
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 No.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Pelat bentuk-V
Pelat datar
= 410
= 320
= 210
= 490
= 400
= 270
( )
( )
0
0.963
30
0.951
60
0.894
0
0.985
30
0.968
60
0.961
0
0.980
30
0.974
60
0.963
0
0.970
30
0.973
60
0.981
0
0.966
30
0.966
60
0.963
0
0.979
30
0.960
60
0.966
0
0.970
30
0.968
60
0.970
(
rata-
t and l(cm)
rata)
0.936
-
0.971
4 and 2
0.973
4 and 3
0.975
Gambar 2. Perhitungan absorptivitas pelat absorber bentuk-V untuk sudut = 210 dengan sudut datang radiasi matahari, 300
4 and 4
0.965
3 and 2
0.968
3 and 3
0.970
3 and 4
Sudut datang radiasi matahari tegak lurus 0 pada siang hari dimana dan 600 pada pagi dan sore hari. Absorptivitas pelat absorber dihitung berdasarkan sudut datang radiasi matahari pada permukaan pelat. Pelat absorber diasumsi permukaan hitam. Radiasi matahari dipantulkan secara berulang-ulang pada permukaan pelat bentuk-V. Absorptivitas dari pelat absorber bentuk-V dapat dilihat pada tabel 1. Tabel 1. Absorptivitas dari pelat absorber bentuk-V Berdasarkan absorptivitas rata-rata ( rata-rata), diperoleh bentuk optimal dari pelat absorber bentuk-V pada sudut = 210 (t = 4 cm dan l = 4 cm) seperti ditunjukkan pada gambar 3. Bentuk-V ini diaplikasikan pada sistem kolektor surya pemanas air dengan pelat absorber bentuk-V.
Pelat absorber bentuk-V yang digunakan dalam pengujian eksperimental ditentukan berdasarkan absorptivitas optimum terhadap beberapa bentuk-V yang dianalisis secara analitik. Sebagai contoh perhitungan absorptivitas pelat absorber bentuk-V untuk sudut = 210 dengan sudut datang radiasi matahari, 300 dapat dilihat pada gambar 2.
KE-35
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Absorptivitas rata-rata (rata-rata)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
temperatur air masuk dan keluar pada debit yang ditentukan sebagai berikut :
1.000 Absorptivitas terbaik
0.975
Qu m c p T ..............................(1)
Pelat datar Bentuk-V =41o Bentuk-V =32o Bentuk-V =21o Bentuk-V =49o Bentuk-V =40o Bentuk-V =27o
0.950
0.925
0.900 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Konfigurasi Pelat Absorber
Gambar 3. Absorptivitas rata-rata pelat absorber bentuk-V
dimana m adalah laju aliran massa (kg/s), cp adalah panas spesifik (J/kg K) dan T adalah perbedaan temperatur air masuk dan keluar ( C).
Efisiensi kolektor, adalah : Q u ..............................(2) I T Ac dimana IT adalah intensitas matahari (W/m2) dan Ac adalah luas permukaan kolektor (m2).
Alat uji eksperimen terdiri dari dua buah kolektor surya pemanas air dengan a) pelat absorber datar dan b) pelat absorber bentuk-V seperti ditunjukkan pada gambar 4.
Hasil dan Pembahasan
Tp-pipa
Tpelat
a) Pelat absorber datar
Tp-pipa
Penelitian dilakukan di laboratorium Energi Termal dan Terbarukan Jurusan Mesin Universitas Hasanuddin Makassar (1190 29’ 14.5” BT dan 050 07’ 59.0” LS). Uji eksperimental terhadap dua buah kolektor pemanas air dengan pelat absorber datar dan bentuk-V dilakukan dengan mengoperasikan kedua kolektor tersebut secara bersamaan. Dimensi kolektor adalah panjang 163 cm dan lebar 100 cm. Aliran air dalam pipa tembaga berdiameter 0.017 m diatur dengan dua debit yaitu debit rendah, 0.5 L/min dan debit tinggi, 2 L/min. Pengambilan data dilakukan setiap 5 menit dari pukul 09.00 sampai 15.00 WITA.
Tpelat
b) Pelat absorber bentuk-V
Intensitas Radiasi Matahari. Intensitas radiasi matahari selama pengujian mempunyai nilai minimum pada pagi dan sore hari serta nilai maksimum terjadi pada siang hari seperti ditunjukkan pada gambar 5. Intensitas radiasi matahari maksimum adalah 944.1 W/m2 pada pukul 11:30 WITA (6 Agustus 2015) dan 942 W/m2 pada pukul 11:25 WITA (8 Agustus 2015).
Gambar 4. Alat uji kolektor surya pemanas air dengan a) pelat absorber datar dan b) pelat absorber bentuk-V Performansi Kolektor Performansi kolektor ditentukan oleh efisiensi kolektor yang diperoleh dari perbandingan energi bermanfaat kolektor melalui pemanasan air dan energi matahari yang tersedia. Energi bermanfaat, Qu, dihitung berdasarkan data pengukuran KE-35
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 6 Agustus 2015 8 Agustus 2015
1100 1000
70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
900 800
o
Temperatur ( C)
2
Intensitas Matahari (W/m )
1200
700 600 500
09 :0 09 0 :2 09 0 :4 10 0 :0 10 0 :2 10 0 :4 11 0 :0 11 0 :2 11 0 :4 12 0 :0 12 0 :2 12 0 :4 13 0 :0 13 0 :2 13 0 :4 14 0 :0 14 0 :2 14 0 :4 15 0 :0 0
400
Waktu
Temperatur air keluar (bentuk-V)
Temperatur air keluar (datar)
Temperatur udara sekitar Temperatur air masuk
Debit : 0.5 L/min
09 :0 0 09 :2 0 09 :4 0 10 :0 0 10 :2 0 10 :4 0 11 :0 0 11 :2 0 11 :4 0 12 :0 0 12 :2 0 12 :4 0 13 :0 0 13 :2 0 13 :4 0 14 :0 0 14 :2 0 14 :4 0 15 :0 0
Gambar 5. Intensitas matahari
Data : 6 Agustus 2015
Temperatur Air Masuk dan Keluar Kolektor. Gambar 6 menunjukkan temperatur air masuk dan keluar keluar kolektor serta temperatur udara sekitar. Air masuk pada kedua kolektor berasal dari reservoir yang sama sehingga mempunyai temperatur yang sama. Temperatur air masuk kolektor meningkat terhadap waktu operasi karena air yang keluar dari kolektor disirkulasikan kembali ke reservoir. Temperatur air keluar kolektor dengan pelat absorber bentuk-V mempunyai nilai yang lebih tinggi dibandingkan dengan kolektor dengan pelat absorber datar. Perbedaan temperatur tersebut cukup signifikan pada debit rendah.
65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Temperatur air keluar (bentuk-V)
Temperatur air keluar (datar) Temperatur air masuk
Temperatur udara sekitar
Debit : 2 L/min
09 :0 0 09 :2 0 09 :4 0 10 :0 0 10 :2 0 10 :4 0 11 :0 0 11 :2 0 11 :4 0 12 :0 0 12 :2 0 12 :4 0 13 :0 0 13 :2 0 13 :4 0 14 :0 0 14 :2 0 14 :4 0 15 :0 0
o
Temperatur ( C)
Waktu Data : 8 Agustus 2015
Waktu
Gambar 6. Temperatur air masuk dan keluar kolektor
Temperatur Permukaan Pelat Absorber. Temperatur pelat absorber diukur pada pelat, Tpelat dan diatas permukaan pipa, Tp-pipa seperti ditunjukkan pada gambar 4. Hasil pengukuran temperatur-temperatur tersebut ditunjukkan pada gambar 7. Temperatur pelat absorber bentuk-V menunjukkan nilai yang lebih tinggi dibandingkan dengan temperatur pelat absorber datar. Hal ini menunjukkan bahwa absorptivitas dari pelat absorber bentuk-V lebih baik dari pada absorptivitas pelat absorber datar. Tingginya temperatur pada pelat absorber bentuk-V menyebabkan kerugian panas ke permukaan kolektor menjadi besar. Walaupun demikian tingginya temperatur pelat tersebut memungkingkan untuk meningkatkan efisiensi kolektor dengan peningkatan transfer panas dari pelat absorber ke air.
70 65
Data : 6 Agustus 2015 Tp-pipa (bentuk-V)
Tpelat (bentuk-V)
o
Temperatur ( C)
60 55 50 45 40
Tp-pipa (datar) Tpelat (datar)
35 30 25 09 :0 0 09 :2 0 09 :4 0 10 :0 0 10 :2 0 10 :4 0 11 :0 0 11 :2 0 11 :4 0 12 :0 0 12 :2 0 12 :4 0 13 :0 0 13 :2 0 13 :4 0 14 :0 0 14 :2 0 14 :4 0 15 :0 0
20
Waktu
KE-35
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 100
Data : 6 Agustus 2015 Debit : 0.5 L/min
90
65
Tpelat (bentuk-V) Tp-pipa (bentuk-V)
55
60 50 40 30
50 45
20
Tp-pipa (datar)
10
40 35
0
Tpelat (datar)
09 :0 09 0 :2 09 0 :4 10 0 :0 10 0 :2 10 0 :4 11 0 :0 11 0 :2 11 0 :4 12 0 :0 12 0 :2 12 0 :4 13 0 :0 13 0 :2 13 0 :4 14 0 :0 14 0 :2 14 0 :4 15 0 :0 0
o
Temperatur ( C)
60
70
Efisiensi (%)
70
Pelat absorber datar Pelat absorber bentuk-V
80
Data : 8 Agustus 2015
30
Waktu
25 100
20
Data : 8 Agustus 2015 Debit : 2 L/min
09 :0 0 09 :2 0 09 :4 0 10 :0 0 10 :2 0 10 :4 0 11 :0 0 11 :2 0 11 :4 0 12 :0 0 12 :2 0 12 :4 0 13 :0 0 13 :2 0 13 :4 0 14 :0 0 14 :2 0 14 :4 0 15 :0 0
90 80
Gambar 7. Temperatur permukaan pelat absorber
70
Efisiensi (%)
Waktu
Efisiensi Kolektor. Efisiensi kolektor surya pemanas air dengan pelat absorber datar dan bentuk-V dapat dilihat pada gambar 8. Efisiensi kolektor cenderung menurun terhadap waktu operasi. Peningkatan temperatur air masuk kolektor terhadap waktu operasi menyebabkan terjadinya penurunan efisiensi kolektor tersebut. Pada debit rendah, efisiensi rata-rata harian kolektor adalah sebesar 39.39 % untuk kolektor dengan pelat absorber datar dan 41.76 % untuk kolektor dengan pelat absorber bentuk-V. Pada debit tinggi, efisiensi rata-rata harian kolektor adalah sebesar 40.05 % untuk kolektor dengan pelat absorber datar dan 44.28 % untuk kolektor dengan pelat absorber bentukV. Hal ini menunjukkan bahwa efisiensi kolektor surya dengan pelat absorber bentukV meningkat masing-masing sebesar 2.36 % pada debit 0.5 L/min dan 4.23 % pada debit 2.0 L/min.
Pelat absorber datar Pelat absorber bentuk-V
60 50 40 30 20 10
09 :0 09 0 :2 09 0 :4 10 0 :0 10 0 :2 10 0 :4 11 0 :0 11 0 :2 11 0 :4 12 0 :0 12 0 :2 12 0 :4 13 0 :0 13 0 :2 13 0 :4 14 0 :0 14 0 :2 14 0 :4 15 0 :0 0
0 Waktu
Gambar 8. Efisiensi kolektor surya pemanas air dengan pelat absorber datar dan bentuk-V Kesimpulan Pengujian kolektor surya pemanas air dengan pelat absorber datar dan bentuk-V telah dilakukan. Hasil pengujian menunjukkan bahwa performansi kolektor dengan pelat absorber bentuk-V terhadap kolektor dengan pelat absorber datar meningkat masingmasing sebesar 2.36 % pada debit 0.5 L/min dan 4.23 % pada debit 2.0 L/min. Masih tingginya temperatur pelat absorber bentuk-V memungkinkan untuk meningkatkan efisiensi kolektor dengan peningkatan transfer panas dari pelat absorber ke air.
KE-35
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Referensi [1] ASHRAE, ASHRAE Handbook: HVAC Applications, SI Edition, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 1791 Tullie Circle, N.E., Atlanta, GA 30329, 2011. [2] S. A. Mumma, Over thirty years of experience with solar thermal water heating, ASHRAE Transactions . Vol. 117 Issue 1 (2011) 57-63. [3] L.M. Ayompe, A. Duffy, Analysis of the thermal performance of a solar water heating system with flat plate collectors in a temperate climate, Applied Thermal Engineering 58 (2013) 447-454. [4] A. Subiantoro, O. K. Tiow, Analytical models for the computation and optimization of single and double glazing flat plate solar collectors with normal and small air gap spacing, Applied Energy 104 (2013) 392–399. [5] F. Jafarkazemi, E. Ahmadifard, Energetic and exergetic evaluation of flat plate solar collectors, Renewable Energy 56 (2013) 55-63. [6] Y. Deng, Y. Zhao, W. Wang, Z. Quan, L. Wang, D. Yu, Experimental investigation of performance for the novel flat plate solar collector with micro-channel heat pipe array (MHPA-FPC), Applied Thermal Engineering 54 (2013) 440-449. [7] K.K. Chong, K.G. Chay, K.H. Chin, Study of a solar water heater using stationary V-trough collector, Renewable Energy 39 (2012) 207-215.
KE-35
