BAB II DASAR TEORI
2.1 Energi Matahari
Matahari merupakan sebuah bola yang sangat panas dengan diameter 1.39 x 109
meter atau 1.39 juta kilometer. Kalau matahari dianggap benda hitam sempurna, maka
energi yang dipancarkan akan sama dengan sebuah benda hitam sempurna yang
mempunyai temperatur efektif sebesar 5763 Kelvin, dan temperatur ini sering dianggap
sama dengan 6000 Kelvin. (Maridjo, 1995) Radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh bola matahari mempunyai panjang
gelombang antara 0.3 sampai dengan 3 mikrometer. Jika bumi tidak mempunyai atmosfer, maka radiasi surya yang mempunyai panjang gelombang seperti disebutkan di atas, akan sampai ke permukaan bumi seluruhnya. Radiasi yang sampai pada bagian luar atmosfer disebut radiasi ekstraterrestrial. (Maridjo, 1995) Radiasi matahari yang dipancarkan oleh permukaan matahari adalah sama dengan perkalian konstanta Stefan-Boltzman pangkat empat temperatur permukaan absolute dan luas permukaan. Dengan garis tengah matahari 1,39 x 109 m, temperatur permukaan matahari 5762 K, dan jarak rata-rata antara matahari dan bumi sebesar 1,5 x 1011 m, maka fluks radiasi persatuan luas dalam arah yang tegak lurus pada radiasi tepat diluar atmosfer bumi adalah: G=
,
.
( ,
( ,
) )
( ,
)
= 1353 W/m2 Radiasi surya yang diterima pada satuan luasan di luar atmosfir tegak lurus permukaan matahari pada jarak rata-rata antara matahari dengan bumi disebut konstanta surya adalah 1353 W/m2 dikurangi intesitasnya oleh penyerapan dan pemantulan atmosfer sebelum mencapai permukaan bumi. Energi surya memiliki potensi yang sangat besar untuk penggunaannya di bangunan perumahan yaitu mendekati 30000 kali lebih banyak energi matahari yang sampai ke bumi dibandingkan dengan yang dibutuhkan oleh manusia (Weider, S., 1982). Energi surya juga merupakan sumber energi yang bersih yang tidak menghasilkan CO2 dan sepenuhnya dapat diperbarui.
Laporan Tugas Akhir
5
Akan tetapi, masih terdapat beberapa permasalahan dalam memanfaatkan energi
surya yaitu ketersediaannya yang tidak dapat diprediksikan, intermiten dan seringkali
terganggu akibat adanya perubahan cuaca.
2.2 Kolektor Surya
Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai sumber
energi utama. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor surya, sebagian
cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas, lalu panas tersebut dipindahkan kepada
fluida yang bersirkulasi di dalam kolektor surya untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai aplikasi (Duffie John A., dan William A. Beckman, 1991). Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu: 1. Cover, berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan 2. Absorber, berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari. Pipa fluida, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja . Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan Frame, berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor
2.2.1
Klasifikasi Kolektor Surya Terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar
Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya. 2.2.1.1 Flat-Plate Collectors Dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air (Goswami, 1999). Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorber-nya yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam.
Laporan Tugas Akhir
6
Gambar 2.1 Diagram skematik untuk liquid flat-plate collector
Kolektor pelat datar memanfaatkan radiasi matahari langsung dan
terpencar, tidak membutuhkan pelacak matahari, hanya membutuhkan sedikit perawatan, dan biaya pembuatan yang murah. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain digunakan untuk pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara, dan proses panas industri. Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor pelat datar antara lain; transparent cover, absorber, insulasi, dan kerangka.
Gambar 2.2 Penampang melintang kolektor surya pelat datar sederhana
2.2.1.2 Concentrating Collectors Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperature antara 100° – 400°C. Kolektor surya jenis ini mampu memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga
Laporan Tugas Akhir
7
dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber.
Spesifikasi jenis ini dapat dikenali dari adanya komponen konsentrator yang terbuat dari material dengan transmisivitas tinggi. Berdasarkan komponen
absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu Line Focus
dan Point Focus.
Gambar 2.3 Konsentrator
Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber, concentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur fluida melebihi 4000 oC dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada gambar diatas.
2.2.1.3 Evacuated Tube Collector Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara absorber dan cover-nya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan.
Laporan Tugas Akhir
8
Gambar 2.4 Penampang pengumpul surya jenis Evacuated-vacuum-bottle
Gambar 2.5 Evacuated Tube Collector
2.2.2
Pipa Fluida Terdapat dua jenis bentuk pipa fluida yang dikenal dalam penggunaan
kolektor surya.
2.2.2.1 Pipa Paralel
Gambar 2.6 Pipa paralel
Laporan Tugas Akhir
9
Kolektor Surya yang memiliki pipa fluida berbentuk paralel di
design untuk memindahkan fluida dari bagian bottom kolektor ke bagian top kolektor melewati jajaran paralel pipa vertikal.
Pada bentuk ini, besar diameter pipa yang terdapat pada bagian bottom dan top dibuat lebih besar daripada pipa vertikal. Sifat mekanika fluida yang menyokong laju aliran pada pipa terakhir membuat tekanan
fluida pada bagian bawah pipa pertama paling besar dan bagian atas pipa
terakhir paling kecil. Dengan pembesaran diameter bagian bottom dan top,
tekanan fluida akan lebih menyesuaikan dan laju aliran fluida pada setiap pipa vertikal lebih mendekati keseragaman. Tapi disayangkan bahwa bagian tengah pipa vertikal akan memiliki nilai laju aliran fluida yang lebih rendah, padahal bagian tengah merupakan bagian dimana banyak energi panas yang terkonsentrasi disana. Pada proses pembuatannya, yang perlu diperhatikan adalah saat pengelasan di bagian T setiap pipa vertikal. Karena sedikit bocor pada bagian ini akan mengganggu seluruh proses pemanasan di dalam kolektor surya.
2.2.2.2 Pipa Seri Berkelok (Serpentine)
Gambar 2.7 Pipa berkelok
Kolektor Surya yang memiliki pipa fluida seri berkelok ini memiliki satu aliran fluida pada pipa panjang yang dibentuk fleksibel. Pada bentuk ini tidak ada permasalahan dalam perbedaan laju aliran fluida. Masalah utama pada kolektor ini adalah aliran pembatasan laju aliran fluida. Dengan pipa yang lebih besar, maka pembatasan laju aliran akan semakin besar dan akan memberikan beban yang tidak perlu pada
Laporan Tugas Akhir
10
pompa sirkulasi. Dengan membuat dua kolektor seri berkelok dan
menghubungkannya secara paralel akan menghilangkan masalah tersebut. Pada proses pembuatannya, yang perlu diperhatikan adalah saat menekuk
(bending) bagian pipa agar jangan sampai material menjadi rusak.
2.3 Isolasi
Isolasi adalah perlindungan atau penyekatan terhadap suhu, suara, atau tegangan
listrik. Isolasi suhu atau termal adalah material yang berguna untuk mengurangi laju
perpindahan panas, atau metode untuk mengurangi laju perpindahan panas. Material isolasi yang berguna untuk mengurangi perpindahan panas harus memiliki resistansi
tinggi. Sifat-sifat yang sangat penting dari isoloasi adalah sifat termal. Selain itu juga material isolasi harus memiliki nilai ekonomis yang tinggi agar dapat menekan biaya dalam penggunaannya. Konduktivitas termal adalah suatu besaran yang menunjukkan kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan panas. Semakin kecil nilai kondutivitas termal dari suatu bahan, maka semakin baik bahan tersebut untuk tidak menghantarkan panas. Tabel 2.1 Nilai kondutivitas termal bahan
Material
Thermal conductivity C/cm)
Diamond Silver Copper Gold Brass Aluminum Iron Steel Lead Mercury Glass,ordinar y Concrete Water at 20° C Asbestos
Laporan Tugas Akhir
(cal/sec)/(cm2
Thermal conductivity
… 1.01 0.99 … … 0.50 0.163 … 0.083 …
(W/m K)* 1000 406.0 385.0 314 109.0 205.0 79.5 50.2 34.7 8.3
0.0025 0.002
0.8 0.8
0.0014 0.0004
0.6 0.08 11
Fiberglass Brick,insulati ng Brick, red Cork board Hair felt / palm fiber (ijuk) Rock wool
Polystyrene (styrofoam) Polyurethane Wood Silica aerogel
0.00015
0.04
… … 0.00011
0.15 0.6 0.04
0.0001 …
0.04 0.04
… … 0.0001 …
0.033 0.02 0.12-0.04 0.003
(sumber: Young, Hugh D., University Physics, 7th Ed. Table 15-5)
2.4 Menentukan Karakteristik dan Parameter Kolektor Teoritis Plat Datar Untuk mendapatkan karakteristik teoritis dari kolektor dan menghitung performansi dapat menggunakan persamaan-persamaan berikut: 2.4.1
Menghitung Koefisien Kerugian Kalor Kerugian kalor terjadi pada bagian atas dan bagian bawah dari kolektor,
masing-masing disebut dengan kerugian kalor atas dan kerugian kalor bawah. Kalor yang hilang dari bagian atas plat penyerap disebabkan konveksi alam dan radiasi ke permukaan dalam dari plat penutup kaca. Panas ini dikonduksikan oleh plat kaca ke permukaan luarnya untuk selanjutnya dipindahkan ke atmosfir secara konveksi dan radiasi.
2.4.1.1
Kerugian Kalor Atas [Ut] Mekanisme kerugian panas dari plat penyerap ke bagian atas
dikarenakan konveksi alam dan karena radiasi ke permukaan dalam dari plat penutup kaca (Sebagian dari radiasi tersebut akan hilang melaluli kaca penutup, namun dalam hal ini hal tersebut diabaikan) plat konduksi ini akan di konduksikan oleh plat kaca ke permukaan luarnya, kerugian panas ini dinamakan kerugian panas atas (top loss) dan dinyatakan dengan:
Laporan Tugas Akhir
12
=
+ (
)+
……………………………………………(2.1)
Dimana :
= koefisien rugi-rugi atas [Watt/m2.K]
ℎ
= koefisien konveksi antara plat dengan kaca [Watt/m2.K]
ℎ
= koefisien radiasi dari plat ke kaca [Watt/m2.K]
t
= ketebalan kaca [m]
k
= konduktansi kaca [Watt/m.K]
ℎ
= koefisien konveksi angin [Watt/m2.K] = koefisien radiasi dari kaca ke lingkungan [Watt/m2.K]
ℎ
Koefisien konveksi antara plat dengan kaca, hi dinyatakan dengan:
ɸ ɸ ………………………………………………….……...……(2.2)
ℎ =
Dimana : = koefisien konveksi antara plat dengan kaca [Watt/m2.K]
ℎ ɸ =
Laporan Tugas Akhir
………………………………………………………(2.3)
…………………………………………………………………(2.4)
ɸ = ɸ =
.
) / ×
(
(
)
/
………………………………………………………(2.9)
13
Koefisien konveksi angin, ho dinyatakan sebagai:
ℎ = 5.7 + 3.8
Dimana :
ℎ
= koefisien konveksi angin [Watt/m2.K] = kecepatan angin [m/s]
V
Koefisien radiasi dari plat ke kaca dinyatakan dengan:
ℎ =
(
)
……………………………………………………(2.5)
Dimana : = koefisien radiasi dari plat ke kaca [Watt/m2.K]
ℎ
= konstanta Stefan-Boltzmann (5,67 = temperatur plat [K]
10 ) [
.
]
= temperatur kaca [K] = emisivitas kaca = emisivitas plat
Koefisien radiasi dari kaca ke lingkungan (langit): ℎ
(
=
)
………………………………………………………(2.6)
Dimana : ℎ
Laporan Tugas Akhir
= koefisien radiasi dari kaca ke lingkungan [Watt/m2.K] = konstanta Stefan-Boltzmann (5,67
10 ) [
.
] 14
= temperatur lingkungan (langit) [K]
= temperatur kaca [K]
= emisivitas kaca
= emisivitas plat
Menurut Swinbank, suhu langit dinyatakan dengan:
= 0.0552
2.4.1.2
.
………………………………………………(2.7)
Kerugian Kalor Bawah [Ub] Kerugian kalor bagian bawah adalah rugi-rugi panas yang hilang dari
plat penyerap ke arah bawah dimana terdapat isolasi yang berada di bagian bawah dari plat penyerap. Kreugian kalor bagian bawah Ub dinyatakan dengan = ……………….…………………………………………………(2.8) Dimana :
= koefisien rugi-rugi bawah [Watt/m2.K] = konduktivitas isolator [Watt/m.K] = tebal isolator [m]
2.4.1.3
Kerugian Kalor Total [UL] Kerugian kalor total merupakan jumlah dari kerugian kalor bagian atas
dan bawah, dinyatakan dengan = 2.4.2
+
…………………………………………………………(2.9)
Efisiensi Sirip [F] Efisiensi sirip adalah parameter desain yang berhubungan dengan ketebalan
plat penyerap, konduktivitas termal dan jarak antar pipa. Dinyatakan dengan
Laporan Tugas Akhir
15
……………………………………..………………(2.10)
=
Dimana:
tanh
=
………………………………………………………(2.11)
= efisiensi sirip
= koefisien rugi-rugi total [Watt/m2.K]
= konduktivitas isolator [Watt/m.K] = tebal plat [m] = jarak antar pipa [m] = diameter luar pipa [m]
2.4.3
Faktor Efisiensi [F’] Faktor efisiensi adalah Faktor untuk menentukan karakteristik efisiensi
teoritis dari desain solar kolektor. Beberapa parameter yang dilibatkan dalam perhitungan faktor efisiensi adalah Aliran panas pada sirip, Aliran panas pada sambungan, Aliran panas antara pipa dan fluida dinyatakan dengan:
=
{
}
………(2.12)
Karena kecilnya nilai aliran panas sambungan, maka persamaan ini dapat diabaikan, menjadi
Laporan Tugas Akhir
16
=
…………………………………………………(2.13) [(
)
Dimana :
]
= faktor efisiensi
F
= efisiensi sirip
= koefisien rugi-rugi total [Watt/m2.K]
= jarak antar pipa [m]
= diameter luar pipa [m]
ℎ
=
= diameter dalam pipa [m]
Bilangan Nusselt didapatkan melalui grafik Average Nusselt Number dengan mencari nilai bilangan
Bilangan Reynolds :
=
̇
………………………………………………………………(2.14)
Bilangan Prandtl : …………………………………………………………….…(2.15)
=
Dimana : = bilangan Reynolds ̇
= laju aliran massa per pipa [kg/s] = viskositas [kg/m.s] = diameter dalam pipa [m]
Laporan Tugas Akhir
17
= bilangan Prandtl
= panas spesifik air [J/kg.K] = konduktivitas panas air [Watt/m2.K]
2.4.4
Tingkat energi yang berguna diambil oleh kolektor, dinyatakan sebagai laju
Faktor Panas Penghapusan [FR]
dalam kondisi steady state, sebanding dengan tingkat energi yang berguna diserap oleh kolektor, dikurangi jumlah rugi-rugi oleh kolektor ke lingkungan sekitarnya.
Persamaan yang berhubungan dengan keuntungan energi aktual yang berguna dari kolektor jika permukaan kolektor keseluruhan berada di suhu masuk fluida.
Persamaan tersebut dikenal sebagai "faktor kolektor panas penghapusan (FR)" dan dinyatakan sebagai
=
1−
−
………………………………………(2.16)
=
1−
−
( ) ……………………………..…(2.17)
atau
Dimana : = faktor efisiensi = faktor efisiensi F
= efisiensi sirip = koefisien rugi-rugi total [Watt/m2.K] = jarak antar pipa [m] = diameter luar pipa [m]
ℎ
Laporan Tugas Akhir
=
= diameter dalam pipa [m]
18
= panas spesifik air [J/kg.K]
dan G adalah laju alir massa per satuan luas kolektor
= ̇ …………………………………………………………..…(2.18)
2.4.5
Efisiensi Teoritis Kolektor Energi maksimum yang mungkin berguna dalam kolektor surya terjadi
ketika kolektor keseluruhan berada pada temperatur fluida masuk. Keuntungan energi aktual yang berguna, ditemukan dengan mengalikan faktor panas kolektor
penghapusan (FR) oleh keuntungan energi maksimum yang mungkin berguna. Ukuran kinerja kolektor pelat datar adalah efisiensi kolektor (η) didefinisikan sebagai berikut: ɳ=
(
…………………………………………(2.19)
)−
Dimana : ɳ
= efisiensi = faktor efisiensi = koefisien rugi-rugi total [Watt/m2.K] = jarak antar pipa [K] = diameter luar pipa [K] =
= transmisivitas - absorbsivitas (0.84, dari Ted Jansen, hal. 59)
2.5 Menentukan Efisiensi Teoritis Plat Datar 2.5.1
Efisiensi Kolektor Efisiensi dari kolektor dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara
panas yang berguna dari kolektor ke air dengan energi yang diterima kolektor. Prinsip dasar untuk menghitung efisiensi kolektor adalah dengan membandingkan
Laporan Tugas Akhir
19
besar kenaikan temperature fluida yang mengalir di dalam kolektor dengan
intensitas cahaya matahari yang diterima kolektor.
2.5.1.1
Energi yang diberikan kolektor ke air [
]
Energi panas yang diserap oleh air dari kolektor dapat diketahui dari persamaan dibawah ini :
= m x Cp x (Tfo - Tfi) ……………………………………..….(2.20)
Dimana :
= panas yang diserap air [j/s] atau [W]
m
= laju aliran massa air [kg/s]
Cp
= panas spesifik air [J/kg.K]
Tfo
= temperatur fluida output [K]
Tfi
= temperatur fluida input [K]
Laju aliran massa dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut : ̇ = ̇ x ρ ………………………………………………...…….(2.21)
dimana :
̇
= Laju aliran massa [kg/s] ̇
= debit aliran air [m3/s] = massa jenis air [kg/m3]
ρ
dengan debit aliran air dapat didapatkan menggunakan persamaan berikut : ̇ =
…………………………………………………………(2.22)
dimana : = volume [l] s
Laporan Tugas Akhir
= waktu [s] 20
2.5.1.2
Energi yang diterima kolektor [Qin] Energi panas yang diterima kolektor dapat dihitung dengan persamaan
sebagai berikut: Qin = Ak x Ig ……………………………………………….….(2.23)
Dimana :
Qin
= panas yang diterima kolektor [J/s] atau [Watt]
Ak
= luas penampang kolektor [m2]
Ig
= pancaran radiasi matahari kumulatif [kWh/m2]
2.5.1.3
Efisiensi kolektor Efisiensi dari kolektor dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara
panas yang berguna dari kolektor dengan intensitas dari radiasi surya.
η=
Qin
………………………………………………….….…(2.24)
atau
η=
Laporan Tugas Akhir
……………………..………...…..…(2.25)
21
