Bab II Teori Dasar Pemanfaatan energi matahari dapat dibagi menjadi dua yaitu: sistem aktif dan sistem pasif. Perbedaan antara kedua sistem ini adalah ada atau tidaknya pengumpul surya (kolektor) pada sistem tersebut. Kolektor adalah kunci dari sistem aktif, sedangkan sistem pasif hanya mengandalkan sinar matahari yang datang secara alami tanpa menggunakan kolektor. Pengumpul surya (solar collector) adalah suatu alat yang memanfaatkan energi termal dari radiasi matahari yang kemudian diteruskan kepada fluida kerjanya. Menurut cara pengumpulan energi surya, pengumpul surya dibagi menjadi pengumpul terkosentrasi (concentrating solar collector) dan pengumpul tidak-terkonsentrasi (non-concentrating solar collector). Pengumpul surya terkonsentrasi umumnya memiliki reflektor yang mengkonsentrasikan radiasi surya ke arah bagian pelat penyerap. Pengumpul surya tidak-terkonsentrasi, langsung memanfaatkan terpaan radiasi surya untuk memanaskan pelat penyerap melalui efek rumah kaca. Sistem pemanas air surya untuk perumahan pada umumnya menggunakan kolektor tidak-terkonsentasi, yaitu kolektor pelat datar.
Gambar 2.1 Pemanas air surya pelat datar
2.1 Pemanas Air Surya Pelat Datar Terdiri dari dua bagian utama yaitu kolektor dan tangki penyimpan air (gambar 2.1). Pada bagian kolektor terdapat sistem aliran fluida yang berupa pipapipa dan penyerap panas radiasi matahari. Permukaan kolektor tersebut diberi warna hitam untuk meningkatkan arbsorpsivitasnya.
4
Ketika energi panas matahari mengenai permukaan kolektor, permukaan tersebut akan menjadi panas dan akan memanaskan air yang berada dalam pipa. Ketika temperatur air meningkat, berat jenisnya akan turun sehingga air yang panas akan bergerak naik ke bagian atas kolektor menuju bagian atas tangki penyimpan air. Sedangkan air dingin yang masih berada di bagian bawah tangki akan bergerak turun ke bagian bawah kolektor karena berat jenis air dingin lebih tinggi daripada air panas. Sirkulasi air ini terjadi terus-menerus ketika kolektor tersebut terkena panas matahari. Namun ketika radiasi matahari berkurang, air didalam kolektor mendingin dan apabila temperaturnya lebih rendah daripada temperatur air dalam tangki, maka sirkulasi akan berhenti. Prinsip kerja ini disebut thermosyphon (gambar 2.2).
Gambar 2.2 Sirkulasi alami pemanas air surya
2.1.1 Kolektor Pelat Datar Kolektor pelat datar datpat dibedakan lagi berdasarkan jenis fluida kerjanya, yaitu kolektor pelat datar untuk air dan kolektor pelat datar untuk udara. Dibawah ini akan dijelaskan kolektor pelat datar yang digunakan pada sistem pemanas air surya. Kolektor pelat datar terdiri dari empat elemen dasar: 1. Absorber. Berfungsi untuk menyerap radiasi matahari yang datang dan memindahkan energi panas ini ke fluida. Terdiri dari pelat absorber (sirip), pipa pengumpul dan pipa induk. Pelat absorber (sirip) berfungsi untuk memperluas permukaan penyerap panas. Panas ini kemudian diserap oleh air dalam pipa-pipa pengumpul yang dihubungkan dengan pipa induk.
5
2. Penutup transparan. Berfungsi untuk mengurangi kehilangan panas radiasi dan perpindahan panas konveksi dari kolektor kesekeliling. 3. Isolasi. Berfungsi untuk mengurangi kehilangan panas dari bagian-bagian absorber yang tidak terkena matahari. 4. Rangka dan rumah (casing) kolektor. Tempat untuk meletakkan seluruh komponen pada posisinya dan menyangga berat kolektor.
Gambar 2.3 Kolektor pelat datar untuk air
Energi panas dipindahkan dari absorber ke fluida baik itu fluida cair maupun gas yang kemudian digunakan langsung atau disimpan. Biasanya lebih dari setengah panas yang diserap hilang dari permukaan absorber, disebabkan oleh reradiasi dan konveksi ke lingkungan. Kehilangan panas ini dapat dikurangi dengan menggunakan pelat penutup transparan dari jenis kaca karena: a. Kaca dapat meneruskan gelombang radiasi matahari tetapi tidak dapat meneruskan gelombang radiasi matahari. b. Ruang udara antara absorber dengan kaca memangkas besar hambatan thermal antara absorber dengan udara lingkungan. Bagian bawah absorber harus diisolasi untuk mencegah kerugian secara konduksi dari sisi bagian bawah dan samping. Sebagai contoh, rangka bagian luar dan penyangga pelat penutup harus juga diisolasi dari pelat absorber dan juga dari ruang udara, yang memiliki temperatur diatas temperatur sekeliling.
6
2.1.2 Tangki penyimpan air Digunakan untuk menyimpan air panas yang sudah dipanaskan dikolektor untuk digunakan sesuai keperluan. Tangki dibuat bebrbentuk silinder horizontal dan dilengkapi dengan 4 buah pipa dengan fungsi masing-masing, seperti ditunjukkan pada gambar 2.4. 1. Saluran air panas dari kolektor Terletak pada bagian atas sebelah kiri dari tangki untuk saluran air yang telah dipanaskan di kolektor. 2. Saluran air dingin Terletak di bagian paling bawah sebelah kanan tangki. Pipa ini berfungsi sebagai saluran air dingin ke kolektor dan sebagai saluran masuk untuk air dingin pengganti (make-up water). 3. Saluran pengambilan air panas / pemakaian Terletak pada bagian atas sebelah kanan dari tangki. Berfungsi untuk mengalirkan air panas yang akan digunakan. Saluran ini ditempatkan diatas saluran air masuk dari kolektor, untuk menjamin permukaan air didalam tangki selalu berada diatas saluran air dari kolektor sehingga sirkulasi thermosyphon dari kolektor ke tangki akan selalu berjalan. 4. Saluran pengeluaran udara Terletak diantara saluran masuk air dingin dan saluran pengambilan air panas. Saluran ini berguna untuk mengeluarkan udara yang terjebak didalam tangki. Bila didalam tangki terdapat udara, maka udara ini akan
menghalangi
masuknya air kedalam tangki. Sirkulasi air akan terganggu dan tekanan didalam sistem akan naik akibat pemuaian udara.
Gambar 2.4 Tipikal tangki penyimpan air panas
7
2.1.3 Pelat Penutup Radiasi matahari yang diterima oleh suatu benda, dapat ditransmisikan ( τ ), direfleksikan ( ρ ), dan atau di absorpsi ( α )
τ + ρ +α =1 Persamaan tersebut berlaku untuk cahaya dengan berbagai panjang gelombang, juga untuk memperhitungkan radiasi matahari dan untuk radiasi gelombang panjang dari pelat absorber kolektor matahari. Material penutup kolektor harus mempunyai nilai transmisivitas yang tinggi, sedangkan absorpsivitas dan refleksivitas yang seminimal mungkin. Hal ini disebabkan karena radiasi matahari yang diterima oleh pelat penutup harus dapat diteruskan secara maksimal ke pelat absorber agar energi radiasi tersebut sebanyak-banyaknya dipindahkan ke fluida kerja [Lunde, 1980]. Ada banyak material yang dapat meneruskan radiasi matahari dengan baik, tetapi menyerap sedikit energi dari sinar yang datang. Kaca, udara, air dan bahan plastik yang transparan termasuk diantara material tersebut. Secara umum, kaca menyerap 5-10% dari sinar yang datang. Yang mempengaruhi absorpsivitas dan warna dari kaca adalah kandungan oksida besi. Untuk kaca dengan kadar besi yang rendah, yaitu 0,05% oksida besi, akan kehilangan hanya sekitar 2,5% dari cahaya yang diteruskan untuk diserapkan oleh kaca dengan ketebalan pada umumnya. Untuk kaca water white dengan kadar besi yang sangat rendah yaitu
0,01% oksida besi, dapat meneruskan sekitar 91,4% dari radiasi matahari.
Sifat-Sifat
Jenis kaca: Ordinary Float
Iron-oxide content, percent 0,12 Refractive Index 1,52 Light transmittance (normal, percent) 79-84 Glass thickness, inches 0,25-0,125 Reflectance loss, percent 8,2-8,0 Absorpstion loss, percent 8,0-13,0 Tabel 2.1 Sifat-sifat kaca [2]
Tabel diatas penting untuk mengetahui rugi-rugi panas di pelat penutup. Sehingga dapat diketahui besar intensitas radiasi matahari yang diterima dan dimanfaatkan kolektor.
8
2.1.4 Permukaan Pelat Absorber
Karakteristik optik dari pelat absorber sangat berpengaruh terhadap efisiensi dimana radiasi matahari yang datang diubah menjadi energi berguna. Sifat permukaan yang melakukan reradiasi panjang gelombang termal menentukan banyaknya losses radiasi secara langsung. Rugi-rugi ini tetap ada pada kolektor meskipun terdapat pelat penutup karena luas pemukaan kolektor cukup besar. Besar pemantulan cahaya tampak dan infra merah sangat menentukan seberapa besar energi panas yang diserap karena pelat absorber yang opaque tidak meneruskan cahaya.
ρ +α =1 Selain itu juga terdapat istilah emissivitas (ε), yaitu sifat optik permukaan yang sama dengan absorptivitas, tetapi pada temperatur sehingga permukaan lebih banyak memancarkan (emit) daripada menyerap radiasi. Pelat absorber yang ideal memiliki permukaan dengan absorptivitas yang tinggi untuk menyerap sebanyak mungkin radiasi matahari, akan tetapi memiliki emissivitas yang rendah untuk meminimalkan losses secara reradiasi. Permukaan dengan sifat-sifat diatas disebut dengan permukaan selektif.
2.2 Teori Kolektor Pelat Datar
Sub-bab ini akan membahas tentang kolektor pelat datar secara teoritik dengan cukup mendetail. Hal ini dilakukan dengan tujuan mengembangkan pengertian cara kerja dari kolektor pelat datar. Sedangkan pada perhitungan performasi kolektor pada bab 4, dilakukan penyederhanaan dari berbagai prosedur teoritik yang dijelaskan pada sub-bab ini.
2.2.1 Persamaan Kesetimbangan Energi pada Kolektor Pelat Datar
Langkah awal untuk melakukan analisis kolektor pelat datar adalah kesetimbangan energi. Kesetimbangan energi ini menunjukkan adanya energi matahari yang diterima menjadi energi yang berguna, rugi-rugi termal dan rugirugi optik. Dengan mengasumsikan kolektor beroperasi dalam keadaan tunak, energi panas yang dikumpulkan ( Qu ) sama dengan energi yang diserap ( Qa ) dikurangi dengan rugi-rugi ke sekeliling ( Qloss ):
9
Qu = Qa − Qloss
(2.1)
Energi panas yang diserap sebanding dengan perkalian radiasi matahari yang diserap kolektor, S dengan luas kolektor, Ac Qa = S ⋅ Ac
(2.2)
Radiasi matahari yang diserap oleh kolektor sebanding dengan perkalian antara nilai transmisi-absorpsi rata-rata, (τα )ave dengan radiasi matahari yang datang, I t . S = (τα )ave I t
(2.3)
Energi thermal yang hilang dari kolektor ke sekeliling dengan konduksi, konveksi, dan radiasi infra merah dapat diwakili dengan koefisien kehilangan panas, U L , perbedaan antara temperatur rata-rata pelat absorber, Tp,m dan temperatur lingkungan Ta . Persamaan rugi-rugi termal didefinisikan sebagai berikut: Qloss = U L Ac (Tp ,m − Ta )
(2.4)
Maka besarnya energi yang berguna: Qu = Ac ⎢⎣ S − U L (Tp ,m − Ta ) ⎥⎦
(2.5)
Permasalahan pada persamaan ini adalah temperatur rata-rata pelat absorber sulit untuk dihitung atau diukur karena merupakan fungsi rancangan kolektor, radiasi matahari yang datang dan kondisi fluida yang masuk. Ukuran kinerja kolektor adalah efisiensi kolektor, yang didefinisikan sebagai perbandingan dari energi yang berguna sepanjang periode waktu tertentu terhadap energi matahari yang datang dalam periode waktu yang sama.
η=
Qu Ac I t
(2.6)
Nilai dari efisiensi kolektor biasanya berkisar antara nol dan satu. Tetapi bernilai negatif ketika radiasi yang datang tidak dapat mengimbangi rugi-rugi yang terjadi.
10
2.2.2 Koefisien Kehilangan Panas Kolektor Keseluruhan
Mengembangkan
konsep
dari
koefisien
kehilangan
panas
kolektor
keseluruhan berguna untuk menyederhanakan persamaan matematika. Rangkaian thermal untuk sistem dengan satu pelat penutup ditunjukkan oleh gambar 2.5. Pada beberapa lokasi tertentu pada pelat kolektor dimana temperaturnya adalah Tp, sejumlah energi matahari S diserap oleh pelat; S sebanding dengan radiasi matahari yang datang dikurangi rugi-rugi optik, sesuai dengan persamaan (2.3). Energi yang diserap ini akan didistribusikan menjadi losses melalui bagian atas dan bawah kolektor, dan juga menjadi energi berguna. Tujuan dari sub-bab ini adalah merubah rangkaian thermal gambar 2.5 menjadi rangkaian thermal pada gambar 2.6.
Gambar 2.5 Rangkaian thermal kolektor dengan satu pelat penutup
•
R1 = Penjumlahan tahanan termal konveksi akibat sekeliling dan tahanan termal radiasi.
•
R2 = Penjumlahan tahanan termal konveksi dalam ruang antara kaca dengan pelat absorber dan tahanan termal radiasi.
•
R3 = Tahanan termal konduksi isolasi
•
R4 = Penjumlahan tahanan termal konveksi akibat sekeliling dan tahanan termal radiasi.
•
Ta = Temperatur sekeliling.
•
Tc1 = Temperatur kaca.
•
Tp = Temperatur pelat absorber.
•
Tb = Temperatur isolasi bagian bawah.
11
Gambar 2.6 Rangkaian thermal ekivalen kolektor pelat datar
Rugi-rugi energi yang melewati bagian atas kolektor disebabkan oleh konveksi dan radiasi diantara pelat sejajar. Perpindahan energi antara pelat kolektor yang bertemperatur Tp dan pelat penutup yang bertemperatur Tc adalah sama dengan rugi-rugi energi ke sekeliling dari pelat penutup atas. Rugi-rugi yang melewati bagian atas kolektor tiap satu satuan luas adalah sama dengan perpindahan energi panas dari pelat absorber ke pelat penutup: qloss ,top = h p −c (T p − Tc ) +
(
σ T p 4 − Tc 4 1
εp
+
1
εc
)
(2.7)
−1
h p −c = koefisien perpindahan panas antara pelat kolektor dan pelat penutup. Dengan melinearkan perpindahan panas secara radiasi, maka:
qloss ,top = (h p −c + hr , p −c )(T p − Tc )
dimana:
hr , p −c =
(T
p
(
+ Tc ) T p + Tc 1 1 + −1
εp
2
2
(2.8)
)
εc
Tahanan, R2 , dinyatakan sebagai: R2 =
h p −c
1 + hr , p −c
(2.9)
Persamaan untuk tahanan dari pelat penutup atas ke sekeliling, R1 sama dengan persamaan (2.9) tetapi koefisien perpindahan panas konveksi-nya adalah untuk angin yang bertiup di sekitar kolektor. Tahanan radiasi dari bagian atas pelat penutup memperhitungkan perubahan radiasi dengan langit pada Ts . Diambil referensi untuk tahanan ini dengan
12
temperatur lingkungan Ta . Maka koefisien perpindahan panas secara radiasi dapat ditulis sebagai berikut:
hr ,c − a = ε c
(
)
σ (Tc + Ts ) Tc 2 + Ts 2 (Tc − Ts ) Tc − Ta
(2.10)
tahanan ke sekeliling ditulis sebagai: R1 =
hwind
1 + hr , c − a
(2.11)
untuk sistem satu pelat penutup, koefisien rugi-rugi untuk bagian atas pelat kolektor ke sekeliling adalah:
Ut =
1 R1 + R2
(2.12)
Dalam menyelesaikan persamaan koefisien rugi-rugi tersebut diperlukan proses iterasi. Pertama, dengan menebak temperatur pelat penutup yang tidak diketahui, dimana koefisien perpindahan panas untuk konveksi dan radiasi diantara pelat sejajar sudah diperhitungkan. Dengan dugaan ini, persamaan (2.12) dapat diselesaikan. Rugi-rugi panas bagian atas pelat kolektor adalah koefisien rugi-rugi bagian atas pelat kolektor dikalikan dengan perbedaan temperatur keseluruhan. Untuk menghitung nilai temperatur pelat, perubahan energi diantara pelat harus sama dengan rugi-rugi panas keseluruhan. Diawali pada pelat absorber, nilai temperatur baru dihitung untuk pelat penutup pertama. Temperatur pelat penutup pertama yang baru digunakan untuk mencari temperatur pelat penutup kedua, dan selanjutnya. Untuk dua pelat yang berdekatan, temperatur baru dari pelat (j) dapat dinyatakan dalam kondisi temperatur (i) sebagai: T j = Ti −
U t (T p − Ta ) hi − j + hr ,i − j
(2.13)
Proses ini diulangi hingga temperatur pelat penutup tidak lagi berubah banyak diantara iterasi. Proses perhitungan koefisien kehilangan panas cukup panjang, apalagi bila ingin diketahui UL setiap 2 menit. Untuk mempermudah telah disajikan grafik UL terhadap temperatur pelat rata-rata [Duffie, 1980]. Tersedia grafik untuk satu, dua dan tiga pelat penutup; temperatur ambien 40, 10 dan -20 °C; untuk koefisien
13
perpindahan panas angin 5, 10 dan 20 W/m2°C; dan untuk emisi pelat 0,95 dan 0,10. Rugi-rugi energi yang melalui bagian bawah kolektor ditunjukkan dengan gambar dua rangkaian tahanan, R3 dan R4, pada gambar 2.3. R3 manggambarkan tahanan aliran energi panas melalui isolasi dan R4 menggambarkan tahanan konveksi dan radiasi ke sekeliling. R4 memungkinkan untuk diasumsikan benilai 0 dan seluruh tahanan untuk aliran energi panas disebabkan oleh isolasi. Maka koefisien rugi-rugi untuk bagian bawah kolektor, Ub, dapat dinyatakan sebagai berikut: Ub =
k 1 = R3 L
(2.14)
dengan k = konduktivitas thermal isolasi dan L = ketebalan isolasi. Untuk kebanyakan kolektor, perhitungan rugi-rugi untuk bagian tepi sangat rumit. Akan tetapi sistem yang dirancang dengan baik, rugi-rugi bagian tepi seharusnya kecil sehingga tidak diperlukan perhitungan dengan ketelitian yang tinggi. Rugi-rugi bagian tepi diperkirakan dengan menganggap aliran energi panas ke arah samping adalah satu dimensi sekeliling sistem kolektor. Rugi-rugi yang melalui bagian tepi harus direkomendasikan terhadap luas kolektor. Jika perkalian koefisien rugi-rugi bagian tepi dengan luas adalah (UA)edge , maka koefisien rugirugi bagian tepi berdasarkan luas kolektor, Ac adalah: Ue =
(UA)edge Ac
⎛ kisolasi ⎞ + h ⎟ ⋅ p ⋅ tbox ⎜ L ⎠ Ue = ⎝ Ac
(2.15)
(2.16)
dimana: kisolasi = konduktivitas thermal isolasi L
= tebal isolasi
h
= koefisien konveksi sekeliling
p
= keliling
tbox = tinggi kotak kolektor
14
Pada rugi-rugi bagian tepi untuk susunan kolektor dengan konstruksi yang cukup besar biasanya diabaikan, tetapi untuk kolektor yang kecil rugi-rugi bagian tepi cukup berpengaruh. Koefisien rugi-rugi kolektor keseluruhan, UL, adalah penjumlahan dari koefisien rugi-rugi untuk bagian atas, bawah dan tepi U L = Ut + Ub + Ue
(2.17)
2.2.3 Faktor Efisiensi Kolektor
Dengan menganggap konfigurasi pipa dan pelat seperti pada gambar 2.5 dapat diperoleh faktor efisiensi sirip dan faktor efisiensi kolektor. W/2 Tb
bond
d
Tf (W-D)/2 D x
Gambar 2.7 Konfigurasi pipa dan absorber
Permukaan yang diperluas selalu digunakan untuk membantu perpindahan enrgi panas dari permukaan absorber ke fluida kerja. Dalam kolektor dengan fluida cair,permukaan absorber bertindak sebagai sirip pada pipa dimana fluida bersirkulasi
sehingga
dapat
digunakan
pipa
yang
berdimensi
kecil,
mempertahankan biaya yang rendah, menyederhanakan permasalahan distribusi dan meyakinkan koefisien perpindahan panas yang tinggi pada bagian sisi fluida cair (gambar 2.7) Radiasi matahari secara seragam menimpa sirip (atau pelat absorber) dan dikonduksikan ke pipa yang terdekat. Sejumlah panas yang mengalir pada sepanjang sirip dengan jarak tertentu ke pipa akan semakin rendah. Untuk mengkonduksikan panas sepanjang sirip, temperatur harus meningkat seperti peningkatan yang terjadi dari ujung sirip, dengan temperatur tertinggi pada titik tengah antara pipa. Dengan temperatur yang tinggi ini berarti rugi-rugi ke lingkungan melalui pelat penutup juga tinggi. Persamaan efisiensi sirip adalah sebagai berikut:
15
⎡ tanh m (W − D ) 2 ⎤⎦ F=⎣ m (W − D ) 2
(2.18)
Dimana m didefinisikan dengan:
m 2 = U L kδ Nilai kδ merupakan perkalian antara konduktivitas thermal pelat dan ketebalan pelat. Fungsi F diatas merupakan persamaan standar efisiensi sirip untuk sirip lurus dengan profil persegi panjang yang digambarkan pada gambar 2.6.
Gambar 2.8 Efisiensi sirip untuk pipa dan absorber kolektor matahari [1]
Persamaan faktor efisiensi kolektor, F’, adalah:
F'=
1 UL ⎡ 1 1 1 ⎤ + + W⎢ ⎥ ⎣⎢ U L ⎡⎣ D + (W − D ) F ⎤⎦ CB π Di h f ,i ⎦⎥
(2.19)
CB pada persamaan diatas merupakan konduktivitas dari pengikat, yang dihitung dengan persamaan berikut:
CB =
kb ⋅ b
γ
(2.20)
Kb : konduktivitas thermal pengikat, γ : tebal rata-rata pengikat dan b : lebar pengikat. Persamaan konduktivitas pengikat dapat menjadi parameter sangat penting dalam menggambarkan kinerja kolektor secara akurat. Persamaan F’ diatas menggambarkan perbandingan penerimaan energi berguna aktual terhadap
16
penerimaan energi berguna jika permukaan kolektor yang menyerap energi berada pada temperatur fluida lokal. Faktor efisiensi kolektor pada dasarnya konstan untuk setiap rancangan kolektor dan laju aliran fluida. Untuk kebanyakan rancangan kolektor, parameter
F merupakan variabel yang sangat penting dalam menentukan F’, tetapi bukan merupakan fungsi temperatur. Faktor efisiensi kolektor menurun dengan meningkatnya jarak antara sumbu pipa yang bersebelahan dan meningkat dengan meningkatnya ketebalan kedua material dan konduktivitas thermal. Dengan meningkatnya koefisien rugi-rugi keseluruhan akan menurunkan F’, tetapi dengan meningkatkan koefisien perpindahan energi panas pipa akan meningkatkan F’.
2.2.4 Heat Removal Factor Merupakan
hal
yang
tepat
untuk
mendefinisikan
besaran
yang
menghubungkan penerimaan energi berguna aktual dari kolektor dengan penerimaan energi berguna jika seluruh permukaan kolektor berada pada temperatur fluida masuk. Besaran ini dinamakan dengan faktor pelepasan panas kolektor, FR, secara matematis ditulis dengan: •
FR =
m C p ( T f , o − T f ,i )
Ac ⎡⎣ S − U L (T f ,i − Ta ) ⎤⎦
⎤ ⎡ − ⎢U L Ac F '/ mc p ⎥ ⎤ m Cp ⎡ ⎣ ⎦ ⎢1 − e ⎥ FR = AcU L ⎢ ⎥⎦ ⎣
(2.21)
Besaran FR ekivalen dengan conventional heat exchanger efectiveness, yang didefinisikan sebagai perbandingan antara energi panas aktual terhadap perpindahan energi panas maksimum yang mungkin. Penerimaan energi berguna maksimum yang mungkin dalam solar collector terjadi ketika seluruh kolektor berada pada temperatur fluida masuk; rugi-rugi panas ke sekeliling menjadi minimum. Faktor pelepasan energi panas kolektor dikalikan dengan penerimaan energi berguna maksimum yang mungkin, sama dengan penerimaan energi aktual,
Qu:
Qu = Ac FR ⎡⎣ S − U L (Ti − Ta ) ⎤⎦
(2.22)
17
Persamaan diatas berguna dan berlaku untuk kebanyakan kolektor pelat datar. Dengan persamaan ini, penerimaan energi berguna diperhitungkan sebagai fungsi dari temperatur fluida masuk, dan merupakan gambaran yang tepat ketika menganalisis sistem energi matahari, dengan syarat temperatur masuk fuida diketahui. Akan tetapi, rugi-rugi berdasarkan temperatur fluida masuk sangat kecil ketika rugi-rugi terjadi di sepanjang pelat kolektor dan pelat mengalami peningkatan temperatur dalam arah aliran. Ketika laju aliran massa yang melalui kolektor
meningkat,
temperatur
sepanjang
kolektor
menurun.
Hal
ini
menyebabkan rugi-rugi yang kecil ketika temperatur rata-rata kolektor rendah dan pada saat bersamaan penerimaan energi berguna meningkat. Peningkatan ini digambarkan dengan peningkatan faktor pelepasan panas kolektor FR sebagai peningkatan laju aliran massa. Perlu diketahui bahwa faktor pelepasan panas kolektor FR tidak akan melebihi faktor efisiensi kolektor F’. Ketika laju aliran semakin membesar, perubahan temperatur fluida dari masuk sampai keluar akan menurun mendekati nol, akan tetapi temperatur permukaan absorber akan tetap lebih tinggi dari temperatur fluida. Perbedaan temperatur ini diperhitungkan untuk faktor efisiensi kolektor, F’.
2.2.5 Performansi Kolektor Performansi kolektor secara instan ditunjukkan pada gambar 2.9 untuk empat rancangan kolektor pemanas cairan: satu dan dua pelat penutup, pelat absorber yang selektif dan non-selektif. Kofisien kehilangan panas bagian atas, UL telah dihitung dengan menyelesikan sistem dari persamaan-persamaan algebra seperti dijelaskan sub-bab 2.2.2. Losses bagian bawah dan tepi diasumsikan sebesar 1,0 W/m2°C. Untuk kolektor dengan satu pelat penutup, nilai produk transmisiabsorpsi efektif, (τα)e diasumsikan 0,86 dan 0,81 untuk kolektor selektif dan nonselektif. Untuk kolektor dengan dua pelat penutup, (τα)e diasumsikan sebesar 0,81 dan 0,77. Pada setiap rancangan, nilai faktor pelepasan panas kolektor, FR konstan sebesar 0,95. Apabila dipakai nilai UL yang konstan, maka semua kurva akan menjadi garis lurus. Sebuah garis lurus yang sesuai dapat dipakai untuk menggantikan setiap kurva dengan kesalahan 5%. Kurva-kurva ini dikembangkan dengan radiasi
18
datang pada kolektor sebesar 1000 W/m2, ini merupakan radiasi level tinggi; jika digunakan radiasi dengan level lebih rendah, kurva akan lebih linear.
Gambar 2.9 Efisiensi kolektor sebagai fungsi dari temperatur fluida masuk [1]
Observasi penting lainnya dapat diambil dari gambar ini. Seleksi dari kolektor “terbaik” bergantung pada aplikasinya. Jika input kolektor adalah air temperatur rendah, maka kolektor yang paling murah, satu pelat penutup, non-selektif akan mempunyai efisiensi tertinggi. Dengan kenaikan temperatur air suplai, performansi kolektor dengan 1 penutup, dan non-selektif akan jatuh lebih cepat dari yang lain. Ketika temperatur inlet melebihi 100°C, kolektor paling mahal, dua pelat penutup, dan permukaan selektif akan memiliki performansi tertinggi. Sebuah implikasi dari paragraf sebelumnya adalah temperatur fluida diketahui untuk aplikasi tertentu. Ini jarang menjadi masalah. Kebanyakan sistem surya bekrja dengan temperatur inlet yang bervariasi sehingga seleksi kolektor terbaik dari sudut pandang performansi thermal tidak selalu mungkin. Walaupun jika performansi thermal dari satu kolektor melebihi yang lainnya untuk temperatur dengan range yang lebar, harga dari dua sistem tersebut harus dipertimbangkan sebelum keputusan rasional diambil.
19
