BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Kolektor Surya Plat Datar Kolektor suryaplat datar seperti pada gambar 2.1 merupakan kotak tertutup yang bagian atas dipasang kaca atau plastik transparan dengan lempengan konduktor penyerap panas di bagian bawahnya. Kolektor ini biasanya dilapisi dengan lapisan untuk menyerap dan meminimalkan kehilangan panas.

Gambar 2.1. Bagian Kolektor Surya Plat Datar Sistem kerja dari kolektor ini yaitu sinar matahari akan melewati kaca transparan pada kolektor dan langsung menuju lempengan konduktor penyerap panas (plat absorber) yang kemudian mengubah energi matahari yang diterima menjadi energi panas. Selanjutnya panas ditransfer ke cairan dalam pipa tembaga yang melekat pada plat absorber yang dicat menggunakan bahan khusus yang menyerap dan mempertahankan panas lebih baik dari cat hitam biasa. Plat absorber terbuat dari logam tembaga atau aluminium, karena logam merupakan konduktor panas yang baik. Tembaga adalah konduktor yang lebih baik tetapi kurang tahan terhadap korosi dibandingkan aluminium dan harganyalebih mahal. Keuntungan utama dari kolektor surya plat datar adalah kolektor ini memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran sehingga tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya

6 Universitas Sumatera Utara

pembuatan yang murah. Kolektor plat datar juga dapat bertahan selama lebih dari 25 tahun. Kolektor surya plat datar terdiri dari beberapa komponen utama yaitu: 1. Kaca penutup Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya berupa gelombang pendek dan mencegah panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagian atas. Berdasarkan fungsi ini maka kaca penutup harus mempunyai sifat-sifat sebagai berikut (Rosa Yasmendra,2007) : a. Transmisivitas tinggi ( ) b. Absorsivitas rendah ( ) c. Refleksivitas rendah ( ) d. Tahan panas e. Ada dipasaran dan kuat Ketebalan dan jarak kaca penutup terhadap plat absorber juga sangat berpengaruh kepada temperatur penyerapan plat absorber didapat bahwa temperatur plat tertinggi dicapai saat kaca yang dipakai jenis kaca bening dengan tebal 3 mm dengan jarak kaca ke plat absorber 20 mm (Handoyo E. A, 2001) Jumlah kaca penutup dari kolektor mempengaruhi unjuk kerja dari kolektor.Secara umum diperoleh hasil bahwa dengan menggunakan dua buah kaca penutup diperolehefisiensi yang lebih baik dibandingkan hanya menggunakan satu kaca.Perbedaan suhu antaraair keluar kolektor dan yang masuk ke kolektor dengan 2 kaca penutup bisa lebih tinggi hinggasekitar 17°C dibandingkan kolektor dengan sebuah kaca penutup. 2. Plat absorber Plat penyerap atau plat absorber berfungsi menyerap radiasi matahari yang diteruskan kaca penutup dan mengkonversikan menjadi energi panas. Energi panas dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi. Bahan-bahan yang dipakai untuk plat penyerap biasanya yaitu: aluminium, tembaga, kuningan, dan baja. Berdasarkan fungsi plat absorber maka dalam pemilihan bahan plat harus mengacu pada pertimbangan berikut ini :


a. Absorbsivitas tinggi ( ) b. Emisifitas panas rendah ( ) c. Kapasitas panas kecil (Cp). d. Konduktifitas besar (k) e. Refleksi rendah ( ) f. Tahan panas dan tahan korosi g. Kaku dan mudah dibentuk h. Ada dipasaran Ketebalan plat penyerap dan jarak antar pipa penyalur cairan terhadap performansi kolektor plat datar memiliki hubungan yang cukup signifikan. Performansi kolektor plat datar berbahan tembagatertinggi dihasilkan dengan konfigurasi ketebalan plat1,2 mm dan jarak antar pipa penyalur cairan 73,6 mm (Philip K, 2001). 3. Isolasi Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor.Pada isolasi terjadi perpindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh sifat-sifat bahan. Isolasi yang digunakan haruslah memenuhi kreteria berikut: a. Konduktifitas termal bahan (K) kecil b. Mudah dibentuk dan praktis c. Harga murah dan ada dipasaran d. Tahan lama

2.2. Klasifikasi Kolektor Surya Menurut Philip Kristanto (2000) kolektor surya dapat didefenisikan 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 didalam kolektor surya untuk kemudian dimanfaatkan guna berbagai


aplikasi. 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. 3. Kanal, berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja. 4. Isolator, berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan. 5. Frame, berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.

2.2.1. Jenis Kolektor Surya Menurut Titoatmodjo R (1999) terdapat tiga jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam solar thermal collector system dan juga memiliki korelasi dengan pengklaisifikasian kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya. 1. Flat-Plate Collector Kolektor surya merupakan plat datar merupakan alat yang digunakan untuk

memanaskan

fluida

kerja

yang

mengalir

kedalamnya

dengan

mengkonversikan energi radiasi matahari menjadi panas. Fluida yang dipanaskan berupa cairan minyak, air, oli, dan udara. Kolektor surya plat datar mempunyai temperatur keluaran dibawah 95oC. Dalam aplikasinya kolektor plat datar digunakan untuk memanaskan udara dan air. Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah dengan memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang murah. Pada umunya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri. Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur dibawah 100oC. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorbernya yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor plat datar memanfaatkan radiasi


matahari langsung dan terpancar. 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 plat datar antara lain, transparant cover, absorber, insulasi, dan kerangka.

Gambar 2.2 Kolektor surya plat datar

2. Concentrating collector Jenis kolektor ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas temeperatur antara 100-400oC. Kolektor jenis ini mampu memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga 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

absorbernya

jenis

ini

dikelompokkan menjadi dua jenis yaitu, Line Focus dan Point Focus.

Gambar 2.3 Konsentrator

Agar cahaya matahari selalu dapat difokuskan terhadap tabung absorber, konsentrator harus dirotasi. Pergerakan ini disebut dengan tracking. Temperatur


fluida melebihi 400oC dapat dicapai pada sistem kolektor ini seperti terlihat pada gambar diatas. 3. Evacuated Tube Collector Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaan terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara absorber dan penutupnya

dikondisikan

dalam

keadaan

vakum,

sehingga

mampu

meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan.

Gambar 2.4 Evacuated Receiver

2.2.2. Sistem Pemanas Air Tenaga Surya 1. Sistem Langsung Sistem langsung atau sistem loop terbuka mensirkulasikan air yang dipanaskan langsung melalui kolektor. Sistem ini lebih murah dari pada sistem tidak langsung dan melakukan perpindahan panas yang baik dari kolektor ke tangki penyimpanan, namun memiliki banyak kekurangan seperti : 

Memberikan perlindungan panas yang kecil atau tidak ada



Pada daerah dingin tidak memberikan perlindungan terhadap pembekuan

Sistem ini sering tidak dianggap cocok untuk cuaca dingin karena kolektor yang rusak akibat pembekuan air.


Gambar 2.5 Pemanas air sistem langsung a. Sistem pasif dengan tangki diatas kolektor b. Sistem aktif dengan pompa dan kontroler didukung oleh sebuah pane photovolatic.

2. Sistem Tidak Langsung Sistem tidak langsung atau sistem loop tertutup menggunakan alat penukar panas yang memisahkan air dari fluida penghantar panas (Heat transfer fluid) yang bersirkulasi melalui kolektor. Dua jenis fluida penghantar panas yang paling umum adalah air dan anti beku yaitu campuran air yang biasanya menggunakan glikol propilen yang tidak beracun. Meskipun sedikit lebih mahal, sistem tidak langsung

memberikan

perlindungan

terhadap

pembekuan

dan

biasanya

memberikan perlindungan terhadap kehilangan panas.

Gambar 2.6 Pemanas air sistem aktif tidak langsung c. Sistem tidak langsung dengan penukar panas dalam tangki.


d. Sistem tidak langsung dengan reservoir drainback. Dalam skema kontroller dan pompa didorong oleh listrik.

2.3. Posisi Matahari Untuk menghitung radiasi matahari langsung pada sebuah permukaan miring dari radiasi pada sebuah permukaan horizontal, maka posisi matahari harus diketahui setiap saat. Posisi matahari juga digunakan untuk menentukan radiasi surya yang diteruskan melalui kaca, yang transmisivitas absorbsivitasnya berubah-ubah sesuai dengan sudut masuk matahari. -

Sudut lintang , adalah sudut lokasi bidang dipermukaan bumi terhadap ekuator bumi dimana untuk arah ke utara diberi tanda positif. Nilai untuk sudut lintang : - 90 ≤ ɸ ≤ 90.

-

Sudut kemiringan β, adalah sudut antara permukaan bidang yang dimaksud terhadap horizontal : 0 ≤ β ≤ 180o.

-

Sudut deklinasi matahari , merupakan sudut kemiringan bumi terhadap matahari akibat rotasi bumi pada arah sumbu axis bumi-matahari; -23, 45o≤

≤23, 45o.

Sudut deklinasi matahari dinyatakan dengan persamaan :

(

) ................................ 2.1

Dimana n menyatakan nomor urut hari dalam satu tahun yang diawali dengan nomor urut 1 untuk tanggal 1 Januari.

Gambar 2.7 Deklinasi Matahari


-

Sudut jam matahari

, adalah pergeseran sudut dari matahari ke arah timur

barat dari garis bujur lokal akibat rotasi bumi pada sumbunya. Besar pergeseran sudut tersebut 15o tiap jam. -

Sudut ketinggian matahari

, adalah sudut antara radiasi langsung dari

matahari dengan bidang horisontal yang ditentukan berdasarkan persamaan : sin

-

Sudut zenith

= cos cos cos + sin sin

............ 2.2

, adalah sudut antara radiasi langsung dari matahari dengan

garis normal bidang horisontal yang dinyatakan dengan persamaan :

-

cos

= sin

cos

=

............. 2.3

Sudut azimut ( ...................................... 2.4

Gambar 2.8 Posisi Sudut Matahari

2.4. Radiasi Pada Bidang Miring Pada dasarnya data radiasi surya pada bidang miring jarang diperoleh. Karakteristik dari permukaan disekitarnya berbeda antara satu tempat dengan yang lainnya sehingga standarisasi pengukurannya sulit dibuat. Karena itu, radiasi total pada suatu permukaan miring biasanya dihitung. Radiasi total pada permukaan miring adalah jumlah dari radiasi komponen sorotan (IbT), komponen sebaran (IdT), dan komponen pantulan (IrT).


IT = IbT + IdT + IrT [MJ/m2] ................................. 2.5 2.4.1 Radiasi Langsung/Sorotan Intensitas radiasi langsung atau sorotan perjam pada sudut masuk normal Ibn adalah, Ibn =

........................................................... 2.6

= sudut zenith Dengan demikian, untuk suatu permukaan yang dimiringkan dengan sudut β terhadap bidang horisontal, intensitas dari komponen sorotan adalah, Ibn = IbT cos

=

.....................................................2.7

disebut sudut masuk dan didefenisikan sebagai sudut antara arah sorotan pada sudut masuk normal dan arah komponen tegak lurus (90o) pada permukaan bidang miring.

Gambar 2.9 Radiasi sorotan tiap jam pada permukaan miring dari pengukuran Ib 2.4.2. Radiasi Sebaran Radiasi sebaran yang disebut juga radiasi langit (sky radiation), adalah radiasi yang dipancarkan ke permukaan penerima oleh atmosfer, karena itu berasal dari seluruh bagian hemisfer. Apabila dimisalkan, seperti yang sering terjadi, bahwa radiasi sebaran pada permukaan miring dinyatakan dengan,


IdT = Id(

) …………................................. 2.8

Dimana β adalah sudut miring dari permukaan miring dan Id menunjukkan besarnya radiasi sebaran perjam pada suatu permukaan horisontal.

2.4.3. Radiasi Pantulan Selain komponen radiasi langsung dan sebaran, permukaan penerima juga mendapatkan radiasi yang dipantulkan dari permukaan yang dimana jumlah radiasi yang dipantulkan tergantung dari refleksi α dari permukaan yang berdekatan itu, dan kemiringan permukaan yang menerima. Radiasi yang dipantulkan perjam, juga disebut radiasi pantulan, yang dijabarkan dalam persamaan. IrT = α(Ib + Id) (

)[MJ/m2] .......................... 2.9

Dimana reflektansi α dianggap 0,21-0,25 untuk permukaan tanpa salju dan 0,7 untuk lapisan salju yang baru turun.

Gambar 2.10 Komponen Radiasi pada Permukaan Miring

2.5.

Perpindahan panas

2.5.1. Konduksi Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Kalor dipindahkan melalui benda perantara, namun benda perantaranya tidak ikut berpindah. Proses konduksi terjadi karena elektron-elektron bebas atau foton (paket gelombang akustik) yang berpindah. 16 Universitas Sumatera Utara

Jadi, tidak tampak perpindahannya secara makroskopik. Jika atom atau molekul suatu zat pada suatu tempat bersuhu lebih tinggi dari pada molekul di tempat lain, maka atom atau molekul tersebut akan bergerak dengan energi lebih besar dari pada bagian lainnya. Melalui proses tumbukan, energi dapat dipindahkan kepada molekul-molekul atau atom lainnya. Menurut Welty, dkk (2002) laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier.

Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konduksi Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier ( ) ............................................... 2.10 = Laju perpindahan panas (Watt)

dimana : k

= Konduktivitas Termal (W/m.K)

A

= Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2)

( )

= Gradien temperatur dalam aliran panas (K/m)

Nilai angka konduktifitas termal menunjukkan seberapa cepat kalor mengalir dalam bahan tertentu.

Gambar 2.12 Perpindahan Panas Konduksi Pada Kolektor


Peristiwa perpindahan konduksi pada kolektor surya terjadi pada sisi-sisi kolektor yang diisolasi oleh rockwoll, sterofoam dan kayu. Energi panas hilang (Qloss) berpindah dari ruang dalam (kanal) kolektor menuju temperatur yang lebih dingin (temperatur lingkungan).

2.5.2. Konveksi Konveksi

merupakan

perpindahan

kalor

yang

disertai

dengan

perpindahan massa medianya, dan media konveksi adalah fluida. Konveksi terjadi karena adanya perbedaan kecepatan fluida bila suhunya berbeda, yang tentunya akan berakibat pada perbedaan berat jenis (berat tiap satuan volume). Fluida yang bersuhu tinggi akan mempunyai berat jenis yang lebih kecil bila dibandingkan dengan fluida sejenisnya yang bersuuhu lebih rendah. Karena itu, maka fluida yang bersuhu tinggi akan naik sambil membawa energi. Hal inilah yang berakibat pada terjadinya perpindahan kalor konveksi. Udara yang mengalir diatas suatu permukaan logam pada sebuah alat pemanas udara surya, dipanasi secara konveksi yaitu konveksi paksa dan konveksi alamiah, apabila aliran udara disebabkan oleh blower maka ini disebut konveksi paksa dan apabila disebabkan oleh gradien massa jenis maka disebut konveksi alamiah.

Gambar 2.13 Perpindahan Panas Konveksi Paksa dan Konveksi Natural

Perpindahan panas konveksi pada saluran kolektor sangat dipengaruhi oleh bilangan Reynold, apakah laminar maupun turbulent.


Gambar 2.14 Perpindahan Panas Konveksi Plat Datar

Bilangan Reynold pada plat datar dirumuskan sebagai berikut : ..............................................................2.11 dimana : Re

= bilangan Reynold

V

= kecepatan rata-rata dari fluida (m/s)

L

= panjang kolektor (m) = massa jenis (kg/m3) = viskositas dinamik (kg/m.s)

Dengan pembagian jenis aliran berdasarkan bilangan Reynold sebagai berikut : Re ≤ 5x105

untuk aliran Laminar

Re ≥ 5x105

untuk aliran Turbulen

Untuk laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut : ..............................................2.12 dimana : h = koefisien konveksi (W/m2.K) A = luas permukaan kolektor surya (m2) Ts = temperatur dinding (K) = temperatur udara lingkungan (K) Qh = laju perpindahan panas (Watt) Kolerasi yang sering digunakan dalam menentukan koefisien perpindahan panas konveksi (hc) yaitu :


.............................................2.13 ...................................................2.14 ...........................................................2.15

dimana : GrL

= Bilangan Grashoff = Massa Jenis (kg/m3)

G

= Gravitasi (m/s2) = Koefisien udara pada temperatur film (1/K)

L

= Panjang Kolektor (m) = Viskositas (N.s/m2)

RaL

= Bilangan Rayleigh

Pr

= Bilangan Prandt

Nux

= Bilangan Nusselt

l

= Lebar Kolektor (m)

hc

= Koefisien konveksi (W/m2.K)

k

= Konduktivitas termal (W/m.K)

Penentuan kondisi aliran pada kasus konveksi natural adalah menggunakan bilangan RaL yang telah didefenisikan pada persamaan : ............................................. 2.16

Menurut bidangnya, konveksi natural dapat dibedakan sebagai berikut : 1. Bidang vertikal Arah aliran fluida akibat konveksi natural pada bidang vertikal mempunyai dua kemungkinan. Pertama temperatur bidang lebih tinggi dari temperatur fluida sehingga mengalir ke atas atau sebaliknya temperatur bidang lebih rendah dari temperatur fluida, sehingga arah aliran ke bawah. Secara kuantitatif persamaan mencari nilai bilangan Nu adalah sama, hanya arahnya saja yang berbeda. Parameter bilangan Rayleigh dihitung dengan menggunakan panjang bidang L dan dinyatakan dengan RaL untuk kasus ini ada beberapa alternatif yang


dapat digunakan. Persamaan yang paling sederhana dapat dijumpai pada Mc Adams (1945), Warner dan Arpaci (1968), dan Bayley (1955), yaitu : Nu = 0,5 RaL0,25 untuk 104 Nu = 0,1 RaL1/3 untuk 109

RaL RaL

109............................................. 2.17 1013............................................. 2.18

2. Bidang miring Bidang vertikal dapat dianggap sebagai bidang miring dengan kemiringan 900. Dengan kata lain bidang miring adalah bidang vertikal yang sudut kemiringannya kurang dari 900. Jika fakta ini dibawa ke kasus konveksi natural, maka semua persamaan pada bidang vertikal dengan satu catatan kemiringannya harus diperhitungkan. Untuk lebih jelasnya sebuah plat yang panas dimiringkan dengan sudut kemiringan < 900 terhadap vertikal ditampilkan pada Gambar 2.15

Gambar 2.15 Konveksi Natural dan Tebal Lapisan Batas pada Bidang Miring

2.5.3. Radiasi Radiasi

adalah

proses

perpindahan

panas

melalui

gelombang

elektromagnetik atau paket-paket energi (photon) yang dapat dibawa sampai pada jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium. Disamping itu jumlah energi yang membedakan antara peristiwa perpindahan panas konduksi dan konveksi dengan perpindahan panas radiasi.


Gambar 2.16 Perpindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas secara radiasi dirumuskan sebagai berikut ....................................... 2.19 dimana : Qr

= laju perpindahan panas radiasi (W) = emisivitas panas permukaan (0

≤1)

= konstanta Stefan Boltzman (5,67 x 10-8 W/m2K4) A

= luas permukaan (m2)

Banyaknya kalor yang dipindahkan tiap satuan waktu melalui proses radiasi dinyatakan oleh hukum Stefan Boltzmann sebagai :

..................................................... 2.20

Tidak seluruh energi yang disebutkan dalam konstanta surya mencapai permukaan bumi, karena terdapat absorpsi yang kuat dari karbondioksida dan uap air di atmosfer. Radiasi surya yang menimpa permukaan bumi juga bergantung dari kadar debu dan zat pencemar lainnya dalam atmosfer. Energi surya yang maksimal akan mencapai permukaan bumi bila berkas sinar itu langsnug menimpa permukaan bumi karena : a. Terdapat bidang pandang yang lebih luas terhadap fluks surya yang datang b. Berkas sinar surya menempuh jarak yang lebih pendek di atmosfer, sehingga mengalami absorpsi lebih sedikit dari pada sudut timpanya miring terhadap normal.


Frekuensi dari cahaya tidak akan berubah pada saat cahaya tersebut memasuki suatu medium ke medium lain selama energinya tetap. Laju energi yang dipindahkan tergantung kepada beberapa faktor, yaitu : a. Temperatur (permukaan yang mengemisi dan yang menerima radiasi) b. Emisivitas (permukaan yang terradiasi) c. Refleksi, Absorpsi, dan Transmisi d. Faktor pandang (views factor) antara permukaan yang mengemisi dan yang menerima radiasi (sudut pandang antara manusia terhadap sumber radiasi) (Cengel, 2002).

Menurut Koestoer (2002) gelombang elektormagnetik berjalan melalui suatu medium dan mengenai suatu permukaan atau medium lain maka sebagian gelombang akan dipantulkan sedangkan, gelombang yang tidak dipantulkan akan menembus ke dalam medium atau permukaan yang dikenainya. Pada saat melalui medium, intensitas gelombang secara berkelanjutan akan mengalami pengurangan. Jika pengurangan tersebut berlangsung sampai tidak ada lagi gelombang yang akan menembus permukaan yang dikenainya maka permukaan ini disebut sebagai benda yang bertingkah laku seperti benda hitam. Karakteristik lain dari benda hitam adalah bahwa semua radiasi yang jatuh padanya akan diserap dan bahwa emisi maksimal mungkin terjadi dalam semua panjang gelombang dan semua arah. Jika gelombang melalui suatu medium tanpa mengalami pengurangan hal ini disebut sebagai benda (permukaan) transparan dan jika hanya sebagian dari gelombang yang mengalami pengurangan hal ini disebut sebagai permukaan semi transparan. Apakah suatu medium adalah benda yang bertingkah laku seperti benda hitam, transparan atau semi transparan tergantung kepada ketebalan lapisan materialnya. Benda logam biasanya bersifat seperti benda hitam. Benda nonlogam umumnya memerlukan ketebalan yang lebih besar sebelum benda ini bersifat seperti benda hitam. Permukaan yang bersifat seperti benda hitam tidak akan memantulkan cahaya radiasi yang diterimanya, oleh karena itu disebut sebagai penyerap paling baik atau permukaan hitam. Jadi permukaan yang tidak


memantulkan radiasi akan terlihat hitam. Permukaan dari benda hitam adalah permukaan yang paling ideal yang mempunyai sifat-sifat : a. Benda hitam menyerap semua radiasi yang disengaja (irradiasi) tanpa melihat panjang gelombang dan arah datangnya sinar (diffuse). b. Pada semua temepratur dan panjang gelombang yang diizinkan, tidak ada permukaan yang dapat menghasilkan energi lebih banyak dari pada benda hitam. c. Walaupun emisi radiasi yang dihasilkan oleh benda hitam adalah fungsi dari panjang gelombang dan temperatur, dan tidak bergantung pada arah datangnya sinar.

Menurut Duffie (1991) radiasi yang dapat ditangkap oleh luasan kolektor dengan asumsi effisiensi kaca 90%, intensitas radiasi diperoleh dari alat ukur, dan dihitung permenit, sehingga energi radiasi dapat dihitung menggunakan rumus : ................................................ 2.21 Dimana : Q = Energi Radiasi Masuk Kolektor (Watt) I = Intensitas radiasi (W/m2) A = Luas penampang kolektor (m2) = Selang waktu perhitungan (s) F’ = Faktor efisiensi kolektor = 80%-90% = Transmisifitas kaca = Absorbsivitas plat

Karakteristik radiasi dari permukaan yang bertingkah laku seperti benda hitam : 1. Emisivitas Emisivitas adalah rasio energi yang diradiasikan oleh material tertentu dengan yang diradiasikan oleh benda hitam pada temepratur yang sama. Emisivitas

merupakan

ukuran

kemampuan

suatu

benda

untuk

meradiasikan energi yang diserapnya. Benda hitam sempurna memiliki emisivitas sama dengan satu (

tetapi objek sesungguhnya memiliki

emisivitas kurang dari satu. Umumnya, semakin kasar dan hitam benda


tersebut, emisivitas meningkat mendekati 1. Semakin reflektif suatu benda, maka benda tersebut memiliki emisivitas mendekati 0. Emisivitas adalah satuan yang tidak berdimensi. Emisivitas bergantung pada faktor diantaranya temperatur, sudut emisi, dan panjang gelombang radiasi.

2. Absorbsivitas (Penyerapan) Tidak seperti halnya emisivitas, absorpsivitas atau refleksivitas dan transmisivitas bukanlah bagian dari sifat-sifat permukaan karena ketiga hal ini bergantung kepada radiasi yang datang ke permukaan. Absorpsi adalah proses pada saat suatu permukaan tersebut, melainkan ada sebagian yang dipantulkan atau ditransmisikan. Akibat langsung dari proses penyerapan ini adalah terjadinya peningkatan energi dari dalam medium yang terkena panas tersebut.

3. Transmisivitas Menurut Koestoer (2002) transmisivitas adalah fraksi dari jumlah energi radiasi yang ditransmisikan berjumlah total energi radiasi yang diterima suatu permukaan. Radiasi surya adalah radiasi gelombang pendek yang diserap oleh plat penyerap sebuah kolektor surya dan diubah menjadi panas. Oleh karena itu, plat penyerap harus memiliki harga α yang setinggi-tingginya dalam batas yang masih praktis. Plat penyerap yang menjadi panas memancarkan radiasi termal dalam daerah batas yang masih praktis. Plat penyerap yang menjadi panas memancarkan radiasi termal dalam daerah panjang gelombang yang panjang (infra merah) kerugian radiasi dapat dikurangi sehingga sangat kecil dengan cara menggunakan permukaan khusus yang memiliki harga absorbsivitas yang tinggi (α, tinggi) dalam daerah panjang gelombang pendek (radiasi surya) dan harga emisivitas yang rendah ( rendah) dalam daerah inframerah.

2.6.

Penukar Kalor (Heat Exchanger) Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan suatu alat yang sangat

penting dalam proses pertukaran panas. Alat tersebut berfungsi untuk


memindahkan panas antara dua fluida yang berbeda temperatur dan dipisahkan oleh suatu sekat pemisah. Penukar kalor yang digunakan di industri lebih diutamakan untuk menukarkan energi dua fluida (zatnya boleh sama) yang berbeda temperaturnya. Pertukaran energi dapat berlangsung melalui bidang atau permukaan perpindahan panas yang memisahkan kedua fluida atau secara kontak langsung (fluidanya bercampur). Energi yang dipertukarkan akan menyebabkan perubahan temperatur fluida (panas sensibel) atau kadang dipergunakan untuk berubah fasa (panas laten). Laju perpindahan energi dalam penukar kalor dipengaruhi oleh banyak faktor seperti kecepatan aliran fluida, sifat-sifat fisik yang dimiliki oleh kedua fluida yang saling dipertukarkan energinya (viskositas, konduktivitas termal, kapasitas panas spesifik), beda temperatur antara kedua fluida, dan sifat permukaan bidang perpindahan panas yang memisahkan kedua fluida.

2.6.1. Jenis Penukar Kalor Pada umumnya penukar kalor bekerja pada temperatur dan tekanan yang tinggi serta kadang-kadang menggunakan fluida yang bersifat kurang ramah terhadap kehidupan kita. Sehingga diperlukan beberapa proses perpindahan panas yang tepat untuk mencegah adanya kerusakan dan kegagalan operasi. Berdasarkan proses perpindahan panas yang terjadi, penukar kalor dapat dibedakan menjadi dua golongan, yaitu : a. Tipe kontak langsung, dimana antara dua zat yang diperlukan energinya dicampur atau dikontakkan secara langsung. b. Tipe tidak kontak langsung, maksudnya antara kedua zat yang dipertukarkan energinya dipisahkan oleh permukaan bidang padatan seperti dinding pipa, plat, dan lain sebagainya antara kedua zat tidak tercampur.

Berdasarkan berapa kali fluida melalui penukar kalor dibedakan jenis satu kali laluan dengan multi atau banyak laluan. Pada jenis satu laluan masih terbagi dalam tiga tipe berdasarkan arah aliran dari fluida, yaitu :


a. Penukar kalor tipe berlawanan, yaitu bila kedua fluida mengalir dengan arah yang saling berlawanan. Pada tipe ini mungkin terjadi bahwa temperatur fluida yang menerima panas saat keluar penukar kalor lebih tinggi dibanding temperatur fluida yang memberikan kalor saat meninggalkan penukar kalor. b. Penukar kalor tipe aliran sejajar, yaitu bila arah aliran dari kedua fluida didalam penukar adalah sejajar. Artinya kedua fluida masuk pada sisi yang satu dan keluar dari sisi yang lain. c. Penukar kalor dengan aliran silang, artinya arah aliran kedua fluida saling bersilangan. Contoh yang sering kita lihat adalah radiator mobil dimana aliran air pendingin mesin yang memberikan energinya ke udara saling bersilangan.

2.7. Kehilangan Energi Panas pada Kolektor 2.7.1 KehilanganPanasPadaKacaBerlapis Kehilangan energi panas tersebut terjadi dari bagian atas (qa),bawah (qb) dan samping (qs).Indikator perubahan panas ditunjukkan dari perubahan temperatur lingkungan (TL), kaca penutup 1 (TK1), gap udara 1 (TG1),kaca penutup 2 (TK2), gap udara 2 (TG2), plat absorber (TPA).

Gambar 2.17 Skema Kehilangan Energi Panas pada Kolektor


Nilaiqasebanding denganperkaliankoefisien kehilangan energi panas dari bagian atas (Ua)dengan luas sisi kolektor bagian atas (Aa) dan selisih temperatur plat absorber (TPA) dan lingkungan(TL)dansecara matematis seperti pada persamaan. qa = Ua × Aa× (TPA-TL)...................................... 2.22 Dimana Ua dalam satuan W/m2.Kdapat dihitung dengan persamaan (2.23). …........ 2.23

Ua=

hv-K1merupakan koefisien kehilangan panas secara konveksiakibat angin yang berhembus diatas permukaan kaca penutup dapat dihitung dengan persamaan (2.24) dan (2.25) yang diusulkan oleh McAdams [21]. hv-K1 = 5,7 + 3,8w (w < 5 m/s)..................... 2.24 hv-K1 = 6,47w0,78 (w > 5 m/s)........................ 2.25 Dimana w adalah kecepatan angin diatas permukaan kaca penutup 1. hd-K1atauhd-K2merupakan koefisien kehilangan energi panas karena konduktivitas termal kaca penutup yang dapat ditentukan dengan persamaan [28]. hd-K1 = ...................................................... 2.26 Dimanak(W/m.K) dan t (m) adalah konduktivitas termal dan ketebalankaca penutup.Nilai k dari kaca penutup berbahan glassadalah 1,3 W/m.K [22]. hv-K2merupakankoefisien kehilangan energi panas akibat konveksi natural pada kaca penutup 2 dipengaruhi oleh bilangan Nusselt (NuL), konduktitas termal udara (k) dan ketinggian (t) pada ruang kosong antara kaca penutup 1 dan 2 (gap 1) dansecara umum dapat dihitung dengan persamaan[21]. hv-K2 =

................................................... 2.27

Bilangan NuL untuk konveksi natural pada gap kolektor plat datar bergantung pada bilangan Rayleigh (RaL). Untuk RaL lebih besar dari 102dan


lebih kecil dari 108 ( 102< Ra < 108) dapat dihitung dengan persamaan (2.28) yang diajukan oleh Niemann.

NuL = 1 +

.......................................... 2.28

Dimana nilai dari parameter m, K dan n seperti pada tabel 2.4 berdasarkan sudut kemiringan kolektor (). Tabel 2.1. Nilai parameter m, K dan n 

m

n

K

0o

0,0700

0,32

1,333

x 104 45o

0,0430

0,41

1,360

x 104 90o

0,0236

1,01

1,393

x 104 Bilangan RaL merupakan perkalian bilangan Grashof (GrL) dengan bilangan Prandtl (PrL) yang dapat ditentukan dengan persamaan. RaL = GrL×PrL ................................................... 2.29 Bilangan GrLdihitung dengan persamaan(2.30).Dimana  adalah koefisien expansi panas volumetrik dalam satuan 1/K, g merupakan percepatan gravitasi (9,81 m/s2), t adalah tinggi ruang udara dan v adalah visikositas kinematik udara pada gap 1. GrL =



....................................................... 2.30

Dimana koefisien expansi panas volumetrik untuk gas ideal adalah sesuai dengan persamaan (2.31)[23].

=

=

=

................................. 2.31

Sehingga jika persamaan (2.31) disubsitusikan secara matematis ke persamaan (2.30) menjadi seperti persamaan (2.32). GrL =

.................................. 2.32


Sedangkan bilangan PrL diperoleh dari tabel sifat-sifat udara yang didasarkan pada temperatur rata-rata di gap 1 atau dapat dihitung dengan persamaan (2.33)[23]. 

PrL= =

...................................... 2.33

Dimana a, , cp dan k berturut-turut adalah thermal diffusivity, densitas udara, kapasitas panas spesifik dan konduktivitas thermal udara pada gap 1. Menurut Matuska T.Z. (2009) hr-PAyang merupakan koefisien kehilangan energi panas akibat radiasi dari plat absorber dapat ditentukan dengan persamaan (2.34) . hr-PA=

............ 2.34

Dimana merupakan nilai konstanta Stefan Boltzman (5,67 x 10-8 W/m2.K4). K2 dan

PA adalah

emisivitas kaca penutup 2 dan plat absorber yang nilainya

bergantung dari bahan. Emisivitas kaca penutup berbahan glass bernilai 0,88 dan plat absorber dengan pelapisan flat black paintberkisar antara 0,97-0,99 Lienhard IV (2003). TPA dan TK2 merupakan temperatur plat absorber dan kaca penutup 2 dalam satuan K. hv-PA juga merupakan koefisien kehilangan energi panas akibat konveksi pada permukaan plat absorber yaitu dapat dihitung menggunakan persamaan (2.26) sampai dengan (2.33) seperti pada perhitungan hv-K2. 2.7.2 Menghitung Kehilangan Panas pada Sisi Alas (Q2)KacaSatu Lapis Rumus untuk menghitung kehilangan panas pada sisi alas (Q2) kaca satu lapis adalah pada persamaan (2.35) sebagai berikut:

Q3 =Ua.A(Tp-Tr)................................................................... 2.35

*

Ua ={

*

+

}

+

(

)

..........

2.36


Ua

= koefisien pindahan panas menyeluruh pada kaca (cover)

N

= jumlah kaca/cover

β

= sudut kemiringan kolektor = 00

σ

= konstanta Stefan-Boltzman = 5,67 x 10-8 W/m.K4

C

= 520(1 – 0,000051.β2) untuk 00 ≤ β ≤ 700 = 520

e

= 0,43 (1 – (100/Tu)) = 0,2996693

εk

= emisivitas kaca = 0,88

εp

= emisivitas plat = 0,97

hw

= koefisien perpindahan kalor konveksi = 2,8 + 3w = 13 W/m2.0C

f

= (1 + 0,089hw – 0,1166hw. εp)(1 + 0,07866N) = 0,806

A

= luas permukaan kaca (m2)

Tu

= temperatur udara dalam kolektor (oC)

Tr

= temperatur lingkungan (oC)

Tp

= temperature plat absorber (oC)

2.8. Tinjauan Mekanika Fluida 2.8.1.Viskositas Viskositas merupakan sifat yang menentukan karakteristik fluida, yaitu ukuran tahanan fluida terhadap tegangan geser. Viskositas dinamik didefenisikan sebagai perbandingan tegangan geser terhadap laju regangan geser. Untuk distribusi kecepatan linier viskositas dinamik adalah : [kg/m.s] .............................................. 2.37

Sedang viskositas kinematik v merupakan viskositas dinamik dibagi massa jenis L. Streeter (1995). [m2/s] .................................................... 2.38 2.8.2. Bilangan Reynold Re =

........................................................... 2.39

Bilangan Reynold merupakan hubungan antara massa jenis , viskositas dinamik , dan kecepatan rata-rata suatu fluida dalam sebuah pipa dengan diameter dalam


di. Bilangan ini tidak memiliki dimensi dan sering dinyatakan dalam laju aliran massa fluida ṁ.

Dari persamaan kontinuitas, kecepatan v dapat dituliskan sebagai berikut : v=

[m/s] ..................................................... 2.40

dengan mensubstitusikan v dalam persamaan diatas dapat diperoleh : [25]

Re =

.......................................................... 2.41

2.8.3. Persamaan Kontinuitas Fluida yang mengalir melalui suatu penampang akan selalu memenuhi hukum kontinuitas, yaitu laju massa fluida yang masuk akan selalu sama dengan laju massa fluida yang keluar. Persamaan kontinuitas dirumuskan :

= konstan ........................... 2.42

Untuk aliran tak mampu mampat,

maka persamaan kontinuitas menjadi, [m3/s] ................................. 2.43

Gambar 2.18 Penampang saluran pipa

2.8.4. Perpindahan Kalor pada Air Sebagian besar zat memuai secara beraturan terhadap penambahan temperatur. Akan tetapi (sepanjang tidak ada perubahan fase yang terjadi), air tidak mengikuti pola yang biasa. Jika pada 0oC dipanaskan volumenya memuai


terhadap bertambahnya temperatur. Air dengan demikian memiliki massa jenis yang paling tinggi 4oC. Sebuah fenomena yang menarik adalah ketika temperatur air laut yang temperaturnya diatas 4oC dan mulai mendingin karena kontak langsung dengan udara yang dingin. Air berada diatas permukaan laut akan tenggelam karena massa jenisnya yang lebih besar dan digantikan oleh air yang lebih hangat. Keadaan ini berlanjut hingga air mencapai temperatur tetap (konstan). Tekanan pada fluida dapat dituliskan dalam persamaan : [kg/m2] ............................................. 2.44 dimana : P = Tekanan (kg/m2) = massa jenis zat cair (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s2) h = kedalaman permukaan air laut (m)

Maka :

> >

Permukaan laut

P3

h3

Tengah laut

P2

h2

Dasar laut

P1

h1

; P1>P2>P3 dan h3>h2>h1

Dari keterangan diatas dapat kita simpulkan bahwa air panas akan selalu berada pada bagian permukaan air. Hal ini dikarenakan massa jenis air panas lebih kecil dari pada massa jenis air dingin, denga sendirinya air panas akan berada pada permukaan.

2.9. Desalinasi Air Laut Desalinasi pada prinsipnya merupakan cara untuk mendapatkan air bersih melalui proses penyulingan air kotor. Secara umum terdapat berbagai cara yang sering digunakan untuk mendapatkan air bersih yaitu: perebusan, penyaringan, desalinasi dan lain-lainnya. Cara perebusan dilakukan hanya untuk mematikan kuman dan bakteri-bakteri yang merugikan, namun kotoran yang berupa


padatanpadatan kecil tidak bisa terpisah dengan air. Penyaringan digunakan hanya untuk menyaring kotoran-kotoran yang berupa padatan kecil, namun kuman dan bakteri yang merugikan tidak bisa terpisah dari air. Cara desalinasi merupakan cara yang efektif digunakan untuk menghasilkan air bersih yang bebas dari kuman, bakteri, dan kotoran yang berupa padatan kecil, Proses desalinasi secara umum biasanya yang diambil hanyalah air kondensatnya, sedangkan konsentrat garam dibuang dan ini dapat berakibat buruk bagi kehidupan air laut. Prinsip kerja desalinasi secara umum sebenarnya sangat sederhana. Air laut dipanaskan hingga menguap, dan kemudian uap yang dihasilkan dikondensasikan kembali dan ditampung di sebuah wadah. Air kondensat tersebut adalah air bersih. Sedangkan air laut yang tidak mendidih selama pemanasan adalah konsentrat garam. Proses desalinasi yang akan penulis bahas pada penelitian ini adalah desalinasi sistem vakum. Konsep dari sistem ini adalah memanfaatkan ruang vakum yang dibentuk secara alami untuk dapat mengevaporasikan sejumlah air laut pada tekanan rendah sehingga dapat berevaporasi dengan suplai energi panas yang lebih sedikit dibanding dengan teknik konvensional. Suplai energi panas yang sedikit dapat diambil dari kolektor surya plat datar dan / atau panas yang dibuang. Keunikan dari sistem ini adalah cara gaya gravitasi dan tekanan atmosfer digunakan dalam pembentukan kondisi vakum. Pembentukan sistem vakum bertujuan untuk menurunkan tekanan ruang evaporator agar pemanasan dapat berlangsung dengan suplai panas yang rendah. Tekanan atmosfer akan sama dengan tekanan hidrostatis yang dibentuk dengan pipa air yang tingginya sekitar 10 meter. Jadi, jika ketinggian pipa lebih dari 10 meter dan ditutup dari bagian atas dengan air, dan air dibiarkan jatuh kebawah akibat gravitasi, air akan jatuh pada ketinggian sekitar 10 meter, dan membentuk ruang vakum diatasnya. Komponen-komponen yang terdapat pada desalinasi sistem vakum adalah evaporator, kondensor, dan alat penukar kalor berupa tube-in-Tube. Evaporator berfungsi sebagai ruang pemanasan air laut dengan suplai panas berasal dari kolektor surya plat datar yang pada penelitian ini akan digantikan oleh pemanas listrik berdaya rendah untuk menjaga kestabilan suplai panas. Kondensor berfungsi untuk mengumpulkan uap yang dihasilkan oleh pemanasan air laut di


evaporator untuk dikondensasikan kembali sehingga air kondensat dapat ditampung dan didapat air bersih sebagai produk sistem. Sedangkan tube in tube heat exchanger berfungsi sebagai heat recovery (pemulih panas), dimana air laut yang tidak mendidih akibat pemanasan di ruang evaporator akan jatuh melalui pipa luar dari tube in tube untuk memanaskan pipa dalam yang sedang dialiri air laut dari tangki pengumpan. Skema yang digunakan desalinasi seperti gambar 2.19 berikut ini:

Gambar 2.19 Skema Desalinasi Sistem Vacum Natural

Alat pemanas air laut yang semula digunakan adalah pemanas elektrik, kini penulis mengganti pemanas air laut dengan menggunakan pemanas solar kolektor yang memanfaatkan energi matahari.

2.10. Pompa Sirkulasi Air Air yang bersirkulasi didalam solar kolektor ini digerakkan oleh pompa tipe rendam yang terdapat didalam tangki air sirkulasi.Pompa ini mampu menggerakkan fluida air dengan debit 400 ml/menit dan daya 28 Watt.


Gambar 2.20 Skema Sirkulai Air Air yang berada ditangki air sirkulasi dipompakan oleh pompa pendam kepipa tembaga untuk disirkulasikan. Kemudian air kembali lagi ketangki air sirkulasi untuk dipompakan kembali dengan begitu air senantiasa bersirkulasi dengan terus menerus selama proses pengujian seperti pada gambar 2.20.

2.11. Energi yang Sampai pada Kolektor Pemanas AirLaut Tenaga Surya Menurut Soteris (2009) untuk menghitung energi yang sampai pada kolektor atau energi yang berguna untuk kolektor alat pemanas air tenaga surya terlebih dahulu perlu diketahui bagaimana proses distribusi energi matahari yang dialami oleh kolektor itu sendiri. Ilustrasi panas yang diserap oleh absorber alat pemanas air tenaga surya dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar

2.21.

Ilustrasi

Panas

yang

Diserap

oleh

AbsorberAlatPemanasAirLautTenagaSurya Pada gambar 2.21 dapat dilihat bahwa panas matahari (Q

incident)

sebagian

dipantulkan ke atmosfir dan sebagian lagi diserap oleh kolektor. Panas yang diserap oleh kolektor (Qabs) inilah yang akan digunakan untuk memanaskan air


sirkulasi. Menurut Mehmet Esent (2005) besarnya Qincident dapat dihitung dengan menggunakan rumus di bawah ini: 2

Qincident  A Idt ..................................................................... (2.45) 1

Dimana: A

= luas penampang dari pelat absorber (m2)

I

= intensitas cahaya matahari (W/m2)

Sedangkan panas yang diserap oleh absorber dapat ditentukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut: Qabs  Qincident ……............................................................... (2.46)

Dan panas yang dipantulkan kembali ke atmosfir adalah: Qref  1   Qincident ………………………………………...(2.47)

Dimana:



= difusifitas bahan

2.12. Energi yang Diserap oleh Air Laut Energi panas yang sudah diterima oleh kolektor akan diberikan terhadap airlaut. Besarnya energi tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan rumus: Qu  mwC pw Tw2  Tw1  ......................................................... (2.48)

Dimana: mw

= Massa air laut(kg)

Cpw

= Panas jenis dari airlaut (kJ/kg.0C)

Tw1

= Temperatur awal air sebelum dipanaskan kolektor (0C)

Tw2

= Temperatur aktual setelah dipanaskan oleh kolektor (0C)

2.13. Efisiensi dari Kolektor Efisiensi dari kolektor dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara energi berguna yang diberikan kolektor ke airlaut dengan panas incident. Hal itu dapat dirumuskan sebagai berikut:

  mwC pw Tw2  Tw1  / Qincident .................................................

(2.49)


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents