BAB III METODE PENELITIAN
Metodologi perancangan merupakan langkah-langkah yang dijadikan pedoman dalam melakukan optimasi perancangan untuk hasil yang baik serta memperkecil kesalahan-kesalahan yang mungkin terjadi. Langkah –langkah yang digunakan dalam mempelajari proses optimasi perancangan solar collctor tipe parabolic trough sebagai berikut :
Mengetahui sumber daya Sumber daya dasar untuk semua sistem energi surya adalah matahari. Pengetahuan tentang kuantitas dan kualitas energi surya yang tersedia di lokasi tertentu adalah sangat penting untuk desain sistem energi surya. Meskipun radiasi matahari (insolation) relatif konastan di luar atmosfer bumi, pengaruh iklim lokal dapat menyebabkan variasi luas dalam insolation tersedia di permukaan bumi. Selain itu, gerakan relatif matahari terhadap bumi akan memungkinkan permukaan dengan orientasi yang berbeda untuk mencegat jumlah yang berbeda dari energi surya. Dan sumber daya dasar untuk optimasi ini adalah solar collector tipe parabolic through yang sudah jadi namun dinilai masih memilki terlalu banyak kekurangan dari segi efisiensinya.
26
27
Persiapan desain Persiapan desain yaitu pendefinisian masalah perencanan secara umum Langkah ini bertujuan untuk mengetahui jenis-jenis variabel apa saja atau berapa banyak jumlah variabel percobaan yang akan dilakukan untuk dapat hasil terbaik namun tetap ekonomis.
Input data Input data ini berupa data sheet,dimana berisi informasi yang lebih terperinci tentang spesifikasi solar collector yang akan dioptimasi. Optimasi perancangan solar collector dilakukan dengan cara perhitungan dengan menggunakan software khusus yaitu Parabola Calculator,bisa juga dilakukan dengan perhitungan secara manual dalam bentuk calculation sheet,yang gunanya untuk memverifikasi hasi perhitungan dari software hal ini diperlukan untuk meyakinkan bahawa software terseut berfungsi dengan baik. a. Bentuk parabola yang diinginkan b. Jarak fokus parabola c. Lebar parabola d. Tinggi parabola
Perhitungan design Dengan beberapa ketentuan diatas dapat dilakukan langkah-langkah perhitungan untuk mendesain solar collectror yang dapat dilakukan dengan urutan-urutan seperti berikut :
28 3.1 Pengaruh Posisi Relatif Matahari Terhadap Bumi Posisi relatif matahari terhadap suatu bidang di bumi bisa dinyatakan dalam beberapa sudut. Beberapa diantaranya bisa dilihat pada gambar 2.2. Sudut sudut itu adalah:
Gambar 3.1 beberapa sudut penting dalam energi surya (Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096)
a. ∅, latitude (garis lintang) : Sudut lokasi di sebelah utara atau selatan dari equator (khatulistiwa), utara positif ; -90° £ f £ 90°. b. δ, declination (deklinasi) : Sudut posisi matahari saat solar noon yang berhubungan terhadap bidang khatulistiwa, utara positif; -23,45° < d < 23,45°. Sudut deklinasi bisa dihitung dengan persamaan [Wiliam A. Beckman Halaman 13]: δ =23,45 sin
(
)
……………………………………(3.1)
dimana n : tanggal ke-n pada suatu tahun [Wiliam A. Beckman Halaman 14] c.
, slope (kemiringan) : Sudut antara permukaan bidang yang ditanyakan dengan permukaan horisontal ; 0° £ b £ 180°.
29 d.
, surface azimuth angle (sudut permukaan azimuth) : Proyeksi ke bidang horisontal normal terhadap permukaan dari lokasi bujur, dengan nol menghadap selatan, timur negatif, barat positif ; -180° £ g £ 180°.
e.
, hour angle (sudut jam) : Sudut penyimpangan matahari di sebelah timur atau barat garis bujur lokal karena rotasi pada porosnya sebesar 15° per jam ; sebelum jam 12.00 negatif, setelah jam 12.00 positif. hour angle bisa dihitung dengan persamaan : = 15° (ST – 12:00:00)………………….…………….(3.2) Waktu penyamaan adalah faktor untuk memperhitungkan efek orbit bumi yang bersifat eliptis. E = 3,82 (0,000075 + 0,001868 cos B – 0,032077 sin B – 0,014615 cos2 B – 0,04089 sin2 B)……………………………………………………(3.3) dengan: B=
(
)
…………………………………………………………(3.4)
Waktu yang sering digunakan (waktu sipil) tidak selalu sama dengan waktu matahari maka untuk menentukan waktu surya bisa menggunakan persamaan ini. Solar Time = Standart Time + [4(Lst – Lloc) + E]…………………(3.5) Standart time diambil jam tengah antara jam awal pengambilan data dan jam akhir pengambilan data f.
θ, angle of incidence (sudut datang) : Sudut antara permukaan radiasi langsung normal vertikal terhadap radiasi langsung vertikal kolektor.
g. θz, zenith angle (sudut zenith) : Sudut antara garis vertikal bidang normal dan garis dating sinar matahari
30 sudut zenith dapat dihitung menggunakan persamaan : cos z = cos h.
s,
cos ∅ cos
+ sin
sin ∅……………………………(3.6)
solar altitude angle (sudut ketinggian matahari) : Sudut antara garis
horisontal dengan garis matahari datang. Untuk menghitung sudut azimuth matahari bisa menggunakan persamaan: αs = 90° - z……………………………………………….............(3.7) i.
s, solar azimuth angle (sudut azimuth matahari) : Sudut penyimpangan dari selatan dengan proyeksi radiasi langsung pada bidang horisontal. Penyimpangan ke sebelah timur adalah negatif dan ke sebelah barat adalah positif.
Untuk menghitung sudut azimuth matahari bisa menggunakan persamaan: =
……………………………………….…..............(3.8)
3.2 Radiasi Ekstraterrestrial pada Permukaan Horisontal Pada suatu waktu (sembarang), radiasi surya yang mengenai permukaan horisontal di luar atmosfer adalah radiasi surya masuk normal dibagi dengan Rb (faktor geometris), persamaannya [Wiliam A. Beckman Halaman 40 ] adalah: G0 = Gsc (1 + 0.033 cos
°. °
.
)…………….......................(3.9)
3.3 Distribusi Radiasi Matahari pada Suatu Hari dan Jam dengan Cuaca Cerah dan Berawan Indeks kecerahan rata-rata KT , adalah perbandingan antara radiasi rata-rata pada permukaan horisontal terhadap radiasi rata-rata ekstraterrestrial. Dengan persamaan [Wiliam A. Beckman Halaman 77]: KT =
………………………………………………..………….(3.10)
31 3.4 Komponen Radiasi Langsung dan Sebaran Per Jam Pada bagian ini akan dijelaskan metode perhitungan untuk memisahkan beam dan diffuse radiation dari radiasi horisontal total. Pemisahan komponen ini diperlukan untuk menghitung radiasi total pada permukaan dengan orientasi yang berbeda dari data pada permukaan horisontal. Persamaan yang digunakan adalah [Wiliam A. Beckman Halaman 82]:
KT ≤0,22
1,0 − 0,08
⎧ ⎪ 0,9511 − 0,1604 + 4,388 ={ + 12,336 ⎨ − 16,638 ⎪ ⎩ 0,165
0,22≤ KT≤ 0,80 KT ≥0,80
……………………………………………………..………..(3.11) 3.5 PEMANAS TENAGA SURYA ( SOLAR HEATER) Pemanas tenaga surya atau solar heater adalah alat pengumpul panas dari energi matahari yang digunakan untuk memanaskan fluida. Pemanas ini menggunakan kolektor surya sebagai komponen utamanya. Menurut Duffie&Beckman pada bukunya “Solar Engineering Of Thermal Process”, 1982, kolektor surya adalah jenis alat penukar kalor yang mengubah energi radiasi menjadi panas. Menurut standard ASHRAE definisi kolektor surya adalah alat yang didesain untuk menyerap radiasi matahari dan mentransfer energi tersebut yang melaluinya.
32 3.5.1
Parabolic Trough Collector ( PTC ) Parabolic trough collector adalah jenis lain dari kolektor solar thermal.
Jenis ini terdiri dari suatu seri dari trough seperti saluran talang air hujan dengan tabung kosong yang bergerak sepanjang kolektor tersebut. Cahaya matahari direfleksikan oleh cermin dan dikonsentrasikan pada tabung. Fluida perpindahan panas, pelumas dalam sistem Lup, mengalir melalui tabung untuk menyerap panas dari cahaya matahari yang dikonsentrasikan.
Gambar 3.2 Parabolic trough collector
(Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096)
Tipe parabolic trough concentrator memiliki beberapa komponen antara lain : 1. Pipa penyerap (absorber) 2. Parabolic concentrator 3. Tangki penampung air 4. Pompa air 5. Pengatur sudut tracking
33
Gambar 3.3 Parabolic trough solar concentrator 3D dan 2D
(Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096)
Komponen terpenting dari parabolic trough concentrator adalah concentrator dan pipa penyerap. Sinar matahari yang datang dari satu arah terdistribusi merata dipantulkan ke arah suatu suatu garis fokal dimana pipa penyerap ditempatkan. Luas bidang pemantul/ concentrator yang menerima sinar akan men-intensifkan sinar ke area yang lebih sempit (pipa penyerap). Dengan demikian temperature yang dibangkitkan dapat lebih tinggi daripada sinar langsung. Pemanasan air terjadi di dalam pipa penyerap secara konveksi dari pipa ke air. Air ini mengalir sehingga terjadi proses pertukaran kalor. Panas ini yang berasal dari kumpulan (concentrating) sinar matahari yang dipantulkan oleh concentrator secara radiasi diteruskan ke pipa. Di dalam pipa sendiri panas mengalir secara konduksi. Temperatur air yang dapat dibangkitkan parabolic through concentrator dapat mencapai 4000C sehingga banyak dimanfaatkan untuk steam generation pada pembangkit listrik maupun industri.
34 3.6 DESAIN OPTIC SOLAR CONCENTRATOR Pengkonsentrasian/concentrator yang dirancang,terbuat dari material plat stainless steel. Plat ini direkatkan pada kayu yang telah dibentuk profil parabola.Fokus yang dihasilkan dari pantulan sinar matahari berupa garis yang disebut garis fokal. Jarak garis fokal ini ditentukan oleh ukuran parabola. Untuk menentukan ukuran parabola kita bisa menggunakan parabola calculator agar kita bisa mengetahui garis fokal.program excel digunakan untuk mencari grafik/posisi titik-titik pada parabola dengan menggunakan persamaan parabola y = x2/4p dengan x dan y sebagai posisi titik-titik pada sumbu-x dan sumbu-y,p adalah jarak titik focus pada parabola. Luas arperture area (Aa) adalah luas bidang datar dari parabola yang didapat dengan mengalikan panjang dan lebar pandangan atas dari parabola.Lebar penampang pemantul dan panjang bisa dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : Aa = P x L ……………………………………………………..(3.12) Luas penampang pipa absorber (Ar) adalah luas keseluruhan dari pipa yang menyerap pantulan sinar dari concentrator, untuk menghitung Luas penampang pipa absorber (Ar) bisa menggunakan persamaan berikut : Ar = π.d.l …………………………………………………………(3.13) 3.6.1
Concentrating Ratio Parabola merupakan kedudukan titik-titik dimana semua sinar yang datang
parallel dipantulkan menuju satu titik yang dinamakan titik fokus. Secara matematis, parabola memiliki persamaan y = x2/4P dengan x, y sumbu koordinat dan P adalah titik fokus. Concentrating ratio (Cr) merupakan faktor penting dalam perhitungan solar concentrator. Secara teori peningkatan concentrating ratio meingkatkan performa dan
35 efisiensi solar concentrator. Namun perlu diperhatikan bahwa hal ini membutuhkan keakuratan sudut tracking. Concentrating ratio dinyatakan dengan: Cr =
................................................................................................. (3.14)
Dari sini dapat dikatakan bahwa untuk memperbesar concentrating ratio dapat dilakukan dengan memperluas bidang pemantul atau mempersempit bidang receiver.
3.6.2
Sudut Rim Sudut rim ( r) adalah sudut antara tepi parabola, focus dan puncak parabola
yang memiliki hubungan matematis : Wa = 4 P tan ( r/2)……………………………………………..…(3.15) 3.6.3
Faktor geometri Af Dari persamaan parabola y = 4px2 dapat dibuat berbagai variasi bentuk geometri
dan ukuran yang banyak.dari variasi ini maka ada suatu factor yang menentukan kemampuan mengkonentrasi dari parabola ini.faktor ini disebut factor geometri. (
)
……………………………………….……….(3.16)
Af = 3.6.4
Efisiensi Optic Concentrator Efisinsi optic adalah rasio energy yang dapat dipantulkan tepat ke kolektor
terhadap energy dari radiasi matahari yang diterima concentrator seluas Aa.Efisiensi ini melibatkan bentuk geometri,ketepatan sinar pantul mengenai kolector dan sifat material optic dan cover jika ada.secara matematis efisinsi optic 0=
m
c
a
0 ditulis
sebagai :
[(1-Af tan ( )) cos ( ))]………………………(3.17)
Ket : ρm = Refleksitas material concentrator
36 c=
a
transmisi material cover (jika ada)
= absorbsivitas pipa kolektor
= intercept factor = sudut incident Dari persamaan ini terlihat bahwa sinar yang diterima dari radiasi matahari akan dipantulkan sebagian besar reflektifitas material concentrator ρm. sebagian pantulan sinar ini akan berkurang lagi saat menembus cover karena sifat trasnmisifitas material cover itu
c.
setelah sampai ke permukaan kolektor pun energy dari pantulan sinar ini
masih dikurangi lagi oleh sifat absorbsivitas pipa kolektor
a
selain dipengaruhi sifat –
sifat optic material,efisiensi optic dipengaruhi oleh tingkat kesempurnaan pantulan dan factor geometri. Intercept factor
didefinisikan sebagai perbandingan energy yang diterima
kolektor dengan energy yang dipantulkan oleh kolektor. Nilai
tergantung pada ukuran
receiver, kesalahan/error sudut pada parabola, dan penyebaran sinar matahari. Error atau ketidak-sempurnaan,ketidak-lurusan, ini terbagi dua yaitu random dan non random Random error adalah ketidak-sempurnaan yang alami dan dapat diwakili dengan distribusi normal probabilitas. Random error antara lain akibat perubahan jarak matahari, efek penyebaran sinar pada permukaaan pemantul,efek random slope error misalnya perbuahan parabola akibat beban dari angin. Nonrandom erroe muncul saat manufaktur dan asembli atau saat pengoprasian solar concentrator. Nonrandom error antara lain akibat ketidak-sempurnaan profil error dihitung secara statistic dalam persamaan berikut : =
+4
+
……………………………………………(3.18)
37 Untuk membantu dalam memperkirakan factor table efek magnitude error terhadap factor
dapat menggunakan bantuan
berikut ini :
Tabel 3.1 penentuan factor intercept mirror (rad)
slope (rad)
(mm)
intercept factor
0.002
0.004
0
0.98
0.004
0.004
3
0.93
0.002
0.006
3
0.88
0.002
0.008
3
0.81
NB : untuk perhitungan diatas nilai
matahari
=0.04 rad untuk cuaca cerah dan
=
0.0035(tracking error maksimum)
(Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096)
3.6.5
Kerugin Panas Keseluruhan (Overall Heat Loss) Panas yang diberikan untuk memanaskan air tidak semuanya terpakai. Sebagaian
terbuang menjadi kerugian/loses. Kerugian panas ini timbul dengan tiga cara yaitu radiasi, konveksi terhadap udara luar, dan konduksi . Ketignya dinyatakan dlan koefesien heat loss total. Dalam perhitungn koefisien overall heat loss coefficient UL, dengan menganggap pipa absorber tanpa cover sebagai penerima pantulan sinar radiasi.Asumsikan tidak ada perbedaan temperature di sekitar pipa. Heat transfer coeficien karena konveksi (hw),radiasi (hr) dan konduksi(Ucond) pada struktur dinyatakan : UL = h w x hr………………………………………………...….(3.19) Koefisien konveksi akibat angin/udara hw =Nu ………………………………………………….…(3.20)
38 koefisien radiasi dihitung dengan hr = 4
T3 …………………………………………………...(3.21)
sedangkan koefisien perpindahan panas total (U0)
didapat dengan
menjumlahkan semu tahanan panas dari heat loss,konduksi pipa dan konveksi pemanasan air /fluida. Sehingga dapat ditulis sebagai berikut : U0 = (
+
)-1………………………………...(3.22)
+
Dengan = diameter luar pipa kolector (m) = diameter dalam pipa kolector (m) ℎ = koefisien perpindahan panas konveksi air/fluida (W/m2oC) = koefisien perpindahan panas konveksi pipa (W/moC)
3.6.6
Faktor Pelepasan Panas (Heat Removal Factor) Faktor pelepasan panas adalah perbandingan antara energy berguna yang
dikumpulkan terhadap energy berguna yang mungkin dikumpulkan apabila temperature fluida sepnjang pipa sama dengan temperature fluida masuk. Fr =
ṁ
[1 – e-(
′
/ṁ
)]……………………………….(3.23)
Dengan Fr = factor pelepasan panas ṁ = laju aliran air (kg/s) = kapasitas panas air(KJ/Kg) ′
= factor efisiensi kolector
39
Factor efisiensi kolektor merupakan perbandingan koefisien perpindahan kalor total terhadap koefisien heat loss total. Untuk mencari factor efisiensi kolektor digunakan persamaan berikut : F’ = 3.6.7
……………………………………………………….(3.24)
Performa Suatu
mesin
dapat
dinilai
kemampuanya
dengan
performa
yang
dihasilkan.Performa adalah kemampuan suatu mesin untuk melakukan kerja yang dinyatakan dalam bentuk energy atau daya yang dihasilkan Berdasarkan pada standard ASHRAE 93 (Duffie &Beckman,1982), performa concentrating collector yang beroprasi pada kondisi steady state dapat dituliskan dalam persamaan dibawah ini : q u = Fr Aa [I
0
(
−
)] = ṁ
(
dengan : q u = energy berguna (Watt) Fr = Faktor pelepasan panas Aa = luas aperture (m2) I = intensitas radiasi matahari (W/ m2) η0 = efesinsi optic (concentrator) U = koefesien kerugian panas (W/ m2) T = Tempratur fluida/air masuk (oC) T = Tempratur fluida/air keluar (oC) T = Tempratur ambient (oC)
−
)…………..(3.25)
40 ṁ = Laju aliran massa air (kg/s) = koefisien panas fluida (J/KgK)
3.6.8
Efisiensi Termal Kolektor Efisiensi adalah perbandingan antara energy yang berguna dibandingkan
terhadap energy yang digunakan atau diterima. Dalam hal Parabolic trough collector energy yang diterima adalah radiasi matahari pada luasan tertentu. Sedangkan energy yang berguna adalah energy yang digunakan untuk menaikan temperature fluida yang mengalir dengan debit tertentu. Efisiensi termal dari collector dinyatakan dengan : = Fr [
0−
(
−
)] =
ṁ
(
)
……………………(3.26)
3.7 Menentukan Optimasi Optimasi adalah langkah untuk mendapatkan nilai terbaik dari suatu sistem namun harus tetap ekonomis. Dalam tugas akhir ini yang diambil adalah optimasi dari segi dimensi atupun ukuran dari solar collector tipe parabolic through. Optimasi ini meliputi perubahan dimensi berupa perubahan panjang, lebar dan juga tinggi dari parabola. Hal itu dilakukan guna memperbanyak energi yang dapat digunakan, perbedaan temperatur masuk dan keluar fluida serta guna menaikan efisiensi thermalnya. Data optimasinya sebagai berikut : Tabel 3.2 Variabel percobaan Panjang (l) Lebar (Wa) Tinggi (hp)
1 0.9 0.20
1.5 1 0.25
2 1.1 0.30
41 Dari variabel diatas maka dapat diurai kembali menjadi lebih variatif sehingga dapat diperoleh hasil yang lebih maksimal. Variabel diata terdiri dari 3 koom dan 3 baris sehingga nilainya menjadi 3² atau sama dengan 27 variabel.
