collectors water heater menggunakan

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Pengaruh Bentuk Kolektor Konsentrator Terhadap Efisiensi Pemanas Air Surya Darwin*, M. Ilham Maulana, Irwandi ZA Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala Jl. Tgk. Syeh Abdurrauf No. 7 Darussalam – Banda Aceh 23111, Indonesia. Telepon/Fax. (0651)7552222, E-mail: [email protected]

Abstrak Solar collectors water heater system atau kolektor surya merupakan alat untuk mengumpulkan sinar radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi termal yang bermanfaat. Alat ini digunakan untuk memanaskan air. Dilakukan pembuatan dan pengujian alat untuk mengetahui pengaruh bentuk kolektor konsentrator tipe cylindrical trough collectors (CTC) dan tipe parabolic trough collectors (PTC) terhadapefisiensi thermal. Masing-masing kolektor dengan luas plat reflektor yang sama dan dibentuk lengkungan yang berbeda. Masing-masing kolektor dibuat dengan pelat stainless steel tebal 0,07 cm dengan panjang 170 cm dan lebar 87,135 cm sebagai reflector. Pipa absorber berbahan tembaga berdiameter Ø 3/8 inchi dengan panjang 200 cm. Drum bekas dengan diameter 55,5 cm dan panjang 170 cm digunakan sebagai rangka cylindrical trough collectors (CTC). Air dari tangki dialirkan ke kolektor dengan laju aliran 25 ml/menit. Dari hasil pengujian didapat bahwa, temperatur air tertinggi dihasilkan oleh kolektor surya tipe cylindrical trough collectors (CTC) pada pukul 13.00 WIB tanggal 28 januari 2015 dengan temperatur maksimum 49 °C, energi yang berguna 30.79 W. Sedangkan kolektor surya tipe parabolic trough collectors (PTC) menghasilkan temperatur air keluaran maksimum 44.8 °C, energi yang berguna 23,48 W. Efisiensi tertinggi pada pukul 9.30 WIB kolektor CTC 1,56 %, dan efisiensi kolektor PTC pada jam yang sama yaitu 1,33 %. Jadi, dapat disimpulkan bahwa air keluaran dari kolektor surya tipe cylindrical trough collectors (CTC) lebih tinggi daripada kolektor surya tipe parabolic trough collectors (PTC). Keyword: Kolektor surya tipe cylindrical trough collectors (CTC), Kolektor surya tipe parabolic trough collectors (PTC), Bentuk kolektor, Efisiensi. kolektor surya adalah sinar matahari. Karena mengunakan panas matahari sebagai sumber energi, maka hasilnya bergantung pada keadaan cuaca yang dipengaruhi radiasi panas matahari yang sampai ke bumi. Pemanas air dengan menggunakan energi matahari lebih dikenal dengan sebutan solar collectors water heater system. Pemanas air ini memanfaatkan energi dari alam yang tidak akan habis. Maka diaplikasikan teknologi solar collectors water heater menggunakan kolektor konsentrator (concentrating collectors) tipe cylindrical trough collectors (CTC) dan tipe parabolic trough collectors (PTC) dengan luas permukaan plat absorber (absorber plate) yang sama tetapi bentukya yang berbeda.

1. Pendahuluan Air hangat merupakan salah satu media yang dapat menstabilkan keadaan tubuh kembali ke dalam bentuk normal. Setiap hari manusia akan kehilangan cairan tubuh melalui keringat, urin, feses bahkan ketika bernafas. Kehilangan cairan tubuh (dehidrasi) juga diakibatkan oleh cuaca yang panas. Penyediaan air hangat juga digunakan untuk kebutuhan di rumah-rumah sakit untuk mencuci alat-alat medis, di industri digunakan untuk keperluan seperti pencucian botol, selain itu kebutuhan air hangat sudah menjadi kebutuhan masyarakat saat ini. Solar collectors water heater system atau kolektor surya merupakan salah satu alat penyerap atau pengumpul panas dari radiasi matahari yang berfungsi untuk memanaskan air, sumber energi utama KE-20


Adapun tujuan penelitian tugas akhir ini adalah : 1. Membandingkan pengaruh bentuk kolektor konsentrator tipe cylindrical trough collectors (CTC) vs tipe parabolic trough collectors (PTC) dengan ukuran plat yang sama terhadap efisiensi. 2. Mengetahui peningkatan temperatur air keluaran yang dihasilkan pada masingmasing kolektor setiap 30 menit.

Kolektor ini memanaskan cairan atau udara pada suhu kurang dari 80°C[9].

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah: 1. Mendapatkan informasi pengaruh bentuk Gambar 2.1. Kolektor Plat Datar kolektor konsentrator tipe cylindrical Sumber: Fabio[9] trough collectors (CTC) vs tipe parabolic trough collectors (PTC) terhadap b. Kolektor Parabolik/ Concentrating kemampuan menyerap panas dengan Collectors ukuran plat yang sama. Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang 2. Dapat memanfaatkan energi matahari membutuhkan energi panas pada temperatur secara efisien. tinggi >100oC. Kolektor surya jenis ini mampu memfokuskan energi radiasi cahaya 2. Tinjauan Pustaka matahari pada suatu receiver sehingga dapat 2.1 Kolektor Surya meningkatkan kuantitas energi panas yang Kolektor surya merupakan alat diserap oleh absorber. Agar cahaya matahari pengumpul panas yang diperoleh dari energi selalu dapat difokuskan terhadap tabung matahari, fungsinya adalah untuk absorber, konsentrator harus dirotasi. mengumpulkan energi radiasi matahari dan Pergerakan ini disebut dengan tracking. mengubahnya menjadi panas yang Komponen konsentrator harus terbuat dari bermanfaat. Secara umum dapat material dengan transmisivitas tinggi. didefinisikan sebagai sistem perpindahan Berdasarkan komponen absorbernya jenis panas yang menghasilkan energi termal ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu dengan memanfaatkan radiasi matahari Line Focus dan Point Focus[4]. Kolektor sebagai sumber energi utama. surya tipe cylindrical trough collectors 2.2 Klasifikasi Kolektor Surya (CTC) dan tipe parabolic trough collectors Terdapat tiga jenis kolektor surya yang (PTC) termasuk kedalam kolektor surya tipe diklasifikasikan ke dalam Solar Thermal line focus dimana cahaya matahari yang Collector System dan juga memiliki korelasi masuk ke kolektor dipantulkan oleh dengan pengklasifikasian kolektor surya reflektor dan difokuskan ke pipa yang berdasarkan dimensi dan geometri dari berada ditengah sepanjang kolektor hanya receiver yang digunakan. saja letak pipa antara CTC dan PTC yang berbeda dan bentuk dari lengkungan a. Kolektor Plat Datar/ Flat Plate Solar reflektor yang berbeda. Collector System Kolektor pelat datar (Flat Plate Solar Collector System) adalah kolektor surya yang paling umum digunakan untuk sistem pemanas air tenaga surya. Kolektor pelat datar standar adalah sebuah kotak logam dengan penutup kaca atau plastik (disebut glasir) dan pelat absorber berwarna gelap. KE-20


(a)

Dimana: Qu =Perolehan panas yang berguna (Watt) = Massa alir fluida (kg/s) Tfo = Temperatur fluida keluar (°C) Tfi = Temperatur fluida masuk (°C) Cp = Panas spesifik (J/kg.°C)

(b)

Gambar 2.2 Kolektor Parabola/ Konsentrator, (a) line focus, (b) point focus Sumber: Kalogirou[4] c.

Kolektor Pipa Hampa/ Evacuated Tube Collectors (ETC) Jenis kolektor 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 covernya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan[4].

2.5 Efisiensi Kolektor Efisiensi kolektor tiap jam dan sepanjang hari dinyatakan oleh Duffie dan Beckman dengan persamaan : ……………………... (3) Dimana: = Efisiensi kolektor (%) Qu = Perolehan panas yang berguna (Watt) Ac = Luas kolektor (m2) Ir = Intensitas radiasi matahari (W/m2) 2.6 Penelitian – penelitian sebelumnya Dedi Aitama (2002) melakukan penelitian tentang pengaruh diameter pipa absorber terhadap performansi kolektor palung silindris, dengan variasi diameter pipa absorber 3/8 inch, 1/2 inch dan 3/4 inch. Dari hasil penelitian didapat bahwa kolektor yang menggunakan pipa absorber berdiameter 3/8 inch dapat menghasilkan efisiensi tertinggi. Romi Saputra (2006) melakukan penelitian hubungan paralel dan seri pada kolektor surya jenis palung silindris setengah lingkaran, dimana efisiensi tertinggi di dapat pada hubungan seri.

Gambar 2.3. Evacuated Tube Collectors Sumber: Kalogirou[4] 2.3 Perhitungan laju aliran massa Perhitungan laju aliran massa (mass flow rate) menurut Duffie dan Backman dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan dibawah ini : = .V ………………………… (1) Dimana: = Laju aliran massa (kg/s) = Densitas air (kg/m3) V = Laju aliran fluida (m3/s) 2.4 Panas Berguna Besarnya harga perolehan panas berguna menurut Duffie dan Backman adalah:

Zulfiadi (2004) melakukan penelitian tentang pengaruh variasi laju aliran dalam pipa terhadap efisiensi kolektor surya jenis palung silindris, dengan variasi 25 ml/menit, 50 ml/menit, 75 ml/menit, 100 ml/menit, dan 125 ml/menit. Dari hasil penelitian didapat bahwa temperatur air keluar tertinggi adalah pada laju aliran 25 ml/menit yaitu mencapai 63 °C 3. Metodologi 3.1 Material/bahan yang digunakan Adapun bahan dan peralatan yang diperlukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

Qu = .Cp.(Tfo-Tfi) ……………... (2) KE-20


1)

2)

3) 4)

l) 2) 3) 4) 5)

a. Sistem kolektor : Drum bekas dengan diameter 55,5 cm dibelah secara vertikal menjadi 2 bagian dan ujungnya disambung menggunakan las sehingga memiliki panjang 170 cm digunakan sebagai rangka kolektor konsentrator tipe cylindrical trough collectors (CTC). Lembaran pelat stainless steel tebal 0,07 cm dengan panjang 170 cm dan lebar 87,135 cm sebagai reflector. Pipa tembaga Ø 0,9525 cm (3/8 inchi) dengan panjang 200 cm sebagai absorber. Lembaran styrofoam warna hitam berfungsi sebagai isolator penghambat panas yang hilang dengan tebal 0.9 cm.

Gambar 3.1 Skema Susunan perangkat penelitian Tabel 3.1 Keterangan Gambar Susunan perangkat penelitian. No 1 2 3 4 5

b. Alat ukur : Gelas ukur Stopwatch Termokopel tipe K Termometer Solar Power meters

6 7 8 9 10

c. Alat bantu : l) Tangki air utama. 2) Katup (valve). 3) Pipa PVC dan selang plastik. 4) Alat penjejak matahari 5) Tangki Penampungan air keluar 6) Kerangka penyangga tangki air. 7) Kerangka penyangga Kolektor

Keterangan Gambar Kerangka penyangga air Tangki air Katup (valve) Reflektor Pipa absorber Kerangka penyangga kolektor Styrofoam Selang plastik Penyangga pipa absorber Bak penampungan air

3.5 Penempatan Alat Ukur

3.2 Lokasi Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di halaman parkir Fakultas Teknik Universitas Syiah kuala Darussalam Banda Aceh. 3.3 Jadwal Pengujian Pengujian dilakukan pada tanggal 1,3,7, dan 28 januari 2015.

Keterangan:

3.4 Susunan Perangkat Penelitian

: Thermometer : Thermocouple

Gambar 3.2 Penempatan alat ukur (a) Kolektor surya tipe cylindrical trough collectors (CTC) (b) Kolektor surya tipe parabolic trough collectors (PTC)

KE-20


matahari diukur menggunakan Solar Power meters. Kecepatan angin diukur menggunakan anemometer. Dan laju volume aliran diukur menggunakan gelas ukur dan stopwatch. Pengukuran setiap parameter dilakukan pengukuran setiap selang waktu 30 menit mulai pukul 8.00 WIB – 18.00 WIB.

Tabel 3.2 Keterangan Gambar Penempatan Alat Ukur. Keterangan Gambar Tp1, Tp2

Temperatur plat kolektor

TR1, TR2

Temperatur ruang kolektor

TA1,TA2

Temperatur permukaan luar pipa masuk kolektor

TB1,TB2

Temperatur permukaan pipa didalam kolektor

4. Hasil Dan Pembahasan 4.1 Data Hasil Pengujian

Pada proses penelitian ini digunakan 1 buah kolektor surya tipe cylindrical trough Temperatur permukaan collectors (CTC) dan 1 buah kolektor surya TC1,TC2 luar pipa keluar kolektor tipe parabolic trough collectors (PTC) yang pengujiannya dilakukan pada masingTfi Temperatur air masuk masing kolektor. Aliran air yang masuk Temperatur air keluar Tfo1, kedalam pipa absorber berasal dari tangki Tfo2 air dialirkan melalui pipa bercabang dan debit aliran masing-masing pipa diatur Temperatur air masuk dan air keluar dengan menggunakan ball valve. Air keluar diukur menggunakan termometer digital. ditampung kedalam bak terbuka. Sirkulasi Temperatur ambient dan temperatur ruang pengisian air dari bak ketangki kolektor menggunakan termometer manual. penampungan dilakukan secara manual. Temperatur permukaan luar pipa masuk Parameter pokok yang diukur adalah pada kolektor, Temperatur permukaan pipa bagian-bagian yang ditentukan. Pengukuran didalam kolektor, Temperatur permukaan ini dilakukan dengan thermometer dan luar pipa keluar kolektor diukur thermocouple tipe K yang dihubungkan menggunakan termokopel. Intensitas dengan display thermometer 4.1.1 Distribusi temperatur pengujian pada kolektor surya tipe cylindrical trough collectors (CTC) dan tipe parabolic trough collectors (PTC).

KE-20


Gambar 4.1 Distribusi temperatur pipa masuk, temperatur pipa dalam dan temperatur pipa keluar terhadap waktu pada kolektor surya tipe CTC dan tipe PTC dengan laju aliran 25 ml/menit pada tanggal 28 Januari 2015.

Gambar 4.2 Distribusi temperatur plat kolektor dan ruang kolektor terhadap waktu pada kolektor surya tipe CTC dan tipe PTC dengan laju aliran 25 ml/menit pada tanggal 28 Januari 2015. Dari Gambar 4.1 dapat disimpulkan bahwa pada pukul 8.00 WIB - 18.00 WIB temperatur pipa masuk kedua kolektor yaitu sama mulai dari pagi hari 24 ºC hingga sore hari 27 ºC, karena pada pipa masuk belum dipengaruhi oleh pantulan reflector dan ruang kolektor. Pada pukul 13.00 WIB temperatur pipa dalam kolektor CTC mencapai 55 ºC, sedangkan kolektor PTC hanya 53 ºC disebabkan oleh peletakan pipa receiver terletak diatas kolektor sehingga panas dipantulkan oleh plat reflektor yang mengenai pipa receiver mudah terkena angin dan udara luar, sedangkan pipa dalam pada kolektor CTC terletak ditengah sehingga panas yang terkumpul tidak mudah terpengaruh oleh udara luar atau angin dan dipengaruhi oleh panas yang tersimpan pada plat dan ruang kolektor disekeliling pipa. Pada pukul 13.30 WIB – 18.00 WIB temperatur permukaan pipa di dalam kolektor terus menurun akibat intensitas radiasi matahari

yang diterima oleh kolektor semakin berkurang. Dari Gambar 4.2 dapat disimpulkan bahwa pada pukul 8.00 WIB temperatur plat dan temperatur ruang pada kolektor PTC dan CTC sama yaitu 25 ºC dikarenakan intensitas radiasi matahari 470 W/m2 belum meningkat sehingga belum berpengaruh terhadap kolektor. Pada pukul 13.00 WIB intensitas radiasi matahari mencapai 1437 W/m2 temperatur plat CTC 74 ºC lebih tinggi dari pada temperatur plat PTC 70 ºC selisih keduanya yaitu 4 ºC. Pada pukul 13.00 WIB temperatur ruang CTC 68 ºC lebih tinggi dari pada ruang PTC 63 ºC selisih keduanya yaitu 4 ºC. Pada pukul 13.00 WIB – 16.30 WIB temperatur plat dan temperatur ruang kembali turun seiring berkurangnya intensitas radiasi matahari. Menjelang sore hari Pada pukul 17.00 WIB – 18.00 WIB selisih antara temperatur plat dan temperatur ruang KE-20


ikut turun yaitu 284 W/m2.

hanya sedikit bahkan saling mendekati dikarenakan intensitas radiasi matahari

Gambar 4.3 Distribusi temperatur air masuk dan air keluar terhadap waktu pada kolektor surya tipe CTC dan tipe PTC dengan laju aliran 25 ml/menit pada tanggal 28 Januari 2015. Dari Gambar 4.3 dapat disimpulkan bahwa, temperatur air keluar pada masingmasing kolektor tipe CTC dan tipe PTC terjadi peningkatan setiap jamnya sejak pukul 8:00 WIB hingga pukul 13:00 WIB karna cuaca cerah tanpa awan dan juga intensitas radiasi matahari juga terjadi peningkatan. Temperatur air keluar pada kolektor surya tipe CTC lebih besar dibandingkan kolektor surya tipe PTC. Hal ini terjadi dikarenakan intensitas yang semakin meningkat sehingga terjadi proses heat exchanger pada masing-masing kolektor. Pada pukul 9.00 WIB temperatur kolektor surya CTC yaitu 36,7 ºC dan pada

KE-20

kolektor surya PTC 35,2 ºC, terjadi perbedaan antara kolektor CTC dan PTC yaitu 1,5 ºC. Pada pukul 13.30 WIB – 18.00 WIB temperatur air keluar kembali turun seiring berkurangnya intensitas radiasi matahari. Temperatur air masuk pada pukul 8.00 WIB lebih rendah daripada temperatur ambien yaitu 25,3 ºC sedangkan temperatur ambien 26 ºC. Pada pukul 11.30 WIB selisih antara temperatur air masuk dan temperatur ambien 4,8 ºC. Pada pukul 15.00 WIB temperatur air masuk dan temperatur ambien sama sama 33 ºC. Menjelang sore pukul 16.00 WIB – 18.00 WIB temperatur air lebih tinggi dari pada temperatur ambien.


4.1.2 Grafik Energi Berguna

Gambar 4.4 Distribusi Energi Berguna terhadap waktu pada kolektor surya tipe CTC dan tipe PTC pada tanggal 28 Januari 2015. 4.1.3 Grafik Efisiensi Kolektor

Gambar 4.5 Distribusi Grafik Efisiensi tiap 30 menit pada kolektor surya tipe CTC dan tipe PTC pada tanggal 28 Januari 2015. Dari Gambar 4.4 dapat disimpulkan bahwa energi berguna (useful energy) tertinggi terjadi pada kolektor surya tipe CTC pada

pukul 13.00 WIB adalah 30,79 watt, sedangkan kolektor tipe PTC adalah 23,48 watt. Selisih keduanya 7,31 watt. KE-20


Dari Gambar 4.5 dapat disimpulkan bahwa seiring meningkatnya intensitas matahari meningkat pula efisiensi. Efisiensi tertinggi dihasilkan oleh kolektor CTC. Pada pukul 9.30 wib efisiensi kolektor CTC 1,56 % dan kolektor PTC 1,33 %.

kolektor tetap tegak lurus terhadap sinar datang matahari. 2. Alat ukur yang terpasang pada kolektor harus tepat agar tidak salah dalam pengambilan data. PENGHARGAAN

5. Kesimpulan Dan Saran

Ucapan terima kasih kepada semua pihak atas seluruh dukungan dan bimbingannya, baik secara moril maupun materil sehingga karya ilmiah ini dapat diselesaikan.

5.1 Kesimpulan Setelah dilakukan penelitian dan pembahasan data hasil pengujian, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Kolektor surya tipe cylindrical trough collectors (CTC) yang telah diuji membuktikan bahwa mampu menghasilkan temperatur fluida keluar yang lebih tinggi daripada kolektor surya tipe parabolic trough collectors (PTC). 2. Temperatur air didalam kolektor dan keluaran kolektor pemanas air surya bergantung pada intensitas matahari dan tingkat kecerahan langit pada saat pengujian. 3. Laju aliran air pada kolektor mempengaruhi temperatur air keluaran pada kolektor tersebut yaitu semakin kecil laju aliran maka temperatur air keluar yang dihasilkan akan semakin tinggi seiring meningkatnya intensitas radiasi. 4. Energi berguna (useful energy) pada kolektor surya tipe cylindrical trough collectors (CTC) pada pukul 13.00 WIB tanggal 28 januari 2015 mencapai 30,79 watt, sedangkan kolektor surya tipe parabolic trough collectors (PTC) pada pukul 13.00 WIB pada tanggal 28 januari 2015 mencapai 23.48 watt. 5. Efisiensi tertinggi terdapat pada pukul 9.30 WIB pada tanggal 28 januari 2015 pada kolektor surya tipe CTC mencapai 1,56%, dan kolektor surya tipe PTC mencapai 1,33%.

Referensi [1].

[2].

[3].

[4].

[5].

[6].

[7].

[8].

5.2 Saran 1. Ketepatan posisi kolektor terhadap sinar datang matahari perlu diperhatikan agar KE-20

Aitama, Dedi, 2002, Pengaruh diameter pipa absorber terhadap performansi kolektor palung silindris, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala. Duffie, J.A, and W.A.Beckman, 1980, Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley and Sons,Inc., New York. Jansen, T.J, 1995, Teknologi Rekayasa Surya, terjamahan Wiranto Arismunandar, P.T. Prandnya Paramita Jakarta. Kalogirou, Soteris A, 2009, Solar Energy Engineering Process and Systems, Academis Press, USA. Kurniawan Ramadhani, Wildan, dkk, Pengaruh bentuk penampang receiver terhadap kinerja pemanas air tipe cylindrical parabolic collector, Jurnal Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya. Mariadi, Dedi, 2005, Pengaruh kaca penutup terhadap performansi kolektor surya jenis silindris setengah lingkaran, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala. Rapp, Donald, 1981, Solar Energy, prentice Hall, Inc., Englewood Clifts, N.J. 07632. Saputra, Romi, 2006, Analisa hubungan paralel dan seri pada kolektor surya jenis palung silindris setengah lingkaran, Tugas Akhir,


Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala. [9]. Srukmann, Fabio, 2008, Analysis of a Flat-plate Solar Collector, Project Report, Lund University, Sweden.

[10].Zulfiadi, 2004, Pengaruh variasi laju aliran dalam pipa terhadap efesiensi kolektor surya jenis palung selindris, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala.

KE-20

collectors water heater menggunakan

Recommend Documents