JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
Analisa Pengaruh Variasi Diameter Receiver Dan Intensitas Cahaya Terhadap Efisiensi Termal Model Kolektor Surya Tipe Linear Parabolic Concentrating Hendra N Y Tamba dan Ary Bachtiar K.P. Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Matahari sebagai sumber energi kalor terbesar menjadi salah satu alternatif sumber panas melimpah, untuk memanfaatkannya dibutuhkan suatu kolektor yang mampu mengumpulkan panas dari radiasi matahari sehingga dapat dimanfaatkan lebih jauh. Supaya energi matahari dapat digunakan dengan seefisien mungkin tentu harus diketahui faktor - faktor yang berpengaruh terhadap efisiensi dari kolektor surya. Pada pengujian kolektor surya dilakukan dengan menggunakan beberapa variasi yang berpengaruh terhadap kolektor surya. Dimana variasi yang digunakan adalah diameter receiver dan intensitas cahaya yang akan diberikan. Ukuran diameter receiver yang digunakan antara lain 3/8, ½, dan 5/8 inch, sedangkan variasi intensitas cahaya diatur dengan memvariasikan tegangan yang diberikan terhadap lampu sorot, tegangan yang digunakan antara lain 80, 160 dan 240 Volt. Kemudian data yang akan di ambil antara lain debit fluida kerja, temperature fluida kerja masuk dan keluar kolektor, temperature udara ambient, temperature pipa receiver bagian inlet dan outlet, serta kecepatan angin dan intensitas radiasi. Dan nantinya akan didapatkan efisiensi kolektor , panas berguna dan heat loss.
Kata Kunci— kolektor surya, diameter receiver, intensitas cahaya, efisiensi, panas berguna, heat loss
I. PENDAHULUAN
M
atahari sebagai sumber energi kalor terbesar, menjadi salah satu alternatif sumber panas melimpah. Untuk memanfaatkanya dibutuhkan suatu kolektor yang mampu mengumpulkan panas tersebut sehingga dapat dimanfaatkan lebih jauh. Pada awal abad dua puluh kolektorkolektor sinar matahari telah digunakan untuk memanaskan air. Dengan kemungkinan akan semakin mahalnya harga bahan bakar fosil, energi matahari menjadi pusat perhatian sebagai sumber energi yang dapat diperbaharui. Tujuan utama dari kolektor surya adalah mengumpulkan energi dari radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas yang bermanfaat. Kemampuan kerja kolektor surya bergantung pada banyak faktor, antara lain
ketersediaan energi radiasi matahari, temperatur udara sekitar, karakteristik kebutuhan energi, dan karakteristik kalor sistem kolektor surya tersebut. Matahari sebagai sumber energi kalor terbesar, menjadi salah satu alternatif sumber panas melimpah. Untuk memanfaatkanya dibutuhkan suatu kolektor yang mampu mengumpulkan panas tersebut sehingga dapat dimanfaatkan lebih jauh. Pada awal abad dua puluh kolektorkolektor sinar matahari telah digunakan untuk memanaskan air. Dengan kemungkinan akan semakin mahalnya harga bahan bakar fosil, energi matahari menjadi pusat perhatian sebagai sumber energi yang dapat diperbaharui. Tujuan utama dari kolektor surya adalah mengumpulkan energi dari radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas yang bermanfaat. Kemampuan kerja kolektor surya bergantung pada banyak faktor, antara lain ketersediaan energi radiasi matahari, temperatur udara sekitar, karakteristik kebutuhan energi, dan karakteristik kalor sistem kolektor surya tersebut. II. URAIAN PENELITIAN A. Solar Collector Collector linear parabolic concentrating adalah jenis kolektor memfokuskan energi matahari yang diterimanya pada luasan yang lebih kecil untuk mendapatkan temperatur kerja yang lebih tinggi. Kolektor parabolic linear parabolic concentrating (LPC) memiliki reflektor yang memantulkan radiasi matahari dan receiver yang akan menerima pantulannya. Perbandingan antara luasan reflektor dengan luasan receiver adalah rasio konsentrasi. Memperbesar rasio konsentrasi akan meningkatkan temperatur di mana energi kalor dihantarkan, namun hal ini harus diikuti dengan peningkatan keakuratan kualitas optis dan penempatan sistem optis.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
Sistem optis linier pada kolektor linear parabolic concentrating akan memfokuskan radiasi langsung (beam) ke receiver jika matahari berada tepat di tengah bidang reflektor. Bisa dikatakan konfigurasi dari kolektor linear parabolic concentrating hanya efektif untuk radiasi langsung, namun tidak untuk radiasi difusi atau radiasi terpantul dari tanah.
2
antara lain lembaran stainless steel dengan ukuran 1m x 2m sebagai reflektor dan pipa dengan bahan tembaga sebagai receiver. Berikut skematik gambar kolektor surya.
Gambar 1. Parabolic Concentrator
B. Perhitungan Solar Collector Tipe Linear Parabolic (2) a. Sudut Rim 8( f / a ) −1 −1 a = = φr tan sin 2 2rr 16( f / a ) − 1 b. Jari – jari Mirror 2f r= 1 + cos φ c. Diameter Receiver a.sin 0, 267 D 2= rr .sin 0, 267 = sin φr d. Koefisien Losses U L = hw + hr + U cond e. Radiasi Terserap per satuan luas Aperture (S)
Gambar 2 Dimensi Reflektor Kolektor Surya Desain Afri Argiawan
III. METODOLOGI A. Skema Penelitian Kolektor Surya Tipe Linear Parabolic Concentrating
S = I b .ρ .(γτα ) n .Kγτα f.
Quseful Teoritis A Qu =FR Aa S − r U L (T fi − Ta ) A a Quseful Actual •
Qu m .CP T f =
out
− Tf
in
g.
Heat Loss (1) = Qloss U L . Ar .(Tr − Ta ) h. Analisa Efisiensi Q η= u Ac .IT C. Studi Penelitian solar collector Pada penelitian Afri Argiawan (3) dalam tugas akhirnya pada tahun 2011 yang berjudul “Rancang Bangun Kolektor Surya Tipe Linear Parabolic Concentrating Sebagai Sumber Panas Generator Pada Refrigerasi Absorpsi” yang melakukan penalitian perencanaan kolektor surya tipe linear concentrating collector. Sistem dibuat dengan material Local
Gambar 3 Skema Eksperimen Kolektor Surya
Pada pengujian ini akan dilakukan 3 tahapan, yaitu tahap persiapan, tahap pengambilan data, dan tahap akhir. Pertama tahapan persiapan dengan memastikan peralatan yang dipakai dalam kondisi baik, yaitu pompa, pyranometer, thermocouple, digital thermometer, voltage regulator dan rangkaian – rangkaian listrik yang dibutuhkan. Memastikan peralatan sudah terpasang pada tempatnya dan diameter pipa 3/8 inch kemudian putar voltage regulator pada 80 V, hidupkan pompa air dan atur debit yang mengalir 115,2 L/jam, tunggu hingga steady. Lalu ambil data yang dibutuhkan meliputi Temperatur fluida in, Temperatur Fluida out, Tambient, T receiver pada titik 1, T receiver pada titik 2, Intensitas dari lampu dan debit fluida. Setelah itu secara bertahap mengambil data berikutnya dengan variasi tegangan 160 volt dan 240 volt, kemudian
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
lakukan lagi langkah kerja yang sama untuk masing – masing pipa dengan diameter ½ dan 5/8 inch. IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN Pada grafik ini akan dibahas pengaruh intensitas dan diameter pipa terhadap temperatur air keluar kolektor.
yang terjadi tidak terlalu signifikan terlihat dari trend line yang cenderung konstan. Hal ini dapat terjadi dikarenakan pengaruh udara sekitar sangat kecil bahkan mendekati 0. Pada grafik berikut ini akan dibahas pengaruh intensitas dan diameter pipa terhadap kalor berguna (Q u ).
Tfo fungsi intensitas radiasi
100
600 500
80
3/8 inch
60
400
3/8 inch
300
1/2 inch
200
1/2 inch
40
5/8 inch
100
5/8 inch
0
20
0
0 0
200 400 Intensitas Radiasi ( W/m2)
1000
Dari grafik di atas tampak bahwa temperatur air keluar pipa receiver dengan berbagai variasi diameter ukuran pipa mengalami peningkatan seiring bertambahnya intensitas lampu yang diberikan hingga mencapai titik maksimumnya dan kemudian akan mengalami penurunan. Temperatur air keluaran kolektor tertinggi terjadi pada intensitas lampu 130,719 watt/m2 dengan diameter pipa 5/8 inch didapatkan temperature out sebesar 39 °C
UL fungsi intensitas radiasi
8 6
3/8 inch
4
1/2 inch
2
5/8 inch
0 0
100 200 300 Intensitas Radiasi (W/m2)
400
Gambar 5 Koefisien losses kolektor fungsi intensitas radiasi
Dari grafik terlihat bahwa nilai koefisien kehilangan panas (U L ) pada kolektor cenderung naik kemudian turun kembali pada masing-masing diameter pipa. Tetapi perubahan
Qu,act fungsi intensitas radiasi
Qu Akt (Watt)
800
3/8 Inch
600
1/2 inch
400
5/8 inch
200 0 0
Pada grafik berikut ini akan dibahas pengaruh intensitas dan diameter piapa terhadap koefisien kehilangan panas kolektor.
10
200 400 Intensitas Radiasi (W/m2)
Gambar 6 Quteo fungsi intensitas radiasi
Gambar 4 Temperatur fluida out fungsi intensitas
UL ( W/m2.C )
Qu,teo fungsi intensitas radiasi
Qu teo ( Watt)
T fluida out( ͦC)
3
100 200 300 400 Intensitas Radiasi (W/m2)
Gambar 7 Quact fungsi intensitas radiasi
Berdasarkan 𝐴𝐴𝑟𝑟
𝐴𝐴𝑎𝑎
dari
persamaan
𝑄𝑄𝑢𝑢 ,𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝐹𝐹𝑅𝑅 𝐴𝐴𝑎𝑎 �𝑆𝑆 −
𝑈𝑈𝐿𝐿 (𝑇𝑇𝑓𝑓𝑓𝑓 − 𝑇𝑇𝑎𝑎 )�,energi kalor berguna adalah fungsi dari
temperatur air masuk, temperatur udara sekitar, koefisien kehilangan panas kolektor, intensitas radiasi matahari dan faktor pelepasan kalor (heat removal factor). Energi berguna ini akan meningkat seiring meningkatnya intensitas radiasi matahari. Selain itu energi berguna akan mengalami kenaikan seiring penurunan koefisien kehilangan panas kolektor, dan akan semakin besar jika tidak ada selisih temperatur antara air masuk receiver dengan udara sekitar. Besarnya Quseful teoritis berbeda dengan besarnya Quseful aktual. Quseful teoritis lebih besar dari pada Quseful aktual karena pada perhitungan Quseful secara teoritis tidak memperhitungkan besarnya temperatur air keluaran receiver. Selain itu berbagai properties yang digunakan diperoleh dari tabel dan berbagai literatur, sehingga yang terjadi adalah keadaan material kolektor yang dibuat tidak sama dengan pengujian yang digunakan pada literatur tersebut. Pada
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
Pada grafik berikut ini akan dibahas pengaruh intensitas dan diameter pipa terhadap efisiensi kolektor.
ηteo fungsi intensitas radiasi
tipe diameter pipa. Besarnya efisiensi aktual mempunyai nilai yang lebih kecil dari pada efisiensi teoritis. Hal ini dikarenakan banyak properties – properties yang kemungkinan tidak sesuai dengan kondisi actual. Pada grafik berikut ini akan dibahas pengaruh intensitas dan diameter pipa terhadap heat loss
15
3/8 Inch
10
1/2 Inch
5
5/8 Inch
75 Efisiensi (%)
Qloss fungsi intensitas radiasi
20 Q Loss (Watt)
perhitungan secara aktual dengan persamaan 𝑄𝑄𝑢𝑢,𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝑚𝑚̇. 𝐶𝐶𝑝𝑝 . �𝑇𝑇𝑓𝑓𝑓𝑓 − 𝑇𝑇𝑓𝑓𝑓𝑓 �, hanya membutuhkan temperatur air masuk dan keluar saja. Di samping itu juga terdapat kemungkinan adanya kesalahan pada pengaturan posisi kolektor terhadap arah datangnya cahaya lampu yang menyebabkan pemantulan oleh reflektor menuju receiver tidak maksimum. Quseful aktual terbesar ada pada pipa dengan diameter 5/8 inch dan intensitas cahaya pada 130,718 watt/m2 dan terendah pada pipa dengan diameter 3/8 inch dengan intensitas cahaya 13,0719 watt/m2.
4
0
70
0
3/8 inch
65
1/2 inch
60
5/8 inch
55 50 0
200 400 Intensitas Radiasi ( W/m2) Gambar 8 ηteo fungsi intensitas radiasi
ηact fungsi intensitas radiasi 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Efisiensi (%)
3/8 inch 1/2 inch 5/8 inch
0
200 Intensitas Radiasi (
400 W/m2)
400
Gambar 10 Grafik Efisiensi Siklus Fungsi Beban Generator
Dari grafik di atas terlihat bahwa semakin meningkatnya intensitas yang diberikan maka heat loss yang terjadi juga akan semakin meningkat, hal ini dapat dijelaskan berdasarkan rumusan Qloss dimana seiring meningkatnya Temperatur receiver maka Koefisien loses yang terjadi juga akan semakin meningkat. V. KESIMPULAN/RINGKASAN Setelah melakukan pengujian dan pengambilan data pada solar collector linear parabolic dengan variasi intensitas cahaya dan diameter receiver, maka diperoleh, untuk hasil
temperatur maksimum fluida out adalah sebesar 39 C dengan pipa 5/8 inch dan intensitas lampu 130,719 watt/m2. Energi dari sinar lampu yang dapat dimanfaatkan kolektor (useful energy) rata-rata sebesar 835,6 watt pada pipa dengan diameter 5/8 inch dan intensitas sebesar 130,718 watt/m2. Efisiensi aktual rata-rata kolektor surya ini didapatkan sebesar 27,33%.
Gambar 9 ηact fungsi intensitas radiasi
DAFTAR PUSTAKA Incropera, F. P. & Dewitt, D. P., 1996, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Fifth Edition, John Wiley and Sons inc, New York. [2] Duffie, J. A. & Beckman, W. A., 1991, Solar Engineering of Thermal Processes, Second Edition, John Willey and Sons inc, New York. [3] Argiawan, A., 2011, Rancang Bangun Kolektor Surya Tipe Linear Parabolic Concentrating Sebagai Sumber [1]
Efisiensi yang diartikan sebagai rasio antara energi yang berguna dengan energi yang masuk ke kolektor surya. Efisiensi juga merupakan fungsi dari intensitas surya, maka efisiensi akan meningkat seiring dengan meningkatnya intensitas surya. Pada grafik efisiensi aktual kolektor (η act ) nampak bahwa kenaikan terjadi pada intensitas 366,0131 Watt/m2 pada tiap
200 Intensita s Radiasi (W/m2)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
Panas Generator Pada Refrigerasi Absorpsi, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya, Indonesia.
5
