PEMBUATAN SOLAR COLLECTOR SISTEM SIKLUS TERBUKA DENGAN ALAT KONTROL BERBASISKAN MIKROKONTROLLER ATMEGA 8535

Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta

PEMBUATAN SOLAR COLLECTOR SISTEM SIKLUS TERBUKA DENGAN ALAT KONTROL BERBASISKAN MIKROKONTROLLER ATMEGA 8535 Hartono Budi Santoso, Agung Harjatmo, Arya Wulung, dan Suwidodo Jurusan Teknik Konversi Energi Politeknik Bandung

ABSTRAK Solar collector adalah alat pemanas air yang menggunakan tenaga surya sebagai sumber pemanas. Solar collector sendiri dibagi ke dalam tiga jenis berdasarkan temperatur kerjanya, yaitu solar collector temperatur rendah, menengah, dan tinggi. Solar collector temperatur rendah biasanya bertipe unglazed flat plate collectors (kolektor pelat datar tanpa kaca) dan memiliki temperatur kerja 50-300, yang biasa digunakan untuk kolam renang atau keperluan agrikultur. Solar collector temperatur menengah adalah flat-plate collectors (kolektor pelat datar) dengan kotak terisolasi dan satu atau dua buah kaca isolasi yang memiliki temperatur kerja 150-2000F diatas temperatur ambient, kolektor tipe ini adalah yang paling umum dan banyak digunakan untuk memanaskan air skala rumah tangga. Solar collector temperatur tinggi adalah modifikasi dari solar collector temperatur menengah, dengan berbagai jenis pelat penyerap panas dan isolasi yang lebih baik, dan dapat ditambahkan berbagai alat yang dapat meningkatkan kinerja dari solar collector seperti solar tracker. Jenis-jenis solar collector temperatur tinggi diantaranya adalah evacuated-tube flat plate types (tipe pelat datar pipa terevakuasi), parabolic dish reflector types (tipe reflektor parabola terbuka), parabolic trough types (tipe parabola beralur), dan modified parabola types (tipe parabola modifikasi). Di laboratorium mesin listrik jurusan Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Bandung, terdapat sebuah solar collector bertipe solar ”flat plate active open loop” hot water heating system (sistem pemanas air tenaga matahari tipe pelat datar siklous aktif terbuka). Pemanas tersebut digunakan sebagai sumber pemanas air untuk laboratorium dan media praktik. Saat ini pemanas tersebut sudah tidak berfungsi dan rusak. Penelitian ini bertujuan untuk membuat solar collector baru yang memiliki tingkat effisiensi dan efektivitas yang lebih baik dari yang sudah ada. Peningkatan effisiensi tersebut selain dengan cara mengubah bentuk pipa dalam kolektor dari pipa vertikal menjadi pipa U. Pipa U tersebut terbuat dari tembaga sehingga dapat memudahkan terjadinya perpindahan panas dari pelat penyerap kalor menuju air didalam pipa. Solar collector ini akan dilengkapi oleh kontrol temperatur menggunakan mikrokontroler ATMEGA 8535. Kontrol ini berfungsi untuk memaksimalkan kinerja dari solar collector yang dibuat. Keywords: pemanas air, solar collector, mikrokontroler

PENDAHULUAN Solar collector adalah alat pemanas air yang menggunakan tenaga surya sebagai sumber pemanas. Solar collector sendiri dibagi ke dalam tiga jenis berdasarkan temperatur kerjanya, yaitu solar collector temperatur rendah, menengah, dan tinggi. Solar collector temperatur rendah biasanya bertipe unglazed flat plate collectors (kolektor pelat datar tanpa kaca) dan memiliki temperatur kerja 0 0 5 -30 , yang biasa digunakan untuk kolam renang atau keperluan agrikultur. Solar collector temperatur menengah adalah flat-plate collectors (kolektor pelat datar) dengan kotak terisolasi dan satu atau dua buah kaca isolasi yang memiliki temperatur kerja 150-2000F diatas temperatur ambient, kolektor tipe ini adalah yang paling umum dan banyak digunakan untuk memanaskan air skala rumah tangga. Solar collector temperatur tinggi adalah modifikasi dari solar collector temperatur menengah, dengan berbagai jenis pelat penyerap panas dan isolasi yang lebih baik, dan dapat ditambahkan berbagai alat yang dapat meningkatkan kinerja dari solar collector seperti solar tracker. Jenis-jenis solar collector temperatur tinggi diantaranya adalah evacuated-tube flat plate types (tipe pelat datar pipa terevakuasi), parabolic dish reflector types (tipe reflektor parabola terbuka), parabolic trough types (tipe parabola beralur), dan modified parabola types (tipe parabola modifikasi). Di laboratorium mesin listrik jurusan Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Bandung, terdapat sebuah solar collector bertipe solar ”flat plate active open loop” hot water heating system (sistem pemanas air tenaga matahari tipe pelat datar siklous aktif terbuka). Pemanas tersebut digunakan sebagai sumber pemanas air untuk laboratorium dan media praktik. Saat ini pemanas tersebut sudah tidak berfungsi dan rusak, untuk itu penulis membuat solar collector baru yang memiliki tingkat effisiensi dan efektivitas yang lebih baik dari yang sudah ada.

11


Peningkatan effisiensi tersebut selain dengan cara mengubah bentuk pipa dalam kolektor dari pipa vertikal menjadi pipa U. Pipa U tersebut terbuat dari tembaga sehingga dapat memudahkan terjadinya perpindahan panas dari pelat penyerap kalor menuju air didalam pipa. Solar collector ini akan dilengkapi oleh kontrol temperatur menggunakan mikrokontroler ATMEGA 8535. Kontrol ini berfungsi untuk memaksimalkan kinerja dari solar collector yang dibuat. Cara kerja dari alat ini adalah dengan cara membandingkan suhu yang keluar dari water storage (tanki) dengan suhu yang kita inginkan. Suhu masuk tanki dari solar collector berkisar 150-2000F, jika suhu yang akan digunakan untuk keperluan sehari-hari mencukupi maka kontrol akan langsung mengalirkan air dari tanki menuju sumber penggunaan, tetapi jika suhu air kurang dari temperatur standar maka kontrol akan otomatis menutup pipa saluran air yang langsung menuju sumber penggunaan dan mengalihkan air ke pipa yang menuju re-heater (pemanas ulang) untuk dipanaskan terlebih dahulu. Penelitian ini bertujuan untuk meredesain solar collector lama yg telah rusak dengan sistem yang baru yang lebih effisien dan efektif dan menambahkan sistem kontrol berbasiskan mikrokontroler ATMEGA 8535 untuk meningkatkan kinerja solar collector di laboratorium mesin listrik Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Bandung. Masalah yang akan diangkat dalam laporan Penelitian ini dibatasi pada pembuatan solar collector dengan ukuran 135x120x10cm tipe solar ”flat plate active open loop” hot water heating system (sistem pemanas air tenaga matahari tipe pelat datar siklus aktif terbuka) dengan pipa berbentuk U, dan menggunakan tambahan kontrol menggunakan mikrokontroler ATMEGA 8535 untuk meningkatkan kinerja dari solar collector yang dibuat. Pemanas air yang digunakan adalah pemanas air tenaga surya dengan siklus aktif terbuka. Air dari tanki penyimpanan disalurkan melalui pipa menuju collector (kolektor) yang kemudian dipanaskan oleh matahari. Sistem ini disebut aktif karena menggunakan sebuah pompa kecil untuk menyalurkan air dari tanki penyimpanan menuju collector untuk dipanaskan dan air panas dari collector masuk kembali ke dalam tanki. Pompa ini bekerja secara otomatis menggunakan thermostat diferensial elektrik. Pompa ini membaca suhu pada collector dan tanki penyimpanan, pada saat suhu di collector lebih tinggi dari suhu tanki pompa akan secara otomatis bekerja mengalirkan air. Sehingga air yang mengalir dapat menangkap energi panas dari matahari. Pemanas air yang lama memiliki sistem pelat datar (flat plate) dimana pipa vertikal diletakan didalam kolektor berbentuk kotak kaca, air yang akan dikonduksikan panasnya melewati pipa yang berada di bawah pelat penyerap kalor (black body), sehingga panas dari pelat akan dikonduksikan kedalam air yang terdapat didalam pipa. Dengan mengubah bentuk pipa yang mengalir menjadi bentuk U, sehingga diharapkan fluida akan lebih lama terkena panas matahari dan mendapatkan pemanasan secara maksimal.

Gambar 1 solar collector dengan pipa U Air dingin yang sudah di panaskan dengan solar collector lalu masuk ke dalam water storage, di dalam water storage air panas di jaga suhunya agar tidak cepat kehilangan panas. Pada umumnya air dari water storage langsung di hubungkan ke beban-beban pemakaian, tapi disini ada sedikit perbedaan yaitu apabila suhu air panas yang keluar dari water storage dibawah suhu yang kita harapkan (set point), maka air tersebut akan masuk terlebih dahulu ke electric heater, disini electric heater berfungsi sebagai sebagai pemanas ulang (reheater) agar suhu air panas dapat mencapai set point-nya.

12


Dengan sistem kontrol menggunakan mikrokontroler ATMEGA 8535, dalam pengaturan katup-katup secara otomatis untuk menentukan apakah air panas harus masuk ke reheater terlebih dahulu atau langsung ke beban pemakaian, dan untuk aktivasi electric heater diatur oleh kontrol tersebut. Diharapkan dengan penambahan kontrol ini penggunaan solar collector akan lebih efektif dan effisien baik dari segi konsumsi energi listrik untuk reheater maupun penggunaan air panas sesuai kebutuhan. Kontrol tersebut bekerja otomatis dan membantu memudahkan penggunaan dari solar collector. Radiasi Matahari Radiasi matahari (solar radiation) merupakan suatu bentuk radiasi termal. Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari Es, adalah sama dengan hasil perkalian konstanta stefanboltzmann δ, pangkat empat temperatur permukaan absolut Ts, dan luas permukaan πds2. Es = δ.π. ds2.Ts4 [W] .………(2.2)

Dimana: -8 2 4 konstanta stefan-boltzmann δ = 5.67 x 10 (W/cm .k ), Ts = K ds = Diameter matahari, dalam meter Radiasi flux pada unit area dari permukaan berbentuk bola dalam hal ini matahari dapat dicapai dari persamaan sebagai berikut: ……..(2.3) Dimana: Ts = temperatur permukaan matahari G = 1352 W/cm2.k4, konstanta matahari 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 standardisasi pengukurannya sukar 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

…………(2.4)

Radiasi Langsung/Sudut Masuk Intensitas radiasi langsung atau sorotan perjam pada sudut masuk normal Ibn adalah, ………(2.5) Ib = radiasi sorotan pada suatu permukaan horisontal Cos θz = sudut zenith Dengan demikian, untuk suatu permukaan yang dimiringkan dengan sudut β terhadap bidang horisontal, intensitas dari kmponen sorotan adalah, IbT = Cos θT = Ib

………(2.6)

Θr disebut sudut masuk, dan didefinisikan sebagai sudut antara arah sorotan pada sudut masuk normal dan arah komponen tegak lurus (900) pada permukaan bidang miring.

13


Gambar 2 radiasi sorotan tiap jam pada permukaan miring dari pengukuran 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 …………………………………….(2.7) Dimana β adalah sudut miring dari permukaan miring dan Id menunjukan besarnya radiasi sebaran perjam pada suatu permukaan horisontal. Radiasi Pantulan Selain komponen radiasi langsung dan sebaran, permukaan penerima juga mendapatkan radiasi yang dipantulkan dari permukaan yang berdekatan dimana jumlah radiasi yang dipantulkan tergantung dari refleksi α (albedo) dari permukaan yang berdekatan itu, dan kemiringan permukaan yang menerima. Radiasi yang dipantulkan perjam, juga disebut radiasi pantulan, yang dijabarkan dalam persamaan. ……..(2.8) Dimana reflektansi α dianggap 0,21-0,25 untuk permukaan tanpa salju dan 0,7 untuk lapisan salju yang baru turun. Parameter Rancangan Solar collector Luas Kolektor Untuk menghitung luas collector digunakan rumus seperti berikut, Ak =

………(2.9)

Q = m x cp x ∆T ………(2.10) Dimana, m = massa air (kg) cp = kapasitas kalor (kwh/kg) ∆T = perubahan temperatur (0C) Ig = intensitas radiasi matahari (Kwh/m2) η = efisiensi (%) Q = energi yang dibutuhkan (kwh) Panjang Pipa Untuk menghitung panjang pipa yang dibutuhkan digunakan rumus seperti berikut,

14


Al = π x D x L =

….(2.11)

L=

…(2.12)

sehingga

Dimana, L = panjang pipa (m) m = laju alir massa (kg/s) cp = kapasitas kalor (kj/kg) ∆T = 0C 2 q’s = fluksi panas radiasi (w/m ) D = diameter (m) Luas Permukaan Pipa Satu Buah Kolektor Untuk menghitung luas permukaan pipa di dalam satu buah collector digunakan rumus seperti berikut, Ap = ½ x k x p

…..(2.13)

k = π x D, Keliling lingkaran (meter) p = panjang kolektor (meter) Luas Permukaan Pipa Seluruh Kolektor Untuk mengetahui luas permukaan pipa seluruh collector digunakan rumus seperti berikut, Apk = Ap x 3 ….(2.14) Luas Permukaan Fin/Sirip Satu Kolektor Untuk mengetahui luas permukaan absorber digunakan rumus sebagai berikut, Af = P X L ……(2.15) Dimana, P = panjang dari fin/Sirip L = Lebar Dari Sirip Luas Permukaan Fin/Sirip Seluruh Kolektor Untuk mengetahui luas permukaan absorber keseluruhan dapat digunakan rumus sebagai berikut, Afk = Af X 3 …. (2.16) Perpindahan Panas Perpindahan panas (heat transfer) adalah perpindahan energi panas (kalor) yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur diantara benda dan material. Perpindahan panas dapat berlangsung dengan tiga macam mekanisme, yaitu: Konduksi Perpindahan panas secara konduksi berdasarkan hukum fourier dirumuskan sebagai berikut: …….(2.17) (rumus 7) -q -K -A - dT - dx

ini diambil dari Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas, Frank Kreith alih bahasa Arko Prijono, hal = laju perpindahan panas (Watt) = konduktivitas panas (W/mK) = luas perpindahan panas (m2) = perbedaan panas (K) = jarak (m)

Konveksi Dinyatakan dengan hukum pendinginan Newton sebagai berikut: 15


….(2.18) Qc = hc.A.ΔT (rumus ini diambil dari Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas, Frank Kreith alih bahasa Arko Prijono, hal 12) = koefisien perpindahan panas secara konveksi (W/m2K) - hc 2 -A = luas perpindahan panas (m ) - ΔT = perbedaan suhu antara permukaan dan fluida (K) Untuk dapat menggunakan grafik, haruslah dihitung terlebih dahulu sebuah bilangan tanpa dimensi lain yang disebut bilangan Prandtl, menurut Ludwig Prdtl, yaitu dengan persamaan: Pr = Cp (µ/k) Radiasi Setiap benda dengan temperatur lebih tinggi dari sekitar akan memancarkan energi berupa radiasi. Persamaan umum untuk perpindahan panas radiasi adalah: ….(2.19) Qr = δ.A.T-4 (rumus ini diambil dari Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas, Frank Kreith alih bahasa Arko Prijono, hal 11) - δ = konstanta stefan-boltzmann (5.67 x 10-8 (W/cm2.k4)) - A = luas perpindahan panas (m2) - T = temperatur (K) Dalam prakteknya, penyerap yang sempurna dari radiasi termal dimana permukaannya ditandai oleh fraksi-fraksi dari jumlah ideal yang dipancarkan (ε, emisivitas) dan diserap (α, absorbtisivitas). Misalnya perpindahan panas yang terjadi dalam kolektor surya adalah perpindahan panas radiasi dari pelat penyerap ke pelat penutup kaca, untuk pelat-pelat paralel semacam itu, hubungannya ternyata bermanfaat, dimana εp - εk adalah emisivitas dari pelat-pelat penyerap dan kaca. ….(2.20) Tp – Tk = perbedaan temperatur antara pelat dan kaca (K) εp dan εk = emisivitas pelat dan kaca Pelat penyerap, yang menjadi panas, memancarkan radiasi termal dalam daerah panjang (inframerah). Kerugian radiasi ini dapat dikurangi hingga 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 dalam (ε rendah) dalam daerah inframerah. Permukaan seperti itu di sebut permukaan selektif. Salah satu diantaranya adalah krom hitam (black crhome) yang mempunyai harga α = 0,90 dan ε = 0,12 Sistem Pemanas Air Tenaga Surya Pada sistem pemanas tenaga surya terdiri dari beberapa komponen penting yaitu pengumpul(Collector), tangki penyimpan, pipa penghubung, dan pompa sirkulasi. Pengumpul (Collector) Pengumpul merupakan wadah pengumpulan, penyerapan dan pemindahan energi matahari ke dalam air yang berada pada kolektor tersebut, ditinjau dari temperatur maksimum rata-rata yang dihasilkan, berbagai jenis pengumpul (kolektor) surya dapat dibagi atas tiga kelompok, yaitu: ‐ Temperatur Rendah (lebih kecil dari 600C), jenis pelat datar. ‐ Temperatur medium (800C hingga 2000C), jenis konsentrator, rasio konsentrasi rendah. ‐ Temperatur tinggi (diatas 2000C), jenis konsentrator, rasio konsentrasinya tinggi. Tangki Penyimpanan Merupakan wadah penampung dan penyimpan air, baik itu air yang menuju kolektor dengan suhu rendah maupun air yang berasal darin kolektor yang bersuhu tinggi. Dengan adanya tanki ini, air panas dapat diperoleh setiap saat bila diperlukan bahkan pada malam hari, dimana matahari sedang tidak memberikan radiasinya, sehingga tangki tersebut harus dapat menyimpan panas sistem supaya tidak keluar.

16


Pipa Penghubung Pipa penghubung berfungsi sebagai saluran air dingin dari tanki penyimpanan menuju kolektor dan sebaliknya sebagai saluran air panas dari kolektor menuju tanki penyimpanan. Bahan dari pipa penghubung haruslah memiliki bahan dasar yang kuat dari korosi, seperti, pipa galvanis, pipa almunium, dan lain sebagainya. Pipa penghubung sendiri diberi isolasi agar temperatur air didalam pipa tidak berubah selama dialirkan, isolasi yang digunakan adalah isolasi karet dan almunium foil. Pompa Sirkulasi Pompa sirkulasi digunakan untuk menaikkan air dingin dari tanki penyimpanan menuju kolektor. Pompa ini bekerja secara otomatis, dimana jika air di dalam kolektor telah mencapai temperatur lebih tinggi dari temperatur air di dalam tanki penyimpanan pompa akan menyala dan mensirkulasikan air. Kolektor Surya Pelat Datar Sistem Fungsi dari kolektor surya adalah mengumpulkan kalor atau energi panas dari radiasi surya, dimana fluida kerja tertentu dipakai untuk menyerap kalor tersebut dan menjadikannya bentuk kalor yang dapat dipakai oleh beban pemanas yang diinginkan salah satu kolektor surya yang sering digunakan adalah kolektor pelat datar. Kolektor ini telah diproduksi secara komersial. Jenis kolektor ini memiliki daerah absorpsi datar, dan dapat menyerap langsung radiasi surya pada luasan absorbernya. Komponen utama dari kolektor jenis ini adalah permukaan saluran untuk aliran fluida yang dipanaskan, lapisan isolasi, dan kotak pelindung. Menentukan Karakteristik dan Parameter Kolektor Untuk mendapatkan karakteristik dari collector dan menghitung performansi collector dapat menggunakan persamaan-persamaan sebagai berikut: Menentukan Laju Konduksi Kalor Laju kalor dapat dihitung menggunakan persamaan dibawah ini, q/t =

…..(2.21)

Dimana, q/t = laju konduksi kalor (watt) k = konduktivitas termal kaca (0,8 W/m.K) Ak = luas penampang collector (m2) ∆T = selisih antara temperatur absorber dengan temperatur kaca (0C) D = tebal kaca (m) Menentukan perpindahan panas radiasi Perpindahan panas radiasi dapat di hitung dengan menggunakan persamaan dibawah ini, qrad =

…..(2.22)

Dimana, qrad = perpindahan panas radiasi (watt) σ = 5,6x10-8 (W/m2.K4) T1 = Temperatur collector (0C) = Temperatur kaca (0C) T2 ε1 = emisivitas absorber ε2 = emisivitas kaca Perfomansi kolektor Energi panas yang diserap oleh air energi panas yang diserap oleh air dapat dicari dengan menggunakan persamaan dibawah ini, q = m x Cp x ΔT ……(2.23) Dimana: q = panas yang diserap oleh air (j/s) atau (W) 17


m = laju aliran massa air (Kg/s) Cp= panas spesifik air (j/Kg.K), di cari menggunakan tabel. ΔT= selisih Tair keluar dan masuk kolektor (K) Laju alir massa air dapat dicari dengan menggunakan persamaan, m=Qxρ Dimana, Q = debit alir air (m3/s) ρ = massa jenis air (kg/m3)

….(2.24)

Energi yang diterima collector Energi panas yang diterima collector dapat dihitung dengan menggunakan persamaan, qin = Ak x Ig…………………………..(2.25) Dimana, qin = panas yang diterima collector (j/s) / (watt) Ak = luas penampang collector (m2) Ig = Pancaran radiasi matahari (Watt/m2) istem Kontrol Sistem kontrol berumpan balik adalah sistem kontrol yang cenderung menjaga hubungan yang telah ditentukan antara keluaran dan masukan acuan dengan membandingkannya dan menggunakan selisihnya sebagai input kontroler. Kontrol On-Off Kontroler automatik membandingkan harga yang sebenarnya dari keluaran plant dengan harga yang diinginkan, menentukan deviasi, dan menghasilkan suatu sinyal kontrol yang akan memperkecil deviasi sampai nol atau sampai suatu harga yang kecil. Cara kontroler automatik menghasilkan sinyal kontrol disebut aksi pengontrolan (control action). Dalam sistem kontrol dua posisi, elemen penggerak hanya mempunyai dua posisi tetap, yang dalam beberapa hal, benar-benar merupakan posisi ‘on’ dan ‘off’. Kontrol dua posisi atau on-off relatif sederhana dan murah, oleh karena banyak digunakan dalam sistem kontrol di industri maupun di rumah-rumah. Daerah harga sinyal kesalahan penggerak antara posisi ‘on’ dan ‘off’ disebut celah diferensial (differential gap). Celah diferensial ini menyebabkan keluaran kontroler tetap pada harga sekarang sampai sinyal kesalahan penggerak bergeser sedikit dari harga nol. Pada beberapa kasus, celah diferensial ini disebabkan oleh gesekan yang tidak diinginkan dan kelambanan gerak, meskipun demikian sering diinginkan adanya celah diferensial untuk mencegah operasi mekanisme on-off yang terlalu sering. Transduser Temperatur LM 35 Beberapa jenis transduser temperatur misalnya: Thermocouple, Thermistor, NTC, PTC, dan IC Sensor. Pada tugas akhir ini dipilih transduser jenis IC sensor LM 35 karena memiliki nilai keluaran yang tidak terlalu kecil. Pertimbangan lain adalah daerah kerja pengukuran temperatur yang sudah disesuaikan dengan kebutuhan. Mikrokontroler ATmega32 Mikrokontroler ATmega32 adalah salah satu jenis dari Intel AVR yang memiliki kemampuan untuk mengolah data dan melaksanakan instruksi-instruksi yang telah diprogram. ATmega32 adalah mikrokontroler sejenis 8031, sehingga set instruksi pemrogramannya sama. Chip IC ini berfungsi sebagai pusat pemrosesan data dan instruksi-instruksi yang terdapat pada EEPROM internal. Mikrokontroler juga dapat mengakses data dari luar, baik RAM maupun ROM dengan memanfaatkan jalur I/O yang ada. Jadi mikrokontroler hanya berfungsi sebagai pusat pengolahan data (CPU). Perancangan Solar Collector Luas kolektor m = Qdebit x ρ 3 -6 3 dimana ρ air pada temperatur standar adalah 997.1 Kg/m dengan debit 1.67x10 m /s), jadi nilai m yang didapat adalah, 18


= 1.67x10-6 m3/s X 997.1 Kg/m3 = 1.66x10-3Kg/s cp = 4.187kJ/KgK ∆T = 320.98K – 305.48K = 15.5K Ig = 303.33 Watt/m2 η = Diasumsikan efisiensi collector sebesar 65% Q = m x cp x ∆T = 1.66x10-3Kg/s x 4.187x103 J/KgK x 15.5K = 107.5Watt Luas collector adalah, = 107.5Watt /(303.33 Watt/m2 x 65%) = 0.00545m2 Panjang Pipa m = 1.66x10-3Kg/s cp = 4.178kJ/KgK ∆T = 320.98K – 305.48K = 15.5K Ig = 303.33 Watt/m2 D = ½ inch = 1.27 cm = 1.27x10-2m Dari persamaan di bawah kita dapat mencari panjang pipa L, Al = π x D x L =

L=

=

= 8.8m

Luas permukaan pipa satu buah collector Keliling lingkaran, k = π x D = 3.14 x 1.27x10-2m = 3.98x10-2m Ap = ½ x k x L = ½ x 3.98x10-2m x 8.8m = 0.175m2 Luas permukaan pipa seluruh collector Apk = Ap x 3 = 0.175m2 x 3 = 0.525m2 3.1.5 Luas Permukaan Fin/Sirip Satu Collector Pfin = 1.2 m Lfin = 0.75 m Af = Pfin X Lfin = 1.2 m X 0.75 m = 0.9 m Luas Permukaan Fin/Sirip Seluruh Collector Afk = Af X 3 = 0.9 X 3 = 2.7 m Diagram Blok Sistem Kontrol Setelah spesifikasi alat telah ditentukan, langkah selanjutnya adalah perancangan diagram blok sistem. Berikut ini adalah gambar diagram blok sistem dari plant yang akan dibuat.

Gambar 3 Diagram skematik sistem yang akan dikendalikan

19


Gambar 4 Diagram blok sistem Sistem Mikrokontroler Empat buah port I/O yang disediakan oleh IC tersebut tidak semuanya digunakan, hanya tiga port yang digunakan (gambar 5). Port A digunakan sebagai input analog untuk ADC, port C digunakan sebagai input set point. Sedangkan, port B digunakan sebagai output mikrokontroler untuk menghidupkan relay. Arus dan tegangan yang dikeluarkan oleh mikrokontroler terlalu kecil untuk menghidupkan solenoid valve. Gerbang transistor-transistor logic mikrokontroler hanya mampu mengeluarkan arus dalam orde mili-ampere dan tegangan 4,5 - 5,5 Vdc. Sementara itu, untuk mengaktifkan solenoid valve diperlukan arus yang lebih besar (dalam orde ampere) dan tegangan sebesar 24 Vdc. Oleh karena itu, digunakanlah rangkaian driver relay dengan komponen utama transistor, dioda, relay, dan led sebagai indikator. Relay sendiri digunakan untuk memutus dan menyambung tegangan ke solenoid valve. Program yang digunakan pada mikrokontroler dikembangkan berdasarkan alogoritma seperti terlihat pada gambar flowchart (gambar 7). Pengaruh Luas dan Emisivitas Permukaan Terhadap Perpindahan Panas. Solar collector Tanpa Fin/Sirip Solar collector di uji tanpa menggunakan fin (gambar 8), sehingga luas permukaan yang menyerap panas matahari hanya pada pipa saluran yang berbahan tembaga (emisivitas sebesar 0.5 didapat dari tabel). Luas permukaan dari pipa yang terpanaskan adalah sebesar 0,327m2. Sehingga panas radiasi yang di terima collector adalah, Qin = Apt X Ig X ε = 0,327m2 x 303.33watt/m2 (Ig maksimum pada pukul 12.30am) x 0.5 = 49.59 watt

Gambar 5 Skematik rangkaian sistem minimum mikrokontroler

20


Input Tsp

inisialisasi T1 & T2

No T1 ≤ Tsp - ΔT

Yes

SV1 Close SV2 Open EH On

SV1 Open SV2 Close EH Off

T2 ≤ Tsp - ΔT Yes No

EH Off

Gambar 7 Flow chart sistem pengendalian

Gambar 8 solar collector tanpa fin

21


Solar collector Dengan Fin/Sirip Tanpa Cat Hitam

Gambar 9 Solar collector Dengan Fin/Sirip tanpa Cat hitam Solar collector di uji dengan menggunakan fin tetapi fin/sirip yang digunakan sebagai absorber tidak di cat hitam (emisivitas tembaga sebesar 0,5 di dapat dari tabel).luas permukaan yang menyerap panas matahari berupa pelat berbahan tembaga. Luas permukaan dari pipa yang terpanaskan adalah 2 sebesar 2,5m . Sehingga panas radiasi yang di terima collector adalah, = Afk X Ig X 0,5 Qin = 2.5m2 x 651watt/m2 (Ig maksimum pukul 12.30am) X 0,5 = 813.75 watt Solar collector Dengan Fin/Sirip dan Cat Hitam Solar collector di uji dengan menggunakan fin/sirip yang telah di cat hitam (blak body) (gambar 10), diharapkan akan lebih meningkatkan penyerapan radiasi kalor dari collector (emisivitas tembaga yang di cat hitam sebesar 1 di dapat dari tabel).luas permukaan yang menyerap panas matahari berupa pelat berbahan tembaga. Luas permukaan dari pipa yang terpanaskan adalah sebesar 2,5m2. Sehingga panas radiasi yang di terima collector adalah, Qin = Afk X Ig X 1 = 2.5m2 x 793watt/m2 (Ig maksimum pukul 11.30am) X 1 = 1982.5 watt

Gambar 10 Solar collector Dengan Fin/Sirip dan di Cat Hitam

22


Gambar 11 Pemasangan Solar collector Berdasarkan ketiga jenis perbandingan diatas dapat dilihat bahwa nilai perpindahan panas bergantung pada luas permukaan dan emisivitas termal absorber. Semakin besar nilai emisivitas termal dan luas permukaan absorber maka semakin besar pula nilai perpindahan panas yang di dapat. Nilai perpindahan panas ini berguna untuk memanaskan air, semakin besar nilai perpindahan panas dari collector semakin cepat temperatur air naik. Respon Sensor Suhu Uji respon kontrol atau kecepatan tanggapan dari sensor LM 35 dilakukan dengan cara membiarkan sensor pada kondisi lingkungan sekitar. Selanjutnya sensor dimasukkan ke dalam air panas yang memiliki temperatur ± 100 oC. Waktu yang diperlukan untuk mencapai temperatur tersebut merupakan waktu respon sensor terhadap perubahan temperatur. Adapun nilai respon atau waktu yang diperlukan untuk mencapai temperatur 98oC dari kedua sensor tersebut adalah: 1. Sensor I : 19.2 detik 2. Sensor II : 18.3 detik Pengujian Kontroler Pengujian dilakukan dengan memasang langsung kontroler pada plant yang akan dikendalikan. Berikut akan dijelaskan, output dari LM 35 masuk ke rangkaian penguat sinyal lalu output sensor 1 masuk ke port A.1 dan output sensor 2 masuk ke port A.2, kemudian untuk set point (SP) menggunakan toggle switch, SP 1 menggunakan port C.0, SP 2 menggunakan port C.1, dan SP 3 menggunakan port C.2. Untuk output digunakan port B, port B.0 untuk relay 1, port B.1 untuk relay 2, dan port B.2 untuk relay 3; dimana relay 1 tersambung dengan solenoid valve 1 (NO), relay 2 tersambung dengan solenoid valve 2 (NC), dan relay 3 masuk ke relay 4 (24 Vdc) terlebih dahulu lalu kemudian disambungkan dengan electric heater.

KESIMPULAN Berdasarkan analisis terhadap data uji yang diperoleh dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut ini: 1. Nilai kalor maksimum collector terjadi pada collector yang di cat hitam (Black Body) dengan nilai emisivitas termal sebesar 1. Qabsorber sama dengan 1982.5 Watt dengan temperatur maksimum 348.05K atau sama dengan 74.90C pada temperatur input 303.15K atau sama dengan 300C. 2. Nilai kalor maksimum pada collector yang diberi fin tanpa di cat hitam dengan nilai emisivitas termal sebesar 0.5 adalah sebesar 813.75 Watt. Dengan temperatur maksimum 338.95K atau sama dengan 65.80C pada temperatur input 293.55K atau sama dengan 20.40C. 3. Sedangkan pada collector tanpa fin didapat nilai kalor maksimum sebesar 49.59 Watt dengan emisivitas kalor 0.5. Didapat nilai temperatur output maksimum sebesar 320.98K atau sama dengan 47.830C pada temperatur input 305.48K atau sama dengan 32.330C. 4. Jadi solar collector yang memiliki nilai kalor paling besar adalah yang di beri fin dan di cat hitam, karena memiliki luas permukaan dan emisivitas termal palinng besar. 5. Sistem kontrol telah dapat direalisasikan dan bekerja sesuai dengan rancangan yaitu, apabila suhu air panas berada dibawah set point maka air panas akan dialirkan terlebih dahulu ke electric

23


heater, namun apabila suhu air panas sudah sesuai dengan set point maka air panas tersebut akan dialirkan langsung ke user tanpa harus melewati electric heater. 6. Dalam aplikasinya user tidak perlu lagi mengatur katup-katup yang akan mengatur ke electric heater, cukup mengatur manual valve pada posisi full open selanjutnya sistem akan bekerja secara otomatis. 7. Respon sistem terhadap perubahan variabel proses relatif lambat, untuk mencapai temperatur 98oC rata-rata dicapai dalam waktu 98 detik. DAFTAR PUSTAKA ______, 2008. Heat Exchangers for Solar Water Heating Systems. www.eere.energy.gov. ______, 2008. U-Tube Heat Exchangers. www.elliscorp.com. ______, 2008. Convection, Conduction, and Radiation. sol.sci.uop.edu. ______, 2008. Heat Transfer. theory.uwinnipeg.ca. Chopra, S.B., 1995, DICTIONARY OF MECHANICAL ENGINEERING, Crescent News (K.L.) sdn bhd, Kuala Lumpur. Cooper, William D., 1985, INSTRUMENTASI ELEKTRONIK DAN TEKNIK PENGUKURAN, Erlangga, Jakarta. Daryanto, Drs., 2007, ENERGI; MASALAH DAN PEMANFAATANNYA BAGI KEHIDUPAN MANUSIA, Pustaka Widyatama, Yogyakarta , ATmega32 Preliminary Complete, Atmel Corporation, 2003. Cooper, William D., Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran, Erlangga: Jakarta, 1985. Daryanto, Drs., Energi; Masalah dan Pemanfaatannya Bagi Kehidupan Manusia, Pustaka Widyatama: Yogyakarta, 2007. Malvino, Albert Paul, Elektronika Komputer Digital Pengantar Mikrokomputer, Erlangga: Jakarta, 1988. Ogata, Katsuhiko, dan Leksono, Edi, Teknik Kontrol Automatik (Sistem Pengaturan) Jilid 1, Erlangga: Jakarta, 1991.

24

PEMBUATAN SOLAR COLLECTOR SISTEM SIKLUS TERBUKA DENGAN ALAT KONTROL BERBASISKAN MIKROKONTROLLER ATMEGA 8535

Recommend Documents