KAJIAN ENERGI SURYA SEBAGAI SUMBER ALTERNATIF PEMBANGKIT LISTRIK DENGAN MEMANFAATKAN KOLEKTOR PELAT DATAR PADA SISTEM SOLAR CHIMNEY Yazmendra Rosa(1), Rino Sukma(1), Yusri(2) (1)
Laboratorium Refrigerasi & Pengkondisian Udara, Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang (2) Bengkel Mesin, Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang ABSTRACT
Solar energy collector is one tool to convert solar energy into thermal energy. This energy will be used to turbines that convert into mechanical energy, which can be used generators suitable for generating electrical energy. Indonesia located in the path of the equator is a wealth because we can Utilizing the main source of energy is solar energy. Long-term goal is the utilization of solar energy collectors to be one of the alternative systems and overcoming crises to obtain electrical energy to all areas that can used electrical energy. This research will produce an alternative system of solar energy conversion device with a flat plate collector system that can collect solar energy solar electromagnetic energy throughout the year and who has not been used directly and no need to wait a thousand years as well as petroleum. In the early stages of planning will be done by utilizing solar collector properties contained in the conditions of our daily lives as well as the roof of a building. This roof will receive or capture heat from solar energy are not yet used. Existing roof construction which is suitable be used as a solar collector. Solar energy is converted to an electromagnetic wave-shaped flat plate collector (heat energy) and then converted into mechanical energy (wind turbines), so use generators for electricity generation. Flat plate collectors are widely used as an early stage is a 4 x 4 m2 with the results of electrical energy that can be utilized is a 32 Watt from the assumption of 10% system efficiency Keywords: Enhance Heat Transfer, Solar Energy & Solar Power Chimney 1.
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Indonesia merupakan salah satu negara yang berada pada lintasan sumber energi yaitu pada garis khatulistiwa 6oLU sampai 11oLS. Posisi yang sangat strategis ini membawa negara ini menjadi negara yang sangat kaya sumber energi, tentunya pemanfaatan energi yang terorganisasi dan efisien akan dapat dipertahankan untuk anak cucu dimasa mendatang. sumber energi masih dimanfaatkan dengan mengandalkan sumber minyak bumi, dimana pada suatu saat akan habis jika tidak memperhitungkan siklusnya yang beribu tahun. Untuk memutus rantai sumber energi minyak bumi, maka perlu mencari alternatif energi dengan jalan memanfaatkan langsung sumber dari segala sumber energi yaitu energi surya. Kolektor surya menangkap radiasi dengan absorber sehingga udara yang mengalir dipermukaannya akan panas, sehingga dapat digunakan untuk proses pemanasan dan pengeringan. Kondisi udara panas ini akan secara alamiah akan mengalirkan udara tersebut
ke tempat udara yang mempunyai temperatur yang rendah, sehingga aliran udara jika direncanakan sebuah alat transfer energi misalkan fan yang berputar tentu dapat merubahnya ke energi putaran. Penomena sebuah mesjid, banyak mesjid dibangun dengan gubah yang tinggi ditengah bangunannya. Gubah tersebut berventilasi ditengahnya, pada saat jemaah banyak tentunya akan terjadi sirkulasi udara menuju gubah sehingga terjadi secara alamiah. Ini merupakan penomena yang terjadi jika kolektor digunakan untuk memperoleh panas dari radiasi matahari, sehingga terjadi aliran udara menuju ke menaranya. Solar konstan yang sampai ke permukaan bumi berkisar antara 1350 Watt/m2. Posisi kota padang dapat radiasi surya antara 700 s/d 1000 Watt/m2 [7,10,11] . Jika kolektor pelat datar surya digunakan mempunyai efisiensi 55% [7,9,11] untuk menghasilkan udara panas sehingga diperoleh energi 400 Watt/m2. Energi sebesar ini dilakukan transfer energi ke energi mekanik dengan menghasilan putaran, jika diasumsikan saja efisiensi 10% maka diperoleh energi 40 Watt/m2.
Kajian Energi Surya sebagai Sumber Alternatif Pembangkit Listrik dgn Memanfaatkan Kolektor Pelat Datar pada Sistem Solar Chimney (Yazmendra Rosa)
Issu krisis energi memerlukan energi alternatif dengan memanfaatkan kondisi wilayah Indonesia yang berada di khatulistiwa. Posisi ini memungkinkan akan menerima secara maksimal energi surya secara berkelanjutan selama setahun perjalanan surya menyinari bumi. Negara Eropa seperti Spayol telah membuat dengan kapasitas 50 kW, kolektor surya ber-radius 126 m, panjang sudu turbin 5 m dan 1500 rpm[14]. Bangunan gedung dan rumah menghasilkan panas radiasi surya yang terbuang dan menjadi permasalahan dalam pendinginan ruangan. Konstruksi bangunan ini jika dimanfaatkan dengan kondisi alam Indonesia tentunya bisa memanfaatkan energi panas dari surya ini untuk pemanfaatan yang lebih baik. 1.2 Tujuan dan Manfaat Tujuan kajian ini adalah pemanfaatan energi surya secara langsung melalui kolektor yang bermanfaat dalam mencari sumber energi alternatif bagi ketersediaan energi dalam menghadapi krisis energi listrik yang lebih alamiah dan tersedia sebenarnya dalam kehidupan kita sehari-hari. Tujuan khusus yang akan dicapai adalah pemanfaatan sumber dari segala energi yaitu energi surya dengan memanfaatkan kondisi indonesia yang berada pada jalur khatulistiwa yang menerima energi surya paling maksimal dan tersedia sepanjang tahun yang belum termanfaatkan. 1.3 Batasan Masalah Kajian yang dilakukan terhadap pemanfaatan kolektor pelat datar dalam sistem solar chimney. Kolektor untuk menangkap radiasi surya menggunakan jenis pelat datar yang di aplikasikan pada atap dari sebuah bangunan. Pada tahap penelitian dimanfaatkan fasilitas yang ada dengan asumsi luas lahan untuk kolektor pelat datar sekitar 16m2 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Energi Surya Energi surya adalah sumber energi yang terdapat dialam, dimana tidak bersifat polutif, tidak habis dan gratis. Energi ini tersedia dalam jumlah yang besar dan bersifat kontinue bagi kehidupan makhluk di bumi. Untuk memanfaatkan energi surya diperlukan pengetahuan dan teknologi yang tinggi agar dapat efisiensi yang lebih baik serta ekonomis. 2.1.1 Radiasi Surya Radiasi surya yang diterima oleh permukaan bumi tergantung pada hal-hal berikut:
Lokasi permukaan. Hari dalam tahun. Keadaan cuaca permukaan.
dan
kemiringan
Besarnya radiasi langsung yang diterima dari matahari yaitu:[14]
I DN
A B ( ) sin
... (1)
dengan, - A = iradiasi nyata surya, W/m2. - B = koefisien pemandangan atmosfir, tak berdimensi. Radiasi yang diterima langsung dari surya disebut radiasi langsung, sedangkan yang diterima setelah melewati rintangan disebut dengan radiasi diffusi. Intensitas radiasi surya total pada sebuah kolektor adalah:[14]
I io I DN cos I DS I r
... (2)
dimana Iio, IDN, IDS dan Ir berturut-turut adalah total radiasi matahari pada suatu permukaan, komponen radiasi langsung , radiasi diffusi dan radiasi gelombang pendek yang dipantulkan oleh permukaan lain. Semua variabel dalam satuan W/m2. Harga dari komponen radiasi diffusi[11],
I DS C I DN Fss dimana C dan Fss adalah perbandingan antara radiasi radiasi surya langsung yang horizontal dan faktor sudut langit
... (3)
masing-masing angka surya difussi dengan jatuh pada permukaan antara permukaan dan
Untuk mencari harga Fss dirumuskan:[14]
Fss
1 cos 2 2
... (4)
dimana 2 adalah sudut kemiringan permukaan terhadap bidang datar di bumi. Dalam perhitungan biasanya komponen Ir bukanlah komponen utama. Radiasi yang mengenai suatu mengalami tiga proses yaitu: 1.
material
akan
Absorbsivitas yaitu kemampuan suatu material untuk menyerap beberapa bagian dari total radiasi yang terjadi pada permukaan material,
I , absorb I ,tot
Posisi surya 105
Jurnal Teknik Mesin
2.
Koefisien Reflektivitas adalah ratio antara radiasi yang dipantulkan dengan radiasi yang terjadi.
3.
Vol. 6, No.2,Desember 2009
I ,ref I ,tot
Koefisien Transmissivitas adalah ratio antara kemampuan suatu material untuk meneruskan radiasi matahari yang terjadi dengan total yang terjadi,
ISSN 1829-8958
2.1.4 Sudut Insiden Surya Sudut Insiden Surya adalah hubungan antara luas sebuah kolektor dengan radiasi langsung dari surya ditentukan oleh besar sudut antara sinar datang dengan vektor garis normal dari permukaan kolektor. Cos sin (sin cos s cos sin s cos )
... (7)
cos (cos cos sin sin s cos cos sin s sin sin )
I ,trans I ,tot
2.1.2 Geometri Surya Gerakan dan posisi surya sangat menentukan besarnya energi yang dapat diterima oleh kolektor. Untuk mengamati posisi surya terhadap bumi dapat di gambarkan dalam dua sudut:
Sudut Zenit yaitu sudut yang diukur dari sumbu vertikal dengan bidang sinar datang matahari.
Sudut Azimuth yaitu sudut antara sumbu horizontal dengan proyeksi sinar datang matahari arah selatan posisi pengamatan.
2.1.3 Deklinasi Matahari Deklinasi matahari adalah sudut yang terbentuk antara sinar datang matahari dengan garis tegak lurus terhadap sumbu polar dalam bidang matahari. Dengan mengetahui deklinasi matahari maka posisi orbit bumi dapat ditentukan.
Gambar 2 Variasi dari sudut deklinasi selama setahun perjalanan surya[12]
The American Epherimes and Naval Almanac merumuskan:[12]
23,45 Sin (
360 (284 n)) 365
... (5)
dimana: n = hari ke berapa dihitung dari tanggal 1 Januari Collector site at latitude
Surya
Gambar 3 Diagram ilustrasi sudut insiden , sudut Zenit z, sudut altitude surya αa, Kemiringan , & sudut azimut [12]
Equatorial plane
2.2 Kolektor Energi Surya Polar axis
Gambar 1 Deklinasi matahari Pada gambar dapat ditentukan sudut jam siang matahari:
Cos s tan .tan
... (6)
Untuk matahari terbit berharga positif dan terbenam berharag negatif.
Kolektor surya adalah suatu alat yang dapat mengumpulkan atau menyerap radiasi surya dan mengkonversikan menjadi panas. Panjang gelombang radiasi surya yang dapat diserap adalah 0, 29 sampai 2, 5 m. Besarnya panas dari kolektor yang akan dapat dimanfaatkan adalah:
Qu m c p T
... (8)
Komponen kolektor pelat datar adalah:
106
Kajian Energi Surya sebagai Sumber Alternatif Pembangkit Listrik dgn Memanfaatkan Kolektor Pelat Datar pada Sistem Solar Chimney (Yazmendra Rosa)
1.
Absorber dari bahan yang berwarna hitam untuk memaksimalkan penyerapan radiasi surya.
2.
Penutup berupa bahan transparan, mempunyai transmisi yang besar untuk gelombang pendek dan menghalangi perpindahan panas konveksi dan radiasi.
3.
Isolasi untuk menghindari kehilangan panas ke lingkungan.
4.
Rangka yang kokoh, mudah dibentuk dan tahan lama. Eglob
pada pelat absorber. Karena adanya perbedaan temperatur terjadilah aliran udara secara alamiah dari udara bertemperatur tinggi ke udara bertemperatur rendah. Pada point (a) udara masuk ke sistem solar chimney, point (b) udara menjadi panas , sehingga terjadi aliran udara karena perbedaan density dan kemudian point (c) aliran udara dihambat dengan sebuah turbin sehingga turbin merubah ke energi mekanik, selanjutnya udara akan keluar ke point (d) dengan adanya perbedaan tekanan dan sifat-sifat udara tersebut. Power output yang dapat dihasilkan oleh sistem ini adalah
Ereff
P Q solar . coil . tower . turbin Q solar . plant (10) Tin
Tout
Perbedaan tekanan yang terjadi antara cerobong (tower) dan keluaran kolektor serta lingkungan diperoleh dengan hubungan: H tower
ptot g .
a
tower .dH
... (11)
0
QL
p tot p s p d
Gambar 4 Kesetimbangan energi pada kolektor
Persamaan kesetimbangan energi pada kolektor:
Qa Qu Ql Qs
... (9)
Prinsip kerja kolektor adalah pelat absorber menyerap radiasi surya yang jatuh ke permukaan dan dikonversikan dalam bentuk panas, sehingga temperatur pelat tersebut menjadi naik. Panas dipindahkan ke fluida kerja yang mengalir pada pelat absorber. Perpindahan panas akan terjadi secara konduksi, konveksi dan radiasi. 2.3 Prinsip Solar Chimney
... (12)
dimana gesekan diabaikan, p s = perbedaan tekanan statik,
p d = perbedaan tekanan dinamik Dengan total perbedaan tekanan dan laju aliran udara pada p s 0 maka daya Ptot dari aliran diperoleh:
Ptot ptot .vtower ,max . Acoil
... (13)
Maka efisiensi cerobong (tower) adalah:
tower
Ptot
... (14)
Q Tanpa turbin, kecepatan maksimum ( vtower ,max ), yang dikonversi ke energi kinetik adalah:
Ptot
1 2 m v tower ,max 2
... (15)
Menggunakan persamaan Boussinesq (Unger, 1988):
vtower ,max 2.g .H tower .
Gambar 5 Prinsip solar chimney
Radiasi surya mengenai sistem kolektor, maka pada pelat absorber menyerap radiasi surya yang jatuh ke permukaan dan dikonversikan dalam bentuk panas, sehingga temperatur pelat tersebut menjadi naik. Panas dipindahkan ke fluida kerja yang mengalir
T T0
... (16)
dimana
T = Perbedaaan temperatur yang terjadi antara keluaran kolektor (in tower) dengan lingkungan 107
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 6, No.2,Desember 2009
Sedangkan menurut persamaan (Schlaich 1995) efisiensi cerobong adalah:
tower
g.H c p .T0
... (17)
3. METODE KAJIAN PENELITIAN 3.1 Dasar Idealisasi dan Data Perencanaan Parameter yang merupakan dasar dari perancangan kolektor pelat datar untuk sistem solar chimney adalah: 1. Kondisi udara lingkungan, Tlingkungan=33oC=306 K 2. Kondisi udara pada kolektor, Tkt= 65 oC = 338 K 3. Intensitas radiasi matahari, Eglob. = 900 watt/m2. 4. Luas Kolektor sesuai dengan bangunan/lahan yang digunakan.
atap
5. Lokasi atau tempat solar chimney digunakan (garis khatulistiwa 6oLU sampai 11oLS, lokasi indonesia) Pada kolektor terjadi kehilangan panas, baik yang terjadi pada bagian atas, bawah maupun samping kolektor yang dipengaruhi oleh kecepatan angin yang mengalir pada lingkungan kolektor. Intensitas surya diasumsikan tetap setiap saat dan radiasi surya yang sampai pada permukaan pelat absorber merata serta keseimbangan energi dalam keadaan stasioner. Faktor-faktor yang mempengaruhi temperatur dan efisiensi kolektor adalah: Luas permukaan kolektor dan bentuk absorber. Intensitas radiasi matahari maksimum. Laju aliran massa udara Kecepatan udara lingkungan.
ISSN 1829-8958
Tahan panas dan tahan korosi Kaku dan mudah dibentuk Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk pelat pengumpul yaitu: aluminium, tembaga, kuningan, dan baja. Dengan luas kolektor 4 x 4 m2 dengan asumsi luas kolektor efektif 0,5 dari keseluruhan dengan asumsi posisi atap konstan tidak mengikuti lintasan radiasi surya diperoleh panas yang dihasilkan kolektor adalah:
Qu Ak E glob . 8 m 2 .900
W . 0,55 3960 Watt m2
Permukaan absorber dilakukan pengecatan dengan warna hitam kusam agar jangan terjadi refleksi dan mempunyai absorsivitas maksimum. 3.3.2 Perancangan 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: Transmisivitas tinggi () Absorsivitas rendah () Refleksivitas rendah () Tahan panas Murah dan kuat Dengan pertimbangan sifat di atas, maka digunakan kaca bening dengan ketebalan 5mm. Transmisivitas kaca, = 0,85, refleksi = 0,09 dan absorsivitas =0,06 maka diperoleh panas yang dapat melalui kaca adalah:
Q . E glob 0,85 . 900 Watt / m2 765 Watt / m2
Isolasi dan mutu pembuatan kolektor.
3.3.3 Perancangan Isolasi.
3.3 Perancangan Kolektor Pelat Datar
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 adalah:
3.3.1 Perancangan Pelat Absorber Pelat absorber berfungsi untuk menyerap radiasi surya dan mengkonversikan menjadi panas. Energi dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi. Dengan mengacu fungsi absorber maka dipilih sifat bahan antara lain: Absorbsivitas tinggi () Emisifitas panas rendah () Kapasitas panas kecil (Cp). Konduktifitas besar (k)
Konduktifitas termal bahan (k) kecil. Mudah dibentuk dan praktis Tahan lama. Bahan yang biasa digunakan untuk isolasi yaitu: gelas wol, silika aerogel, serbuk gergaji, kapuk, asbes semen, dan gabus.
Refleksi rendah () 108
Kajian Energi Surya sebagai Sumber Alternatif Pembangkit Listrik dgn Memanfaatkan Kolektor Pelat Datar pada Sistem Solar Chimney (Yazmendra Rosa)
3.3.5 Perancangan Rangka
3.4.2 Laju Energi yang Diserap (Qa).
Fungsi rangka adalah tempat kolektor membentuk sistem yang bermanfaat. Untuk itu rangka diperlukan sifat-sifat antara lain:
Kemampuan sistem kolektor untuk menerima radiasi surya menjadi panas dipengaruhi oleh harga transmisivitas (), kaca penutup dan harga absorpsivitas (), dari pelat absorber.
Kuat dan kaku.
Pengaruh transmisivitas () dan absorpsivitas () bahan disebut dengan transmittance-absorptance product (). Proses radiasi yang sampai ke kolektor “Gambar (6)”. d ialah harga refleksifitas dari kaca penutup.
Tidak terlalu berat. Mudah dibentuk dan dibuat. Tahan lama. Rangka ini digunakan atap bangunan atau rumah yang akan di bangun dengan kondisi kemiringan ±10o dan mempertimbangkan arah aliran matahari sepanjang tahun serta setiap hari.
Kaca
3.4 Keseimbangan Energi Pada Kolektor Suatu sistem dianalisa dengan keseimbangan energi, dimana keseimbangan energi selalu tetap. Persamaan keseimbangan energi adalah: Qa = Qu + Ql
d
Qa = laju radiasi surya yang dapat diserap oleh pelat absorber.
Ql = Laju kehilangan energi dari kolektor ke lingkungan.
3.4.1 Laju Aliran Energi yang digunakan (Qu) Besar panas yang dapat dimanfaatkan dari absorber oleh fluida kerja udara, dipengaruhi oleh laju aliran, peningkatan suhu dan panas jenis dari fluida kerja. Keadaan ini dinyatakan dalam persamaan:
F ' ( ) E
... (19)
T ~) ... (21)
Qu Ak Fr ( ) E glob k eff (Tin T ~) ...(20) glob
k eff (Tr
dengan, Fr
= Faktor transpor panas kolektor, (0,5 - 0,8)
F’
= Faktor efisiensi kolektor, (0,8 - 0,9) [9].
(1-)2 d2
Persamaan transmittance absorptance product ialah :
* = .
Pada keadaan stedi tidak ada penambahan energi dalam (U=0)
m Cp (Tout - Tin)
(1-) d
Gambar 6 Radiasi matahari yang jatuh pada sistem kolektor
Qu = Laju perpindahan panas dari pelat absorber ke fluida udara (energi yang berguna).
Qu =
(1-)2d2
(1-)d
... (18)
dengan,
Qu Ak
(1-)2d
(1-)
[6]
Kondisi fluida kerja dalam kolektor antara temperatur keluar dan temperatur masuk, maka diasumsikan temperatur rata-rata (Tr) =49 oC = 322 o K. Pada keadaan udara T = 49 oC , diperoleh Cp = 1,0102 kJ/kg oC [4].
1 . d
N
n 0
. ... (22) 1 1 . d
Besar harga transmisivitas () dan refleksivitas () dari suatu kaca penutup dipengaruhi oleh sudut jatuh, dari radiasi surya. Sudut jatuh, radiasi surya ke kaca penutup diasumsikan pada sudut nol derajat (tegak lurus kolektor). Harga = 0,85 dan harga d = 0,09 dan harga absorpsivitas dari pelat absorber = 0,95. Persamaan panas yang dapat diserap oleh kolektor, Qa menjadi:
Qa E glob . Aa . .
... (23)
Dengan mengunakan “Persamaan (23)” di dapat:
Qa 16m 2 (0,87 0,95).900W / m 2 11901,6 Watt. Dengan asumsi 0,5 dari luas efektif diperoleh 5950,8Watt 3.4.3 Rugi-rugi Panas Pada Kolektor. Panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan dipengaruhi oleh koefisien perpindahan panas total, 109
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 6, No.2,Desember 2009
luas pelat absorber dan beda temperatur absorber dengan lingkungan. Panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan yaitu: bagian bawah dan atas kolektor. Jumlah total rugi panas secara ke seluruhan ke lingkungan adalah: QL = F’ UL Ak (Tr - T~)
... (24)
QL = Fr UL Ak (Tin - T~)
... (25)
- Rugi Panas Melalui Bagian Atas. Pada bagian atas terjadi perpindahan panas konduksi, konveksi dan radiasi seperti terlihat pada “Gambar.(8)” Koefisien perpindahan panas total melalui bagian atas kolektor dapat dirumuskan:[5]
Af R .R Uf Rk c r Ak Rc Rr
- Rugi Panas Melalui Belakang. Panas yang hilang pada bagian belakang dipengaruhi oleh lapisan isolasi berupa luas, konduktifitas dan ketebalan isolasi. Lapisan yang digunakan “Gambar (7)”
Ta gabus h
triplek
Rk = tahanan termal konduksi kaca. t k kaca
Rk =
R2
k = konduktifitas kaca
R3
Rc = tahanan termal konveksi dari tutup ke lingkungan.
Tb~
Rc R4
1 hf
hf = 5,5 + 2,7 (v) = koefisien konveksi termal pada permukaan kaca.
R5 Tb~
Gambar 7 Bahan isolasi bagian belakang kolektor
v = kecepatan udara disekitar kolektor = 1,5 m/s.
Koefisien perpindahan panas keseluruhan melalui bagian bawah adalah:[5]
Rr = tahanan termal radiasi antara penutup ke lingkungan.
Rr Ub
Ta T f ~ ... (27) Ta T ~
t = tebal kaca
triplek
pelat baja seng
1
dengan,
Ta R1
ISSN 1829-8958
Ab 1 (T T ) . . a b ~ ... (26) Ak t1 t 2 t3 t4 1 (Ta T~ ) k1 k 2 k3 k4 hb
1 … (28) . .( Tk T ~ 2 ).( T2 T ~) 2
T~
Tf ~
dengan,
h~
Ab
= luas permukaan bagian belakang
Ak
= luas kolektor
kaca
Rr
Rc
Ta Rk
t1, t2, t3, t4 k1, k2,k3, k4
= tebal komponen atap = konduktifitas
h
= koefisien konveksi bagian bawah kolektor
T b~
= Temperatur belakang kolektor ,oC.
T~
= Temperatur lingkungan, oC
Kehilangan panas bagian bawah “Persamaan (26)” Ub
1 1 .1 1 1 0,003 0,04 0,004 0,0003 0,166 0,048 0,166 54 11,4
h~
Ta Tb ~
Gambar 8 Bahan isolasi bagian atas
dengan, = konstanta boltzman, 5,67 x 10-8 W/m.K = emisivitas kaca, 0,9. T2 = temperatur kaca, K. Berdasarkan “Persamaan (28)”, diperoleh rugi panas melalui bagian atas adalah:
1,03818 W / m 2 o C 110
Kajian Energi Surya sebagai Sumber Alternatif Pembangkit Listrik dgn Memanfaatkan Kolektor Pelat Datar pada Sistem Solar Chimney (Yazmendra Rosa)
0,005 0,006410256 0,78 1 Rc 0,104712 9,55 1 Rr 0,16275937 8 5,67 x10 x0,9 (319 2 303 2 ).(319303) Rk
3.5 Posisi surya terbit dan terbenam di suatu lokasi Indonesia berada pada lintasan sumber energi yaitu pada garis khatulistiwa 6oLU sampai 11oLS, maka posisi ini akan menerima radiasi surya sepanjang tahun dan secara rata-rata 12 jam setiap harinya. Lama waktu siang untuk menerima radiasi surya dapat dihitung sebagai berikut:
Uf
1 6,0081 W / m2 o C 9 ,55 x 0,16275937 0,006410256 9 ,55 0,16275937
n 284 360 365
a. 23,45 sin
b. sin sin cos cos 0
- Total Rugi-rugi Panas Pada Kolektor
Qtotal Fr . Ak (U f U b U s ).(Tin T ~) ... (29a)
c. 0,25720 t m atau t m 720 4
Qtotal F '. Ak (U f U b U s ).(Tr T ~) ... (29b)
d. t loc t m 4
Dengan mengunakan “Persamaan (29b)” di dapat: Qtot F ' (U f 4U s U b ) Ak (Tr T ~) 0,85( 6,0081 4 x1,2317 1,03818)1( 49 33) 162,84Watt.
3.4.4 Efisiensi Termal Kolektor. Efisiensi kolektor ditentukan oleh besarnya panas yang diterima kolektor (Qin) terhadap panas yang dapat di manfaatkan (Qu). Energi yang di terima oleh kolektor yaitu:
min loc st E deg
E 9,87 sin 2 B 7,53 cos B 156 Sin B
B n 810,989
0 Terbenam bila 0
e. Terbit bila
f. Lama siang = Terbenam - Terbit ENERGI SURYA Radiasi surya 0, 29 - 2, 5 m.
Qin E glob . Ak ENERGI PANAS Kolektor Pelat Datar
maka efisiensi teoritis kolektor adalah:
F '. E glob . Ak . U L Ak ( Tr T ~)
...(30a)
E glob . Ak
Fr . E glob . Ak . U L Ak (Tin T ~)
... (30b)
ENERGI MEKANIK Turbin (Solar Chimney)
E glob . Ak
Sedangkan efisiensi aktual kolektor dapat ditulis:
Qu m. Cp . T Qin E glob . Ak
... (31a)
Qa QL E glob . Ak
... (31b)
ENERGI LISTRIK Generator
Gambar 9 Alur aliran rancangan Solar Chimney
Dengan mengunakan “Persamaan 31a, di dapat:
th
F ' Ak .E glob. .U L .Ak .(Tr T ~)
0,505 th 50,5%
E glob .Ak
Gambar 10 Rancangan awal sistem kolektor pelat datar untuk Solar Chimney 111
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 6, No.2,Desember 2009
ENERGI SURYA Radiasi surya 0, 29 - 2, 5 m.
Kolektor Pelat Datar Efisiensi = 55% Luas Kolektor 4x4 m2 (sesuai dgn lahan yag ada) Atap bangunan (sketsa gambar) Cerobong
ISSN 1829-8958
terintegrasi untuk kebutuhan stiap sistem komponen pendukung yaitu sistem kolektor, sistem turbin angin dan sistem generator listriknya. Pengembangan kolektor dengan menggunakan energi penyimpan untuk menjaga temperatur keluar kolektor konstan dan perlu penelitian lanjut peningkatan secara optimal dari pemanfaatan cerobong terhadap aliran fluida udara sistem secara keseluruhan 4.2 Saran
Energi Panas Temperatur (Tinkolektor, Toutkolektor, Toutcerobong, Tlingkungan) Laju aliran massa udara (perbedaan temperatur, udara) Intensitas matahari Energi Mekanik (Turbin)
Tidak/Belum
rpm
kecepatan udara mengalir
Energi Mekanik (Generator) Energi Listrik
Ya/sudah
Penelitian dikembangkan dengan mengabungkan dengan pemanfaatan energi angin sebagai energi awal agar terjadi aliran fluida udara secara paksa.
PUSTAKA 1.
A. Bejan, G. Tsatsaronis dan M. Moran, Thermal Design and Optimization, John Wiley & Sons, New York, 1996.
2.
Andre G Ferreira, Technical Feasibility Assessment of a Solar Chimney for Food Drying, Solar Energy 82 (2008), 198-205, Elsevier, 2008.
3.
C. P. Arora, Refrigeration and Air Conditioning, McGraw-Hill, Singapore 2000.
4.
Dickinson, William C & Cheremisinoff, Paul N., Solar Energy Technology Handbook Part A, Marcel Dekker, New York, 1980.
5.
Dufie, John A., & Beckman, William A., Solar Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons, New York, 1995.
6.
George A. Lane, Ph.D, Solar Heat Storage: Latent Heat Materials, CRC Press, Inc., Florida, 2000.
7.
Rosa. Yazmendra, Hanif & Zulhendri, Optimasi Udara Panas Keluaran Kolektor Surya, Jurnal Teknik Mesin, Vol.1 No.1 Politeknik Negeri Padang, 2004.
8.
Rosa. Yazmendra, Maimuzar & Nasrullah, Rancang Bangun Pengering Gambir dengan Memanfaatkan Energi Surya, Jurnal Teknik Mesin, Vol.3 No.1 Politeknik Negeri Padang, 2006.
9.
Rosa. Yazmendra & Hanif, Rancang Bangun Penyimpan Panas pada Kolektor dalam Sistem Pengering dengan Memanfaatkan Energi Surya, Jurnal Teknik Mesin, Vol.4, No.2 Des, 2007.
Energi listrik
Gambar 11 Bagan Alur Rancangan Penelitian 4 KESIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan Pemanfaatan energi surya dapat dikembangkan sebagai energi alternatif yang bersih dan ramah lingkungan serta tersedia sepanjang hari karena kondisi wilayah indonesia berada dalam jalur garis khatulistiwa, yang memberikan intensitas paling besar dipermukaan bumi ini. Solar konstan yang sampai ke permukaan bumi berkisar antara 1350 Watt/m2. Posisi kota padang dapat radiasi surya antara 700 s/d 1000 Watt/m2. Dengan kolektor pelat datar surya digunakan mempunyai efisiensi 55% maka diperoleh energi 400 Watt/m2. Energi sebesar ini dilakukan transfer energi ke energi mekanik dengan turbin efisiensi 10% maka diperoleh energi 40 Watt/m2. Pada lokasi lahan atap mempunyai luas 4 x 4 m2 akan memperoleh setengahnya dengan kondisi atap yang tetap dengan tidak mengikuti proses lintasan pagi dan sore dari surya. Energi surya yang dapat dimanfaatkan sebesar 5950,8Watt. Asumsi efisiensi 10 % untuk turbin dan generator maka diperoleh energi sebesar 59,5 Watt untuk luas 4 x 4 m2. Pengoptimalan sistem solar chimney ini perlu dilakukan dengan melakukan penelitian lebih
10. Rosa. Yazmendra & Menhendry, Kaji Eksperimental Penyimpan Panas Sementara dari Hasil Udara Panas Keluaran Kolektor Energi Surya, Jurnal Poli Rekayasa, Vol.4, No.1 Oktober, 2008. 112
Kajian Energi Surya sebagai Sumber Alternatif Pembangkit Listrik dgn Memanfaatkan Kolektor Pelat Datar pada Sistem Solar Chimney (Yazmendra Rosa)
11. Rosa. Yazmendra & Rino Sukma, Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik, Jurnal Teknik Mesin, Vol. 5 No.2 Desember 2008. 12. Sukhatme, Solar Energi: Principles of Thermal Collection and Storage, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi, India, 2001. 13. ......, Floating Solar Chimney Technology, www.floatinglarchimney.gr, September 2008. 14. ......, The Solar Tower: Large scale Renewable energy Power Station Development, 19th World Energy Congress, Sydney Australia, Sep. 2004. 15. S. Grinspan, P. Suresh Kumar, U. K. Saha, P. Mahanta, D. V. Ratna Rao And G. Veda Bhanu, Design, Development And Testing Of Savonius Wind Turbine Rotor With Twisted Blades, Department Of Mechanical Engineering, Indian Institute Of Technology, Guwahati-781 039, India. 16. Dave Mussell, Wind Turbine, The Pembina Institute, www.re-energy.ca, 2006
CURRICULUM VITAE Penulis menyelesaikan studi sarjana di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Andalas tahun 1997 dan tahun 2003 menyelesaikan studi S2 bidang Konversi Energi, Departemen Teknik Mesin di Institut Teknologi Bandung, Sekarang sebagai dosen dan staf Labor Refrigerasi & Pengkondisian Udara di Program Studi Teknik Mesin Politeknik Universitas Andalas, staf pengajar dan pembimbing di program D4 Konservasi Energi serta mengajar dan membimbing di Pasca Sarjana ISTN,. Email:
[email protected] &
[email protected].
113
