REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR ROSYID KUS RAHMADI

perpustakaan.uns.ac.id

digilib.uns.ac.id

REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR

Disusun Oleh:

ROSYID KUS RAHMADI M0206060

SKRIPSI Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mendapat Gelar Sarjana Sains Fisika

JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA commit to user September, 2013

2 digilib.uns.ac.id



Disusun Oleh:

ROSYID KUS RAHMADI M0206060

SKRIPSI Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mendapat Gelar Sarjana Sains

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA commit to user September, 2013

3 digilib.uns.ac.id


HALAMAN PENGESAHAN Skripsi dengan judul: REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR Yang ditulis oleh: Nama

: Rosyid Kus Rahmadi

NIM

: M0206060

Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada: Hari

: Selasa

Tanggal : 17 September 2013

commit to user

4 digilib.uns.ac.id


PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR” adalah hasil kerja saya atas arahan pembimbing dan sepengetahuan saya hingga saat ini, isi sekripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya, jika ada maka telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.

Surakarta, September 2013

ROSYID KUS RAHMADI

commit to user

5 digilib.uns.ac.id


MOTTO

Apapun yang diberikan kepadamu, maka itu adalah kesenangan hidup di dunia. Sedangkan apa yang ada di sisi Allah lebih baik dan lebih kekal bagi orang-orang yang beriman, dan hanya kepada Tuhan mereka bertawakal. {Q.S. Asy-Syura (42): 36}

Jika anda bisa memimpikan sesuatu, maka anda tentu bisa meraihnya (Zig Ziglar)

commit to user

6 digilib.uns.ac.id


PERSEMBAHAN

Dengan rahmat Allah SWT, karya ini kupersembahkan kepada:

1.

Allah SWT, atas segala kesempatan dan karunianya hingga selesainya sekripsi ini. 2.

Orang tua dan seluruh keluargaku tercinta, atas semua dukungan dan kasih sayangnya. 3. 4.

Almamaterku, jurusan Fisika serta fakultas MIPA commit to user Teman-teman seperjuanganku, kalian tak tergantikan.

7 digilib.uns.ac.id



Rosyid Kus Rahmadi M0206060 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK Sistem pemanas air tenaga surya telah banyak diteliti baik secara eksperimen maupun secara teoritis. Kolektor surya mampu menyerap energi matahari, mengubahnya menjadi panas dan menyalurkannya menuju pipa-pipa fluida sebagai sistem pemanas air. Parameter-parameter yang mempengaruhi kinerja kolektor surya tersebut diantaranya letak antar pipa-pipa pemanas, diameter pipa, jumlah kaca penutup, tebal insulasi dan material yang digunakan. Sehingga didapat temperatur air panas keluaran yang tinggi serta lebih efisien. Melalui rumusan matematis yang telah disimulasikan dengan komputer, parameter-paremeter tersebut dapat direkayasa untuk mendesain sebuah kolektor. Nilai parameter optimal yang didapatkan diantaranya jarak antar pipa: 1 cm, diameter pipa 1 cm, jumlah kaca penutup: 2, dan tebal insulasi: 7 cm. Dengan menggunakan ukuran-ukuran diatas, kolektor surya telah digunakan untuk memanaskan air sebanyak 40 Liter dari pukul 08.00 WIB sampai pukul 15.00 WIB. Dalam pengukuran tersebut diperoleh suhu air keluaran tertinggi 51o C pada tanggal 20 Maret 2013 pukul 13.15 WIB dan 52o C pada tanggal 21 Maret 2013 pukul 14.00 WIB. Kata kunci : Kolektor surya, pemanas air, simulasi, pengoptimalan

commit to user

8 digilib.uns.ac.id


DESIGNING OF FLAT PLATE SOLAR WATER HEATER COLLECTORS

Rosyid Kus Rahmadi M0206060 Departement of Physics. Faculty of Mathematics and Natural Sciences Sebelas Maret University

ABSTRACT Solar water heater systems have been development by experimentally and teoretically. Solar collector able to absorb solar radiation, convert it into heat energy and finally transfer this heat to working fluid as water heater system. The parameters which affect to performance of solar collector is distant betwent fluid pipes, pipe diametre, thick of insulation and material properties will be using. So, can be collect outlet hot water temperatures in higger rate and more efficient. Through the matematic equation in computer simulation, that parameters can be optimized to design a solar collector. The optimized parameter value was gained in simulation are distance each pipes is 1 cm, pipe diametre is 1 cm, many of glass cover is 2 and thick of insulation is 7 cm. By using the above measures, the solar collector has been used to heat the water as much as 40 liters from 08.00 am until 15.00 pm. The measurements obtained in the highest output water temperature 51 oC on March 20, 2013 at 13:15 pm and 52 oC on March 21, 2013 at 14:00 pm. Key word : Solar collectors, water heater, optimizing, Designing

commit to user

9 digilib.uns.ac.id


KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala nikmat dan karunia-Nya, sehingga penulis mampu menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Selesainya skripsi ini dikarenakan adanya dorongan, bimbingan, saran, pendampingan serta berbagai bantuan baik moriil maupun materiil dari banyak pihak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada: 1. Bapak Prof. Ir. Ari Handono R., M.Sc., Ph.D. selaku Pembimbing I yang telah memberikan bimbingan, masukan, memberi motivasi dan saran dalam penyusunan skripsi. 2. Bapak Ahmad Marzuki, M.Sc., Ph.D. selaku Pembimbing II yang telah mendampingi selama penelitian, memberi bimbingan dan saran serta motivasi dalam penyelesaian skripsi. 3. Bapak dan Ibu dosen beserta para staff di Jurusan Fisika, terima kasih atas segala bimbingan dan bantuannya. 4. Bapak, Ibu, Kakak dan seluruh keluarga saya, yang telah memberikan dukungan moral dan material. 5. Teman-temanku Keluarga besar angkatan 2006, terima kasih atas bantuan dan motivasinya. 6. Adik-adik tingkat di jurusan Fisika, terima kasih atas kebersamaannya 7. Semua pihak yang telah ikut mendukung dalam proses penyelesaian skripsi ini. Semoga Allah SWT memberikan balasan atas kebaikan dan bantuan yang telah diberikan. Penulis menyadari masih ada banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini. Penulis berharap semoga karya ini dapat memberi manfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya. Amin. Surakarta, September 2013

Penulis commit to user

10 digilib.uns.ac.id


DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL…………………………………………………………. i HALAMAN PENGESAHAN………………………………………............... ii HALAMAN PERNYATAAN……………………………………………….. iii HALAMAN MOTTO………………………………………………………... iv HALAMAN PERSEMBAHAN…………………………………………....... v HALAMAN ABSTRAK……………………………………………………... vi HALAMAN ABSTRACT…………………………………………………… vii KATA PENGANTAR…………………………………………...................... viii HALAMAN PUBLIKASI …………………………………………………… ix DAFTAR ISI……………………………………………………...................... x DAFTAR TABEL ……………………………………………….................... xii DAFTAR GAMBAR………………………………………………................ xiii DAFTAR SIMBOL…………………………………………………………... xiv DAFTAR LAMPIRAN……………………………………………………… xvi BAB I PENDAHULUAN…………………………………………............ 1 1.1 LatarBelakang ……………………………………………........ 1 1.2 PerumusanMasalah ………………………………………........ 2 1.3 BatasanMasalah ……………………………………………..... 3 1.4 TujuanPenelitian ……………………………………………… 3 1.5 ManfaatPenelitian …………………………………………..... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA…………………………………………. 4 2.1 Radiasi Surya ……………………………………………….... 4 2.2 RadiasiMatahari di Bumi …………………………………….. 5 2.3 PotensiRadiasiMatahari di Indonesia ………………………... 7 2.4 RadiasiPadaBidang Miring ………………………………….. 9 2.4.1 PerbandinganRadiasiLangsungPadaBidang Miring TerhadapBidangHorisontal…………………………........ 9 2.4.2 IntensitasRadiasipadaBidang Miring ………………........ 13 2.5 Kolektor Surya Plat DatarPemanas Air …………...................... 14 2.5.1 Bagian-BagianKolektor …………………………............. 16 2.5.2 Proses PadaKolektor Plat Datar …………………………. 19 2.5.2.1 Proses PengumpulanEnergi Surya ……………… 19 2.5.2.2PerpindahanPanas ……………………………….. 20 2.5.3 KesetimanganLajuEnergiPanasKolektor………………… 25 2.5.3.1 LajuEnergiPanas yang Masuk…………………… 25 2.5.3.2 LajuEnergiPanas yang Hilang…………………… 25 2.5.3.3 LajuEnergiPanas commit to yang user Digunakan………………. 28



2.5.4 EfisiensiKolektor Surya …………………………………. 2.6 SimulasiKolektordengan Delphi 7 ……………………………. BAB III METODOLOGI PENELITIAN………………………………….. 3.1 WaktudanTempatPenelitian…………………………………… 3.2 AlatdanBahan …………………………………………………. 3.3 Langkah-LangkahPercobaan………………………………....... 3.4 Kedudukan, Dimensidan Material Kolektor………………....... 3.5 TeknikAnalisa Data …………………………………………… 3.6 Diagram AlirPenelitian……………………………………........ 3.7 Kolektor Surya ………………………………………………… BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN…………………………………… 4.1 PenentuanDesainKolektor Surya MelaluiSimulasi………......... 4.2 PengujianKolektor Surya ……………………………………… 4.3 PerbandinganHasilPengukuranNyatadenganHasilSimulasi BAB V KESIMPULAN DAN SARAN…………………………………… 5.1 Kesimpulan…………………………………………………….. 5.2 Saran-Saran ……………………………………………………. DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………….. LAMPIRAN-LAMPIRAN………………………………………………….. Lampiran I SimulasiKolektor………………………..………………… LampiranII DesainKolektor…………………………………………… LampiranIII Data Pengukuran…………………………………………

commit to user

28 29 30 30 30 32 32 33 34 35 36 36 44 49 52 52 52 53 56 57 64 66



DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Tabel 2.1 Tabel 2.2 Tabel 2.3 Tabel 2.4 Tabel 4.1

SumberdayaEnergiAlternatif di Indonesia IntensitasRadiasiMatahari di Indonesia Nilai n dalamTahun Sifat-SifatBeberapa Material Absorer Jenis Insulator Data masukan yang dibuattetap

commit to user

Halaman 1 8 11 18 18 36



DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8 Gambar 2.9 Gambar 2.10 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Gambar 4.10 Gambar 4.11 Gambar 4.12

Spektrum gelombang elektromagnetik Posisi kedudukan matahari dan bumi Persentase energi matahari yang dipantulkan dan diserap bumi Waktu Surya Sudut antara posisi matahari terhadap bidang bumi Sudut radiasi datang terhadap permukaan bumi Radiasi sorotan tiap jam pada permukaan miring Penentuan Cos θT Kerugian panas utama kolektor surya selama beroperasi Bagian-bagian dari kolektor surya plat datar Kolektor pemanas air plat datar untuk percobaan Alur pelaksanaan penelitian Kolektor surya yang telah dibuat Alat ukur yang digunakan Waktu Surya Grafik simulasi untuk variasi Tebal Plat Penyerap Grafik simulasi untuk variasi Jarak Antar Pipa Grafik simulasi variasi Jumlah Kaca Penutup Grafik simulasi untuk Jarak kaca ke plat penyerap Grafik simulasi untuk variasi Tebal Insulasi Grafik distribusi intensitas radiasi matahari harian Grafik perbandingan suhu plat penyerap terhadap waktu Grafik perbandingan suhu kaca penutup dengan waktu penyinaran Grafik suhu ambient terhadap waktu pengukuran Grafik suhu air keluaran terhadap waktu penyinaran Grafik Perbandingan suhu air keluaran dengan hasil simulasi

commit to user

Halaman 5 6 7 9 10 12 14 14 15 16 31 34 35 35 36 37 39 40 41 43 45 46 47 48 49 50



DAFTAR SIMBOL Simbol

Keterangan

Satuan

λ υ f σ ε A T R ∅ δ β γ ω θ θz Rb

Panjang gelombang Kecepatan gelombang Frekuensi Konstanta Stefan-Boltzman 5,67 x 10-8 Emisivitas (Kefisien pancaran) Luas Temperatur Radius (jari-jari) Latitude (garis lintang) Declination (Deklinasi) Slope (kemiringan) Sudut permukaan azimuth Hour angle (sudut jam) Angle of incident (sudut datang) Zenith angle (sudut zenith) Perbandingan radiasicbidang miring dengan permukaan horizontal Komponen sorotan Radiasi pada bidang horosontal Intensitas radiasi langsung pada sudut masuk normal Sudut masuk Kerapatan (massa jenis) Konduktivitas panas Laju perpindahan kalor pada arah x Gradien temperatur pada arah x Bilangan Raileigh Bilangan Prandtl Bilangan Nusselt Konstanta gravitasi Jarak kaca ke plat penyerap Viskositas udara Temperatur plat penyerap Temperatur penutup kaca Koefisien perpindahan panas konveksi bebas Konduktivitas panas udara commit to user Bilangan Reynolds

Meter (m) Meter/sekon Hz W/m2K4

Ibt I Ibn θT ρ k Qx dT dx Ra Pr Nu g a μa Tp Tc hc kf Re

m2 Kelvin meter derajat ( o) derajat ( o) derajat ( o) derajat ( o) derajat ( o) derajat ( o) derajat ( o) derajat ( o)

derajat ( o) Kg/m3 W/m.oC

m/s2 m m2/s K K W/m2.K W/m.K


ρf D Vf μf qc Ts Tf hw Vw Tk Ta Tp hpk Qe Tb qr εk εp qu qi ql Ap η α Ut N Ub kis tis UL m To Ti GT η V tu

Kerapatan air dalam pipa Diameter luar pipa Kelajuan aliran air dalam pipa Viskositas air Laju perpindahan panas secara konveksi Temperatur permukaan bidang Temperatur fluida (air) Koefisien konveksi angin Kelajuan angin Temperatur permukaan kaca Temperatur lingkungan (ambient) Temperatur plat penyerap Koefisien konfeksi transfer panas plat - kaca Laju pemancaran energi Temperatur absolut permukaan Laju perpindahan panas radiasi Emisivitas kaca Emisivitas plat penyerap Energi berguna Energi yang masuk Energi yang hilang Luas permukaan plat penyerap Transmitansi Absorbansi Koefisien kerugian panas atas Jumlah penutup transparan Koefisien kerugian panas bawah kolektor Konduktivitas insulasi Tebal insulasi Koefisien kerugian panas total Laju aliran massa fluida Temperatur air keluar Temperatur air masuk Besarnya intensitas radiasi yang masuk dan diserap oleh plat penyerap Efisiensi kolektor Volume fluida Waktu pergerakan fluida commit to user


Kg/m3 m m/s Kg/m.s W K K W/m2.K m/s K K K W/m2K W K W

J/s J/s J/s m2

W/m2K

W/m.K m Kg/s K K W/m2

m3 s



DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Lampiran 2 Lampiran 3

Simulator kolektor surya hasil pengembangan Mrih Mardihastuti Gambar desain rancangan kolektor surya Data hasil pengukuran

commit to user

Halaman 57 64 66

REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR ROSYID KUS RAHMADI

Recommend Documents