Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Unjuk Kerja Kolektor Surya Plat Datar Menggunakan Konsentrator Dua Cermin Datar Budiman Sudia Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Haluoleo, Kendari.
Abstrak Kolektor surya merupakan alat untuk mengumpulkan dan mengubah energi matahari menjadi energi termal. Tujuan penelitian ini adalah menentukan pengaruh penggunaan dua cermin datar terhadap energi berguna pada kolektor pemanas air. Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Energi Terbarukan Jurusan Mesin Unhas pada posisi 5.80LS. Metode pengambilan data pada penelitian ini adalah mengambil data langsung: intensitas radiasi global, temperatur plat, temperatur kaca penutup, temperatur air masuk dan air keluar kolektor, temperatur lingkungan dan kecepatan angin. Kesimpulan yang diperoleh dari penelitian ini adalah : Penggunaan konsentrator dua cermin datar akan meningkatkan energi berguna kolektor. Untuk kolektor yang menggunakan cermin energi berguna rata-rata = 507.8 Watt sedangkan kolektor tanpa cermin energi berguna rata-rata = 351.8 Watt. Kata Kunci : pemanas air, konsentrator, energi berguna
Abstract Performance Solar Collector Flat Plate With Two Plane Mirror Concentraors. Solar collector is a device that serves to collect and convert solar energy from the sun to thermal energy. The aims of this research was determine the effect of two plane mirrors concentrator on the collector useful energy gain. The research was conducted in the Renewable Energy Laboratory of Mechanical Engineering Departement at Hasanuddin University, Makassar, on latitude 5.80S. The research method in this study was laboratory experiment to obtain data : global radiation intensity, the mean plate temperature, the cover glass temperature, the inlet and outlet fluids temperatures, the ambient air temperature and the wind speed. The conclusion of this research was : two plane mirrors concentrator will ncreased the collector useful energy gain. For collector using mirrors, the average useful energy gain was 507.8 Watt, for collector without mirror, the average useful energy gain was 351.8 Watt. Keywords :water heater, concentrator, energy gain
1. Pendahuluan Energi matahari merupakan salah satu energi terbarukan yang memiliki potensi untuk dikelola dan dikembangkan khususnya pada daerah dengan intensitas matahari yang cukup tinggi. Untuk memanfaatkan energi matahari tersebut dibutuhkan suatu alat yang dikenal dengan kolektor surya. Kolektor surya plat datar merupakan salah satu jenis kolektor yang banyak digunakan karena memiliki konstruksi yang relatif lebih sederhana dibandingkan dengan jenis yang lain. Salah satu pemanfaatan dari kolektor plat datar adalah sebagai pemanas air.
Kelebihan kolektor plat datar adalah secara konstruksi lebih sederhana dibandingkan jenis yang lain. Kekurangannya adalah efisiensi kolektor rendah. Beberapa penelitian telah dilakukan dengan berbagai modifikasi terhadap komponen-komponen utama kolektor plat datar, diantaranya adalah : Muharto, dkk (2004) melakukan kajian ” Efektivitas penyerapan panas pada kolektor plat datar dengan menggunakan absorber dari kuningan, besi dan seng”, Mulyanef dan Gusliyadi (2008) mengkaji ” Kaji Eksperimen Kompor Tenaga Surya Menggunakan Konsentrator Empat Cermin Datar pada Empat Sisi Kolektor”.
85
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Analisis Perpindahan Panas pada Kolektor Datar Radiasi matahari yang menembus kaca penutup akan memanaskan plat absorber selanjutnya panas dari absorber akan memanaskan fluida pada pipa-pipa kolektor. Pada keadaan steadi kesetimbangan energi pada kolektor plat datar dapat dituliskan sebagai berikut (Ref. 03) : S Ap = qu + ql .............1) dimana : S= fluks kalor yang diserap absorber (W/m2) qu = kalor berguna kolektor (Watt) ql = kalor yang hilang ke lingkungan (Watt) Ap = luas plat absorber (m2)
Rb Rd Rr e
= transmisivitas kaca penutup = absorbtivitas plat absorber = faktor radiasi sorot = frakto radiasi difusi = faktor radiasi refleksi = reflektivitas permukaan cermin = faktor intersep (fraksi radiasi yang masuk ke absorber
Energi Berguna Aktual Energi berguna merupakan besarnya kalor yang ditransfer ke fluida kerja yang dapat dihitung berdasarkan hubungan berikut (Ref. 01): .
qu = m c p (T fo T fi ) ................3) dimana : qu = kalor berguna aktual (Watt) .
m = laju aliran massa air di dalam pipa kolektor
1
Tfi = temperatur air masuk kolektor Tfo = temperatur air keluar kolektor cp = kalor spesifik air pada temperatur rata-rata air dalam pipa kolektor. Kerugian Kalor Kolektor Kerugian kalor meliputi kerugian kalor kebagian bawah plat absorber secara konduksi, kerugian kalor secara konduksi ke bagian empat sisi kolektor dan kerugian kalor secara konveksi dan radiasi ke bagian atas absorber.
2 3
qt
4 5 Gambar 1: Komponen-komponen utama datar Keterangan : 1. Reflektor 2. Kaca penutup 3. Absorber
kolektor qs
4. Isolator 5. Pipa-pipa kolektor
Fluks Kalor yang diserap absorber (S) dihitung berdasarkan persamaan berikut (Ref. 03): I b Rb I d Rd ( I b I d ) Rr I br1 Rbr1 e I br 2 Rbr 2 e S
qb
= IbRb()b + IdRd()d + IgRr()d + IbrRbre()br...............2) dimana : Ib = intensitas radiasi sorot Id = intensitas radiasi difusi Ig = intensitas radiasi global
86
Gambar 2. Analisis kerugian kalor pada kolektor plat datar dengan dua kaca penutup Kerugian kalor bawah (qb)
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Kerugian kalor pada bagian bawah (qb) dapat dihitung berdasarkan persamaan (Ref. 01) :
q b k isolasi Ap
T p Tamb
isolasi
.........4)
dimana : kisolasi = konduktivitas termal isolator Tp = temperatur plat rata-rata Tamb = temperatur lingkungan isolasi = tebal isolasi bawah Kerugian kalor sisi (qs) Kerugian kalor sisi (qs) pada keempat sisi kolektor dihitung berdasarkan persamaan (Ref. 03):
q s k isolasi As
1 T p Tamb .........5) 2 isolasi
dimana : isolasi = tebal isolasi sisi As = luas permukaan perpindahan panas pada bagian sisi Kerugian kalor atas (qt) Kerugian kalor pada bagian atas ditentukan berdasarkan asumsi bahwa kerugian kalor karena konveksi dan radiasi arahnya ke atas. dari plat absorber ke kaca penutup pertama
Tc1 qcp
Tp
qrp
Gambar 3. Kerugian kalor atas dari plat absorber ke kaca penutup pertama Kerugian radiasi dari plat ke kaca penutup pertama dihitung berdasarkan persamaan (Ref. 01):
(T p4 Tc41 ) ..........6) q rp A p 1 1 1 p c1 dimana : = konstanta Stevan Boltzman = 5.67 x 10-8 Tc1 = temperatur penutup pertama p = emisivitas plat absorber c1 = emisivitas penutup pertama Kerugian kalor konveksi dari plat ke penutup pertama dihitung berdasarkan prosedur berikut : Temperatur rata-rata udara antara plat penyerap dan penutup pertama :
T
1 T p Tc1 ............ 7) 2
Bilangan Grasshoff (Gr), Ref. 01 : g Gr
1 TL3 T 2
.................8)
g merupakan percepatan gravitasi, T adalah temperatur rata-rata udara antara plat penyerap dan penutup pertama, L adalah jarak antara plat penyerap dan penutup pertama, adalah viskositas kinematis udara pada temperatur rata-rata. Bilangan Rayleigh (Ra) : Ra = Pr Gr ...........................9) Pr adalah bilangan Prandtl udara pada temperatur ratarata. Bilangan Nusselt (Nu), (Ref. 03): Nu = 1 , Ra cos 1708 Nu = 1 + 1.446(1 –
1708 ); Ra cos
1708 Ra cos 5900 Nu = 0.229(RaL cos )0.252 ; 5900 < RaL cos < 9.23 104 Nu = 0.157(RaL cos )0.285 ; 9.23 104 < RaL cos < 106 10 Koefisien perpindahan panas konveksi (h) dihitung berdasarkan hubungan :
kN u
h L
11
k adalah konduktivitas termal udara pada pada T = ½ (Tp + Tc1) Laju kehilangan kalor konveksi dari plat ke penutup pertama (qcp) q cp hcp A p (T p Tc1 ) 12 Laju kehilangan kalor radiasi dari penutup pertama ke penutup kedua (qr1) , Ref. 01:
q r1 Ac1
(Tc41 Tc42 ) 1 1 1 c1 c 2
13
Tc2 temperatur penutup kedua, c2 adalah emisivitas penutup kedua. Laju kehilangan kalor konveksi (qc.2) antara penutup pertama dan kedua dihitung dengan cara yang sama dengan laju kehilangan kalor konveksi dari plat ke penutup pertama, dimana temperatur udara rata-rata
T
1 Tc1 Tc 2 2
87
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Laju kehilangan kalor konveksi dari penutup kedua ke lingkungan (qc2) dihitung menggunakan korelasi non dimensi yang disarankan Sparrow, et al (Ref. 03): j=
0.86
14a
Re L ReL =
Vw L *
14b
h Pr j= w Vw c p
L* adalah panjang karakteristik, Vw adalah kecepatan angin yang berhembus di sekitar kolektor, adalah viskositas kinematis udara, cp adalah kalor spesifik udara (nilai-nilai , cp dan Pr) di tentukan pada :
1 Tc 2 Tamb 2
Laju kehilangan kalor radiasi dari penutup kedua ke lingkungan dihitung berdasarkan persamaan berikut : qr2 =
4 c 2 Tc42 Tsky
15
Tsky adalah temperatur langit tempat pertukaran radiasi berlangsung yang dihitung berdasarkan relasi empiris berikut: Tsky = Tamb – 6 K 16 Pada keadaan steady (penutup diasumsi tidak menyerap radiasi balik dari plat penyerap ke lingkungan) panas yang hilang dari plat absorber ke penutup pertama = panas yang hilang dari penutup pertama ke penutup kedua dan dari penutup ke dua ke lingkungan :
4 4 T p Tc1 qt = Ap hcp T p Tc1 1 1 1 p c1
4
4
Catatan : Ap = Ac1 = Ac2 (dimensi absorber = dimensi penutup) Laju kehilangan kalor total dari plat penyerap ke lingkungan (ql) : ql = qb + qs + qt
88
17
dimana It merupakan intensitas radiasi total yang masuk ke kolektor.
2. Metode Penelitian Pengambilan data dilakukan di Laboratorium Energi Terbarukan Jurusan Mesin Universitas Hasanuddin Makassar pada bulan Oktober 2009. Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Sensor pyranometer, untuk mengukur radiasi global selama pengambilan data. Nilai skala terkecil alat yang digunakan adalah 1 W/m2 2. Anemometer tipe Van Probe, mengukur kecepatan angin di sekitar kolektor (NST = 0.1 m/s). 3. Termokopel, mengukur temperatur plat dan kaca penutup (NST = 0.10C) 4. Termomenter, mengukur temperatur air masuk dan air keluar kolektor serta temperatur lingkungan.
Untuk menganalisa perpindahan panas pada kolektor plat datar yang menggunakan dua kaca penutup digunakan data pada tanggal 10 Oktober 2009 untuk kolektor tanpa cermin dan data tanggal 24 Oktober 2009 untuk kolektor yang menggunakan cermin.
= Ap hw Tc 2 Tamb c 2 Tc 2 Tsky
qu 100% Ap I t
3. Hasil dan Pembahasan
4 4 Tc1 Tc 2 = Ap hc1 Tc1 Tc 2 1 1 1 c1 c 2
Efisiensi Kolektor Sesaat ( )
2/3
T
Kalor berguna teoritis (qu) dan Efisiensi Kolektor Pada kolektor pemanas air kalor berguna didefinisikan sebagai besar kalor yang ditransfer ke fluida kerja, atau secara kesetimbangan energi dinyatakan sebagai selisih antara Kalor yang diserap absorber dengan kalor yang hilang ke lingkungan. qu = SAp - ql
Fluks kalor yang diserap plat absorber Pengaruh konsentrator dua cermin datar terhadap fluks kalor yang diserap absorber ditampilkan pada grafik 1.
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
Efisiensi Aktual ( act) VsWaktu 70
700
60
600
50
act ( %)
S(W/ m2)
FluksKalor (S) Vs Waktu 800
500 400 300
30 20
200 8.00
9.00
10
10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00
8.00
Waktu Lokal (Pukul) Tanpa Cermin
Menggunakan Cermin
Energi Berguna Aktual Pengaruh konsentrator dua cermin datar terhadap energi berguna aktual ditampilkan pada grafik 2.
Pada kolektor yang menggunakan konsentrator dua cermin datar lebih tinggi dibanding kolektor tanpa cermin. Ini disebabkan penggunaan konsentrator mampu meningkatkan intensitas radiasi yang masuk ke kolektor sehingga fluks kalor yang diserap absorber akan meningkat dan kalor yang ditransfer secara konduksi dari plat absorber ke pipa-pipa kolektor akan lebih besar.
4. Kesimpulan dan Saran 1.
800 600
2.
400 200 0 10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
16.00
AxisTitle Menggunakan Cermin
Tanpa Cermin
3.
Grafik 2. Energi berguna aktual terhadap waktu lokal Dari grafik 2 terlihat bahwa energi berguna aktual pada kolektor yang menggunakan cermin rata-rata lebih tinggi dibandingkan kolektor tanpa cermin. Penggunaan cermin akan menambah intensitas radiasi yang diserap absorber sehingga kalor yang ditransfer secara konveksi ke fluida kerja dalam pipa-pipa kolektor juga akan mengalami kenaikan.
Menggunakan Cermin
Grafik 3. Efisiensi aktual terhadap waktu local Dari grafik 3 terlihat bahwa efisiensi aktual
Kalor Berguna Aktual Vs Waktu
9.00
10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 Waktu Lokal (Pukul)
Dari grafik 1 terlihat bahwa konsentrator dua cermin datar dapat meningkatkan fluks kalor yang diserap absorber. Hal ini disebabkan penggunaan konsentrator dapat memperbesar intensitas radiasi matahari yang masuk ke kolektor karena adanya penambahan dari radiasi sorot yang dipantulkan kedua cermin.
8.00
9.00
Tanpa Cermin
Grafik 1. Fluks kalor terhadap waktu lokal
Axis Title
40
Penggunaan konsentrator dua cermin datar dapat meningkatkan fluks kalor yang diserap absorber, kolektor menggunakan cermin Srata-rata = 556.05 Watt, kolektor tanpa cermin Srata-rata = 425.52 Watt. Penggunaan konsentrator dua cermin datar dapat meningkatkan energi berguna kolektor, untuk kolektor yang menggunakan cermin qu.rata-rata = 495.4 Watt, kolektor tanpa cermin qu.rata-rata =290.4 Watt. Penggunaan konsentrator dua cermin datar dapat meningkatkan efisiensi kolektor. Untuk kolektor yang menggunakan cermin d = 51.8 %, kolektor tanpa cermin d = 29.7 %.
Disarankan agar penentuan sudut inklinasi (kemiringan cermin) ditentukan dengan memperhitungkan posisi lintang lokasi, sudut deklinasi., dan kemiringan koektor.
Daftar Pustaka
Efisiensi Aktual
1.
Pengaruh konsentrator dua cermin datar terhadap efisiensi aktual kolektor ditampilkan pada grafik 3.
2. 3.
Duffie, John A., and Bechman, William A., (1974), Solar Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons, inc., New York. Holman, J.P., (1988), Perpindahan Kalor, Edisi Keenam, Penerbit Erlangga, Jakarta. Himran Syukri, (2005), Energi Surya, CV. Bintang Lamumpatue, Makassar.
89
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Lampiran Tabel 1. Data Pengukuran tanggal 10 Oktober 2009 (Kolektor tidak menggunakan cermin Pukul
Kec. Angin
Ig
No.
Tamb
T. Kaca Penutup
TP.
Laju aliran massa
T. air
Tc1
Tc2
T fi
T fo
(WITA)
(W/m2)
Vw (m/s)
(oC)
(oC)
(oC)
(oC)
(oC)
(oC)
m (kg/s)
1
9.00
454
0.8
29
65.2
53.7
36.7
29
38
0.00457
2
9.30
487
1.3
30
67.5
55.9
37.2
29
39
0.00457
3
10.00
543
2
31
70.6
58.7
37.7
30
41
0.00567
4
10.30
579
1.3
32
73.5
61.2
40.2
32
43
0.00643
5
11.00
636
0.8
33
76.1
63.2
42.7
33
45
0.00642
6
11.30
687
0.9
33
78.2
64.7
43
35
48
0.00672
7
12.00
795
1.5
36
80
66.9
44.7
36
51
0.00705
8
12.30
743
1.9
35
78.6
66.2
43.0
39
53
0.00704
9
13.00
689
2.4
33
77
64.6
40.3
41
54
0.00670
10
13.30
630
2.4
32
75.3
62.7
39.1
42
55
0.00612
11
14.00
618
3.2
32
74
62.1
38.2
44
56
0.00611
12
14.30
598
3.8
30
73
60.9
36.1
46
57
0.00586
13
15.00
543
2.9
30
71.5
59.5
36.2
47
57
0.00562
14
15.30
504
3.1
30
69
54.3
37.4
48
58
0.00520
15
16.00
487
2.4
30
65
52.2
37.3
50
59
0.00453
Tabel 2. Data pengukuran tanggal 24 Oktober 2009 (Kolektor menggunakan cermin) Pukul No.
90
Ig
Kec. Angin 2
Tamb o
WITA
W/m
Vw (m/s)
( C)
1
9.00
473
2.1
2
9.30
482
1.6
3
10.00
512
4
10.30
569
5
11.00
6 7
TP o
T. Kaca Penutup
T. air
Laju aliran
Tc1
Tc2
Tfi
Tfo
o
o
o
o
massa
( C)
( C)
( C)
( C)
( C)
m (kg/s)
29
68
54.1
37.9
29
43
0.00589
30
70.5
56.4
39.7
30
44
0.00615
1.8
31
73.5
58.6
41.2
31
46
0.00642
1.5
32
78
62.3
43.7
34
49
0.00743
637
1.6
34
83
66.4
46.7
36
51
0.00881
11.30
665
1.2
35
86
69.1
48.9
38
55
0.00828
12.00
782
3.4
37
95
75.2
50.9
41
60
0.00877
8
12.30
678
1.5
36
89
71.3
50.2
42
61
0.00825
9
13.00
682
2.4
35
87
69.2
47.8
45
63
0.00824
10
13.30
658
3.1
34
85
67.1
45.9
47
65
0.00778
11
14.00
620
3.4
31
83
64.9
43.1
50
68
0.00699
12
14.30
562
3.5
31
78
61.4
41.5
53
70
0.00665
13
15.00
536
3.4
30
74.5
58.7
39.7
54
71
0.00606
14
15.30
496
3.5
30
69
54.7
38.1
57
73
0.00580
15
16.00
486
3.6
30
66
52.6
37.1
59
74
0.00580
Vol. 1, No. 2, Mei 2010
ISSN : 2085-8817
DINAMIKA Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
91
