Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
KARYA AKHIR
RANCANG BANGUN SEBUAH PEMANAS AIR TENAGA SURYA DENGAN MENGGUNAKAN
KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR
Oleh : Nesten M Marbun Nim : 035202025
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA FAK TEKNIK
PROGRAM STUDI TEKNOLOGI MEKANIK INDUSTRI MEDAN
2009
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
LEMBAR PENGESAHAN
KARYA AKHIR
RANCANG BANGUN SEBUAH PEMANAS AIR TENAGA
SURYA DENGAN MENGGUNAKAN KOLEKTOR SURYA
PLAT DATAR
OLEH: Nesten M Marbun Nim: 035202025
Disetujui Oleh :
Dosen Pembimbing
( Ir. Mulfi Hazwi M.sc ) Nip: 194910121981031002
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR..…………………………………………………………….....i
DAFTAR ISI.…………………………………………………………………….…...ii
DAFTAR NOTASI…………………………………………………….…………….iv
BAB I PENDAHULUAN.……………………………………………………………1
1. 1. Latar Belakang ……………..…………………………………………..1
1. 2. Tujuan perencanaan……………...…………………………………….2
1. 3. Manfaat Perencanaan…………..……………………………………....2
1. 4. Batasan Masalah ……………………………………………………….3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA….………………………………………………….4
2. 1. Jenis – jenis kolektor surya…………………………………………….5
2. 1. 1. Kolektor Surya Prismatik……………………………………..5
2. 1. 2. Kolektor Surya Plat Datar…………………………………….6
2. 2. Tinjauan Perpindahan Panas ………………………………………….6
2. 2. 1. Konduksi………………………………………………………..7
2. 2. 2. Konveksi………………………………………………………...7
2. 2. 3. Radiasi…………………………………………………………..9
2. 3. Tinjauan Mekanika Fluida…………………………………………..10
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
2. 3. 1. Viskositas……………………………………………………...10
2. 3. 2. Posisi Matahari…………………………………………..……10
2. 3. 3. Intensitas Radiasi Pada bidang Miring……………………...11
BAB III ALAT DAN BAHAN………….…………………………………………..18
3. 1. Alat – alat………………………………………………………………18
3. 1. 1. Thermometer Air Raksa………………………………….18
3. 1. 2. Thermo Kopel…………………………………..………....19
3. 1. 3. Anemometer……………………………………………….19
3. 2. Bahan – bahan ………………...………………………………………20
3. 2. 1. Plat absorbsi…………………………………………………20
3. 2. 2. Pipa Kolektor………………………………………………..21
3. 2. 3. Isolator…………………………………………………….....21
3. 2. 4. Kaca bening………………………………………………....21
3. 2. 4. Kaca penutup I………………………………………….......22
3. 2. 5. Kerangka Kolektor…………………………………………23
BAB IV ANALISA PERHITUNGAN……………………………………………..24
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN………………………...…………………..40
DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………………….41
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
DAFTAR GAMBAR
1. Gambar 2. 1 Skema sistim kolektor surya prismatic ……………………………6
2. Gambar 2. 2 kolektor surya plat datar…………………………………………...6
3. Gambar 2. 3 Bilangan Nusselt rata-rata dalam pipa pendek untuk berbagai
bilangan prandt ……………………………………………………8
4. Gambar 2. 4 Radiasi sorotan setiap jam pada permukaan miring dari
pengukuran Ib ………………………...…………………………12
5. Gambar 2. 5 Spesifikasi beberapa produk kolektor Surya ……………………16
6. Gambar 2. 6 Peruntukan dan peletakan kolektor Surya ………………………17
7. Gambar 3. 1 Thermometer Air Raksa …………………………………………18
8. Gambar 3. 2 Thermo Couple…………………………………………………...19
9. Gambar 3. 3 Anemometer……………………………………………………...19
10. Gambar 3. 4 Kolektor surya plat datar …………………………………………20
11. Gambar 4.. 1 Konstanta Surya………………………………………………….26
12. Gambar 4. 2 Kerugian Panas kolektor …………………………………………27
13. Gambar 4. 3 Sirkuit untuk tahanan perpindahan panas
melalui bagian atas kolektor ……………………………………..28
14. Gambar 4. 4 Koefisien konveksi alam h, dalam celah udara sebagai fungsi
dari jarak celah z dengan sudut miring β sebagai para meter ……29
15. Gambar 4. 5 Aliran panas ke dalam cairan …………………………………….32
16. Gambar 4. 6 Rangkaian tahanan thermal ………………………………………32
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
17. Gambar 4. 7 Suatu deretan kolektor seluas 562 m2 berisi 288 kolektor untuk
memasok air panas bagis sebuah pabrik kapsul gelatin ………….34
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
DAFTAR TABEL
1. Tabel 2. 1 Kelembaban udara, suhu udara dan kecepatan angin yang
berhembus kota medan…………………………………………..14
2. Tabel 4. 1 Satuan lain untuk GSC....................................................................23
3. Tabel 4. 2 Data Radiasi Global yang khas ( Radiasi pada permukaan
Horizontal )…………………...………………………………….25
4. Tabel 4.3 Temperature Plat, Temperature lingkungan, kecepatan angin
yang berhembus disekitar kolektore dan kondisi cuaca…………38
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
DAFTAR GRAFIIK Grafik 4. 1. Temperatur Air keluar pada pengujian tiap jam, dengan temperatur awal
24oC, suhu Udara 27 oC.................................................................................38
Grafik 4. 2. Temperatur plat kolektor pada pengujian tiap jam dengan waktu pengujian
dari pukul 08.00 hingga pukul 17.00 wib………………………………….39
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Daftar Notasi
Ac = Luasan kolektor (m2)
D = Diameter pipa (m)
F = Efisiensi sirip
H = Laju radiasi sorotan (beam) atau sebaran (difus)
pada suatu satuan luas permukaan (W/m2).
K = Konduktivitas termal material (Watt/m.oC )
L = Tebal isolasi (m)
QL = Laju kehilangan energi dari kolektor ke lingkungan oleh radiasi balik,
konveksi dan konduksi (W/m2).
QLt = Kerugian kalor atas (top loss) (W/m2)
Qs = Laju energi yang tersimpan dalam kolektor (W/m2)
Qu = Laju pertukaran kalor yang digunakan ke fluida (W/m2)
R =Faktor perubah radiasi sorotan atau difus (tak
berdimensi)
ta = Temperatur lingkungan ( oC )
TL = Temperatur langit (oK)
Tp = Temperatur plat ( oC )
Ub = Koefisien kerugian kalor bagian bawah(Watt/m2.K)
UL = Kerugian kalor total (Watt/m2.K)
Ut = Koefisien kerugian kalor bagian atas(Watt/m2.K)
V = Kecepatan angin (m/s)
W = Jarak antar pipa (m)
S = Konstanta Stefan Boltzmann = 5.67 x 10-8 Watt/m2.K4
Ep = Emitansi plat (tak berdimensi)
Ek = Emitansi kaca (tak berdimensi)
Tp = Tebal plat (m)
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Energi rasiasi dari mataharimerupakan salahsatu bentuk energi alternatif yang
dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan guna menggantikan energi yang dihasilkan
oleh minayak bumi. Salah satu bentuk pemanfaatan dari energi radiasi matahari adalah
untuk memanaskan air. Indonesia sebagai salah satu negara yang sangat strategis untuk
melakukan berbagai hal dengan kekayaan alamnya yang Agraris dan terletak pada garis
katulistiwa sehingga Bumi indonesia mendapatkan energi matahari sepanjang tahun
sehingga dapat dikatakan bahwa energi matahari merupakan energi yang tidak
terhabiskan hal ini sngatlah penting untuk melakukan berbagai hal dalam bentuk yang
baru sehingga dapat digunakan oleh masyarakat Indonesia secara khusus dan masyarakat
internasional secara umum. Untuk dapat secara langsung memanfaatkan energi radisi
matahari untuk memanaskan air dapat digunakan suatu perangkat yang dapat
mengumpulkan energi matahari yang sampai ke permukaan bumidan mengubahnya
kembali menjadi energi kalor yang berguna. Perangkat ini disebut dengan Kolektor Surya
ada beberapa macam jenis tipe kolektor surya yang tentunya untuk berbagai keperluan
sesuai dengan kebutuhan. salah satu tipe kolektor yang paling sering digunakan adalah
kolektor surya plat datar. Untuk mendapatkan hasil pemanasan yang lebih maksimal plat
kolektor tersebut dicat dengan warna hitam kelabu yang berfungsi untuk menyerap
radiasi surya yang dipancarkan oleh matahari. Untuk menjaga agar tidak terjadi kerugian
panas secara radiasi dan konverksi ke atmosfer, maka digunakan kaca pelindung sehingga
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
mengurangi terjadinya efek rumah kaca sedangkan bagian bawah plat kolektor surya
dilapisi dengan glass woll yang dapat mengisolasi terjadinya kebocoran panas tyang
dihasilkan oleh plat kolektor Surya.
Sebagai titik awal dalam melakukan perhitungan untuk mendesain kolektor surya
type plat datar. Perhitungan geometris dari kolektor ( Luasan permukaan kolektor )
kemiringan permukaan kolektor terhadap intensitas matahari Radiasi langsung efek
Termosiphon pada pipa – pipa sirkulasi untuk menentukan sistem konveksi alami serta
suhu masuk dan keluar pipa sirkulasi.
Prinsip kerja dari sistem pamanas air dengan menggunakan plat datar dapat
menunjukkan bahwa air yang masuk ke dalam kolektor melalui pipa distri busi akan
mendapatkan panas yang baik secara konveksi maupun secara radiasi, sebagai akibat dari
tertangkapnya Radiasi srya didalam Radiasi surya didalam kolektor yang dibatasi oleh
plat dan kaca bening tembus cahaya. Karena adanya perpindahan panas tersebut maka
suhu air yang berada didalam pipa – pipa kolektor secara langsung akan bertambah,
bertambahnya suhu air yang ada didalam pipa – pipa kolektor mengakibatkan adanya
perbedaan massa jenis air. Dimana air yang bersuhu lebih tinggi memiliki massa jenis
yang lebih kecil, sehingga kecenderungan akan bergerak ke arah yang lebih tinggi.
Sebaliknya air yang berada dalam pipia kolektor yang suhunya lebih rendah memiliki
massa jenis yang lebih besar dan akan bergerak ke bawah, sehingga terjadi peristiwa
konveksi secara alami.
1.2. Tujuan perencanaan
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Secara teknis rancang bangun sebuah pemanas air Tenaga surya dengan
menggunakan kolektor surya plat datar dapat digunakan oleh masyarakat secara umum
maupun perusahaan dan industiri – industri.sebanyak 1L / jam. Perencanaan ini
diharapkan dapat memberikan gambaran perhitungan serta dapat mengembangkan ilmu
pengetahuan dan teknologi sesuai dengan perkembangan jaman.
1.3. Manfaat perencanaan
Hasil perancangan dan pembuatan kolektor ini dapat digunakan oleh masyarakat
secara luas untuk kepentingan khalayak banyak serta privasi dan dapat dikembangkan
sesuai dengan perkembangan Ilmu pengetahuan dan teknologi.
1.4. Batasan Masalah
Dalam Karya akhir ini secara menyeluruh menjelaskan tentang analisis
perancangan dan pembuatan pemanas air dengan memanfaatkan energi surya, sebagai
energi terbarukan. Adapun batasan masalahnya adalah ;
1. Fluida yang digunakan adalah air bersih.
2. Sistem aliran dalam pipa adalah system pasif memanfaatkan sirkulasi
thermosiphon.
3. Temperature air yang diharapkan keluar kolektor kurang lebih CO70
4. Kolektor surya didesain untuk memanaskan 1 L Air per jam.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Sebagai bintang yang paling dekat dari planet biru Bumi, yaitu hanya berjarak
sekitar 150.000.000 km, sangatlah alami jika hanya pancaran energi matahari yang
mempengaruhi dinamika atmosfer dan kehidupan di Bumi sebagai. Energi yang datang
ke bumi sebagian besar merupakan pancaran radiasi matahari. Energi ini kemudian
ditransformasikan menjadi bermacam-macam bentuk energi, misalkan pemanasan
pemukaan Bumi, gerak dan pemanasan atmosfer, gelombang lautan, foto sintesa tanaman
dan reaksi foto kimia lainya.
Penyebaran sinar matahari tiap tahun di belahan bumi berfariasi termasuk
Indonesia . Indonesi rata – rata menerima sinar matahari delapan ( 8 ) jam perhari. Dapat
dikatakan bahwa Negara Indonesia yang merupakan Negara kepulauan dan Negara
agraris, oleh karena itu penulis mencoba untuk merancang sebuah alat yang dapat
digunakan di tengah-tengah masyarakat dengan pemanfaatan energi surya untuk
memanaskan Air untuk kebutuhan mandi, air minum dsb dan intensitas sinar matahari
yang masuk ditentukan posisi matahari terhadap kolektor.
2. 1. Jenis – Jenis Kolektor Surya
Kolektor Surya merupakan suatu alat yang berfungsi untuk mengumpulkan energi
matahari yang masuk dan diubah menjadi energi thermal dan meneruskan energi tersebut
ke fluida. Kolektor surya memiliki beberapa komponen yaitu : transmisi, refleksi, dan
absorbsi. Komponen transmisi dapat diperoleh dengan- menggunakan kaca, refleksi dari
elemen cermin dan absorber dari bahan aluminium atau kuningan yang dilapisi dengan
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
permukaan benda hitam.Komponen utama kolektor surya adalah cover yang berfungsi
sebagai penutup kolektor yang transparan, absorber untuk menyerap energi dan
mengkonversikan energi matahari menjadi energi thermal, insulation untuk menahan
panas dalam kolektor, saluran atau kanal untuk mengalirkan fluida pembawa energi
matahari. Jadi dapat disimpulkan Secara prinsip bahwa metode kerja dari kolektor surya
dalah sama yaitu menyerap sinar matahari
2. 1. 1. Kolektor Surya Prismatik
Kolektor surya tipe prismatik adalah kolektor surya yang dapat menerima energi
radiasi dari segala posisi matahari kolektor jenis ini juga dapat digolongkan dalam
kolektor plat datar dengan permukaan kolektor berbentuk prisma yang tersusun dari
empat bidang yang berbentuk prisma, dua bidang berbentuk segitiga sama kaki dan dua
bidang berbentuk segi empat siku – siku.sehingga dapat lebih optimal proses penyerapan
tipe kolektor jenis Prismatik ini dapat dilihat seperti gambar berikut.
Gambar 2-1. Skema sistim kolektor surya prismatic
Sumber : Philip kristianto & James Laeyadi Jurnal Teknik mesin Universitas Kristen petra
2. 1. 2. Kolektor Surya plat Datar
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
=
dxdTKA - q
Kolektor surya type plat datar adalah type kolektor surya yang dapat menyerap
energi matahari dari sudut kemiringan tertentu sehingga pada pross penggunaanya dapat
lebih mudah dan lebih sederhana. Dengan bentuk persegi panjang seperti pada gambar
berikut :
Gambar 2-2. kolektor surya plat datar Sumber : PT. Aditya Sarana Graha. Pinangsia, Jakarta pusat.
2. 2. Tinjauan perpindahan panas
Sebagai suatu gambaran mengenai tiga cara perpindahan panas dalam sebuah alat
pemanas cairan surya, panas mengalir secara konduktif sepanjang pelat penyerap dan
melalui dinding saluran. Kemudian panas dipindahkan ke fluida dalam saluran dengan
cara konveksi, apabila sirkulasi dilakukan dengan sebuah pompa, maka kita menyebutnya
konveksi paksa. Pelat penyerap yang panas itu melepaskan panas ke plat penutup kaca (
umumnya menutupi kolektor) dengan cara konveksi alamiah dan dengan cara radiasi.
2. 2. 1. Konduksi.
Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah
yang bertemperatur rendah. Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan
Hukum Fourrier
…………………………..( 2. 1 )
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Dimana q = Laju perpindahan panas ( w )
K = Konduktifitas Termal ( W / (m.k))
A = Luas Penampang yang terletak pada aliran panas m2
dT/dx = Gradien temperatur dalam arah aliran panas ( - k/m )
2. 2. 2. Konveksi
Udara yang mengalir diatas suatu permukaan logam pada sebuah alat pemanas
udara surya, dipanasi secara konveksi yaitu konveksi paksa dan konveksi alamiah,
apabila aliran udara disebabkan oleh blower maka penulis menyebutnya sebagai konveksi
paksa dan apabila disebabkan oleh gradien massa jenis maka penulis menyebutnya
konveksi alamiah. Pada umumnya laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan
hukum persamaan pendinginan Newton sbb.
q = h A ( Tw – T) watt ………………..( 2. 2 )
Dimana h = Koefisien konveksi ( w / m2.o K )
A = Luas permukaan kolektor surya m2
Tw = Temperatur dinding ( OK )
T = Temperatur fluida ( oK )
Q = Laju perpindahan panas ( watt )
Karena aliran dalam pemas cairan surya itu laminer dan tabung – tabungnya
adalah relatif pendek, maka bilangan nusselt rata – rata dan karena itu harga rata-rata h
dalam tabung dapat dicari dari gambar brikut seperti yang dianjurkan oleh duffie dan
Becman. Untuk menggunakan grafik dalam gambar haruslah dihitung trlebih dahulu
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
sebuah bilangan tanpa dimensi lain yang disebut bilangan prandtl yaitu dengan
persamaan Pr = Cp ( µ/k).
Gambar 2-3. Bilangan Nusselt rata-rata dalam pipa pendek untuk berbagai bilangan prandtl. Sumber :Prof. Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 9
Untuk pemanas surya yang bekerja dalam bilangan Reynols antara 2000 sampai
10000, dan nilai bilangan nusselt sebesar ( lit teknologi rekayasa surya hal 10 )
Nu = 0,00269. Re …………………………( 2. 3 )
Re Yang dimaksud adalah bilangan Reynold yang biasanya berkisar antara 2000
sampai 10000 untuk aliran turbulen, dan dibawah 2000 untuk aliran linier. Bilangan
Reynold dapat dirumuskan
µρi
e
VdR = …………………………...( 2. 4 )
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Dimana Re = Bilangan Reynold.
V = Kecepatan Rata-rata dari Fluida (m / s )
di = Diameter pipa ( m )
ρ = Massa jenis ( kg / m 3 )
μ = Viskositas dinamik ( kg / m.s )
2. 2. 3. Radiasi
Radiasi surya adalah Radiasi gelombang pendek yang diserap oleh plat penyerap
sebuah kolektor surya dan diubah menjadi panas. Oleh karena itu plat penyerap harus
memiliki harga α yang setinggi – tingginya dalam batas yang masih praktis. Plat
penyerap yang menjadi panas memancarkan radiasi termal dalam daerah panjang
gelombang yang panjang (infra merah) kerugian radiasi ini dapat dikurangi sehingga
sangat kecil dengan cara menggunakan permukaan khusus yang memiliki harga
absorpsivitas yang tinggi (α, tinggi) dalam daerah panjang gelombang pendek (Radiasi
surya) dan harga emisivitas yang rendah ( ε, rendah ) dalam daerah infra merah.
Permukaan semacam itu disebut permukaan selektif. Salah satu diantaranya adalah
khrom hitam (Black chrome) yang mempunyai harga α = 0.90 dan ε = 0.12.
Penukaran panas netto secara radiasi termak antara dua badan ideal ( Hitam )
adalah :
………………….( 2. 5 )
( )wattTTq 4
24
1 −Α−= σ
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Dimana σ = Stefan – Boltzman yang besarnya 5.67 x 10-8 w / m2 . k4
T = Temperatur mutlak Benda ( k )
A = Luas Bidang m2
Dalam praktek, permukaan bukan merupakan pemancar ataupun penyerap
yangsempurna dari radiasi termal. Permukaan (kelabu) warna tersebut dapat ditandai oleh
fraksi – fraksi dari jumlah ideal yang dipancarkan (ε, emisivitas ) dan diserap ( α,
absorbsivitas). Misalnya, perpindahan panas yang terjadi dalam sebuah kolektor surya
adalah perpindahan panas radiasi dari plat penyerap ke plat penutup kaca. Maka dapat
dilihat seperti berikut ini.
( )1
21
42
41
−+
−Α=
εε
τii
TTq……………………….. ( 2. 6 )
ternyata bermanfaat, Dimana = ε1 dan ε2 adalah emisivitas dari pelat – pelat penyerap
dan kaca.
2. 3. Tinjauan mekanika fluida
2. 3. 1. Viskositas
Viskositas merupakan sifat yang menentukan karakteristik fluida terhadap
tegangan geser. Viskositas dinamik didefenisikan sebagai perbandingan antara tegangan
geser dan laju regangan geser.
2. 3. 2. Posisi Matahari
Sudut zenit Ө diperlihatkan sebagai sudut antara zenit z, atau garis lurus dibawah
kepala, dan garis pandang ke matahari. Persamaan untuk sudut zenit dapat dirumuskan (
lit teknologi rekayasa surya hal 27)
Cos θz = Sin δ Sin Ø + Cos δ Cos θ Cos ω…………….( 2. 7 )
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
−
=365
28436045,23 nxSinδ
Dimana θz = Sudut zenith
δ = Deklinasi
Ø = Sudut lintang
ω = Sudut jam ( 15 o )
Catt : Deklinasi, ( δ ) Yaitu sudut yang dibentuk oleh matahari dengan bidang ekuator,
ternyata berubah sebagai akibat kemiringan Bumi dari +23,45 o musim panas ( 21 juni )
ke – 23,45 o di musim dingin ( 21 Desember ) harga deklinasi pada setiap saat dapat
diperkirakan dengan persamaan berikut ( lit teknologi rekayasa surya hal 28 )
..………………..( 2. 8 )
Dimana n Adalah hari dari tahun yang bersangkutan.
2. 3. 3. Radiasi pada bidang miring. Intensitas
Karakteristik dari permukaan pada radiasi bidang miring berbeda dari satu
tempat dengan tempat yang lainya. Komponen radiasi pada suatu permukaan miring yaitu
komponen sorotan IbT yang diperoleh dengan mengubah radiasi sorotan pada permukaan
horizontal menjadi masuk normal dengan menggunakan sudut zenit. Dan kemudian
mendapatkan komponen pada permukaan miring dengan menggukan sudut masuk.
Radiasi sprotan pada permukaan horizontal diperoleh dari selisih antara pengukuran
radiasi total antara pengukuran radiasi sebaran untuk lokasi tertentu.
Radiasi sorotan IbT pada permukaan miring dapat dihitung dengan radiasi sorotan
(terukur) Id pada sebuah permukaan horizontal perhitungan ini dapat dilakukan dengan
dua cara pertama dengan mendistribusikan radiasi sebaran secara merata diatas hemisfer
langit, kedua dengan meneliti sebaran berasal dari daerah langit dekat matahari,
komponen yang dipantulkan pada permukaan bidang miring IrT dapat dihitung apabila
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
refleksi dari permukaan disekitarnya dapat diketahui. Dari beberapa komponen yang
miring seperti yang diterangkan diatas dapat dilihat sebagai berikut.
( lit teknologi rekayasa surya hal 30 )
…………………...( 2. 9 )
Gambar 2-4. Radiasi sorotan setiap jam pada permukaan miring dari pengukuran Ib. Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 31.
Radiasi langsung : sudut masuk Intensitas radiasi langsung atau sorotan perjam pada
sudut masuk normal Ibn , dari gambar 2 – 4 dapat dilihat.
………………...( 2. 10 )
Dimana Ib adalah radiasi sorotan pada suatu permukaan horizontal dan cos θz adalah
sudut zenit yang ditentukan dari persamaan ….dengan demikian untuk suatu permukaan
yang dimiringkan dengan sudut β terhadap bidang horizontal ( Gambar 2. 4 ) intensitas
dari komponen sorotan ialah.
…………..( 2. 11)
rTdTbTT IIII ++=
θCosII b
bn =
z
TbTbnbT Cos
IIIθθθ coscos ==
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
( ) ( )ωφδφδ
ωβφδβφδcoscoscossinsin
coscoscossinsin+
−+−= IIbT
Dimana θT = Sudut masuk yang didefenisikan sebagai sudut antara arah
sorotan pada sudut masuk normaldan arah komponen 90 o pada
permukaan bidang miring
Apabila permukaan dimiringkan dengan suatu sudut β terhadap horizontal,
maka hal itu adalah sama dengan apabila bumi diputar dengan arah jarum jam sebesar
sudut β, dan permukaannya tetap berada pada kedudukan yang sama,
gambar….hubungan untuk θZ untuk garis lintang θ – β kemudian dapat digunakan untuk
permukaan yang dimiringkan pada garis lintang φ karena garis lintang ditentukan dari
bidang ekuator, maka kemiringan permukaan mengarah ke ekuator, yaitu bahwa
permukaan itu dimiringkan ke selatan bagi hemisfer bagian utara.
………...( 2. 12 )
Berikut ini dapat dilihat spesifikasi kolektor surya dan data suhu udara kota
medan sesuai dengan pemantauan Badan Meteorologi dan Geofisika Balai Wilayah satu
Polonia Medan.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Tabel 2 – 1 : Kelembaban udara, suhu udara dan kecepatan angin yang berhembus kota medan. Sumber : Badan Meteorologi dan Geofisika Kota Medan.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Gambar 2 – 5. Spesifikasi beberapa produk kolektor Surya Sumber : PT. Aditya Sarana Graha, Jakarta Pusat.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Gambar 2 – 6. Peruntukan dan peletakan kolektor Surya Sumber : PT. Aditya Sarana Graha, Jakarta Pusat
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
BAB III
ALAT DAN BAHAN
3. 1.Alat – alat
Dari hasil dan survey lapangan yang dilakukan di PT. Aditya Sarana Graha
Jakarta Pusat, dapat disimpulkan beberapa peralatan dan alat ukur yang digunakan
seperti dijelaskan berikut ini.
3. 1. 1. Thermometer Air Raksa.
Gambar 3. 1. Thermometer Air Raksa.
Alat ini digunakan untuk mengukur temperature air yang masuk maupun yang
keluar kolektor.
3. 1. 2. Thermo Couple
Gambar 3. 2. Thermo Couple
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Alat ini digunakan untuk mengukur temperature plat, yang dipanaskan oleh matahari
dengan posisi terletak pada plat kolektor surya. jenis yang digunakan adalah HY-1000-
PKMNR05 yang dapat mengukur temperature plat antara 0 – 200 oC
3. 1. 3. Anemometer.
Gambar 3. 3. Anemometer
Alat ini dgunakan untuk mengukur kecepatan angin yang berhembus disekitar
kolektor, yang dapat mengukur kecepatan angin dari 0,2 – 40 km/jam. jenis ini juga dapat
mengukur temperature lingkungan , pada pengoperasian antara – 20 – 80 oc.
3. 2. Bahan – bahan yang digunakan.
Secara prinsip koelektor surya berfungsi untuk mengumpulkan radiasi matahari,
dan mengubahnya menjadi energi panas. kemudian diteruskan ke fluida yang berada
didalam pipa-pipa kolektor. dapat ditunjukkan seperti pada pada gambar 3. 4. berikut ini
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Gambar 3-4 Kolektor surya plat datar
Adapun bahan – bahan yang digunakan antara lain
3. 2. 1. Plat absorbsi, digunakan untuk menyerap panas matahari yang dicat dengan
warna hitam pekat, karena secara prinsip warna hitam dapat menyerap panas
tanpa menimbulkan efek radiasi pantulan ke atmosfer kembali. Dengan
demikian penulis mencoba merancang alat yang akan di bentuk dengan ukuran
sebagai berikut :
a) Panjang Plat kolektor P= 1200 mm
b) Lebar Plat kolektor L= 365 mm
c) Tebal Plat kolektor T= 0,5 mm
3. 2. 2. Pipa Kolektor, Digunakan untuk memanaskan air yang berada dalam pipa,
bahan ini terbuat dari plat tembaga dengan ukuran sebagai berikut
a. Diameter Pipa kolektor D = 9 mm
b. Diameter dalam pipa kolektor d d = 8 mm
c. Panjang Pipa kolektor P = 1000 mm
d. Jarak Antara pipa kolektor = 92 mm
e. Jumlah pipa kolektor = 5 Buah
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
3 .2. 3. Isolator, Digunakan untuk mengisolir panas matahari yang ditangkap oleh
kolektor. Dalam pembuatan ini penulis menggunakan Glass Woll dengan
ukuran Sebagai berikut.
a. Panjang Isolator bagian bawah P = 1226 mm
b. Lebar Isolator bagian bawah L = 391 mm
c. Tebal Isolator bagian bawah T = 50 mm
d. Lebar Isolator Bagian Samping Depan = 10 mm
e. Lebar Isolator Bagian Samping Belakang = 10 mm
f. Lebar Isolator Bagian Samping Kir = 10 mm
g. Lebar Isolator Bagian Samping Kanan = 10 mm
3. 2. 4. Kaca Bening, Digunakan untuk mengurung suhu udara panas yang berada
didalam kolektor agar tidak keluar, dalam hal ini kaca penutup dibuat 2 lapis
dengan ukuran sebagai berikut.
1. Kaca Penutup I.
a. Panjang P = 1206 mm
b. Lebar L = 371 mm
c. Tebal T = 3 mm
2. Kaca Penutup II.
a. Panjang P = 1232 mm
b. Lebar L = 397 mm
c. Tebal T = 3 mm
3. Kaca Alas Bawah Plat Kolektor, digunakan untuk meminimalisir panas
yang keluar melalui plat bawah kolektor. Dengan ukuran sebagai berikut.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
a. Panjang P = 1200 mm
b. Lebar L = 365 mm
c. Tebal T = 3 mm
4. Kaca Penahan digunakan untuk menahan glas woll yang di letakkan di sisi
depan, belakang, samping kanan dan kiri dengan ukuran sebagai berikut :
5. Kaca Penahan Sisi Depan dan belakang
a. Panjang P = 1206 mm
b. Lebar L = 44 mm
c. Tebal T = 3 mm
6. Kaca Penahan Sisi kanan dan kiri
a. Panjang P = 371 mm
b. Lebar L = 44 mm
c. Tebal T = 3 mm
3. 2. 5. Kerangka Kolektor, digunakan untuk menyangga dan sebagai tempat peletakan
kolektor Surya terbuat dari bahan Aluminium dengan ukuran sebagai berikut.
a. Panjang ( Plat kolektor 1200 + Tebal Isolator 20 + Tebal kerangka 6). =
1232 mm
b. Lebar ( Plat Kolektor 365 + Tebal Isolator 20 + 6 ) = 397 mm
c. Tinggi T = 100 mm
3. 2. 6. Penyangga Kolektor. Digunakan untuk menahan kerangka kolektor surya
dengan sudut kemiringan 40 o C. dan panjang 1065 mm.
3. 2. 7. Penyangga Tangki. Digunakan untuk menahan tangki Air yang terbuat dari
plastic, dengan tinggi 1500 mm.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
BAB IV
ANALISA PERHITUNGAN
Radiasi surya yang tersedia diluar atmosfer bumi seperti yang diungkapkan oleh
konstanta surya sebesar 1353 W/m2 dikurangi intensitasnya oleh penyerapan dan
pemantulan atmosfer sebelum mencapai permukaan bumi/ozon di atmosfer. penyerap
radiasi dengan panjang gelombang pendek ( Ultra Violet ) karbon dioksida dan uap air
yang menyerap sebagian radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang (
Inframerah). Selain pengurangan radiasi bumi yang langsung atau sorotan oleh
penyerapan tersebut, masih ada radiasi yang dipancarkan oleh molekul – molekul gas,
debu dan uap air ke atmosfer sebelum mencapai bumi sebagai radiasi sebaran.
Pengukuran berikutnya terjadi apabila permukaan penerima radiasi itu tidak pada
kedudukan tegak lurus sorotan radiasi yang masuk. Sehingga dapat diketahui dengan
rumus stefan-boltzmann σ, dimana Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari
Es, temperatur permukaan absolut Ts4
dan luas permukaan π ds2. ( lit Teknologi Rekayasa
Surya. Hal 16 )
WTdE SSS42σπ= ………………………….( 4. 1 )
Dimana
Ts = Temperature permukaan ( K )
ds = Diameter matahari ( m )
Pada radiasi ke semua arah, energi yang di Radiasikan mencapai luas permukaan Bola
dengan matahari sebagai titik tengahnya. jari – jari R adalah sama dengan jarak rata – rata
antara matahari dan bumi. Sehingga dapat diketahui luas permukaan bola adalah 4 π R2,
( )428 ./1067.5 KmWx −=σ
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
dan fluksa Radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut yang dinamakan
Iradiansi, menjadi
22
42
/4
mWRTd
G ssσ= ........................................( 4. 2 )
Dengan garis tengah matahari 1.39 x 10 9 m, temperatur permukaan
matahari 5762 K, dan jarak rata – rata antara matahari dan bumi sebesar 1.5 x 10 11 m,
maka fluksa Radiasi persataun luas dalam arah yang tagak lurus pada radiasi tepat diluar
atmosfer bumi adalah :
Harga G ini disebut konstanta surya, G sc. Pengukuran yang baru-baru ini
dilakukan oleh pesawat antariksa telah membenarkan harga G sc ini, yang kemudian
telah diterima oleh NASA sebagai standar. Tabel 4 -2 memuat konstanta surya dalam
satuan lain. Satuan langley sama dengan 1 kalori/cm2 adalah satuan yang umumnya dapat
dijumpai dalam beberapa literatur mengenai radiasi surya seperti diungkapkan Duffie, J.
A, Beckman, W.A. Solar Energi thermal process. Perlu dicatat di sini, bahwa karena 1
kalori = 4.187 Joule, maka 1 langley = 1 kalori / cm2 = 0.04187 MJ/m2 sebuah faktor
konversi yang sering digunakan.
Tabel 4. 1 Satuan lain untuk GSC lit Teknologi Rekayasa Surya hal 17
( ) ( ) ( )( )
2
2211
443229428
/1353105.14
10762.51039.1./1067.5
mWmxx
KxxmxxKmWxG
=
=−
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Gambar 4. 1 Konstanta Surya. Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya hal 17
Dapat dilihat seperti pada tabel 4 – 2 berikut ini bahwa kenyataan konstanta solar
didasarkan atas suatu satuan luas pada arah sinar matahari. Konstanta ini sangat
bermanfaat sebagai batas teoritis dari ketersediaan energi surya dibumi, dan dalam
penaksiran komponen radiasi sebaran dan apabila radiasi ini di ukur secara terpisah maka
dapat ditentukan bahwa Bilangan 1 sun didefenisikan sebagai 1000 W / m2 dan kadang –
kadang digunakan untuk menunjukkan harga kira – kira energi surya maksimum praktis
yang tersedia di permukaan bumi.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Tabel 4 – 2. Data Radiasi Global yang khas ( Radiasi pada permukaan Horizontal) Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 21
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Dari rangkaian tersebut di atas dan seperti yang dijelaskan pada Bab 3 maka pada
analisa perhitungan dapat diketahui bahwa besarnya energi Energi Radiasi yang dapat
diserap oleh oleh plat penyerap adalah. ( Lit Kolektor Surya Prismatik, Jurnal Teknik
Mesin. Univ Kristen Petra. Vol 2 no 1.)
Qin = α . IT. Ac
= 0.9x 56.0x438.0
= 220.75 W/m2
Dimana α = Absorbsivitas plat penyerap
IT = Intensitas Surya ( W/m2)
Ac = Luas plat penyerap ( m2)
Karena panjang pipa = 1000mm dan D = 8 mm maka, volume air didalam pipa kolektor
adalah πd2 = 3.14 x 82 = 200.96 x 1000 = 2009.6 x 5 buah pipa = 100.480 = 10. 48 cm.
diperkirakan untuk 5 buah pipa dapat menampung air sebanyak 1 liter.
besarnya energi yang dapat diserap oleh plat Kolektor surya adalah sebesar : 220.75
W/m2 dan temperature air masuk 24 oC
Energi Yang hilang dari kolektor.
Mekanisme kerugian panas dari plat penyerap seperti ditunjukkan dalam gambar
berikut panas hilang dari bagian atas plat penyerap karena konveksi alam dan karena
radiasi ke permukaan dalam dari plat penutup kaca ( Sebagaian dari radiasi tersebut akan
hilang melalui kaca penutup namun dalam hal ini hal tersebut akan diabaikan) plat
konduksi ini akan di konduksikan oleh plat kaca ke permukaan luarnya, kerugian panas
ini dinamakan kerugian panas atas ( top loss ) dan dinyatakan dengan ( lit Teknologi
Rekayasa Surya, Wiranto Arismunandar. Hal 46 )
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
2/)( mwTtUt ap −= …………………………( 4. 3 )
Dimana Ut : Koefisien kerugian panas, W/ ( m2.K )
Tp : Temperatur Plat co
Ta : Temperatur Lingkungan co
Gambar 4 – 2 Kerugian Panas kolektor Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya hal 47
Kebalikan dari Ut, 1/U adalah jumlah tahanan terhadap perpindahan panas dari
plat ke lingkungan yang dinyatakan oleh sirkuit seri paralel sederhana seperti ditubjukkan
dalam gambar 4 – 2.dalam sirkuit ini hl = koefisien konveksi ( alam ) dalam hri =
koefisien radiasi ( Ekivalen ) Dalam, R ( kaca ) harga R dari kaca, Tebal / konduktifitas
termal = t/k, m2.K / W, ho = koefisien konveksi luar, hro = koefisien radiasi ( Ekivalen )
Luar. Dimana satuan satuan untuk koefisien radiasi adalah W/ ( m2.K ). Karena dalam
satu sirkuit paralel konduktansi – konduktansi dijumlahkan, dan dalam suatu sirkuit seri
tahanannya dijumlahkan, maka tahanan total dapat di tulis ( lit Teknologi Rekayasa Surya
hal 47 )
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
rooril hhkacaR
hhUtl
+++
+=
1)(1 ….………………( 4. 4 )
Dimana : h1 = Koefisien Konveksi ( Alam ) dalam
Hri = Koefisien radiasi ( Ekivalen ) dalam
R ( kaca ) = harga R dari kaca, tebal / konduktivitastermal t /k.m2
Ho = Koefisien konveksi luar.
Hro = Koefisien radiasi ( Ekivalen ) luar.
Dimana koefisien konveksi alam h1 antara plat – plat miring yang dipanasi dari
bawah telah dikorelasikan oleh hollands dan lain – lain untuk sudut miring antara 0o dan
70o. koefisien tersebut dapat dilihat dalam gambar dibawah ini dan dinyatakan sebagai
fungsi dari sela z antara plat penyerap dan penutup kaca dengan sudut miring sebagai
parameter, serta fungsi – fungsi φ 1, φ 2, dan φ 3 didefenisikan sebagai berikut.
Gambar 4 - 3 Sirkuit untuk tahanan perpindahan panas melalui bagian atas kolektor. Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 48
Dalam hal ini penulis memuat koefisien plat konveksi dalam hi antara sebuah plat
penyerap pada TP = 100oC dan sebuah penutup kaca TC = 23o
C. pada sela z antara plat dan
penutup adalah z = 35 mm dan sudut miring adalah 40oC terhadap horizontal- serta
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Temperatur rata – rata. Tm = ( TP+TC )/2 k. =( 373 + 296 )/2 = 334.5 k, maka dapat dilihat
sebagai berikut.
925.05.334)2005.334(
137
)200(
1372
13
12
13
11 =+
=+
=xxTT mm
φ
157.150
296373502 =
−=
−=
TcTpφ
837.05.334
)2005.334(1428)200(14282
32
2
32
3 =+
=+
=m
m
TTφ
Berikut di jelaskan gambar koefisien konveksi alam h, dalam celah udara sebagai fungsi
dari jarak celah z dengan sudut miring β sebagai para meter.
Gambar 4 - 4 Koefisien konveksi alam h, dalam celah udara sebagai fungsi dari jarak celah z dengan sudut miring β sebagai para meter. Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 49
Karena itu 32φφz = 35 x 1.157 x 0.837 = 2.42 dari gambar 4 – 3 hl / 35.321 =φφ dan h1 =
3.35 x 0.925 x 1.157 = 3.59 W / ( m2k ) Koefisien Radiasi dalam ekivalen hri antara plat
penyerap pada 100oC dan penutup kaca pada 23o
C dan emisivitas penyerap adalah εP =
0.1 dan emisivitas kaca εg = 0.88
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Maka koefisien radiasi dalam adalah :
)./(848.0)296373(1
88.01
1.01
)296373)(1067.5(
)(11( 2
44844
Kmx
TTiTT
h
CPCP
Cpri =
−
−+
−=
−
−+
−=
−
εε
σ
Jika koefisien Radiasi dalam adalah 0.848/m2.k maka tahanan thermal kaca jika
harga R dari kaca [ k = 105 w/ ( m.K )] karena tebal kaca yang digunakan adalah 3 mm
maka dapat di ketahui konduktivitas termal kaca adalah
wkmktkacaR /.00286.0
05.1003.0)( ===
Koefisien konveksi luar kolektor yang dinyatakan dengan ho dengan kecepatan angin
adalah 5.0 m/s
)./(7.24)0.5)(8.3(7.58.37.5 2 KmWVho =−=−=
Untuk koefisien Radiasi luar ekivalen, dimana temperature
langit KxTT alangit 2632830552.0)(052.0 23
23
=== dan temperatur luar Ta = ko dan
temperatur lingkungan, co30 ( Kota Medan )
)/()( 2
44
KmWTT
TTh
langit
langitcCro −
−=
σε
)./(373.4
263296)263296)(1067.588.0(
2
448
KmW
xx
=−
−=
−
Maka tahanan total perpindahan panas adalah
)373.47.24(1
263.0034.000452.0225.0
00452.0)848.059.3(11
++
=−+=
++=
tU
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Dan koefisien kerugian atas adalah Ut = 3.80 W / ( m2.K ) dan kerugian kalor
total UL ditentukan dengan menambahkan koefisien kerugian kalor dari bawah kolektor
pada Ut atau UL = Ub + Ut. Dimana Ut, Koefisien kerugian kalor atas (W/m2.K )
Ub, Koefisien kerugian kalor bagian bawah (W/m2.K) Ul, Kerugian kalor total
(Watt/m2.K) apabila bagian bawah dari kolektor ditutup dengan isolasi papan kaca serat (
Glass woll ) setebal 50 mm dan kerugian panas dari samping dapat diabaikan maka harga
R untuk isolasi adalah
)./(85.0
162.1043.0
0500.0
2 KmWUdan
WattR
b =
==
Maka kerugian kalor total adalah
)./(65.485.080.3 2 KmWU L =+=
Karena temperature Tp dari plat penyerap berubah – ubah sepanjang dan melintang plat
tersebut maka persamaan perolehan panas kolektor dan persamaan efisiensi biasanya
dinyatakan sebagai fungsi dari temperature fluida masuk, yang relatif mudah dikontrol
dan di ukur selama pengujian dan pengoperasianya. Langkah pertama untuk mencapai hal
tersebut adalah menggunakan efisiensi sirip F. berdasarkan temperature dasar Tb dalam
bagian ini diperkenalkan faktor efisiensi F yang memungkinkan penggunaan temperature
fluida rata – rata sehingga persamaan perolehan panas didasarkan atas temperarture fluida
masuk Ti dengan memasukkan faktor pelepas panas FR. perolehan panas melalui lebar
sirip adalah ( lit Teknologi Rekayasa Surya, hal 53 )
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
[ ])()(2 abLT TTUFFds
−−=
− σα ……………………( 4. 5 )
Perolehan panas melalui lebar plat kolektor s seperti ditunjukkan berikut ini ( lit
Teknologi Rekayasa Surya, hal 53 )
[ ])()()[( abLT TTUGDFds −−+− σα ……………( 4. 6 )
Apabila radiasi yang diserap GT (σα) untuk sesaat dibuat sama dengan nol maka aliran
panas dapat ditulis sebagai berikut.( lit Teknologi Rekayasa Surya, hal 53 )
( )[ ]dFdsU
TT
L
ab
+−
−1
………………………( 4. 7 )
Dimana tahanan terhadap aliran dalam sirip adalah. ( lit Teknologi Rekayasa Surya, hal
53 )
( )[ ]dFds +−1 …………………………( 4. 8 )
Tahanan dari perekat solder. ( lit Teknologi Rekayasa Surya, hal 53 ).
kb1 ……………………………….( 4. 9 )
Gambar 4-5 Aliran panas ke dalam cairan Sumber : Jurnal Teknik Mesin, Universitas Kristen Petra, hal 26
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
Dimana b adalah panjang perekat dan l adalah tebalnya perbandingan kb/l disebut
konduktansi perekat /cb. tahanan terhadap aliran panas antara pipa dan fluida adalah
idh .1π
……………………………..( 4. 10 )
Dimana h adalah koefisien konveksi fluida dan di adalah diameter dalam pipa
Rangkaian tahanan dalam seri untuk sirip dan pipa ditunjukkan seperti gambar berikut
Gambar 4 - 6 Rangkaian tahanan thermal
Shingga perolehan panas fluida menjadi.( lit Teknologi Rekayasa Surya, hal 54 )
[ ] ibL
aF
dhl
kdFdsU
TT
π11
)(1
+++−
− ……………………( 4. 11 )
Pipa yang memiliki temperatur yang uniform Tf, yang akan mengurangi kerugian
panas sehingga menjadi minimum maka perolehan panas fluida untuk sirip dengan lebar
mencapai maksmum yaitu.( lit Teknologi Rekayasa Surya, hal 54 )
UL
TTs af
1)( −
……………………………( 4. 11 )
Untuk faktor efisiensi pada plat kolektor penyerap radiasi surya yang dibuat oleh
penulis adalah tembaga dengan tebal ( t = 0.5 mm ) dengan 5 buah pipa tembaga paralel
dengan ukuran D = 9 mm dan d = 8 mm dengan jarak antar pipa adalah 92 mm dan
panjangnya 1000 mm, laju aliran dalam pipa 0.020 kg/s, dan UL = 4.0 W/( m2.K )
konduktifitas dari sambungan solder ialah 50 W/ ( m.K ) dan tebal perekat adalah 0.10
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
mm dan temperatur fluida Tf = 100 o C Seperti pada gambar di atas ( Rangkaian tahanan
thermal )
48.02
1438.010254385
402
)(6 ==
−−xx
dskU L
δ
Dan efisiensi sirip adalah
93.048.0
48.0tanh==F
Dari Persamaan ( 4. 8 )Tahanan Sirip adalah
[ ]WKm
ddsFU L
/.756.1]0086.0)1438.0(93.0[0.4
1)(
1
=−
=+−
Dari persamaan ( 4. 10 ) Konduktansi perekat adalah
)./(428510.057.850 KmWx
lkC b
b ===
Atau tahanannya adalah
WKmCb
/.0002.01=
Viskositas dinamik µ pada 100oC adalah 4.71 x 10-4 pa.s laju aliran massa pipa per jam m
= 0.020 / 6 =3.3 x 10-3 kg/ s, dinyatakan dalam bilangan reynolds adalah 4m/πdi µ atau
14051071.41035.6144.3
103.34Re 43
3
== −− xxxxxx
Biangan prandtl ialah
03.3651.0
1071.44184Pr4
===−xx
kCpµ
Maka dapat diketahui bilangan nusselt rata – rata adalah
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
)./(46100635.0
651.05.4 2 KmWxdkNuh
i
===
Maka tahanan thermal fluida ke dinding pipa adalah
WKmxxdh i
/.109.000635.014.3461
11==
π
Tahanan thermal total adalah
WKm /.865.1109.00002.0756.1 =++
Faktor efisiensinya adalah
88.0865.11524.0
0.41
==x
F
Gambar 4-7 Suatu deretan kolektor seluas 562 m2 berisi 288 kolektor untuk memasok air panas bagis sebuah pabrik kapsul gelatin. Sumber : Wiranto Arismunandar, Teknologi Rekayasa Surya, hal 57
LkUb =
Dimana Ub : Koefisien kerugian kalor bagian bawah(Watt/m2.K)
K : Konduktifitas kalor dari osolator
L : Tebal Isolator yang digunakan
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
3235
43
60
70 7275
8075
62
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Waktu Pengamatan
Tem
pera
tur (
o C)
Data hasil pengujian.
Tabel 4 – 3 Temperature Plat, Temperature lingkungan, kecepatan angina yang berhembus disekitar kolektore dan kondisi cuaca
Grafik 4 – 1 Temperatur Air keluar pada pngujian tiap jam, pada temperature awal 24 o C
pada suhu awal 27 oC
Jam
TP (o
C)
TL
(oC )
Temperatu
re Air masuk ( oC )
Temperat
ure Air keluar
( oC)
Intensitas
Surya W/ m 2
Kecepatan angina yang berhembus disekitar kolektor m/s
Kondisi Cuaca
8 32 26,9 24 32 8 0.3 Cerah 9 35 27.6 24 35 11 0.3 Cerah
10 43 28.7 24 43 19 0.3 Cerah 11 60 34.8 24 60 36 1.6 Cerah 12 70 37 24 70 46 0.5 Cerah 13 72 35.5 24 72 48 0.4 Cerah 14 75 36 24 75 51 0.7 Cerah 15 80 33.4 24 80 56 0.7 Cerah 16 75 32.9 24 75 51 0.5 Cerah 17 62 32.1 24 62 38 0.5 Cerah
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
3235
43
60
70 7275
8075
62
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Waktu Pengamatan
Tem
pera
tur (
o C)
Grafik 4 – 2 Temperature Plat kolektor pada pengujian tiap jam dengan waktu pengujian dari pukul 8.00 hingga pukul 17.00 sore hari.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
BAB V
KASIMPULAN
Kolektor Surya plat datar yang dibuat adalah pemanas air yang dapat digunakan
untuk berbagai keperluan baik untuk mandi mencuci baik dalam skala kecil maupun skala
besar seperti yang digunakan beberapa rumah tangga, industi, perhotelan dan rumah sakit
dll.
Berdasarkan perencanaan dan hasil perhitungan, maka dapat diambil kesimpulan
sebagai berikut :
1. Jenis Pemanas : Kolektor Surya Plat Datar.
2. Ukuran :
1. Panjang : 1232 mm
2. Lebar : 397 mm
3. Tinggi : 100 mm
3. Temperature Air masuk : 24 oC
4. Temperature Air Keluar mencapai : 70 oC
5. Kapasitas pemanasan : 1 liter / jam
6. Waktu Pemanasan : Pukul 8.00 s/d 16.00 wib
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
7. Air yang dipanaskan : Air Bersih.
8. Energi yang diserap plat kolektor : 220.75 w/m2
9. Tahanan total perpindahan panas : 0.263 W/m2
10. Kerugian kalor total : 4. 65 W/ (m2.K)
Dari hasil pengujian yang dilakukan perlu diperhatikan beberapa faktor yang dapat
mengurangi panas yang diterima oleh plat kolektor, seperti terjadi pada bagian badan
kerangka, yang banyak celah dan lubang – lubang kecil sehingga panas konveksi yang
dipantulkan kembali oleh kaca penutup ke plat kolektor dapat berkurang sehingga panas
air yang diharapkan tidak sempurna.
Nesten M. Marbun : Rancang Bangun Sebuah Pemanas Air Tenaga Surya Dengan Menggunakan Kolektor Surya Plat Datar, 2010.
DAFTAR PUSTAKA
Kreith, F., Kreider, J.F., Principles os Solar Engineering. New York: Harper & Row
Publisher, 1973
Wiranto Arismunandar, 1985: TeknologiRekayasa Surya, edisi pertama, PT Pradnya
Paramita, Jakarta.
Zainuddin, Dahnil, Teknik Energi Surya, Fakultas Teknik Universitas Andalas, Padang
J.P. Holman, Perpindahan Kalor Edisi Ke enam, alih bahasa, Ir. E. Jasjfi M.sc. Lemigas Erlangga,
1997, Jakarta.
Sutoyo, 1990, Pengujian Kalor Thermal, Tugas Akhir, ITS – Surabaya.
Top Related