rancang bangun alat konversi energi surya menjadi energi mekanik

RANCANG BANGUN ALAT KONVERSI ENERGI
SURYA MENJADI ENERGI MEKANIK
Yazmendra Rosa(1), Rino Sukma, (1)
(1)
Laboratorium Refrigerasi & Pengkondisian Udara, Jurusan Teknik Mesin
Politeknik Negeri Padang
ABSTRACT
A solar collector chimney model has been studied. The appliance of convert solar energy
become mechanic energy by heated the air at collector resulting the forming of air stream
naturally, which able to turn around turbine in the chimney. Solar energy is the nature
source of energy with character: unpollutant, free of charge and also continuous all day
long. The change of air density because of temperature changes will result air emit a
stream naturally to the lower temperature place and hot weather will ride on to chimney.
Examination have conducted in air-gap broadly, the surface of collector 1 m2, high of
chimney 1 m and diameter 7,5cm (PVC 3"). The result showed that turbine which is
attached by a chimney at output of collector could rotate. It’s means that solar energy can
turn into mechanic energy with rotation equal to mean 110 rpm. With this wide of collector
was obtained the increase of secretory air temperature of collector equal to mean 15oC.
Keywords: 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 kita rencanakan
sebuah alat transfer energi misalkan fan yang
berputar tentu dapat merubahnya ke energi putaran.
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 [1,3,4].
Jika kolektor pelat datar surya digunakan mempunyai
efisiensi 55% [1,3,4] untuk menghasilkan udara panas
sehingga diperoleh energi 400 Watt/m2. Energi
sebesar ini dilakukan transfer energi ke energi
mekanik dengan menghasilan putaran fan, jika
diasumsikan saja efisiensi 10% maka diperoleh
energi 40 watt/m2 radiasi surya.
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[2].
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
Pemanfaatan sumber energi surya menjadi energi
mekanik putaran dengan menggunakan kolektor pelat
datar yang dapat menghasilkan aliran fluida. Aliran
fluida karena perbedaan temperatur oleh kolektor
dialiarkan melewati turbin sehinga menghasilkan
energi mekanik.
Penelitian ini bermanfaat sebagai alternatif energi
baru dalam membudayakan hemat energi dan
pemanfaatan sumber energi ramah lingkungan
dengan keuntungan Indonesia berada di khatulistiwa
yang menerima surya sepanjang hari dan kontiniyu.
Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa)
1.3 Batasan Masalah
Alat konversi energi surya ke energi mekanik
dirancang skala kecil untuk tahap pengujian
laboratorium. Kolektor pelat datar dengan fluida
kerja udara dirancang dalam penelitian ini serta
dilakukan pengujian dengan mengasumsikan
kecepatan udara lingkungan, penyebaran intensitas
radiasi pada permukaan absorber merata dan laju
aliran massa udara tetap
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.
dimana C dan Fss adalah
perbandingan antara radiasi
radiasi surya langsung yang
horizontal dan faktor sudut
langit
Untuk mencari harga Fss dirumuskan:[14]
Fss 




Posisi surya
Lokasi permukaan.
Hari dalam tahun.
Keadaan
cuaca
permukaan.
Radiasi yang mengenai suatu
mengalami tiga proses yaitu:
1.
 
2.
3.
kemiringan
A
B
(
)
sin 
- 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]
... (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.
I  , absorb
I  ,tot
 
I  ,ref
I  ,tot
Koefisien Transmissivitas adalah ratio antara
kemampuan suatu material untuk meneruskan
radiasi matahari yang terjadi dengan total yang
 
I  ,trans
I  ,tot
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.
The American Epherimes and Naval Almanac
merumuskan:[13]
  23,45 Sin (
Harga dari komponen radiasi diffusi[11],
I DS  C I DN Fss
akan
2.1.2 Geometri Surya
... (1)
dengan,
I io  I DN cos   I DS  I r
material
Koefisien Reflektivitas adalah ratio antara
radiasi yang dipantulkan dengan radiasi yang
terjadi,
Besarnya radiasi langsung yang diterima dari
matahari yaitu:[14]
I DN 
... (4)
Absorbsivitas yaitu kemampuan suatu material
untuk menyerap beberapa bagian dari total
radiasi yang terjadi pada permukaan material,
terjadi.
dan
1  cos  2
2
dimana  2 adalah sudut kemiringan permukaan
terhadap bidang datar di bumi. Dalam perhitungan
biasanya komponen Ir bukanlah komponen utama.
2.1.1 Radiasi Surya
Radiasi surya yang diterima oleh permukaan bumi
tergantung pada hal-hal berikut:
masing-masing angka
surya difussi dengan
jatuh pada permukaan
antara permukaan dan
... (3)
360
(284  n))
365
... (5)
dimana:
n = hari ke berapa dihitung dari tanggal 1 Januari
55
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 5, No.2,Desember 2008
Collector site at latitude 

ISSN 1829-8958
Eglob
Ereff
Surya
Equatorial plane

Tin
Tout
Polar axis
QL
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.
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  ) 
Gambar 2 Kesetimbangan energi pada kolektor
Persamaan kesetimbangan energi pada kolektor:
Qa  Qu  Ql  Qs
... (10)
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
... (7)
cos  (cos  cos   sin  sin s cos  cos   sin s sin  sin  )
2.2 Kolektor Energi Surya
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)
maka temperatur udara keluaran dapat dihitung
dengan persamaan:
Tko 
Qu

 Tkin
Gambar 3 Prinsip solar chimney
... (9)
m cp
Komponen kolektor pelat datar adalah:
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.
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
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.
56
Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa)
Power output yang dapat dihasilkan oleh sistem ini
adalah


P  Q solar . coil . tower . turbin  Q solar . plant (11)
Perbedaan tekanan yang terjadi antara cerobong
(tower) dan keluaran kolektor serta lingkungan
diperoleh dengan hubungan:
H tower
ptot  g .
... (12)
0
p tot  p s  p d
... (13)
dimana
gesekan diabaikan,
p s = perbedaan tekanan statik,
... (14)
Maka efisiensi cerobong (tower) adalah:
Ptot
... (15)

Q
Tanpa turbin , kecepatan maksimum ( vtower ,max ),
yang dikonversi ke energi kinetik adalah:
1  2
m v tower ,max
2
... (16)
4 Asumsi awal kolektor pelat datar mempunyai
efisiensi 45%[1,3,4]
5 Lokasi penelitian kota Padang, 0oLS dan 100o BT,
serta ketinggian ±8 meter dari permukaan laut.
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.
Menggunakan persamaan Boussinesq (Unger, 1988):
vtower ,max  2.g.H tower .
1 Kondisi udara masuk ke kolektor, Tkin = 33 oC =
306 K
3 Intensitas radiasi matahari, Eglob. = 900 watt/m2.
Dengan total perbedaan tekanan dan laju aliran udara
pada p s  0 maka daya Ptot dari aliran diperoleh:
Ptot  ptot .vtower ,max . Acoil
Parameter yang merupakan dasar dari perancangan
kolektor adalah:
2 Kondisi udara keluar dari kolektor, Tkout= 69 oC
= 342 K[1,3,4]
p d = perbedaan tekanan dinamik
Ptot 
Perencanaan kolektor yang akan dibahas meliputi
pelat absorber, penutup transparan, isolasi, saluran
udara dan rangka kolektor. Pertimbangan yang perlu
diperhatikan dalam perencanaan yaitu: ekonomis,
produktifitas tinggi, mudah pembuatan, kuat dan
mudah dioperasikan.
3.2 Dasar Idealisasi dan Data Perencanaan
  a   tower .dH
 tower 
radiasi surya di serap, kemudian di lalui fluida kerja
udara sebagai pembawa energi panas.
T
T0
... (17)
 Laju aliran massa udara
 Kecepatan udara lingkungan.
 Isolasi dan mutu pembuatan kolektor.
3.3 Perancangan Kolektor Pelat Datar
dimana
T = Perbedaaan temperatur yang terjadi antara
3.3.1 Perancangan Pelat Absorber
keluaran kolektor (in tower) denagn lingkungan
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:
Sedangkan menurut persamaan (Schlaich 1995)
efisiensi cerobong adalah:
 tower 
g.H
c p .T0
... (18)
 Absorbsivitas tinggi ()
3. METODE PENELITIAN
 Emisifitas panas rendah ()
3.1 Pendahuluan
 Kapasitas panas kecil (Cp).
Kolektor surya adalah alat untuk mengkonversikan
energi surya ke dalam energi panas. Pada absorber,
 Konduktifitas besar (k)
 Refleksi rendah ()
57
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 5, No.2,Desember 2008
ISSN 1829-8958
 Tahan panas dan tahan korosi
3.3.3 Perancangan Isolasi.
 Kaku dan mudah dibentuk
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:
 Harga murah
Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk pelat
pengumpul yaitu: aluminium, tembaga, kuningan,
dan baja. Dalam perancangan ini digunakan
aluminium sesuai pertimbangan di atas.
Luas kolektor 1m2 untuk skala kecil pengujian dan
efisiensi kolektor awal diasumsikan 45 %, sehingga
didapat daya energi panas yang dapat dimanfaatkan
adalah
Qu  Ak E glob .  1 m .900 W
2
m2
. 0,45  405 W
Aluminium yang digunakan mempunyai ketebalan
0,3 mm. Permukaannya dilakukan pelapisan dengan
cat semprot hitam kusam (Pylox Black Flat Paint
109A), 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 ()
 Mudah dibentuk dan praktis
 harga murah
 Tahan lama.
Bahan yang biasa digunakan untuk isolasi yaitu:
gelas wol, silika aerogel, serbuk gergaji, kapuk, asbes
semen, dan gabus. Berdasarkan sifat di atas maka
digunakan gabus yang mempunyai konduktifitas
termal, k = 0,048 W/m 0 C, dengan ketebalan 4 cm.
3.3.4 Perancangan Rangka
Fungsi rangka adalah tempat kolektor membentuk
sistem yang bermanfaat. Untuk itu rangka diperlukan
sifat-sifat antara lain:
 Kuat dan kaku.
 Tidak terlalu berat.
 Mudah dibentuk dan dibuat.
 Tahan lama.
 Absorsivitas rendah ()
3.4 Keseimbangan Energi Pada Kolektor
 Refleksivitas rendah ()
Suatu sistem dianalisa dengan keseimbangan energi,
dimana keseimbangan energi selalu tetap. Persamaan
keseimbangan energi adalah:
 Tahan panas
 Murah dan kuat
Hubungan radiasi yang terjadi pada kaca dapat dilihat
pada pada “Gambar (4)”
Qa = Qu + Ql
... (19)
dengan,
Qa = laju radiasi surya yang dapat diserap oleh
pelat absorber.

Eglob
 Konduktifitas termal bahan (k) kecil.
Qu = Laju perpindahan panas dari pelat absorber
ke fluida udara (energi yang berguna).

Ql = Laju kehilangan energi dari kolektor ke
lingkungan.

Pada keadaan stedi tidak ada penambahan energi
dalam (U=0)
Gambar 4 Radiasi yang terjadi pada kaca
3.4.1 Laju Aliran Energi yang digunakan (Qu)
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 / m  765 Watt / m
2
2
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:

Qu =
m Cp (Tout - Tin)
... (20a)
58
Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa)


 T ~) ...(20c)
Qu  Ak Fr (  ) E glob  k eff (Tin  T ~) ...(20b)

Qu  Ak F ' (  ) E glob  k eff (Tr
dengan,
Fr
F’
Persamaan panas yang dapat diserap oleh kolektor,
Qa menjadi:
Qa  E glob . Aa . .
... (22)
Dengan mengunakan ”Persamaan (22)” di dapat:
= Faktor transpor panas kolektor, (0,5 - 0,8)
= Faktor efisiensi kolektor, (0,8 - 0,9)
[9]
[6]
Berdasarkan ”Persamaan 20a”, didapat laju aliran
massa udara:

743,85 Watt.
.
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].
m
Qa 1m 2 (0,87 0,95).900W / m 2
0,405
 0,011 kg
s
1,0102 x 36
3.4.3 Rugi-rugi Panas Pada Kolektor.
Panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan
dipengaruhi oleh koefisien perpindahan panas total,
luas pelat absorber dan beda temperatur absorber
dengan lingkungan. Panas yang hilang dari kolektor
ke lingkungan terjadi pada tiga sisi kolektor yaitu:
bagian bawah, samping dan atas kolektor. Jumlah
total rugi panas secara ke seluruhan ke lingkungan
adalah:
3.4.2 Laju Energi yang Diserap (Qa).
Kemampuan sistem kolektor untuk menerima radiasi
surya menjadi panas dipengaruhi oleh harga
transmisivitas (), kaca penutup dan harga
absorpsivitas (), dari pelat absorber.
Pengaruh transmisivitas () dan absorpsivitas ()
bahan disebut dengan
transmittance-absorptance
product (). Proses radiasi yang sampai ke kolektor
dapat dilihat pada ”Gambar (5)”. d ialah harga
refleksifitas dari kaca penutup.
QL = F’ UL Ak (Tr - T~)
... (23a)
QL = Fr UL Ak (Tin - T~)
... (23b)
- Rugi Panas Melalui Belakang.
Panas yang hilang pada bagian belakang dipengaruhi
oleh lapisan isolasi berupa luas, konduktifitas dan
ketebalan isolasi. Lapisan yang digunakan dapat
dilihat pada ”Gambar (6)”
Ta
R1
R2
Ta
gabus
Kaca
(1-)

triplek
pelat baja seng
h
triplek
R3
Tb ~
(1-)2d
R4
(1-)2d2
(1-)d
R5
Tb ~
d
(1-) d
(1-)2 d2
Gambar 5 Radiasi matahari yang jatuh pada sistem
kolektor
Persamaan transmittance absorptance product ialah :
 = .
*

 1   .  
n 0
d
N
 .
...(21)

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.
Gambar 6 Bahan isolasi bagian belakang kolektor
Koefisien perpindahan panas keseluruhan melalui
bagian bawah adalah:[5]
Ub 
Ab
1
(T  T )
.
. a b ~ ... (24)
Ak t1  t2  t3  t4  1 (Ta  T~ )
k1 k2 k3 k4 hb
dengan,
Ab
= luas permukaan bagian belakang.
Ak
= luas kolektor.
t1
= tebal bahan
h
= koefisien konveksi bagian bawah kolektor
59
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 5, No.2,Desember 2008
=5,7 + 3,8 (1,5)= 11,4 W/m2 oC.
- Total Rugi-rugi Panas Pada Kolektor
o
T b~
= Temperatur belakang kolektor , C.
T~
= Temperatur lingkungan, oC
Qtotal  Fr . Ak (U f  U b  U s ).( Tin  T ~) ... (26a)
Kehilangan panas bagian bawah ”Persamaan (24)”
adalah U b 1,03818W / m 2 oC
- Rugi Panas Melalui Bagian Atas.
Pada bagian atas terjadi perpindahan panas konduksi,
konveksi dan radiasi seperti terlihat pada “Gambar
(7)” Koefisien perpindahan panas total melalui
bagian atas kolektor dapat dirumuskan:[5]
Af 
R .R 
Uf 
 Rk  c r 
Ak 
Rc  Rr 
1
 Ta  Tf ~ 

 ... (25)
 Ta  T ~ 
Rk = tahanan termal konduksi kaca.
Rk =

k kaca
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:
Qin  E glob . Ak

F '. E glob . Ak .  U L Ak (Tr  T ~)

 ... (27a)
E glob . Ak

Fr . E glob . Ak .  U L Ak (Tin  T ~)
 ... (27b)
E glob . Ak
Sedangkan efisiensi aktual kolektor dapat ditulis:
1
hf

v = kecepatan udara disekitar kolektor = 1,5 m/s.
Rr = tahanan termal radiasi antara penutup ke
lingkungan.
Rr 
Qtot 162,84Watt.
t
hf = 5,5 + 2,7 (v) = koefisien konveksi termal pada
permukaan kaca.

Dengan mengunakan ”Persamaan (26b)” di dapat:

Rc = tahanan termal konveksi dari tutup ke
lingkungan.
Rc 
Qtotal  F '. Ak (U f  U b  U s ).( Tr  T ~) ... (26b)
maka efisiensi teoritis kolektor adalah:
dengan,

ISSN 1829-8958
m. C p . T
Q
 u 
Qin
E glob . Ak

Qa  QL
E glob . Ak
... (28a)
... (28b)
Dengan mengunakan ”Persamaan (27a)”, di dapat:
1
2
 . .(Tk  T ~ 2 ).( T2  T ~)
th 0,50550,5%
3.5 Prosedur Pengujian
T~
1. Pengujian dilakukan dari jam 10.00 WIB sampai
jam 15.00 WIB (pada saat intensitas maksimal)
Tf ~
h~
kaca
Rr
Rc
Ta
3. Pasang termokopel pada sistem alat pengujian.
Rk
h~
2. Periksa dan pasang alat ukur intensitas surya di
atas kolektor.
Ta
Tb~
Gambar 7 Bahan isolasi bagian atas kolektor
dengan,
4. Catat parameter yang didapat:
 Intensitas radiasi matahari (mv)
 Temperatur lingkungan, temperatur masuk dan
keluar kolektor.
 = konstanta boltzman, 5,67 x 10-8 W/m.K
 Temperatur kolektor yaitu temperatur absorber,
dan temperatur bagian belakang.
 = emisivitas kaca, 0,9.
 Temperatur di keluar penghambat (turbin)
T2 = temperatur kaca, K.
 Putaran turbin yang dihasilkan (rpm)
Berdasarkan ”Persamaan (28)”, diperoleh rugi panas
melalui bagian atas adalah: U f 6,0081W / m 2 oC
 Laju aliran Massa udara.
60
Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa)
7. Ulangi prosedur 4, dengan selang waktu 10 menit
selama satu hari.
8. Lakukan pengujian beberapa hari kemudian untuk
melihat variasi pengaruh lingkungan
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Sistem alat yang direncanakan dalam penelitian ini
dapat dilihat pada “Gambar (8)” dan ”Gambar (9)”.
Pengujian menggunakan data aquisisi dengan card
ADC PCL-818L with PLCD-8115 dan sensor
termokopel tipe T yang dihubungkan ke komputer
seperti set-up yang terlihat pada ”Gambar (10)”
Gambar 9 Sistem alat kolektor pelat datar dan
cerobong
Gambar 8 Rangka Kolektor surya pelat datar
Gambar 10 Sistem data akusisi yang digunakan
4.1 Data dan Hasil pengujian
100
90
Temperatur ( o C)
80
70
60
50
40
30
20
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Temperatur Data A quis is i
Naik
Turun
Rata-rata
Linear (Turun)
70
75
80
85
90
95
100
( o C)
Linear (Naik)
Linear (Rata-rata)
Gambar 11.Grafik Perbandingan Temperatur Data Aquisisi dengan Termometer Kaca (turun/naik)
61
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 5, No.2,Desember 2008
ISSN 1829-8958
100
800
90
Temperatur (oC)
600
70
500
60
400
50
300
40
200
30
100
20
10:48
11:45
12:43
13:40
14:38
Intensitas (Watt)
700
80
0
15:36
Waktu (WIB)
T~
Tout-kolektor (in cerobong)
Intensitas
2 per. Mov. Avg. (Intensitas)
T(out -cerobong)
Gambar 12 Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (Perngujian 1)
100
800
90
Temperatur (oC)
600
70
500
60
400
50
300
40
200
30
100
20
10:48
11:45
12:43
13:40
14:38
Intensitas (Watt)
700
80
0
15:36
Waktu (WIB)
T~
Tout-kolektor (in cerobong)
Intensitas
2 per. Mov. Avg. (Intensitas)
T(out -cerobong)
Gambar 13 Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (Perngujian 2)
100
800
90
Temperatur (oC)
600
70
500
60
400
50
300
40
200
30
100
20
10:48
11:45
12:43
13:40
14:38
15:36
Intensitas (Watt)
700
80
0
16:33
Waktu (WIB)
T~
Tout-kolektor (in cerobong)
Intensitas
2 per. Mov. Avg. (Intensitas)
T(out -cerobong)
Gambar 14 Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (Perngujian 3)
62
Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa)
1200
170
1100
150
1000
800
110
700
90
Putaran (rpm)
Intensitas (Watt)
130
900
600
70
500
50
400
300
30
9:36
10:48
12:00
13:12
14:24
15:36
Waktu
Intensitas
putaran
3 per. Mov. Avg. (putaran)
2 per. Mov. Avg. (Intensitas)
Gambar 15 Grafik intensitas dan putaran (rpm) terhadap waktu (Perngujian 1)
900
170
150
800
110
600
90
Putaran (rpm)
Intensitas (Watt)
130
700
500
70
400
50
300
30
9:36
10:48
12:00
13:12
14:24
15:36
Waktu
Intensitas
putaran rpm
3 per. Mov. Avg. (putaran rpm)
2 per. Mov. Avg. (Intensitas)
Gambar 16 Grafik intensitas dan putaran (rpm) terhadap waktu (Perngujian 2)
550
150
500
130
400
110
350
90
300
250
70
Putaran (rpm)
Intensitas (Watt)
450
200
50
150
100
10:48
11:02
11:16
11:31
11:45
12:00
12:14
30
12:28
Waktu
Intensitas
putaran rpm
3 per. Mov. Avg. (putaran rpm)
2 per. Mov. Avg. (Intensitas)
Gambar 17 Grafik intensitas dan putaran (rpm) terhadap waktu (Perngujian 3)
63
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 5, No.2,Desember 2008
4.2 Pembahasan
Pada “Gambar (11)” perbandingan alat ukur
temperatur data akusisi dengan termometer kaca
yang diperoleh hubungan persamaan naik dan turun
pengukuran yaitu Pers. Naik = y = 1.043x - 2.118, R2
= 0.9687 dan Pers. Turun = y = 0.9239x + 2.5623, R2
= 0.9425 serta persamaan rata rata antara naik dan
turun diperoleh y = 0.9835x + 0.2221. Histerisis alat
ukur akan makin melebar pada saat temperatur makin
tinggi (Temperatur > 50oC).
Pada ”Gambar (12)”
sampai ”Gambar (14)”
merupakan data hasil pengolahan grafik temperatur
dan intensitas terhadap waktu. Data grafik terlihat
temperatur keluaran kolektor dapat mencapai di atas
50 oC dan selama pengujian temperatur yang dapat
dihasil kolektor dapat kenaikan dari lingkungan
berkisar antara 10 oC sampai dengan 20oC. Intensitas
maksimum pada siang hari mengakibatkan
temperatur keluaran kolektor paling maksimal dan
hasil putaran turbin (alat ukur anemometer)
menunjukan maksimal berkisar antara 0,3 m/s sampai
dengan 0,4 m/s.
Dari grafik dan data diperoleh secara rata-rata
putaran turbin 110 rpm dengan rincian pengujian
114,37 rpm, 96,50 rpm, 103,24 rpm dari hasil
pengujian. Peningkatan rpm turbin mungkin dapat
diberikan apabila penambahan luas kolektor surya
yang dibuat dan sekaligus dapat meningkatkan
dayanya.
Pada ”Gambar (15)”, ”Gambar (16)”, dan ”Gambar
(17)”, hasil putaran turbin dapat lebih stabil pada
kondisi stedi yang diakibatkan oleh sistem alat masih
cukup menyimpan panas walaupun terjadi penurunan
radiasi surya. Perlu dipertimbangkan pengguanaan
penyimpan energi dalam sistem alat ini.
Pada saat pengujian sistem alat ini dapat terlihat
secara visual putaran turbin (lihat vidio pengujian)
atau boleh dikatakan sistem model alat yang
direncanakan dapat mengalirkan udara di dalam
cerobong yang kemudia memutar turbin yang
menghasilkan energi mekanik. Aliran ini disebabkan
perbedaan temperatur, density karena pengaruh
energi panas dari surya yang ditangkap melalui
kolektor.
5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Hasil pengujian dan pembahasan dapat diambil
beberapa kesimpulan, yaitu;
1. Alat konversi energi surya menjadi energi
mekanik
yang
direncanakan
ini
dapat
menghasilkan putaran pada turbin berkisar antara
 110 rpm dengan luas kolektor pelat datar 1m2 ,
kemiringan kolektor 10o serta berbentuk profil
atap rumah. (vidio visual pengujian)
ISSN 1829-8958
2. Kolektor pelat datar energi surya dapat menaikan
temperatur udara secara rata-rata berkisar  15oC
sehingga dapat mengalirkan udara secara panas
mengguanakan cerobong yang dapat memutar
turbin.
3. Pemanfaatan sistem alat ini untuk pembangkit
energi listrik perlu menyesuaikan putaran yang
dihasilkan terhadap generator yang ada (yg dapat
dibuat).
4. Energi mekanik yang dihasilkan model alat ini
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.
5.2 Saran
 Penelitian dikembangkan dengan mengabungkan
dengan pemanfaatan energi angin sebagai energi
awal agar terjadi aliran fluida udara secara paksa.
 Pengembangan kolektor dengan menggunakan
energi penyimpan untuk menjaga temperatur
keluar kolektor konstan.
 Perlu penelitian lanjut peningkatan secara optimal
dari pemanfaatan cerobong terhadapat aliran
fluida udara sistem secara keseluruhan.
UCAPAN TERIMA KASIH
Kepada
Bapak/Ibu
yang
telah
membantu
terlaksananya penelitian terutama keluarga besar
penulis. Pimpinan dan pengelola dana DIPA
Politeknik Negeri Padang, semoga dana yang
diberikan menghasilkan cikal bakal teknologi yang
bermanfaat yaitu pemanfaatan sumber energi surya
menjadi energi listrik dikemudian hari terwujud
hendaknya.
PUSTAKA
1. Adly Havendry, Rosa. Yazmendra, Hanif,
Kolektor Energi Surya untuk Sistem Pengering
Kulit Manis, Jurnal TeknikA Tahun IV,
Universitas Andalas, 1997.
2. Sukhatme, Solar Energi: Principles of Thermal
Collection and Storage, Tata McGraw-Hill
Publishing Company Limited, New Delhi, India,
2001
3. Rosa. Yazmendra, Hanif & Zulhendri,
Optimasi Udara Panas Keluaran Kolektor Surya,
Jurnal Teknik Mesin, Vol.1 No.1 Politeknik
Negeri Padang, 2004
4. Rosa. Yazmendra, Maimuzar & Nasrullah,
Rancang Bangun Pengering Gambir dengan
Memanfaatkan Energi Surya, Jurnal Teknik
64
Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa)
Mesin, Vol.3 No.1 Politeknik Negeri Padang,
2006.
membimbing di Pasca Sarjana ISTN,. Email:
[email protected] & [email protected].
5. A. Bejan, G. Tsatsaronis dan M. Moran,
Thermal Design and Optimization, John Wiley &
Sons, New York, 1996.
6. Zainuddin, Dahnil, Solar Teknik 1 & 2,
Universitas Andalas, Padang, 1990.
7. George A. Lane, Ph.D, Solar Heat Storage:
Latent Heat Materials, CRC Press, Inc., Florida,
2000.
8. A. Saito dan H. Hong, Experimental Study on
Heat Transfer Enhancement in Latent Thermal
Energi Storage with Direct Contact Melting,
Departement of Mechanical Engineering &
Science, Tokyo Institute of Technology, Japan,
Int, J. Heat Mass Transfer.
9. C. P. Arora, Refrigeration and Air Conditioning,
McGraw-Hill, Singapore, 2000.
10. ASHRAE, Fundamentals Handbook,. 1997.
11. Culp, Archie W. Jr., Prinsip-prinsip Konversi
Energi, Erlangga, Jakarta, 1985.
12. Dickinson, William C & Cheremisinoff, Paul
N., Solar Energy Technology Handbook Part A,
Marcel Dekker, New York, 1980.
13. Dufie, John A., & Beckman, William A., Solar
Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons,
New York, 1995
14. Stoecker, Wilbert F., & Jerols, W. Jones,
Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Erlangga,
Jakarta, 1992.
15. Floating
Solar
Chimney
Technology,
www.floatinglarchimney.gr, September 2008
16. The Solar Tower : Large scale Renewable energy
Power Station Development, 19th World Energy
Congress, Sydney Australia, Sep 2004
17. Andre G Ferreira, Technical Feasibility
Assessment of a Solar Chimney for Food Drying,
Solar Energy 82 (2008), 198-205, Elsevier. 2008
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
65