Analisa performansi kolektor surya pelat bergelombang dengan

Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , Juli 2016 (1 –6)
Analisa performansi kolektor surya pelat bergelombang dengan
variasi kecepatan udara
I Kadek Danu Wiranugraha, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa
Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali
Abstrak
Energi matahari adalah salah satu sumber alternatif yang sangat mudah diperoleh di Indonesia. Namun pemanfaatan energi
matahari belum dimanfaatkan secara optimal. Oleh karena itu diperlukan suatu alat yang bisa memanfaatkan energi matahari
secara optimal. Kolektor surya adalah sebuah alat yang mampu menyerap dan memindahkan panas dari energi matahari ke
fluida kerja. Penelitian dilakukan dengan kolektor surya pelat bergelombang bertujuan untuk menambah luasan permukaan
penerima radiasi matahari. Penelitian ini dilakukan dengan variasi kecepatan udara 8 m/s, 6,4 m/s, 4,8 m/s, 3,2 m/s dan 1,6
m/s. Hasil dari pengujian dan perhitungan didapat energi berguna dan efisiensi paling besar yang dihasilkan kolektor pada
masing-masing kecepatan adalah : kecepatan 8 m/s, Qu = 648.7 W, ɳa = 22.0794 %, kecepatan 6,4 m/s, Qu = 596 W, ɳa =
24.0621 %, kecepatan 4,8 m/s, Qu = 488.6 W, ɳa = 17.6027 %, kecepatan 3,2 m/s, Qu = 372.1 W, ɳa = 31.4614 % dan kecepatan
1,6 m/s, Qu = 198.8 W, ɳa = 8.0451 %.
Kata Kunci : Kolektor surya pelat bergelombang, Variasi kecepatan udara, Performansi kolektor.
Abstract
Solar energy is one alternative source that is readily available in Indonesia. However, the utilization of solar energy has not
been used optimally. Therefore we need a tool that can harness solar energy optimally.Solar collector is a device that is able
to absorb and transfer heat from the solar energy to the working fluid. The study was conducted with a corrugated plate solar
collector aims to increase the surface area of the sun's radiation recipients. This study was done by varying the air velocity 8
m/s, 6.4 m/s, 4.8 m/s, 3.2 m/s and 1.6 m/s. The results of the testing and calculations obtained useful energy and efficiency
generated most collectors at each speed are: speed of 8 m/s, Qu = 648.7 W, ɳa = 22.0794%, the speed of 6.4 m/s, Qu = 596 W
, ɳa = 24.0621%, the speed of 4.8 m/s, Qu = 488.6 W, ɳa = 17.6027%, a speed of 3.2 m/s, Qu = 372.1 W, ɳa = 31.4614% and
a speed of 1.6 m/s, Qu = 198.8 W, ɳa = 8.0451%.
Keywords : corrugated plate solar collectors, air speed variation, Performance collector.
1. Pendahuluan
Indonesia merupakan negara yang memiliki iklim
tropis yang sinar mataharinya dapat dimanfaatkan
sebagai sumber energi. Banyak pemanfaatan sumber
energi matahari yang sudah dilakukan di beberapa
tempat di Indonesia, seperti menjemur padi, cengkeh,
pakaian, dan lain sebagainya. Energi matahari adalah
salah satu sumber alternatif yang sangat mudah
diperoleh di Indonesia. Namun pemanfaatan energi
matahari belum dimanfaatkan secara optimal. Oleh
karena itu diperlukan suatu alat yang bisa
memanfaatkan energi matahari secara optimal.
Perangkat yang digunakan untuk memanfaatkan
energi surya disebut kolektor surya. Kolektor surya
adalah sebuah alat yang mampu menyerap dan
memindahkan panas dari energi matahari ke fluida
kerja. Ada beberapa tipe kolektor surya, salah satu
diantaranya adalah kolektor surya pelat datar. Jenis
kolektor ini menggunakan pelat lembaran, dimana
untuk mendapatkan hasil yang optimal pelat dicat
dengan cat berwarna hitam doff, tujuannya adalah
untuk mendapatkan penyerapan radiasi matahari yang
optimal. Untuk menjaga supaya tidak terjadi kerugian
panas, maka digunakan tutup transparan berupa kaca
bening sehingga terjadi efek rumah kaca, dan pada
bagian bawah dan samping diberikan isolasi. Pada
dasarnya, modifikasi atau pengembangan kolektor
Korespondensi: Tel. 081353364619
E-mail: [email protected]
surya dapat dilakukan dengan beberapa cara, seperti
membuat pengganggu aliran udara di dalam kolektor
dengan menggunakan sirip berlubang [1].
Penggunaan pelat bergelombang sebagai pelat
penyerap pada kolektor [2], dan performansi kolektor
surya pelat bergelombang dengan aliran fluida
mengikuti kontur pelat dan variasi jumlah saluran
udara [3]. Adapun permasalahan yang akan dibahas
pada penelitian ini yaitu, bagaimana pengaruh variasi
kecepatan udara yang diberikan ke kolektor terhadap
performansi kolektor surya pelat bergelombang.
Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah
untuk mengetahui performansi yang dihasilkan dari
kolektor surya pelat bergelombang dengan variasi
kecepatan udara.
2. Dasar Teori
Perpindahan panas atau heat transfer adalah ilmu
yang meramalkan perpindahan energi yang terjadi
karena adanya perbedaan temperatur, dimana energi
yang berpindah tersebut dinamakan kalor atau panas
(heat). Panas akan berpindah dari medium yang
bertemperatur lebih tinggi ke medium yang
temperaturnya lebih rendah. Perpindahan panas ini
berlangsung terus sampai ada kesetimbangan
temperatur
diantara
kedua
medium
tersebut.Perpindahan panas dapat terjadi melalui
I Kadek Danu Wiranugraha, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa /Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No.
, Juli 2016 (1 – 6)
𝜎
beberapa mekanisme, yaitu perpindahan panas secara
konduksi, konveksi, dan radiasi.
Perpindahan
panas
konduksi
merupakan
perpindahan panas yang terjadi pada suatu media atau
pada media fluida yang diam akibat adanya perbedaan
temperatur antara permukaan yang satu dengan
permukaan yang lain pada media tersebut.
Persamaan laju konduksi dikenal dengan Hukum
Fourier tentang Konduksi (Fourier Low of Heat
Conduction), yang persamaan matematikanya sebagai
berikut:
dT
(1)
q kond   kA
dx
= konstanta proporsionalitas dan disebut
konstanta Stefan-boltzmann yang nilainya
5,67 x 10-8 (W/m2K4)
= luas bidang permukaan (m2)
= temperatur benda (K)
𝐴
Ts
Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu
media, maka sebagian energi radiasi tersebut akan di
pantulkan (refleksi), sebagian akan diserap (absorpsi),
dan sebagian lagi akan diteruskan (transmisi) [4],
seperti ditunjukan pada gambar 1 dibawah ini:
dimana:
qkond
= laju perpindahan panas konduksi (W)
K
A
= konduktivitas termal bahan (W/m.K)
=luas penampang tegak lurus terhadap
arah aliran panas (m2)
= gradien temperatur pada penampang (K/m)
dT
dx
(-)
Gambar 1 Bagan pengaruh radiasi datang
Sumber: (Bejan, 1993 halaman 507)
= perjanjian Fourier
Energi yang berguna digunakan untuk
menghitung seberapa besar panas yang berguna yang
dihasilkan oleh kolektor surya. Sedangkan efsiensi
digunakan untuk menghitung performansi atau unjuk
kerja dari kolektor surya tersebut.
Untuk perhitungan energi yang diserap atau energi
berguna pada kolektor digunakan persamaan:
Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan
panas yang terjadi dari suatu permukaan media padat
atau fluida yang diam menuju fluida yang mengalir
atau bergerak atau sebaliknya akibat adanya
perbedaan temperatur.
Laju perpindahan panas konveksi adalah
merupakan hukum Newton tentang pendinginan
(Newton's Law of Cooling) yaitu:
qkonv  h. As .Ts  T 
Qu,a = ṁ x cp x (Tout - Tin)
(4)
dimana:
Qu,a = panas yang berguna (Watt)
ṁ
= laju aliran massa fluida (kg/s)
𝑐𝑝
= panas jenis fluida (J/kg.K), nilai 𝑐𝑝 didapat
dari properties fluida berdasarkan temperatur
𝑇 +𝑇
(𝑇𝑟𝑎𝑡𝑎−𝑟𝑎𝑡𝑎 = 0 𝑖 )
2
Tin = temperatur fluida keluar (K)
Tout = temperatur fluida masuk (K)
(2)
dimana:
qkonv
= Laju perpindahan panas konveksi (W)
h
= Koefisien perpindahan panas konveksi
( W/m2.K)
As
= Luas permukaan perpindahan panas
(m2)
Ts
= Temperatur permukaan (K)
T∞
= Temperatur fluida (K)
Efisiensi kolektor adalah perbandingan panas
yang diserap oleh fluida atau energi berguna dengan
intensitas matahari yang mengenai kolektor.
Performansi kolektor dapat dinyatakan dengan
efisiensi thermal akan tetapi, intensitas matahari
berubah terhadap waktu.
Efisiensi kolektor surya dihitung menggunakan
persamaan:
Energi dari medan radiasi ditransportasikan oleh
pancaran atau gelombang elektromagnetik (photon),
dan asalnya dari energi dalam material yang
memancar. Transportasi energi pada peristiwa radiasi
tidak harus membutuhkan media, justru radiasi akan
lebih efektif dalam ruang hampa.
Besarnya radiasi yang dipancarkan oleh
permukaan suatu benda riil (nyata), 𝑞𝑟𝑎𝑑,𝑔 (W), adalah
:
𝑞𝑟𝑎𝑑,𝑔 = 𝜀 . 𝜎 . 𝑇𝑠4 . 𝐴
(3)
𝑄𝑢,𝑎
 a=𝐴𝑐 𝑥 𝐼𝑇 x 100%
dimana :
ɳa
= efisiensi actual kolektor (%)
Qu,a = energi berguna pada kolektor ( Watt )
Ac = luas kolektor
IT
= intensitas cahaya matahari
dimana :
𝑞𝑟𝑎𝑑,𝑔 = laju pertukaran panas radiasi (W)
𝜀
= emisivitas (0< 𝜀 < 1)
2
(5)
I Kadek Danu Wiranugraha, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa /Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No.
, Juli 2016 (1 – 6)
membuat aliran udara turbulen di dalam kolektor
surya dan untuk memperluas bidang penyerapan
panas. Untuk penutup bagian atas kolektor digunakan
kaca bening dengan ketebalan 5mm. Pada bagian
bawah dan samping kolektor diberi isolasi yang terdiri
dari Styrofoam dengan ketebalan 20mm dan triplek
dengan ketebalan 10mm. Jarak antara kaca dengan
pelat penyerap N = 10cm. Kemiringan kolektor dibuat
dengan sudut kemiringan 30° ,dan pada bagian lubang
masuk udara dibuat sekat-sekat pembagi udara masuk.
3. Metode Penelitian
3.1 Deskripsi Penelitian
Penelitian yang dilakukan adalah penelitian
dengan metode eksperimental. Penelitian ini dimulai
dengan pembuatan kolektor surya pelat bergelombang
dengan variasi kecepatan udara, variasi kecepatan
udara yang akan dilakukan adalah dengan variasi
bukaan katup pada blower, variasi kecepatan dibuat
dengan kecepatan 1,6 m/s, 3,2 m/s, 4,8 m/s, 6,4 m/s
dan 8 m/s. Setelah persiapan selesai maka dilakukan
pengujian pada kolektor surya dengan cara
pengamatan dan pencatatan data-data yang
dutunjukkan oleh alat ukur. Setelah mendapatkan
data-data yang aktual dari kolektor surya tersebut
maka temperatur keluar kolektor diukur dan energi
berguna dan efisiensi dihitung secara aktual.
Kemudian dari analisis tersebut dapat ditarik
kesimpulan mengenai performansi kolektor surya
pelat bergelombang dengan variasi kecepatan udara.
Variabel
bebas
adalah
variabel
yang
mempengaruhi munculnya suatu gejala dalam
penelitian ini variabel babasnya adalah intensitas
radiasi matahari, waktu penelitian, dan variasi
kecepatan aliran udara.
Variabel terikat adalah variabel yang dipengaruhi
atau yang menjadi akibat karena adanya variabel
bebas. Dalam penelitian ini variabel terikatnya adalah
energi berguna dan efisiensi kolektor surya.
3.3 Penempatan Alat Ukur
Kecepatan udara di ukur pada saluran udara keluar
kolektor dengan anemometer. Untuk pengukuran
temperatur pelat penyerap dan udara mengalir
digunakan thermocouple dan thermometer, yang
dipasang masing-masing pada titik pengujian.
Gambar 3. Penempatan Alat Ukur
3.4 Diagram Alir Penelitian
Gambar 2. Konstruksi kolektor surya pelat
bergelombang
Keterangan:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Lubang keluar udara panas kolektor surya
Triplek
Styrofoam (isolator)
Pelat penyerap panas bergelombang
Kaca ( tutup transparan)
Sekat pembagi udara masuk
Lubang udara masuk kolektor surya
3.2 Persiapan Peralatan
Luas kolektor surya yang dipakai A = 3,2m2 ,
dengan lebar kolektor Wc = 1,6m dan panjang kolektor
Lp = 2m. Pelat penyerap menggunakan pelat
bergelombang (seng atap) dicat dengan warna hitam
doff. Penggunaan pelat bergelombang bertujuan untuk
A
3
I Kadek Danu Wiranugraha, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa /Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No.
, Juli 2016 (1 – 6)
dihasilkan kolektor menjadi kecil. Energi berguna
paling besar dihasilkan pada pukul 12:10.
A
Gambar 6. Grafik energi berguna aktual (Qu,a)
pada kecepatan aliran udara 3,2 m/s
Pada gambar 6 dapat dijelaskan, terjadi penurunan
energi berguna pada pukul 11:10, hal ini disebabkan
karena Tout yang dihasilkan kolektor kecil yang
dipengaruhi oleh turunnya intensitas cahaya matahari
yang masuk kolektor, karena berkurangnya panas
yang diserap kolektor menyebabkan panas udara yang
mengalir di dalam kolektor akan berkurang sehingga
menghasilkan energi berguna yang kecil. Energi
berguna paling besar dihasilkan pada pukul 12:00.
Gambar 4. Diagram alir penelitian
4. Hasil dan Pembahasan
Dari hasil pengujian kemudian dilakukan
perhitungan dengan menggunakan persamaanpersamaan di atas diperoleh hasil yang dibuat dalam
grafik hasil pengujian.
1. Grafik Energi Berguna Tiap Kecepatan
Gambar 7. Grafik energi berguna aktual (Qu,a)
pada kecepatan aliran udara 4,8 m/s
Paga gambar 7 dapat dijelaskan, terjadi penurunan
energi berguna pukul 12:00 dan 13:40 hal ini
disebabkan oleh Tout kolektor yang dihasilkan kecil
karena pengaruh dari turunnya intensitas cahaya
matahari. Karena berkurangnya panas yang diserap
oleh kolektor menyebabkan turunnya panas udara
yang mengalir di dalam kolektor sehingga energi
berguna yang dihasilkan menjadi kecil. Energi
berguna paling besar dihasilkan pada pukul 13:00.
Gambar 5. Grafik energi berguna aktual (Qu,a)
pada kecepatan aliran udara 1,6 m/s
Pada gambar 5 dapat dijelaskan, penurunan energi
berguna terjadi pada pukul 10:30 dan 11:50 hal ini
disebabkan karena Tout kolektor yang menurun yang
dipengaruhi oleh intensitas cahaya matahari yang
masuk ke dalam kolektor, karena berkurangnya panas
yang diterima oleh udara yang mengalir di dalam
kolektor menyebabkan energi berguna yang
4
I Kadek Danu Wiranugraha, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa /Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No.
, Juli 2016 (1 – 6)
2.
Efisiensi Aktual
Bergelombang
(ƞa)
Kolektor
Pelat
Gambar 10. Grafik efisiensi aktual ( ɳa ) pada
kecepatan aliran udara 1,6 m/s
Gambar 8. Grafik energi berguna aktual (Qu,a)
pada kecepatan aliran udara 6,4 m/s
Pada gambar 10 dapat dijelaskan, efisiensi pada
jam 10:10 naik diakibatkan karena intensitas cahaya
matahari menurun, intensitas akan berbanding terbalik
dengan efisiensi, selain pengaruh dari intensitas
efisiensi juga dipengaruhi oleh besarnya Qu yang
dihasilkan, semakin besar Qu maka efisiensi akan
semakin besar juga. Efisiensi paling besar didapat
padat pukul 10:10.
Pada gambar 8 dapat dijelaskan, terjadi penurunan
energi berguna kolektor pada pukul 15:00, hal ini
disebabkan oleh Tout yang dihasilkan kecil karena
pengaruh dari intensitah cahaya matahari yang
menurun. Dengan turunnya panas yang diterima oleh
kolektor menyebabkan penurunan temperatur pada
udara mengalir yang ada di dalam kolektor sehingga
energi berguna yang dihasilkan akan kecil. Energi
berguna paling besar diperoleh pada pukul 12:10.
Gambar 11. Grafik efisiensi aktual ( ɳa ) pada
kecepatan aliran udara 3,2 m/s
Pada gambar 11 dapat dijelaskan, terjadi
peningkatan efisiensi pada pukul10:50, hal ini
disebabkan karena intensitas cahaya matahari yang
menurun sehingga pada saat intensitas turun energi
yang ada di dalam kolektor dilepaskan keluar oleh
kolektor yang menyebabkan efisiensinya meningkat.
Efisiensi paling besar didapat pada pukul 10:50.
Gambar 9. Grafik energi berguna aktual (Qu,a)
pada kecepatan aliran udara 8 m/s
Pada gambar 9 dapat dijelaskan, energi berguna
yang dihasilkan terjadi penurunan pada pukul 11:20,
11:40, 12:30 dan 15:10 hal ini disebabkan oleh Tout
yang dihasilkan kolektor kecil karena pengaruh dari
intensitas cahaya matahari yang menurun, cepatnya
penurunan energi berguna juga dipengaruhi oleh
kecepatan aliran udara yang melewati kolektor
sehingga pada kecepatan yang tinggi pada saat IT turun
energi berguna akan menurun yang disebabkan oleh
Tout yang menurun dengan cepat karena pelat
penyerap lebih cepat membuang panasnya ke udara.
Energi berguna paling besar diperoleh pada pukul
12:50.
Gambar 12. Grafik efisiensi aktual ( ɳa ) pada
kecepatan aliran udara 4,8 m/s
5
I Kadek Danu Wiranugraha, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa /Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No.
, Juli 2016 (1 – 6)
Pada gambar 12
dapat dijelaskan, terjadi
peningkatan efisiensi pada pukul 13:40 hal ini
disebabkan karena intensitas cahaya matahari yang
turun, sesuai dengan rumus efisiensi jika intensitas
semakin kecil maka efisiensi yang dihasilkan kolektor
akan meningkat.
kecepatan udara adalah kolektor surya pelat
bergelombang dengan variasi kecepatan udara adalah:
1. Intensitas cahaya matahari dan kecepatan
aliran udara yang diberikan pada kolektor
mempengaruhi Tout, Qu dan efisiensi
kolektor.
2. Energi berguna dan efisiensi paling besar
yang dihasilkan kolektor pada masingmasing kecepatan adalah : kecepatan 8 m/s,
Qu = 648.7 W, ɳa = 22.0794 %, kecepatan
6,4 m/s, Qu = 596 W, ɳa = 24.0621 %,
kecepatan 4,8 m/s, Qu = 488.6 W, ɳa =
17.6027 %, kecepatan 3,2 m/s, Qu = 372.1
W, ɳa = 31.4614 % dan kecepatan 1,6 m/s,
Qu = 198.8 W, ɳa = 8.0451 %.
Daftar Pustaka
[1]
Pada gambar 13 dapat dijelaskan, terjadi
peningkatan efisiensi pada pukul 14:40, hal ini
disebabkan turunnya intensitas cahaya matahari,
dimana efisiensi sangat dipengaruhi oleh intensitas
yang masuk ke dalam kolektor, sesuai dengan rumus
𝑄
ƞ𝑎 = 𝑢 , jika Qu yang dihasilkan besar maka
Gigih Predana Putra, I Nyoman, (2015),
“Analisa Performansi Kolektor Surya Pelat
Datar dengan Variasi Sirip Berlubang”,
Skripsi Program Studi Teknik Mesin, Fakultas
Teknik Universitas Udayana, Bali.
[2]
Hollands, K. G. T., (1963), Directional
selectivity, emittance, and absorptance
properties of vee corrugated specular
surfaces.
efisiensi akan meningkat dan jika intensitas kecil
maka efisiensi juga akan meningkat.
[3]
Aditya Kresnawan, I Dewa Gede, (2013),
“Analisis Performansi Kolektor Surya Pelat
Bergelombang Dengan Aliran Fluida
Mengikuti Kontur Pelat dan Variasi Jumlah
Saluran Udara”, Skripsi Program Studi
Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas
Udayana, Bali.
[4]
Bejan, Andrian, (1993), Heat Transfer.
Second Edition, Duke University, Jhon Willey
and Sons Inc.
Gambar 13. Grafik efisiensi aktual ( ɳa ) pada
kecepatan aliran udara 6,4 m/s
𝐴𝑐 𝑥 𝐼𝑇
I Kadek Danu Wiranugraha
menyelesaikan
studi
program
sarjana di Jurusan Teknik Mesin
Universitas Udayana dari tahun
2011 sampai 2016. menyelesaikan
studi program sarjana dengan topik
penelitian Analisa Performansi
Kolektor Surya Pelat Bergelombang
dengan Variasi Kecepatan Udara.
Gambar 14. Grafik efisiensi aktual ( ɳa ) pada
kecepatan aliran udara 8 m/s
Pada gambar 14 dapat dijelaskan, efisiensi yang
didapat naik dan turun, hal ini disebabkan oleh naik
dan turunnya intensitas cahaya matahari sehingga
efisiensi yang didapat akan berubah – ubah, selain
dipengaruhi oleh intensitas, efisiensi juga dipengaruhi
oleh Qu dan kecepatan udara yang diberikan pada
kolektor, jika kecepatan udara yang masuk kolektor
semakin besar maka Qu akan yang dihasilkan akan
meningkat dan menghasilkan efisiensi kolektor yang
besar juga.
5. Kesimpulan
Kesimpulan yang didapat dari analisa performansi
kolektor surya pelat bergelombang dengan variasi
6