7 BAB II LANDASAN TEORI Proses perancangan suatu alat

BAB II
LANDASAN TEORI
Proses perancangan suatu alat ataupun mesin yang baik, diperlukan perencanaan
yang cermat dalam perhitungan dan ukuran. Teori-teori yang berhubungan dengan alat
yang dibuat perlu dijadikan landasan dalam proses merancang alat ataupun mesin,
sehingga dapat menghasilkan rancangan alat ataupun mesin yang baik.
2.1 Energi Matahari
Matahari merupakan salah satu energi terbarukan, berada di pusat tata surya dan
memancarkan energi radiasi elektromagnetik pada tingkat yang sangat besar dan
relative konstan, energy ini diteruskan hingga ke permukaan bumi secara radiasi.
Radiasi matahari terjadi karena adanya gelombang elektromagnetik, yang memiliki
karakteristik secara umum sama namun dibedakan dalam
pengaruhnya, hal ini
disebabkan karena perbedaan panjang gelombang masing-masing cahaya.
Namun, ada tiga alasan penting mengapa hal ini tidak dapat dilakukan, Pertama,
perpindahan bumi dari matahari, dan karena energi matahari yang menyebar seperti
cahaya dari lilin, sehingga hanya sebagian kecil dari energi yang mampu meninggalkan
energi matahari di wilayah yang sama di bumi. Faktor kedua, bumi berotasi pada sumbu
kutub, sehingga perangkat koleksi yang terletak di permukaan bumi dapat menerima
sebagian energi radiasi matahari hanya setiap hari. Faktor ketiga dan paling tidak bisa
7
8
diprediksi adalah kondisi kulit tipis atmosfer yang mengelilingi permukaan bumi.
Atmosfer
bumi menyumbang pengurangan 30 persen
lagi dalam
energi
matahari. Seperti banyak diketahui, namun, kondisi cuaca dapat menghentikan
semuanya, tetapi jumlah minimal radiasi matahari mencapai permukaan bumi selama
beberapa hari berturut-turut.
Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari, ES, adalah sama dengan hasil
perkalian konstanta Stefan-Bolzman ( ), pangkat empat temperatur permukaan absolut
TS4 dan luas permukaan ds2,
Es = . ds2 TS4 W ………………………………………….………………… (2.1)
= 5,67 x 10-8 W/(m2.K4), temperatur permukaan Ts dalam K, dan diameter
Dimana
matahari d s dalam meter.dari gambar di atas dapat dilihat jari-jari R adalah sama dengan
jarak rata-rata antara matahari dan bumi. Luas permukaan bumi adalah sama dengan
4 R2, dan fluksa radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut yang
dinamakan iradiansi, menjadi
W/m2 ………………………………………………….…….….... (2.2)
G=
Dengan garis tengah matahari 1,39 x 109 m, temperatur permukaan matahari 5762
K, dan jarak rata-rata antara matahari dan bumi sebesar 1,5 x 1011 m, maka fluksa
radiasi persatuan luas dalam arah yang tegak lurus pada radiasi tepat diluar atmosfer
bumi adalah
G=
,
.
( ,
)
( ,
( ,
)
)
= 1353W/m2
Radiasi surya yang diterima pada satuan luasan di luar atmosfir tegak lurus
permukaa matahari pada jarak rata-rata antara matahari dengan bumi disebut konstanta
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
9
surya adalah 1353 W/m2 dikurangi intesitasnya oleh penyerapan dan pemantulan
atmosfer sebelum mencapai permukaan bumi. Ozon di atmosfer menyerap radiasi
dengan panjang gelombang pendek (ultraviolet), karbondioksida dan uap air menyerap
sebagian radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang (inframerah). Selain
pengurangan radiasi bumi yang lansung atau sorotan oleh penyerapan tersebut, masih
ada radiasi yang dipancarkan oleh molekul-molekul gas, debu, dan uap air dalam
atmosfer sebelum mencapai bumi sebagai radiasi sebaran, Pengukuran berikutnya
terjadi apabila permukaan penerima radiasi itu tidak pada kedudukan tegak-lurus
sorotan radiasi yang masuk.
2.2 Konstanta Surya
Hubungan geometris dari matahari-bumi ditunjukkan Gambar 2.1. Jarak
eksentrisnya dari lintasan bumi adalah jarak antara matahari dan bumi dengan variasi
1,7%. Dari hasil pengukuran astronomi didapat jarak rata-rata bumi-matahari adalah
1,495 x 1011 m, dengan sudut kecenderungan matahari 32°. Radiasi yang diemisikan
oleh matahari dan ruang angkasa ke bumi menghasilkan intensitas radiasi matahari yang
hampir konstan di luar atmosfer bumi. Konstanta matahari, Gsc, adalah energi dari
matahari per unit waktu yang diterima pada satu unit luasan permukaan yang tegak
lurus arah radiasi matahari pada jarak rata-rata matahari-bumi di luar atmosfer. World
Radiation Center (WRC) mengambil nilai konstanta matahari, Gsc, sebesar 1354W/m2,
dengan ketidakpastian sebesar 1%.
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
10
Gambar 2.1 hubungan geometris bumi-matahari
Sumber : http://dc444.4shared.com/doc/8J0gfwMt/preview.html
Konstanta radiasi ekstraterestrial, Gon, yaitu radiasi di luar atmosfer bumi yang
diukur pada bidang normal terhadap radiasi pada hari ke-n pada satu tahun. Hal ini
dikarenakan orbit bumi sebenarnya berbentuk elips, sehngga perlu sedikit koreksi
terhadap konstanta matahari di atas. Jadi sebenarnya ada dua penyebab adanya variasi
radiasi ekstraterestrial yaitu variasi radiasi yang diemisikan matahari dan variasi jarak
matahari-bumi. Persamaannya [Wiliam A. Beckman Halaman 10] adalah :
G0n = Gsc (1 + 0.033 cos
°.
°
…………………………..............……………….(2.3)
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
11
2.3 Jenis–jenis Radiasi Matahari
Radiasi matahari yang mengenai suatu kolektor di permukaan bumi dibedakan
menjadi :
Sebaran
Sorotan
pantulan
Gambar 2.2 Jenis radiasi matahari yang mengenai permukaan
Sumber : http://blog.ub.ac.id/jatmikoekotbp/category/bioenergi/
1. Radiasi langsung (beam) : yaitu radiasi surya yang diterima dari matahari tanpa
disebarkan oleh atmosfer.
2. Radiasi hambur (diffuse) : yaitu radiasi surya yang diterima dari matahari
sesudah arahnya berubah setelah terpencar oleh atmosfer.
3.
Radiasi pantulan tanah (ground reflected)
4. Radiasi total : yaitu penjumlahan dari radiasi beam, diffuse dan pantulan tanah.
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
12
2.4 Pengaruh Posisi Relatif Matahari Terhadap Bumi
Posisi relatif matahari terhadap suatu bidang di bumi bisa dinyatakan dalam
beberapa sudut. Beberapa diantaranya bisa dilihat pada gambar 2.2. Sudut sudut itu
adalah:
Gamabar 2.3 beberapa sudut penting dalam energi surya
Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096
a. ∅, latitude (garis lintang) : Sudut lokasi di sebelah utara atau selatan dari equator
(khatulistiwa), utara positif ; -90° £ f £ 90°.
b. δ, declination (deklinasi) : Sudut posisi matahari saat solar noon yang
berhubungan terhadap bidang khatulistiwa, utara positif; -23,45° < d < 23,45°.
Sudut deklinasi bisa dihitung dengan persamaan [Wiliam A. Beckman Halaman
13]:
δ =23,45 sin
(
)
……………...…………….………………………(2.4)
di mana n : tanggal ke-n pada suatu tahun [Wiliam A. Beckman Halaman 14]
c.
, slope (kemiringan) : Sudut antara permukaan bidang yang ditanyakan dengan
permukaan horisontal ; 0° £ b £ 180°.
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
13
d.
, surface azimuth angle (sudut permukaan azimuth) : Proyeksi ke bidang
horisontal normal terhadap permukaan dari lokasi bujur, dengan nol menghadap
selatan, timur negatif, barat positif ; -180° £ g £ 180°.
e.
, hour angle (sudut jam) : Sudut penyimpangan matahari di sebelah timur atau
barat garis bujur lokal karena rotasi pada porosnya sebesar 15° per jam ;
sebelum jam 12.00 negatif, setelah jam 12.00 positif.
hour angle bisa dihitung dengan persamaan :
= 15° (ST – 12:00:00)………………….………….…………...…….(2.5)
Waktu penyamaan adalah faktor untuk memperhitungkan efek orbit bumi yang
bersifat eliptis.
E = 292.2 (0,000075 + 0,001868 cos B – 0,032077 sin B – 0,014615 cos2 B
– 0,04089 sin2 B)………………………………………………..……………(2.6)
dengan:
B=
(
)
……………………………………………………………..……(2.7)
Waktu yang sering digunakan (waktu sipil) tidak selalu sama dengan waktu
matahari maka untuk menentukan waktu surya bisa menggunakan persamaan
ini.
Solar Time = Standart Time + [4(Lst – Lloc) + E]…………………………..(2.8)
Standart time diambil jam tengah antara jam awal pengambilan data dan jam
akhir pengambilan data
f.
θ, angle of incidence (sudut datang) : Sudut antara permukaan radiasi langsung
normal vertikal terhadap radiasi langsung vertikal kolektor.
g.
θz, zenith angle (sudut zenith) : Sudut antara garis vertikal bidang normal dan
garis dating sinar matahari
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
14
sudut zenith dapat dihitung menggunakan persamaan :
cos z = cos
h.
s,
cos ∅ cos
sin ∅……………...……………….……(2.9)
+ sin
solar altitude angle (sudut ketinggian matahari) : Sudut antara garis
horisontal dengan garis matahari datang.
Untuk menghitung sudut azimuth matahari bisa menggunakan persamaan:
αs = 90° - z……………………………………….…………..............(2.10)
i.
s, solar azimuth angle (sudut azimuth matahari) : Sudut penyimpangan dari
selatan dengan proyeksi radiasi langsung pada bidang horisontal. Penyimpangan
ke sebelah timur adalah negatif dan ke sebelah barat adalah positif.
Untuk menghitung sudut azimuth matahari bisa menggunakan persamaan:
=
……………………………………………….…….…......(2.11)
2.5 Radiasi Ekstraterrestrial pada Permukaan Horisontal
Pada suatu waktu (sembarang), radiasi surya yang mengenai permukaan horisontal
di luar atmosfer adalah radiasi surya masuk normal dibagi dengan Rb (faktor
geometris), persamaannya [Wiliam A. Beckman Halaman 40 ] adalah:
G0 = Gsc (1 + 0.033 cos
°.
°
.
)……………..………..……..(2.12)
2.6 Distribusi Radiasi Matahari pada Suatu Hari dan Jam dengan Cuaca Cerah
dan Berawan
Indeks kecerahan rata-rata KT , adalah perbandingan antara radiasi rata-rata pada
permukaan horisontal terhadap radiasi rata-rata ekstraterrestrial. Dengan persamaan
[Wiliam A. Beckman Halaman 77]:
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
15
KT =
………………………………………………..………………..(2.13)
2.7 Komponen Radiasi Langsung dan Sebaran Per Jam
Pada bagian ini akan dijelaskan metode perhitungan untuk memisahkan beam dan
diffuse radiation dari radiasi horisontal total. Pemisahan komponen ini diperlukan untuk
menghitung radiasi total pada permukaan dengan orientasi yang berbeda dari data pada
permukaan horisontal. Persamaan yang digunakan adalah [Wiliam A. Beckman
Halaman 82]:
1,0 − 0,08
⎧
⎪
0,9511 − 0,1604
+ 4,388
={
+ 12,336
⎨ − 16,638
⎪
⎩
0,165
KT ≤0,22
0,22≤ KT≤ 0,80
KT ≥0,80
……………………………………………………………..………..(2.14)
2.8 Perpindahan Panas
Perpindahan panas adalah salah satu dari displin ilmu teknik termal yang
mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas, mengubah panas, dan
menukarkan panas di antara sistem fisik. Perpindahan panas diklasifikasikan
menjadi konduktivitas termal, konveksi termal, radiasi termal, dan perpindahan panas
melalui perubahan fasa.
Ada tiga cara pemindahan panas yakni:
a. Konduksi
Konduksi ialah pemindahan panas yang dihasilkan dari kontak langsung antara
permukaan-permukaan benda. Konduksi terjadi hanya dengan menyentuh atau
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
16
menghubungkan permukaan-permukaan yang mengandung panas. Setiap benda
mempunyai konduktivitas termal (kemampuan mengalirkan panas) tertentu yang akan
mempengaruhi panas yang dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang lebih dingin.
Semakin tinggi nilai konduktivitas termal suatu benda, semakin cepat ia mengalirkan
panas yang diterima dari satu sisi ke sisi yang lain.
Pada konduksi, berlaku hukum Fourier :
=
=
……………………………..........................…(2.15)
keterangan :
qx
: Laju pindah panas dalam arah x (Watt atau cal/dt, atau Btu/jam)
dT
: Perbedaan temperatur (K, oC atau oF)
dx
: Jarak perpindahan panas (m, cm atau ft) A
: Luas penampang (m2, cm2,
atau ft2)
k
:
konduktifitas
panas
(Watt/m.k,
cal/dt.oC.cm,
atau
Btu/jam.oF.ft)
b. Konveksi
Perpindahan panas konveksi atau konveksi adalah perpindahan panas dari satu
tempat ke tempat lain karena adanya perpindahan fluida, proses perpindahan panas
melalui perpindahan massa. Gerak serempak fluida menambah perpindahan panas pada
banyak
kondisi,
seperti
misalnya
antara
permukaan
solid
dan
permukaan
fluida. Konveksi adalah perpindahan panas yang umum pada cairan dan gas.
Pendinginan atau pemanasan konveksi di banyak kasus dapat dijelaskan
oleh Hukum Newton tentang pendinginan: "Kecepatan hilangnya panas pada benda
sebanding dengan perbedaan temperatur antara benda tersebut dengan lingkungannya."
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
17
Meskipun begitu, dari definisinya, hukum Newton tentang pendinginan ini
membutuhkan kecepatan panas hilang yang membentuk garis linear pada grafik fungsi
("sebanding dengan"). Padahal, secara umum, konveksi tidak pernah membentuk
gradien garis lurus. Maka, hukum Newton tidak berlaku.
Laju pindah panas secara konveksi.
q = hA (Tw – Tf)………………………………………………...………….………(2.16)
keterangan :
q : laju pindah panas (Watt)
h : koefisien pindah panas konveksi (W/m2.K)
A : luas area pindah panas (m2)
Tw: temperatur permukaan padat (K)
Tf : temperatur rata-rata fluida yang mengalir (K)
c. Radiasi.
Radiasi
ialah
pemindahan
panas
atas
dasar
gelombang-gelombang
elektromagnetik. Misalnya tubuh manusia akan mendapat panas pancaran dari setiap
permukaan dari suhu yang lebih tinggi dan ia akan kehilangan panas atau memancarkan
panas kepada setiap obyek atau permukaan yang lebih sejuk dari tubuh manusia itu.
Panas pancaran yang diperoleh atau hilang, tidak dipengaruhi oleh gerakan udara, juga
tidak oleh suhu udara antara permukaan-permukaan atau obyek-obyek yang memancar,
sehingga radiasi dapat terjadi di ruang hampa.
Jumlah keseluruhan panas pindahan yang dihasilkan oleh masing-masing cara hampir
seluruhnya ditentukan oleh kondisi-kondisi lingkungan. Umpamanya, udara yang jenuh
tak dapat menerima kelembaban tubuh, sehingga pemindahan panas tak dapat terjadi
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
18
melalui penguapan. Pengondisian suatu ruang seharusnya meningkatkan laju kehilangan
panas bila para penghuni terlalu panas dan mengurangi laju kehilangan panas bila
mereka terlalu dingin. Tujuan ini tercapai dengan mengolah dan menyampaikan udara
yang nyaman dari segi suhu, uap air (kelembaban), dan velositas (gerak udara dan polapola distribusi). Kebersihan udara dan hilangnya bau (melalui ventilasi) merupakan
kondisi-kondisi
kenyamanan
tambahan
yang
harus
dikendalikan
oleh sistem
penghawaan buatan.
= . .
. ………………………………….……………….………..…………(2.17)
keterangan :
q : aliran panas (Watt)
: konstanta radiasi = 5.676 x 10
= 0.1714 x 10
W/m².K
Btu/h.ft².R
A : luas permukaan (m²)
T : suhu (K atau °R )
: emisifitas = 1 untuk benda hitam
2.9 Solar Collector
Kolektor energi surya adalah alat penukar kalor jenis khusus yang mengubah
energi radiasi matahari ke internal energi. Komponen utama dari setiap sistem surya
adalah kolektor surya. Ini adalah perangkat yang menyerap radiasi matahari yang
masuk, mengubahnya menjadi panas, dan transfer panas ini ke cairan (biasanya udara,
air, atau minyak) mengalir melalui kolektor. Energi matahari sehingga dikumpulkan
dilakukan dari cairan yang beredar baik secara langsung dengan air panas atau peralatan
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
19
ruang pendingin, atau ke energi termal dari tangki penyimpanan yang dapat ditarik
untuk gunakan di malam hari atau hari yang berawan. Pada dasarnya ada dua jenis
kolektor surya: non-concentrating atau diam dan berkonsentrasi. Sebuah nonconcentrating kolektor memiliki luas yang sama untuk menahan dan untuk menyerap
radiasi matahari, sedangkan sun-tracking kolektor surya berkonsentrasi biasanya
menggunakan permukaan cermin cekung untuk menahan dan memfokuskan radiasi
sinar matahari ke daerapenerima yang lebih kecil, sehingga meningkatkan fluks radiasi.
Tabel 2.1 Tipe Solar Collector
2.9.1
Stationary Collector
2.9.1.1 Flate Plate Collector ( FPC )
Panel kolektor pelat datar adalah komponen terpenting dari sistem pemanas air
tenaga surya. Energi termal dapat diteruskan melalui pelat tersebut menuju luida yang
berada di dalamnya. Kolektor surya pelat datar dapat didesain untuk suatu aplikasi yang
membutuhkan transfer energi pada suhu menengah sampai mencapai 100oC diatas
temperatur ambient. (Duffie&Beckman, 1982).
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
20
Gambar 2.4 Kolektor surya pelat datar
Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096
Komponen terpenting dari kolektor surya pelat datar adalah pelat datar penyerap
( absorber) yaitu alat yang menerima radiasi energi matahari dan mengubahnya menjadi
energi panas. Pelat tersebut mentransfer panas dihasilkan ke fluida kerja.
Radiasi matahari yang masuk ke dalam kolektor surya sebagian ada yangterserap
pelat dan sebagian ada yang terpantul. Penggunaan kaca di atas pelat berfungsi agar
radiasi yang telah masuk ke dalam kolektor yang kemudian terpantul, tidak langsung
keluar dari sistem tetapi terpantul kembali oleh kaca. Penggunaan kaca ini mirip dengan
fenomena efek rumah kaca. Solar aperture collector area adalah area maksimum yang
diproyeksikan dari solar kolektor dimana sejumlah energi radiasi masuk.
2.9.1.2 Compound Parabolic Collector ( CPC )
Compound parabolic collectors adalah kolektor surya jenis khusus yang dibuat
dalam bentuk dua parabola pertemuan. Konsep kolektor berasal oleh Winston pada
tahun 1978. konsentrasi rasio dapat dicapai hingga 10 dalam mode non-pelacakan
dengan mudah. Oleh karena itu mengarah pada penghematan biaya. Compound
parabolic collectors adalah salah satu kolektor yang memiliki konsentrasi tertinggi
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
21
diperbolehkan oleh batas termodinamika untuk sudut penerimaan yang diberikan. CPC
umumnya digunakan untuk uap tekanan sedang, sekitar 150 ° C - 200 º C.
Gambar 2.5 Compound Parabolic Collector
Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096
2.9.1.3 Evacuated Tube Collector ( ETC )
Evacuated tube collector terbuat dari suatu seri dari tabung-tabung modular,
dipasang parallel, dengan jumlah yang dapat ditambahkan atau dikurangi saat
kebutuhan akan pengiriman air panas berubah. Jenis dari kolektor ini terdiri dari baris
paralel tabung kaca transparan, tiap tabung mengandung sebuah tabung penyerap
(tempat dari plat penyerap dari tabung logam dipasang dalam sebuah kolektor plat
datar). Tabung tersebut dilindungi dengan lapisan khusus modulasi cahaya. Pada
kolektor ini, cahaya matahari masuk melalui tabung kaca terluar memanaskan tabung
penyerap yang berada didalamnya.
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
22
Dua jenis dari kolektor tabung dib edakan oleh cara ( heat transfer) perpindahan
panasnya; yang pailng sederhana, memompa suatu fluida perpindahan panas (air)
melalui tabung tembaga berbentuk U y ang diletakkan dalam tiap kolektor tabung kaca.
Jenis kedua menggunakan sekat pipa panas yang mengandung suatu cairan yang
menguap saat dipanaskan; uap naik ke tabuag perpindahan panas berbentuk bulat yang
ditempatkan diluar kolektor tabung dalam sebuah pipa melewati suatu cairan
perpindahan panas yang dipompakan. Untuk kedua jenis tersebut, cairan yang
dipanaskan lalu bersirkulasi melalui suatu penukar panas dan memberikan panasnya
pada air yang disimpan dalam tangki penyimpanan (yang dengan sendirinya sebagian
tetap hangat oleh cahaya matahari). Evacuated tube collector memanaskan sampai
temperatur tinggi dan beberapa model dapat meningkatkan penyerapan solar yang lebih
banyak per meter perseginya daripada panel datar. Bagaimanapun kolektor jenis ini
lebih mahal dan mudah pecah daripada panel datar.
Gambar 2.6 Evacuated Tube Collector
Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
23
2.9.2
Single-Axis Tracking Collector
2.9.2.1 Linear Fresnel Collector ( LFC )
Sebuah Linear Fresnel Collector menggunakan serangkaian cermin yang
panjang, dan memiliki kelengkungan dangkal (atau bahkan datar) untuk memfokuskan
cahaya ke satu atau lebih penerima linier yang ditempatkan di atas cermin. Di atas
ditambahkan receiver cermin parabola kecil untuk lebih memfokuskan cahaya. Sistem
ini bertujuan untuk menawarkan biaya keseluruhan yang lebih rendah dengan berbagi
penerima antara beberapa mirror (dibandingkan dengan konsep palung dan piring),
sementara ini masih menggunakan geometri garis-fokus sederhana dengan satu sumbu
untuk pelacakan. Hal ini mirip dengan desain palung (dan berbeda dari menara pusat
dan hidangan dengan dual-axis). Posisi receiver adalah diam sehingga kopling cairan
tidak diperlukan (seperti dalam palung dan hidangan). Cermin juga tidak perlu untuk
mendukung receiver, sehingga mereka se cara struktural sederhana.
Gambar 2.7 Linear fresnel collector
Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
24
2.9.2.2 Parabolic Trough Collector ( PTC )
Parabolic trough collector adalah jenis lain dari kolektor solar thermal. Jenis ini
terdiri dari suatu seri dari trough seperti saluran talang air hujan dengan tabung kosong
yang bergerak sepanjang kolektor tersebut. Cahaya matahari direfleksikan oleh cermin
dan dikonsentrasikan pada tabung. Fluida perpindahan panas, pelumas dalam sistem
Lup, mengalir melalui tabung untuk menyerap panas dari cahaya matahari yang
dikonsentrasikan.
Gambar 2.8 Parabolic trough collector
Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096
2.9.3
Two-Axes Tracking Collector
2.9.3.1 Parabolic Dish Reflector ( PDR )
Parabolic dish reflector adalah seperti suatu piringan ( dish) satelit yang besar
tetapi dengan permukaan bagian dalam terbuat dari material cermin. Cermin tersebut
memusatkan seluruh energi matahari pada titik tunggal dan dapat mencapai temperatur
yang sangat tinggi. Secara tipe, dish ini digabungkan dengan mesin Stirling dalam
sebuah sistem Dish-Stirling ( Dish-Stirling System), tetapi juga kadang mesin uap yang
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
25
digunakan. Ini menciptakan energi kinetik rotasi yang dapat dikonversikan menjadi
listrik menggunakan sebuah generator listrik.
Gambar 2.9 Parabolic dish reflector
Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096
2.9.3.2 Heliostat Field Collector ( HFC )
Heliostat field collector menggunakan kumpulan ( array) panel datar, cermin
yang dapat digerakkan untuk memusatkan sinar matahari pada suatu menara kolektor.
Energi tinggi pada titik dari cahaya matahari yang dikonsentrasikan ini dipindahkan ke
sebuah substansi yang dapat menyimpan panas untuk selanjutnya digunakan. Material
(substansi) perpindahan panas yang baru-baru telah berhasil didemonstrasikan adalah
cairan sodium. Sodium adalah suatu logam dengan kapasitas panas tinggi, memberikan
energi tersebut untuk disimpan dan dikeluarkan selama malam hari. Energi tersebut,
pada gilirannya, akan digunakan untuk mendidihkan air untuk penggunaan dalam turbin
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
26
uap. Air telah pertama kali digunakan sebagai suatu medium perpindahan panas dalam
versi awal power tower (dimana uap resultan digunakan untuk menggerakkan turbin).
Gambar 2.10 Heliostat field collector
Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096
2.10 Pemanas Tenaga Surya ( Solar Heater)
Pemanas tenaga surya atau solar heater adalah alat pengumpul panas dari
energi matahari yang digunakan untuk memanaskan fluida. Pemanas ini menggunakan
kolektor surya sebagai komponen utamanya. Menurut Duffie&Beckman pada bukunya
“Solar Engineering Of Thermal Process”, 1982, kolektor surya adalah jenis alat penukar
kalor yang mengubah energi radiasi menjadi panas. Menurut standard ASHRAE definisi
kolektor surya adalah alat yang didesain untuk menyerap radiasi matahari dan
mentransfer energi tersebut yang melaluinya.
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
27
Ditinjau dari jenis solar collector, pemanas air tenaga surya ini memiliki
berbagai jenis antara lain flat plate collector, evacuated tube collector, dan
concentrating collector. Untuk tipe concentrating collector yang biasa digunakan
adalah jenis parabolic through concentrator.
Tipe parabolic trough concentrator memiliki beberapa komponen antara lain :
1. Pipa penyerap (absorber)
2. Parabolic concentrator
3. Tangki penampung air
4. Pompa air
5. Pengatur sudut tracking
Gambar 2.11 Parabolic trough solar concentrator 3d dan 2 d
Sumber : www.lontar.ui.ac.id/file?file=pdf/abstrak-20313096
Komponen terpenting dari parabolic trough concentrator adalah concentrator
dan pipa penyerap. Sinar matahari yang datang dari satu arah terdistribusi merata
dipantulkan ke arah suatu suatu garis fokal dimana pipa penyerap ditempatkan. Luas
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
28
bidang pemantul/ concentrator yang menerima sinar akan men-intensifkan sinar ke area
yang lebih sempit (pipa penyerap). Dengan demikian temperature yang dibangkitkan
dapat lebih tinggi daripada sinar langsung.
Pemanasan air terjadi di dalam pipa penyerap secara konveksi dari pipa ke air.
Air ini mengalir sehingga terjadi proses pertukaran kalor. Panas ini yang berasal dari
kumpulan (concentrating) sinar matahari yang dipantulkan oleh concentrator secara
radiasi diteruskan ke pipa. Di dalam pipa sendiri panas mengalir secara konduksi.
Temperatur air yang dapat dibangkitkan parabolic through concentrator dapat
mencapai 4000C sehingga banyak dimanfaatkan untuk steam generation pada
pembangkit listrik maupun industri.
2.11 Desain Optic Solar Concentrator
Pengkonsentrasian/concentrator yang dirancang,terbuat dari material plat stainless
steel. Plat ini direkatkan pada kayu yang telah dibentuk profil parabola.Fokus yang
dihasilkan dari pantulan sinar matahari berupa garis yang disebut garis fokal. Jarak garis
fokal ini ditentukan oleh ukuran parabola. Untuk menentukan ukuran parabola kita bisa
menggunakan parabola calculator agar kita bisa mengetahui garis fokal.program excel
digunakan untuk mencari grafik/posisi titik-titik pada parabola dengan menggunakan
persamaan parabola y = 4px2 dengan x dan y sebagai posisi titik-titik pada sumbu-x dan
sumbu-y,p adalah jarak titik focus pada parabola.
Luas arperture area (Aa) adalah luas bidang datar dari parabola yang didapat
dengan mengalikan panjang dan lebar pandangan atas dari parabola.Lebar penampang
pemantul dan panjang bisa dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :
Aa = P x L ……………………………………………………………..(2.18)
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
29
Luas penampang pipa absorber (Ar) adalah luas keseluruhan dari pipa yang
menyerap pantulan sinar dari concentrator, untuk menghitung Luas penampang pipa
absorber (Ar) bisa menggunakan persamaan berikut :
Ar = π.d.l ……………………………………………………...…………(2.19)
2.11.1 Concentrating Ratio
Parabola merupakan kedudukan titik-titik dimana semua sinar yang datang
parallel dipantulkan menuju satu titik yang dinamakan titik fokus. Secara matematis,
parabola memiliki persamaan y = x2/4P dengan x, y sumbu koordinat dan P adalah titik
fokus. Concentrating ratio (Cr) merupakan faktor penting dalam perhitungan solar
concentrator. Secara teori peningkatan concentrating ratio meingkatkan performa dan
efisiensi solar concentrator. Namun perlu diperhatikan bahwa hal ini membutuhkan
keakuratan sudut tracking. Concentrating ratio dinyatakan dengan:
Cr =
.......................................................................................................... (2.20)
Dari sini dapat dikatakan bahwa untuk memperbesar concentrating ratio dapat
dilakukan dengan memperluas bidang pemantul atau mempersempit bidang receiver.
2.11.2 Sudut Rim
sudut rim ( r) adalah sudut antara tepi parabola, focus dan puncak parabola yang
memiliki hubungan matematis :
Wa = 4 P tan ( r/2)…………………………………………….………..…(2.21)
2.11.3 Faktor Geometri Af
Dari persamaan parabola y = 4px2 dapat dibuat berbagai variasi bentuk geometri
dan ukuran yang banyak.dari variasi ini maka ada suatu factor yang menentukan
kemampuan mengkonentrasi dari parabola ini.faktor ini disebut factor geometri.
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
30
(
)
Af =
………………………………...…………….……….(2.22)
2.11.4 Efisiensi Optic Concentrator
Efisinsi optic adalah rasio energy yang dapat dipantulkan tepat ke kolektor
terhadap energy dari radiasi matahari yang diterima concentrator seluas Aa.Efisiensi ini
melibatkan bentuk geometri,ketepatan sinar pantul mengenai kolector dan sifat material
optic dan cover jika ada.secara matematis efisinsi optic
0=
ρm
c
a
0 ditulis
sebagai :
[(1-Af tan ( )) cos ( ))]…………………..……………(2.23)
Ket :
ρm = Refleksitas material concentrator
c=
a
transmisi material cover (jika ada)
= absorbsivitas pipa kolektor
= intercept factor
= sudut incident
Dari persamaan ini terlihat bahwa sinar yang diterima dari radiasi matahari akan
dipantulkan sebagian besar reflektifitas material concentrator ρm. sebagian pantulan
sinar ini akan berkurang lagi saat menembus cover karena sifat trasnmisifitas material
cover itu
c.
setelah sampai ke permukaan kolektor pun energy dari pantulan sinar ini
masih dikurangi lagi oleh sifat absorbsivitas pipa kolektor
a
selain dipengaruhi sifat –
sifat optic material,efisiensi optic dipengaruhi oleh tingkat kesempurnaan pantulan
dab factor geometri.
Intercept factor
didefinisikan sebagai perbandingan energy yang diterima
kolektor dengan energy yang dipantulkan oleh kolektor. Nilai
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
tergantung pada ukuran
31
receiver, kesalahan/error sudut pada parabola, dan penyebaran sinar matahari. Error atau
ketidak-sempurnaan,ketidak-lurusan, ini terbagi dua yaitu random dan non random
Random error adalah ketidak-sempurnaan yang alami dan dapat diwakilim
dengan distribusi normal probabilitas. Random error antara lain akibat perubahan jarak
matahari, efek penyebaran sinar pada permukaaan pemantul,efek random slope error
misalnya perbuahan parabola akibat beban dari angin. Nonrandom erroe muncul saat
manufaktur dan asembli atau saat pengoprasian solar concentrator. Nonrandom error
antara lain akibat ketidak-sempurnaan profil error dihitung secara statistic dalam
persamaan berikut :
=
+4
+
………..…………………………………………(2.24)
Untuk membantu dalam memperkirakan factor
magnitude error terhadap factor
dapat menggunakan bantuan table efek
berikut ini
Tabel 2.2 penentuan factor intercept
mirror (rad)
slope (rad)
(mm)
intercept factor
0.002
0.004
0
0.98
0.004
0.004
3
0.93
0.002
0.006
3
0.88
0.002
0.008
3
0.81
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
32
NB : untuk perhitungan diatas nilai
matahari
=0.04 rad untuk cuaca cerah dan
=
0.0035(tracking error maksimum)
2.12 Kerugin Panas Keseluruhan (Overall Heat Loss)
Panas yang diberikan untuk memanaskan air tidak semuanya terpakai.Sebagaian
terbuang menjadi kerugian/loses. Kerugian panas ini timbul dengan tiga cara yaitu
radiasi, konveksi terhadap udara luar, dan konduksi . Ketignya dinyatakan dalam
koefesien heat loss total. Dalam perhitungn koefisien overall heat loss coefficient UL,
dengan menganggap pipa absorber tanpa cover sebagai penerima pantulan sinar
radiasi.Asumsikan tidak ada perbedaan temperature di sekitar pipa. Heat transfer
coeficien karena konveksi (hw),radiasi (hr) dan konduksi(Ucond) pada struktur dinyatakan
:
UL = hw x h r……….………………………………………………...….(2.25)
Koefisien konveksi akibat angin/udara
h w =Nu ………………….………………………………………….…(2.26)
koefisien radiasi dihitung dengan
hr = 4
T3 …………………….……………………………………...(2.27)
Sedangkan koefisien perpindahan panas total (U0)
didapat dengan
menjumlahkan semu tahanan panas dari heat loss,konduksi pipa dan konveksi
pemanasan air /fluida. Sehingga dapat ditulis sebagai berikut :
U0 = (
+
+
)-1…………………………..……………...(2.28)
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
33
Dengan
= diameter luar pipa kolector (m)
= diameter dalam pipa kolector (m)
ℎ = koefisien perpindahan panas konveksi air/fluida (W/m2oC)
= koefisien perpindahan panas konveksi pipa (W/moC)
2.13 Faktor Pelepasan Panas (Heat Removal Factor)
Faktor pelepasan panas adalah perbandingan antara energy berguna yang
dikumpulkan terhadap energy berguna yang mungkin dikumpulkan apabila temperature
fluida sepnjang pipa sama dengan temperature fluida masuk.
Fr =
ṁ
[1 – e-(
′
/ṁ
)]………………………………….…….(2.29)
Dengan
Fr = factor pelepasan panas
ṁ = laju aliran air (kg/s)
= kapasitas panas air(KJ/Kg)
′
= factor efisiensi kolector
Factor efisiensi kolektor merupakan perbandingan koefisien perpindahan kalor
total terhadap koefisien heat loss total. Untuk mencari factor efisiensi kolektor
digunakan persamaan berikut :
F’ =
…………………………………………………………..…….(2.30)
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
34
3.14 Performa
Suatu
mesin
dapat
dinilai
kemampuanya
dengan
performa
yang
dihasilkan.Performa adalah kemampuan suatu mesin untuk melakukan kerja yang
dinyatakan dalam bentuk energy atau daya yang dihasilkan Berdasarkan pada standard
ASHRAE 93 (Duffie &Beckman,1982), performa concentrating collector yang
beroprasi pada kondisi steady state dapat dituliskan dalam persamaan dibawah ini :
q u = Fr Aa [I
0
(
−
)] = ṁ
(
dengan
q u = energy berguna (Watt)
Fr = Faktor pelepasan panas
Aa = luas aperture (m2)
I = intensitas radiasi matahari (W/ m2)
η0 = efesinsi optic (concentrator)
U = koefesien kerugian panas (W/ m2)
T = Tempratur fluida/air masuk (oC)
T = Tempratur fluida/air keluar (oC)
T = Tempratur ambient (oC)
ṁ = Laju aliran massa air (kg/s)
= koefisien panas fluida (J/KgK)
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
−
)………………….…..(2.31)
35
3.15 Efisiensi Termal Kolektor
Efisiensi adalah perbandingan antara energy yang berguna dibandingkan terhadap
energy yang digunakan atau diterima. Dalam hal Parabolic trough collector energy yang
diterima adalah radiasi matahari pada luasan tertentu. Sedangkan energy yang berguna
adalah energy yang digunakan untuk menaikan temperature fluida yang mengalir
dengan debit tertentu.
Efisiensi termal dari collector dinyatakan dengan :
= Fr [
0−
(
−
)] =
ṁ
(
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Mercu Buana
)
……………………….……(2.32)