kajian energi surya sebagai sumber alternatif

KAJIAN ENERGI SURYA SEBAGAI SUMBER
ALTERNATIF PEMBANGKIT LISTRIK DENGAN
MEMANFAATKAN KOLEKTOR PELAT DATAR
PADA SISTEM SOLAR CHIMNEY
Yazmendra Rosa(1), Rino Sukma(1), Yusri(2)
(1)
Laboratorium Refrigerasi & Pengkondisian Udara, Jurusan Teknik Mesin
Politeknik Negeri Padang
(2)
Bengkel Mesin, Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang
ABSTRACT
Solar energy collector is one tool to convert solar energy into thermal energy. This energy
will be used to turbines that convert into mechanical energy, which can be used generators
suitable for generating electrical energy. Indonesia located in the path of the equator is a
wealth because we can Utilizing the main source of energy is solar energy. Long-term goal
is the utilization of solar energy collectors to be one of the alternative systems and
overcoming crises to obtain electrical energy to all areas that can used electrical energy.
This research will produce an alternative system of solar energy conversion device with a
flat plate collector system that can collect solar energy solar electromagnetic energy
throughout the year and who has not been used directly and no need to wait a thousand
years as well as petroleum. In the early stages of planning will be done by utilizing solar
collector properties contained in the conditions of our daily lives as well as the roof of a
building. This roof will receive or capture heat from solar energy are not yet used. Existing
roof construction which is suitable be used as a solar collector. Solar energy is converted
to an electromagnetic wave-shaped flat plate collector (heat energy) and then converted
into mechanical energy (wind turbines), so use generators for electricity generation. Flat
plate collectors are widely used as an early stage is a 4 x 4 m2 with the results of electrical
energy that can be utilized is a 32 Watt from the assumption of 10% system efficiency
Keywords: Enhance 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 direncanakan
sebuah alat transfer energi misalkan fan yang
berputar tentu dapat merubahnya ke energi putaran.
Penomena sebuah mesjid, banyak mesjid dibangun
dengan gubah yang tinggi ditengah bangunannya.
Gubah tersebut berventilasi ditengahnya, pada saat
jemaah banyak tentunya akan terjadi sirkulasi udara
menuju gubah sehingga terjadi secara alamiah. Ini
merupakan penomena yang terjadi jika kolektor
digunakan untuk memperoleh panas dari radiasi
matahari, sehingga terjadi aliran udara menuju ke
menaranya.
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
[7,10,11]
. Jika kolektor pelat datar surya digunakan
mempunyai efisiensi 55% [7,9,11] untuk menghasilkan
udara panas sehingga diperoleh energi 400 Watt/m2.
Energi sebesar ini dilakukan transfer energi ke energi
mekanik dengan menghasilan putaran, jika
diasumsikan saja efisiensi 10% maka diperoleh
energi 40 Watt/m2.
Kajian Energi Surya sebagai Sumber Alternatif Pembangkit Listrik dgn Memanfaatkan Kolektor Pelat Datar pada Sistem Solar Chimney
(Yazmendra Rosa)
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[14].
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
Tujuan kajian ini adalah pemanfaatan energi surya
secara langsung melalui kolektor yang bermanfaat
dalam mencari sumber energi alternatif bagi
ketersediaan energi dalam menghadapi krisis energi
listrik yang lebih alamiah dan tersedia sebenarnya
dalam kehidupan kita sehari-hari.
Tujuan khusus yang akan dicapai adalah
pemanfaatan sumber dari segala energi yaitu energi
surya dengan memanfaatkan kondisi indonesia yang
berada pada jalur khatulistiwa yang menerima energi
surya paling maksimal dan tersedia sepanjang tahun
yang belum termanfaatkan.
1.3 Batasan Masalah
Kajian yang dilakukan terhadap pemanfaatan
kolektor pelat datar dalam sistem solar chimney.
Kolektor
untuk
menangkap
radiasi
surya
menggunakan jenis pelat datar yang di aplikasikan
pada atap dari sebuah bangunan. Pada tahap
penelitian dimanfaatkan fasilitas yang ada dengan
asumsi luas lahan untuk kolektor pelat datar sekitar
16m2
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.
2.1.1 Radiasi Surya
Radiasi surya yang diterima oleh permukaan bumi
tergantung pada hal-hal berikut:




Lokasi permukaan.
Hari dalam tahun.
Keadaan
cuaca
permukaan.
dan
kemiringan
Besarnya radiasi langsung yang diterima dari
matahari yaitu:[14]
I DN 
A
B
(
)
sin 
... (1)
dengan,
- 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]
I io  I DN cos   I DS  I r
... (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.
Harga dari komponen radiasi diffusi[11],
I DS  C I DN Fss
dimana C dan Fss adalah
perbandingan antara radiasi
radiasi surya langsung yang
horizontal dan faktor sudut
langit
... (3)
masing-masing angka
surya difussi dengan
jatuh pada permukaan
antara permukaan dan
Untuk mencari harga Fss dirumuskan:[14]
Fss 
1  cos  2
2
... (4)
dimana  2 adalah sudut kemiringan permukaan
terhadap bidang datar di bumi. Dalam perhitungan
biasanya komponen Ir bukanlah komponen utama.
Radiasi yang mengenai suatu
mengalami tiga proses yaitu:
1.
material
akan
Absorbsivitas yaitu kemampuan suatu material
untuk menyerap beberapa bagian dari total
radiasi yang terjadi pada permukaan material,
 
I  , absorb
I  ,tot
Posisi surya
105
Jurnal Teknik Mesin
2.
Koefisien Reflektivitas adalah ratio antara
radiasi yang dipantulkan dengan radiasi yang
terjadi.
3.
Vol. 6, No.2,Desember 2009
 
I  ,ref
I  ,tot
Koefisien Transmissivitas adalah ratio antara
kemampuan suatu material untuk meneruskan
radiasi matahari yang terjadi dengan total yang
terjadi,
 
ISSN 1829-8958
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  ) 
... (7)
cos  (cos  cos   sin  sin s cos  cos   sin s sin  sin  )
I  ,trans
I  ,tot
2.1.2 Geometri Surya
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.
Gambar 2 Variasi dari sudut deklinasi selama setahun
perjalanan surya[12]
The American Epherimes and Naval Almanac
merumuskan:[12]
  23,45 Sin (
360
(284  n))
365
... (5)
dimana:
n = hari ke berapa dihitung dari tanggal 1 Januari
Collector site at latitude 

Surya
Gambar 3 Diagram ilustrasi sudut insiden , sudut Zenit z,
sudut altitude surya αa, Kemiringan , & sudut azimut [12]
Equatorial plane

2.2 Kolektor Energi Surya
Polar axis
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.
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)
Komponen kolektor pelat datar adalah:
106
Kajian Energi Surya sebagai Sumber Alternatif Pembangkit Listrik dgn Memanfaatkan Kolektor Pelat Datar pada Sistem Solar Chimney
(Yazmendra Rosa)
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.
Eglob
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.
Power output yang dapat dihasilkan oleh sistem ini
adalah
Ereff


P  Q solar . coil . tower . turbin  Q solar . plant (10)
Tin
Tout
Perbedaan tekanan yang terjadi antara cerobong
(tower) dan keluaran kolektor serta lingkungan
diperoleh dengan hubungan:
H tower
ptot  g .
a
  tower .dH
... (11)
0
QL
p tot  p s  p d
Gambar 4 Kesetimbangan energi pada kolektor
Persamaan kesetimbangan energi pada kolektor:
Qa  Qu  Ql  Qs
 
... (9)
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
... (12)
dimana
gesekan diabaikan,
p s = perbedaan tekanan statik,
p d = perbedaan tekanan dinamik
Dengan total perbedaan tekanan dan laju aliran udara
pada p s  0 maka daya Ptot dari aliran diperoleh:
Ptot  ptot .vtower ,max . Acoil
... (13)
Maka efisiensi cerobong (tower) adalah:
 tower 
Ptot
... (14)

Q
Tanpa turbin, kecepatan maksimum ( vtower ,max ),
yang dikonversi ke energi kinetik adalah:
Ptot 
1  2
m v tower ,max
2
... (15)
Menggunakan persamaan Boussinesq (Unger, 1988):
vtower ,max  2.g .H tower .
Gambar 5 Prinsip solar chimney
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
T
T0
... (16)
dimana
T = Perbedaaan temperatur yang terjadi antara
keluaran kolektor (in tower) dengan lingkungan
107
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 6, No.2,Desember 2009
Sedangkan menurut persamaan (Schlaich 1995)
efisiensi cerobong adalah:
 tower
g.H

c p .T0
... (17)
3. METODE KAJIAN PENELITIAN
3.1 Dasar Idealisasi dan Data Perencanaan
Parameter yang merupakan dasar dari perancangan
kolektor pelat datar untuk sistem solar chimney
adalah:
1. Kondisi udara lingkungan, Tlingkungan=33oC=306 K
2. Kondisi udara pada kolektor, Tkt= 65 oC = 338 K
3. Intensitas radiasi matahari, Eglob. = 900 watt/m2.
4. Luas
Kolektor
sesuai
dengan
bangunan/lahan yang digunakan.
atap
5. Lokasi atau tempat solar chimney digunakan
(garis khatulistiwa 6oLU sampai 11oLS, lokasi
indonesia)
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.
 Laju aliran massa udara
 Kecepatan udara lingkungan.
ISSN 1829-8958
 Tahan panas dan tahan korosi
 Kaku dan mudah dibentuk
Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk pelat
pengumpul yaitu: aluminium, tembaga, kuningan,
dan baja. Dengan luas kolektor 4 x 4 m2 dengan
asumsi luas kolektor efektif 0,5 dari keseluruhan
dengan asumsi posisi atap konstan tidak mengikuti
lintasan radiasi surya diperoleh panas yang
dihasilkan kolektor adalah:
Qu  Ak E glob .  8 m 2 .900
W
. 0,55 3960 Watt
m2
Permukaan absorber dilakukan pengecatan dengan
warna hitam kusam 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 ()
 Absorsivitas rendah ()
 Refleksivitas rendah ()
 Tahan panas
 Murah dan kuat
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 / m2  765 Watt / m2
 Isolasi dan mutu pembuatan kolektor.
3.3.3 Perancangan Isolasi.
3.3 Perancangan Kolektor Pelat Datar
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:
3.3.1 Perancangan Pelat Absorber
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:
 Absorbsivitas tinggi ()
 Emisifitas panas rendah ()
 Kapasitas panas kecil (Cp).
 Konduktifitas besar (k)
 Konduktifitas termal bahan (k) kecil.
 Mudah dibentuk dan praktis
 Tahan lama.
Bahan yang biasa digunakan untuk isolasi yaitu:
gelas wol, silika aerogel, serbuk gergaji, kapuk, asbes
semen, dan gabus.
 Refleksi rendah ()
108
Kajian Energi Surya sebagai Sumber Alternatif Pembangkit Listrik dgn Memanfaatkan Kolektor Pelat Datar pada Sistem Solar Chimney
(Yazmendra Rosa)
3.3.5 Perancangan Rangka
3.4.2 Laju Energi yang Diserap (Qa).
Fungsi rangka adalah tempat kolektor membentuk
sistem yang bermanfaat. Untuk itu rangka diperlukan
sifat-sifat antara lain:
Kemampuan sistem kolektor untuk menerima radiasi
surya menjadi panas dipengaruhi oleh harga
transmisivitas (), kaca penutup dan harga
absorpsivitas (), dari pelat absorber.
 Kuat dan kaku.
Pengaruh transmisivitas () dan absorpsivitas ()
bahan disebut dengan
transmittance-absorptance
product (). Proses radiasi yang sampai ke kolektor
“Gambar (6)”. d ialah harga refleksifitas dari kaca
penutup.
 Tidak terlalu berat.
 Mudah dibentuk dan dibuat.
 Tahan lama.
Rangka ini digunakan atap bangunan atau rumah
yang akan di bangun dengan kondisi kemiringan
±10o dan mempertimbangkan arah aliran matahari
sepanjang tahun serta setiap hari.
Kaca
3.4 Keseimbangan Energi Pada Kolektor
Suatu sistem dianalisa dengan keseimbangan energi,
dimana keseimbangan energi selalu tetap. Persamaan
keseimbangan energi adalah:
Qa = Qu + Ql

d
Qa = laju radiasi surya yang dapat diserap oleh
pelat absorber.
Ql = Laju kehilangan energi dari kolektor ke
lingkungan.
3.4.1 Laju Aliran Energi yang digunakan (Qu)
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:


F ' (  ) E
... (19)

 T ~)  ... (21)
Qu  Ak Fr (  ) E glob  k eff (Tin  T ~) ...(20)
glob
 k eff (Tr
dengan,
Fr
= Faktor transpor panas kolektor, (0,5 - 0,8)
F’
= Faktor efisiensi kolektor, (0,8 - 0,9) [9].
(1-)2 d2
Persamaan transmittance absorptance product ialah :
* = .

Pada keadaan stedi tidak ada penambahan energi
dalam (U=0)
m Cp (Tout - Tin)
(1-) d
Gambar 6 Radiasi matahari yang jatuh pada sistem
kolektor
Qu = Laju perpindahan panas dari pelat absorber ke
fluida udara (energi yang berguna).
Qu =
(1-)2d2
(1-)d
... (18)
dengan,
Qu  Ak
(1-)2d
(1-)
[6]
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].
 1   .  
d
N

n 0
 .
... (22)
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.
Persamaan panas yang dapat diserap oleh kolektor,
Qa menjadi:
Qa  E glob . Aa . .
... (23)
Dengan mengunakan “Persamaan (23)” di dapat:
Qa 16m 2 (0,87 0,95).900W / m 2
11901,6 Watt.
Dengan asumsi 0,5 dari luas efektif diperoleh
5950,8Watt
3.4.3 Rugi-rugi Panas Pada Kolektor.
Panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan
dipengaruhi oleh koefisien perpindahan panas total,
109
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 6, No.2,Desember 2009
luas pelat absorber dan beda temperatur absorber
dengan lingkungan. Panas yang hilang dari kolektor
ke lingkungan yaitu: bagian bawah dan atas kolektor.
Jumlah total rugi panas secara ke seluruhan ke
lingkungan adalah:
QL = F’ UL Ak (Tr - T~)
... (24)
QL = Fr UL Ak (Tin - T~)
... (25)
- Rugi Panas Melalui Bagian Atas.
Pada bagian atas terjadi perpindahan panas konduksi,
konveksi dan radiasi seperti terlihat pada
“Gambar.(8)”
Koefisien perpindahan panas total melalui bagian
atas kolektor dapat dirumuskan:[5]
Af 
R .R 
Uf 
 Rk  c r 
Ak 
Rc  Rr 
- Rugi Panas Melalui Belakang.
Panas yang hilang pada bagian belakang dipengaruhi
oleh lapisan isolasi berupa luas, konduktifitas dan
ketebalan isolasi. Lapisan yang digunakan “Gambar
(7)”
Ta
gabus
h
triplek

Rk = tahanan termal konduksi kaca.
t
k kaca
Rk =
R2
k = konduktifitas kaca
R3
Rc = tahanan termal konveksi dari tutup ke
lingkungan.
Tb~
Rc 
R4
1
hf
hf = 5,5 + 2,7 (v) = koefisien konveksi termal pada
permukaan kaca.
R5
Tb~
Gambar 7 Bahan isolasi bagian belakang kolektor
v = kecepatan udara disekitar kolektor = 1,5 m/s.

Koefisien perpindahan panas keseluruhan melalui
bagian bawah adalah:[5]
Rr = tahanan termal radiasi antara penutup ke
lingkungan.
Rr 
Ub 
 Ta  T f ~ 

 ... (27)
 Ta  T ~ 
t = tebal kaca
triplek
pelat baja seng
1
dengan,
Ta
R1
ISSN 1829-8958
Ab
1
(T  T )
.
. a b ~ ... (26)
Ak t1  t 2  t3  t4  1 (Ta  T~ )
k1 k 2 k3 k4 hb
1
… (28)
 . .( Tk  T ~ 2 ).( T2  T ~)
2
T~
Tf ~
dengan,
h~
Ab
= luas permukaan bagian belakang
Ak
= luas kolektor
kaca
Rr
Rc
Ta
Rk
t1, t2, t3, t4
k1, k2,k3, k4
= tebal komponen atap
= konduktifitas
h
= koefisien konveksi bagian bawah kolektor
T b~
= Temperatur belakang kolektor ,oC.
T~
= Temperatur lingkungan, oC
Kehilangan panas bagian bawah “Persamaan (26)”
Ub 
1
1
.1
1
1 0,003 0,04 0,004 0,0003




0,166 0,048 0,166
54
11,4
h~
Ta
Tb ~
Gambar 8 Bahan isolasi bagian atas
dengan,
 = konstanta boltzman, 5,67 x 10-8 W/m.K
 = emisivitas kaca, 0,9.
T2 = temperatur kaca, K.
Berdasarkan “Persamaan (28)”, diperoleh rugi panas
melalui bagian atas adalah:
 1,03818 W / m 2 o C
110
Kajian Energi Surya sebagai Sumber Alternatif Pembangkit Listrik dgn Memanfaatkan Kolektor Pelat Datar pada Sistem Solar Chimney
(Yazmendra Rosa)
0,005
 0,006410256
0,78
1
Rc 
 0,104712
9,55
1
Rr 
 0,16275937
8
5,67 x10 x0,9 (319 2  303 2 ).(319303)
Rk 
3.5 Posisi surya terbit dan terbenam di suatu
lokasi
Indonesia berada pada lintasan sumber energi yaitu
pada garis khatulistiwa 6oLU sampai 11oLS, maka
posisi ini akan menerima radiasi surya sepanjang
tahun dan secara rata-rata 12 jam setiap harinya.
Lama waktu siang untuk menerima radiasi surya
dapat dihitung sebagai berikut:
Uf 
1
 6,0081 W / m2 o C
 9 ,55 x 0,16275937 
0,006410256  

 9 ,55  0,16275937 
n  284

 360 
 365

a.   23,45 sin 
b. sin  sin   cos cos  0
- Total Rugi-rugi Panas Pada Kolektor
Qtotal  Fr . Ak (U f  U b  U s ).(Tin  T ~) ... (29a)
c.   0,25720  t m  atau t m  720  4
Qtotal  F '. Ak (U f  U b  U s ).(Tr  T ~) ... (29b)
d. t loc  t m  4
Dengan mengunakan “Persamaan (29b)” di dapat:
Qtot  F ' (U f  4U s  U b ) Ak (Tr T ~)
 0,85( 6,0081 4 x1,2317 1,03818)1( 49  33)
162,84Watt.
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:
min
loc   st   E
deg
E  9,87 sin 2 B  7,53 cos B  156 Sin B
B  n  810,989
0
Terbenam bila   0
e. Terbit bila
f. Lama siang = Terbenam - Terbit
ENERGI SURYA
Radiasi surya 0, 29 - 2, 5 m.
Qin  E glob . Ak
ENERGI PANAS
Kolektor Pelat Datar
maka efisiensi teoritis kolektor adalah:


F '. E glob . Ak .  U L Ak ( Tr  T ~)
 ...(30a)
E glob . Ak


Fr . E glob . Ak .  U L Ak (Tin  T ~)
 ... (30b)
ENERGI MEKANIK
Turbin
(Solar Chimney)
E glob . Ak
Sedangkan efisiensi aktual kolektor dapat ditulis:


Qu m. Cp . T

Qin
E glob . Ak
... (31a)

Qa  QL
E glob . Ak
... (31b)
ENERGI LISTRIK
Generator
Gambar 9 Alur aliran rancangan Solar Chimney
Dengan mengunakan “Persamaan 31a, di dapat:
 th 

F ' Ak .E glob. .U L .Ak .(Tr T ~)
 0,505
 th  50,5%

E glob .Ak
Gambar 10 Rancangan awal sistem kolektor pelat datar untuk
Solar Chimney
111
Jurnal Teknik Mesin
Vol. 6, No.2,Desember 2009
ENERGI SURYA
Radiasi surya 0, 29 - 2, 5 m.




Kolektor Pelat Datar
Efisiensi = 55%
Luas Kolektor 4x4 m2 (sesuai dgn lahan
yag ada)
Atap bangunan (sketsa gambar)
Cerobong
ISSN 1829-8958
terintegrasi untuk kebutuhan stiap sistem komponen
pendukung yaitu sistem kolektor, sistem turbin angin
dan sistem generator listriknya.
Pengembangan kolektor dengan menggunakan energi
penyimpan untuk menjaga temperatur keluar kolektor
konstan dan perlu penelitian lanjut peningkatan
secara optimal dari pemanfaatan cerobong terhadap
aliran fluida udara sistem secara keseluruhan
4.2 Saran
Energi Panas
 Temperatur (Tinkolektor, Toutkolektor,
Toutcerobong, Tlingkungan)
 Laju aliran massa udara
(perbedaan temperatur, udara)
 Intensitas matahari
Energi Mekanik (Turbin)
Tidak/Belum

rpm

kecepatan udara mengalir
Energi
Mekanik
(Generator)
Energi Listrik
Ya/sudah
Penelitian dikembangkan dengan mengabungkan
dengan pemanfaatan energi angin sebagai energi
awal agar terjadi aliran fluida udara secara paksa.
PUSTAKA
1.
A. Bejan, G. Tsatsaronis dan M. Moran,
Thermal Design and Optimization, John Wiley
& Sons, New York, 1996.
2.
Andre G Ferreira, Technical Feasibility
Assessment of a Solar Chimney for Food Drying,
Solar Energy 82 (2008), 198-205, Elsevier,
2008.
3.
C. P. Arora, Refrigeration and Air
Conditioning, McGraw-Hill, Singapore 2000.
4.
Dickinson, William C & Cheremisinoff, Paul
N., Solar Energy Technology Handbook Part A,
Marcel Dekker, New York, 1980.
5.
Dufie, John A., & Beckman, William A., Solar
Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons,
New York, 1995.
6.
George A. Lane, Ph.D, Solar Heat Storage:
Latent Heat Materials, CRC Press, Inc., Florida,
2000.
7.
Rosa. Yazmendra, Hanif & Zulhendri,
Optimasi Udara Panas Keluaran Kolektor Surya,
Jurnal Teknik Mesin, Vol.1 No.1 Politeknik
Negeri Padang, 2004.
8.
Rosa. Yazmendra, Maimuzar & Nasrullah,
Rancang Bangun Pengering Gambir dengan
Memanfaatkan Energi Surya, Jurnal Teknik
Mesin, Vol.3 No.1 Politeknik Negeri Padang,
2006.
9.
Rosa. Yazmendra & Hanif, Rancang Bangun
Penyimpan Panas pada Kolektor dalam Sistem
Pengering dengan Memanfaatkan Energi Surya,
Jurnal Teknik Mesin, Vol.4, No.2 Des, 2007.
Energi listrik
Gambar 11 Bagan Alur Rancangan Penelitian
4 KESIMPULAN DAN SARAN
4.1 Kesimpulan
Pemanfaatan energi surya 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.
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.
Dengan kolektor pelat datar surya digunakan
mempunyai efisiensi 55% maka diperoleh energi
400 Watt/m2. Energi sebesar ini dilakukan transfer
energi ke energi mekanik dengan turbin efisiensi
10% maka diperoleh energi 40 Watt/m2.
Pada lokasi lahan atap mempunyai luas 4 x 4 m2 akan
memperoleh setengahnya dengan kondisi atap yang
tetap dengan tidak mengikuti proses lintasan pagi dan
sore dari surya. Energi surya yang dapat
dimanfaatkan sebesar 5950,8Watt. Asumsi efisiensi
10 % untuk turbin dan generator maka diperoleh
energi sebesar 59,5 Watt untuk luas 4 x 4 m2.
Pengoptimalan sistem solar chimney ini perlu
dilakukan dengan melakukan penelitian lebih
10. Rosa. Yazmendra & Menhendry, Kaji
Eksperimental Penyimpan Panas Sementara dari
Hasil Udara Panas Keluaran Kolektor Energi
Surya, Jurnal Poli Rekayasa, Vol.4, No.1
Oktober, 2008.
112
Kajian Energi Surya sebagai Sumber Alternatif Pembangkit Listrik dgn Memanfaatkan Kolektor Pelat Datar pada Sistem Solar Chimney
(Yazmendra Rosa)
11. Rosa. Yazmendra & Rino Sukma, Rancang
Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi
Energi Mekanik, Jurnal Teknik Mesin, Vol. 5
No.2 Desember 2008.
12. Sukhatme, Solar Energi: Principles of Thermal
Collection and Storage, Tata McGraw-Hill
Publishing Company Limited, New Delhi, India,
2001.
13. ......, Floating Solar Chimney Technology,
www.floatinglarchimney.gr, September 2008.
14. ......, The Solar Tower: Large scale Renewable
energy Power Station Development, 19th World
Energy Congress, Sydney Australia, Sep. 2004.
15. S. Grinspan, P. Suresh Kumar, U. K. Saha, P.
Mahanta, D. V. Ratna Rao And G. Veda
Bhanu, Design, Development And Testing Of
Savonius Wind Turbine Rotor With Twisted
Blades, Department Of Mechanical Engineering,
Indian Institute Of Technology, Guwahati-781
039, India.
16. Dave Mussell, Wind Turbine, The Pembina
Institute, www.re-energy.ca, 2006
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
membimbing di Pasca Sarjana ISTN,. Email:
[email protected] & [email protected].
113