Muhamad Jafri KARAKTERISTIK KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR DENGAN VARIASI JARAK (KAJIAN PUSTAKA) CHARACTERISTICS OF FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR BECAUSE OF VARIATION DISTANCE (LITERATUR RIVIEW) Muhamad Jafri Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, FST, Universitas Nusa Cendana, Kupang Jl. Adisucipto, Penfui Kupang-NTT. Telp : (HP) 081237119375, E-mail : [email protected] ABSTRACT Heat received by a flat plate solar collector that comes from solar electromagnetic energy. The glass cover that used was very influential by the heat that received. The distance between the glass cover and the collector plate determines how much air between the plate and the glass cover, then conducted research to determine the effect of distance on the temperature of the glass plate to plate heat received large states. In the first study (Burhanuddin A., (2005) used glass is clear glass and frosted glass with a thickness of 3 mm, respectively, and 5 mm. The result is that the highest temperature is achieved when the glass plate used clear glass with a distance of 3 mm glass plate to 20 mm. While the two studies Ekadewi A. Handoyo, (2001) to be done to determine the efficiency of flat plate solar thermal collectors. Collector testing was doing on November 30 th, December 1st, 3rd, 5th, 6th, and December 7th, 2005 with the variation of the glass cover distance of 3 cm, 6 cm and 9 cm. The results showed that the output - input temperature difference is greater in distance of 3 cm. The efficiency of solar thermal collectors is not a constant. The efficiency of solar collectors depends on the intensity of solar radiation, temperature differences of input- output, and airflow. In the solar collector, at the smallest of tilt angle of, the absorbed radiation is the largest. If the solar collector angle equal to the zenith angle, absorption radiation will be maximum. Key words: solar collectors flat plate, glass cover, the distance between the glass and the plate. ABSTRAK Panas yang diterima suatu kolektor surya plat datar berasal dari energi elektromagnetik matahari, maka kaca penutup yang digunakan sangat berpengaruh terhadap panas yang diterima. Jarak antara kaca penutup dan plat kolektor menentukan lebar celah dan sekaligus banyaknya udara di antara plat dan kaca penutup, maka dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh jarak kaca ke plat terhadap temperatur plat yang menyatakan besar panas yang diterima. Pada penelitian pertama (Burhanuddin A., (2005) kaca yang digunakan adalah kaca bening dan kaca es dengan ketebalan masing-masing 3 mm dan 5 mm. Hasil penelitian didapat bahwa temperatur plat tertinggi dicapai saat kaca yang digunakan kaca bening 3 mm dengan jarak kaca ke plat 20 mm. Sedangkan pada penelitian ke dua Ekadewi A. Handoyo, (2001) dilakukan untuk menentukan efisiensi kolektor panas surya plat datar. Pengujian kolektor dilakukan pada tanggal 30 November 2005, 1, 3, 5, 6, 7 Desember 2005 dengan variasi jarak satu kaca penutup 3 cm, 6 cm, dan 9 cm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perbedaan temperatur output-input lebih besar pada jarak 3 cm. Efisiensi kolektor panas surya bukanlah suatu konstanta. Efisiensi kolektor surya bergantung pada intensitas radiasi matahari, perbedaan temperatur input-output, dan aliran udara. Pada sudut kemiringan kolektor surya yang terkecil, radiasi yang terserap yang adalah yang radiasi terbesar. Jika sudut kemiringan kolektor surya sama dengan sudut zenit maka radiasi yang terserap akan maksimal. Kata kunci: kolektor surya plat datar, kaca penutup, jarak antara kaca dan plat. [1828] Muhamad Jafri Kebutuhan energi semakin kolektor surya. Ada banyak jenis kolektor adanya kemajuan surya seperti plat datar, plat gelombang, teknologi. Sumber energi yang banyak tipe rak, dan masih banyak kolektor dipakai sampai saat ini adalah sumber lainnya dan semuanya tergantung dari yang dapat habis yang tidak dapat desain dan bentuk absorbernya. Dalam diperbaharui bumi, suatu kolektor surya plat datar, sebagian batubara dan gas bumi. Karena kebutuhan besar energi matahari ditransmisi oleh energi meningkat maka usaha manusia kaca penutup ke plat yang biasanya dicat untuk mengeksploitasi sumber energi di hitam. Plat ini disinggungkan dengan pipa atas Mengingat yang berisi fluida yang akan dipanasi. Ada terbatasnya persediaan sumber energi 3 konfigurasi penyusunan pipa pada plat tersebut, maka mulai dicari sumber energi yang umum dipakai yaitu (1) pipa lain seperti energi ditempelkan di bawah plat, (2) pipa meningkat dengan turut seperti minyak meningkat. matahari, energi gelombang, energi angin, energi pasang ditempelkan surut, dll. ditempelkan di antara plat. Plat kolektor Energi matahari yang disediakan yang di atas menerima plat, panas (3) pipa akan Tuhan untuk umat manusia khususnya menghantarkan panas ke fluida dalam yang tinggal di daerah tropis, sangatlah pipa. berlimpah. Selain berlimpah dan tidak Menurut John A. Duffie, at al habis pakai, energi matahari juga tidak (1991), panas yang diserap plat kolektor menimbulkan ini dipengaruhi oleh kaca penutup. Jenis kaca pemanfaatan energi surya cukup banyak penutup yang digunakan menentukan seperti penghangat rungan serta sebagai banyaknya energi matahari yang diserap pengering beberapa komoditi dan ikan. kaca, yang ditransmisi ke udara di antara Metode yang digunakanpun ada yang kaca-plat dan yang direfleksi kembali ke masih sederhana maupun modern yang atmosfir. Pada penelitian ini akan dicari memiliki nilai teknologi, yang mana pengaruh jenis kaca penutup dan jarak masing-masing memiliki kekurangan dan kaca ke plat terhadap panas yang diterima kelebihan. Sebuah metode yang sederhana plat dengan mengukur temperature plat. namun memiliki nilai teknologi adalah Jarak kaca ke plat menentukan lebar celah sistem pengeringan menggunakan oven, dan sekaligus banyaknya udara di antara dimana panasnya berasal dari surya yang plat dan kaca penutup. dikumpulkan polusi. atau Selama dikenal sebagai [1829] Muhamad Jafri Tujuan yang ingin dicapai dalam Model kolektor surya tulisan ini adalah untuk mengetahui Dalam penelitian ini, digunakan pengaruh jenis kaca penutup dan jarak model seperti pada gambar 1.a Model kaca ke plat terhadap panas yang diterima yang plat dengan mengukur temperatur plat. pengambilan digunakan ada data 8 buah bisa agar dilakukan bersamaan. Hal ini dilakukan mengingat PENGKAJIAN temperatur lingkungan, intensitas matahari Pengaruh Jarak Kaca ke Plat Terhadap Panas yang Diterima Kolektor Surya Plat Datar Pada penelitian ini akan dicari dan kecepatan angin sangat berfluktuasi. Agar dapat membuat perbandingan dari parameter tertentu, maka semua parameter pengaruh jenis kaca penutup dan jarak yang kaca ke plat terhadap panas yang diterima lain dijaga konstan selama pengukuran. plat dengan mengukur temperatur plat. 160 150 160 150 A A 130 130 10 1 5 50 h 5 5 25 3 2 4 5 Katerangan : 1. Kotak, 2. Isolasi, 3. Kaca, 4. Plat, 5. Sensor Gambar 1.a Gambar Model Kolektor Surya Tinggi kotak bervariasi, ada 55 mm (2 dan 70 mm (2 buah). Bahan kaca penutup: buah), 60 mm (2 buah), 65 mm (2 buah) kaca bening dengan tebal 3 mm, 5 mm [1830] Media Exacta dan kaca es dengan tebal 3 mm, 5 mm. temperatur (oC) dengan faktor skala 10 Bahan plat kolektor: aluminium setebal 1 mV/oC. Sensor ini tidak membutuhkan mm. kalibrasi eksternal dengan akurasi sebesar ± ¼ oC pada temperatur kamar dan ± ¾ oC pada range temperatur antara –55 Sensor Temperatur o C plat sampai + 150 oC. Sensor ini memiliki self menggunakan IC LM35 seperti pada heating yang rendah dan beroperasi gambar 1.b. Keluaran sensor ini berupa sampai temperatur + 150oC. Pengukuran temperatur tegangan (mV) yang linear terhadap Gambar 1.b Sensor temperatur LM35 Temperatur plat diukur dengan Prosedur Percobaan menempelkan badan IC LM35 pada Percobaan dilakukan langsung di tempat permukaan plat. Posisi badan sensor terbuka seperti pada gambar 1.b dimana bagian Percobaan atas yang ditempelkan pada plat kolektor. membandingkan langsung jenis-jenis kaca Untuk ini diperlukan peralatan penunjang, yang akan dibandingkan. Misalnya kaca yaitu: mengukur bening tebal 3 mm dibandingkan dengan tegangan keluaran, baterei 9V untuk input, kaca es tebal 3 mm. Model yang kabel penghubung dari kaki keluaran ke disediakan ada 8 kotak: kaca bening tebal multimeter. Peralatan lain yang diperlukan 3 mm dengan jarak kaca ke plat 15 mm, adalah untuk 20 mm, 25 mm, 30 mm dan kaca es tebal dan 3 mm dengan jarak kaca ke plat 15 mm, velometer untuk mengukur kecepatan 20 mm, 25 mm, 30 mm. Pemilihan jarak angin di lokasi penelitian. ini ditentukan dengan mengacu pada multimeter termometer mengukur untuk air temperatur raksa sekitar di bawah sinar dilakukan matahari. dengan penelitian (Tirtoatmojo, dkk, 1995) yang [1831] Muhamad Jafri menyebutkan bahwa jarak terbaik sekitar cuaca cerah dengan temperatur lingkungan 25 mm. berkisar 40oC–48oC dan kecepatan angin antara 1,5 sampai 3 m/s. Berdasarkan hasil percobaan, ternyata temperatur lingkungan Hasil Percobaan Dan Analisa Hasil percobaan yang dilakukan dan kecepatan angin tidak terlalu Purnawarman, dkk, (2001) menunjukkan mempengaruhi temperatur plat. Hasil bahwa kolektor pengukuran untuk keempat jenis kaca intensitas yang digunakan dapat dilihat dari gambar dilakukan 1.c dan 1.d. temperatur berfluktuasi matahari. plat tergantung Saat pengukuran . Gambar 1.c Temperatur Plat Kolektor untuk Kaca Bening 3 mm dan 5 mm Gambar 1.d. Temperatur Plat Kolektor untuk Kaca Es 3 mm dan 5 mm Temperatur rata-rata plat untuk tersebut merupakan rata-rata dari semua berbagai jarak yang dicoba pada penelitian data yang didapat yaitu saat kaca penutup ini dapat dilihat pada gambar 1.e. Data [1832] Media Exacta yang dipakai kaca bening 3 mm dan 5 mm dan persamaan konveksi bebas di antara 2 serta kaca es 3 mm dan 5 mm. bidang datar sejajar dengan kemiringan sudut ß dari horisontal, dalam hal ini antara plat kolektor dengan permukaan dalam kaca penutu terlihat bahwa berbanding lurus dengan bilangan Nusselt dan bilangan Nusselt berbanding lurus dengan bilangan Rayleigh. Berarti bertambah jika bilangan akan Rayleigh bertambah. Berdasarkan persamaan; Gambar 1.e Temperatur Rata-Rata Plat ke Empat Jenis Kaca yang Digunakan. ( ( ) ) Gambar 1.c sampai gambar 1.e bilangan Rayleigh merupakan fungsi dari terlihat bahwa temperatur plat tertinggi L, celah atau jarak antara plat dengan kaca saat jarak kaca ke plat 20 mm. Hal ini penutup. Semakin lebar jaraknya, semakin dapat dimengerti dengan memperhatikan besar bilangan Rayleigh dan berarti bahwa temperatur plat akan menurun jika semakin banyak energi dalam bentuk panas yang demikian, semakin lebar jarak kaca ke hilang ke lingkungan. Perpindahan panas plat, temperatur plat semakin rendah. ke lingkungan terjadi secara konveksi dan Namun, dari gambar 1.e ada suatu radiasi dari plat ke kaca sebelah dalam dan fenomena yang menarik yaitu: pada jarak secara konveksi dari permukaan kaca kaca ke plat lebih rendah dari 20 mm, sebelah luar ke lingkungan. Perpindahan temperatur plat tidak lebih tinggi dari saat panas radiasi tidak dipengaruhi lebar celah jarak 20 mm melainkan justru lebih atau jarak kaca ke plat. Sedang untuk rendah. Diduga hal ini disebabkan karena perpindahan dengan sempitnya celah, molekul udara panas konveksi, dari besar rugi panas. Dengan tidak dapat berpindah dengan leluasa. Hal persamaan, ( ) ini menyebabkan perpindahan panas dari didapat laju panas yang hilang akan plat ke kaca sebelah dalam lebih mungkin semakin besar jika koefisien perpindahan terjadi secara konduksi daripada secara panas konveksi, konveksi. , semakin besar. Untuk perpindahan panas konduksi, dari (Kreith, et al, 1978) laju Sedang dari persamaan panas berbanding terbalik dengan tebal [1833] Muhamad Jafri atau lebar media yang searah perpindahan Karakteristik Kolektor Surya Plat Datar Dengan Variasi Jarak Penutup plat Kolektor panas (L): Metode Penelitian Penelitian ini Semakin kecil lebar media atau bahan, semakin besar panas secara dilaksanakan di halaman belakang laboratorium pusat konduksi yang ditransfer. Dalam hal UNS kolektor surya yang diteliti, maka semakin Novembar 2005 sampai 7 Desember 2005 kecil pukul 10.00-14.00 WIB. jarak kemungkinan kaca ke plat kolektor, perpindahan panas Surakarta. Alat yang pada tanggal digunakan 30 dalam berlangsung lebih secara konduksi dan penelitian berarti semakin banyak panas yang hilang anemometer testo, termometer digital, ke lingkungan sehingga temperatur plat light Meter Model Li-250 No Seri LMA– menurun. 2706, sensor pyranometer No seri PY– ini 46415 Prosedur Penelitian Perancangan Kolektor Termal Pembuatan Kolektor Termal Pengujian Variasi Jarak Kaca Penutup Plot Grafik Ir, Tp, Tk Analisis Grafik Perhitungan Efisiensi Termal Plot Grafik η-ΔT Kesimpulan [1834] adalah termokopel, Media Exacta HASIL DAN PEMBAHASAN Pengukuran intensitas radiasi matahari a. Intensitas matahari pada bidang dapat dilihat pada Gambar 2.a. datar Gambar 2.a Grafik Intensitas Matahari terhadap waktu Dari Gambar 1.b, dapat kita lihat bahwa intensitas yang terjadi sangat bahwa pengambilan data dilakukan dari fluktuatif. Hal ini dapat terlihat dari pukul 14.00. kenaikan dan penurunan intensitas yang intensitas sebaran yang terlihat tidak cukup tajam. Fluktuatif yang terjadi teratur. yang tersebut disebabkan karena kondisi cuaca seharusnya pada pukul 10.00 sampai yang berubah yang disebabkan adanya dengan 12.00 akan naik dan pada pukul gumpalan awan dan mendung tebal yang 12.00 sampai dengan 14.00 akan turun menghalangi radiasi matahari sampai ke tidak semuanya terjadi, sehingga terlihat bumi. 10.00 sampai Intensitas dengan matahari b. Temperatur kolektor pada variasi jarak kaca penutup Gambar 2.b Grafik temperatur dengan jam pengamatan pada jarak 3 cm dan 9 cm [1835] Muhamad Jafri mencapai 13 0C dan perbedaan terkecil 0,4 Pada Gambar 2.b dapat kita lihat bahwa besar temperatur keluarannya lebih 0 besar dari temperatur masukannya. Pada mencapai 51,2 0C pada pukul 11.45 dan jarak plat 3 cm perbedaan temperatur temperatur masukan mencapai 42,6 masukan dan keluaran terbesar mencapai pada pukul 11.45. 23,1 0C dan perbedaan terkecil 9,9 0C. 63,8 0C pada pukul 11.45 dan temperatur c. Perbedaan temperatur masuk (Tin) dan temperatur keluar (Tout) terhadap jam pengamatan Hasil temperatur kolektor surya masukan mencapai 41,7 0C pada pukul dapat 12.45. Pada jarak plat 9 cm perbedaan temperatur masuknya (Tin) dan temperatur nilai masukan dan keluaran terbesar keluarnya (Tout) terhadap jam pengamatan. Temperatur keluaran tertinggi mencapai C. Temperatur dilihat pada keluaran grafik Gambar 2.c Grafik perbedaan temperatur input-output pada jarak 3 cm dan 6 cm Gambar 2.d Grafik perbedaan temperatur input-output pada jarak 3 cm dan 9 cm [1836] tertinggi 0 C perbedaan Media Exacta Gambar 2.e Grafik perbedaan temperatur input-output pada jarak 6 cm dan 9 cm Pada Gambar 2.c, Gambar 2.d, dan hal ini dikarenakan adanya perbedaan Gambar 2.e dapat kita lihat bahwa pada 30 aliran udara yang bergerak di sekitar November 2005, perbedaan temperatur kolektor. Dari hasil pengukuran dapat pada jarak kaca 3 cm hasilnya lebih tinggi disimpulkan bahwa variasi jarak kaca dari jarak kaca 6 cm. Tetapi ada 2 data berpengaruh yang hasilnya kebalikannya, hal ini karena temperatur kolektor. Dimana perbedaan adanya perubahan aliran yang bergerak di temperatur akan maksimum pada jarak sekitar kolektor. Pada 1 Desember 2005, kaca kecil, karena sedikit energi panas perbedaan temperatur pada jarak kaca 3 yang hilang ke lingkungan. cm hasilnya lebih tinggi dari jarak kaca 9 Efisiensi kolektor Surya cm. Hal ini karena pada jarak kaca 9 cm a. Efisiensi kolektor surya pada variasi panas yang hilang ke lingkungan semakin berkurang. sedangkan pada perbedaan jarak kaca besar. Sehingga penyerapan panas pada plat terhadap Hasil efisiensi pada kolektor surya 3 dapat dilihat pada grafik efisiensi kolektor Desember 2005, perbedaan temperatur surya pada jarak kaca 6 cm hasilnya sebagian masuknya (Tin) dan temperatur keluarnya besar lebih tinggi dari jarak kaca 9 cm. (Tout), yaitu pada Gambar 2.f, Gambar 2.g, Pada jarak kaca 9 cm banyak panas yang dan Gambar 2.h. hilang ke lingkungan. Tetapi ada beberapa keadaan dimana besarnya berkebalikan, [1837] terhadap perbedaan temperatur Muhamad Jafri Gambar 2.f Grafik efisiensi termal dengan jarak kaca dan plat penyerap 3 cm dan 6 cm Gambar 2.g Grafik efisiensi termal dengan jarak kaca dan plat penyerap 3 cm dan 9 cm Gambar 2.h Grafik efisiensi termal dengan jarak kaca dan plat penyerap 6 cm dan 9 cm Pada Gambar 2.f, Gambar 2.g, dan Sedangkan pada jarak kaca 6 cm efisiensi Gambar 2.h kita lihat bahwa pada tanggal termal tertinggi mencapai 97,59 % dan 30 November 2005, efisiensi termal terendah 23,65 tertinggi pada jarak kaca 3 cm mencapai Desember 2005, efisiensi termal tertinggi 72,82 pada jarak kaca 3 cm mencapai 81,58 % % dan terendah 33,05 %. [1838] %. Pada tanggal 1 Media Exacta dan terendah 29,22 %. Sedangkan pada yang laminer, dan perbedaan temperatur jarak kaca 9 cm efisiensi termal tertinggi masukan dan keluaran maksimum. mencapai 98,59 % dan terendah 11,2 %. Pada tanggal 3 Desember 2005, efisiensi PENUTUP termal tertinggi pada jarak kaca 6 cm Kesimpulan mencapai 82,48 % dan terendah 28,47 %. Berdasarkan hasil penelitian Sedangkan pada jarak kaca 9 cm efisiensi Ekadewi A. Handoyo, (2001) dengan kaca termal tertinggi mencapai 81,51 % dan bening 3 mm, 5 mm dan kaca es 3 mm, 5 terendah mm dengan beberapa jarak kaca ke plat, 23,6 dikatakan %. bahwa Sehingga hasil dapat perhitungan didapat: efisiensi termal dari kolektor surya dalam 1. Panas yang diserap plat atau penelitian ini bukanlah suatu konstanta temperatur plat tertinggi jika jarak melainkan sebuah karakteristik dengan kaca ke plat 20 mm. variabel yang tergantung dari intensitas 2. Temperatur lingkungan dan kecepatan matahari, temperatur masukan, temperatur angin keluaran, Dimana mempengaruhi panas yang diserat plat. intensitas matahari yang diterima kolektor Sedangkan hasil penelitian Burhanuddin tidak fluktuatif, aliran udara yang laminer, A., (2005) dapat disimpulkan bahwa: dan perbedaan temperatur masukan dan 1. Pada ketiga variasi jarak plat penyerap dan keluaran aliran udara. maksimum. jika cuaca cerah tidak Perbedaan dengan kaca transparan, didapatkan temperatur akan maksimum pada jarak nilai perbedaan temperatur input-output kaca kecil. tertinggi pada jarak 3 cm dan terendah Sehingga dapat dikatakan bahwa pada jarak 9 cm, dan plat penyerap hasil perhitungan efisiensi termal dari akan menyerap radiasi matahari secara kolektor maksimal jika posisi plat tersebut tegak surya bukanlah suatu dalam penelitian konstanta ini melainkan lurus sebuah karakteristik dengan variabel yang tergantung datang radiasi matahari. 2. Efisiensi temperatur masukan, temperatur keluaran, intensitas dan masukan, temperatur keluaran, dan udara. intensitas arah matahari, aliran dari dengan Dimana intensitas matahari yang diterima kolektor tidak termal bergantung matahari, aliran udara efisiensi termal. fluktuatif dan permukaan kolektor tegak lurus dengan posisi matahari, aliran udara s [1839] dari temperatur Muhamad Jafri maka semakin besar temperatur yang Rekomendasi Banyak penelitian tentang terjadi pada plat. Namun perlu diketahui karakteristik kolektor surya plat datar bahwa masih banyak faktor lain yang khususnya tentang pengaruh jarak antara mempengaruhi kaca penutup dan plat absorber yang hasil surya plat datar seperti, sudut kemiringgan mengarah pada kesimpulan yang sama kolektor, jenis kaca penutup serta dimensi yaitu semakin kecil jarak yang terbentuk, kolektor. karakteristik kolektor DAFTA PUSTAKA Duffie, J.A. dan Beckman, W.A. , 1991: Solar Engineering of Thermal Processes, John Willey and Sons Inc, Wisconsin. Ekadewi Anggraini Handoyo, 2001: Pengaruh Jarak Kaca Ke Plat Terhadap Panas Yang Diterima Suatu Kolektor Surya Plat Datar, Jurnal Teknik Mesin Universitas Kristen Petra, Volume 3, No. 2, 52-56, Surabaya. Kreith, Frank and Kreider, Jan F., 1978: Principles of Solar Engineering. New York: McGraw, Hill Book. Purnawarman, Heru, 2001: Pengaruh Jumlah dan Jarak Kaca Terhadap Temperatur Plat Solar Kolektor, Jurusan Teknik Mesin Universitas Kristen Petra, Surabaya. Tirtoatmojo, Rahardjo, 1995: Pemanas Air dengan Memanfaatkan Energi Matahari, Percetakan Universitas Kristen Petra, Surabaya [1840]