Analisa Performansi Kolektor Surya Pelat Bergelombang untuk

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Analisa Performansi Kolektor Surya Pelat Bergelombang untuk
Pengering Bunga Kamboja
Ketut Astawa1), Nengah Suarnadwipa2), Widya Putra3)
1.2,3
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana-Indonesia. 80361
[email protected]
Abstrak
Penggunaan energi matahari untuk mengeringkan hasil-hasil pertanian saat ini masih banyak
dilakukan secara konvensional yaitu dengan memanfaatkan radiasi matahari secara langsung,
dimana bahan atau obyek yang dikeringkan diletakan di lantai/tanah dan kemudian ditaruh di bawah
terik matahari. Kelemahan dari cara ini adalah bahan yang dikeringkan memerlukan tempat yang
luas, pengeringan yang tidak merata, waktu pengeringan yang lama sehingga kurang efisien. Untuk
itu diperlukan sebuah alat untuk proses pengeringan tersebut, alat ini disebut kolektor surya. Dari
jenis kolektor surya ada dua jenis yaitu kolektor surya pelat datar dan kolektor surya pelat
bergelombang.
Pada penelitian ini digunakan kolektor surya pelat bergelombang yang bertujuan untuk menambah
luasan permukaan penerima radiasi matahari, dengan demikian udara yang keluar dari kolektor ini
temperaturnya diharapkan akan lebih tinggi dibandingkan dengan menggunakan kolektor surya
pelat datar. Penelitian ini menggunakan aliran alami dengan ketinggian cerobong pembuangan udara
dan uap air setinggi 50 cm serta jumlah rak sebanyak 10 tingkat dengan Pengujian dilakukan satu
kali dan selanjutnya dilakukan perhitungan serta analisa.
Dari hasil pengujian dan perhitungan terlihat bahwa performansi yang dihasilkan kolektor surya
dengan pelat bergelombang adalah menghasilkan energi berguna sebesar 0,0153 kJ/dt dan efisiensi
rata-rata 0,64%.
Kata kunci : kolektor surya pelat bergelombang, cerobong, energi berguna, efisiensi
air suatu bahan dengan atau tanpa adanya
bantuan energi panas. Sehingga terjadi
pemindahan panas dan massa uap air secara
simultan.
Pendahuluan
Ketersediaan energi panas matahari yang
berlimpah dan sifatnya yang ramah
lingkungan,
sangat
mendukung
akan
pemanfaatannya diberbagai sektor, seperti
pembangkitan listrik, pemanas air, dan
pengeringan hasil pertanian. Kolektor surya
merupakan alat yang berfungsi untuk
mengumpulkan
energi
surya
dan
mengubahnya menjadi energi panas (kalor)
yang berguna. Dalam penelitian ini kolektor
surya digunakan sebagai alat pengering.
Pengeringan adalah suatu
proses untuk
mengeluarkan atau menghilangkan sebagian
Pada penelitian ini kolektor surya akan
digunakan sebagai penegring bunga kamboja.
Bali merupakan tempat yang banyak
ditumbuhi oleh bunga kamboja, tidak
mengherankan dikarenakan masyarakat Bali
sangat tergantung dengan bunga yang biasa
digunakan untuk sarana persembahyangan.
Disamping
itu bunga kamboja kering
sekarang banyak digunakan sebagai bahan
campuran pembuatan kosmetik, lulur, dupa,
KE-38
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
dan lain-lain. Untuk mendapatkan kualitas
bunga kamboja kering yang bagus maka
penjemuran harus dilakukan dibawah panas
matahari yang cukup terik. Bila dilakukan
dengan panas yang tidak memadai maka
pengeringan akan membutuhkan waktu yang
sangat lama dan bunga tidak akan kering
dengan merata. Disamping
itu bunga
kamboja kering sekarang banyak digunakan
sebagai bahan campuran pembuatan kosmetik,
lulur, dupa, dan lain-lain. Untuk mendapatkan
kualitas bunga kamboja kering yang bagus
maka penjemuran harus dilakukan dibawah
panas matahari yang cukup terik. Bila
dilakukan dengan panas yang tidak memadai
maka pengeringan akan membutuhkan waktu
yang sangat lama dan bunga tidak akan kering
dengan merata.
Adapun beberapa tipe dari kolektor surya
untuk pengeringan dengan udara sebagai
fluida pengering antara lain kolektor surya
pelat
datar,
kolektor
surya
pelat
bergelombang, dan kolektor surya pelat
bersirip. Beberapa jenis pengering surya pada
umumnya menggunakan kolektor pelat datar
sebagai pelat absorber. Dari penelitian yang
terdahulu (Hollands, 1965) yang melakukan
penelitian dengan menggunakan pelat
bergelombang sebagai pelat penyerap pada
kolektor surya, diperoleh kesimpulan bahwa
tingkat absorbsivitas pelat penyerap terhadap
radiasi matahari meningkat. Radiasi yang
mengenai pelat penyerap yang berbentuk
gelombang, sebagian akan dipantulkan ke
penutup transparant dan sebagian lagi akan
dipantulkan
ke
bagian
gelombang
disebelahnya. Dengan menggunakan pelat
gelombang, pemantulan berulang akan lebih
banyak terjadi daripada hanya menggunakan
pelat datar sebagai pelat penyerap, yang hanya
mengandalkan pemantulan berulang yang
terjadi antara penutup transparant dan pelat
penyerap. Penelitian I Dewa Gede Aditya
Kresnawan
(2013)
tentang
analisis
performansi
kolektor
surya
pelat
bergelombang dengan aliran fluida mengikuti
kontur pelat dan variasi jumlah saluran udara
didapat kesimpulan bahwa bidang penyerapan
dengan pelat bergelombang menjadi lebih
luas.
Maka dalam penelitian ini akan
menggunakan empat kolektor surya pada
masing-masing sisi ruang pengering dengan
tujuan menambah luas bidang penyerapan
serta menyerap sinar matahari dari berbagai
posisi arah penyinaran.
Dasar Teori
Perpindahan panas (heat transfer) adalah
proses berpindahnya energi kalor atau panas
(heat) karena adanya perbedaan temperatur.
Dimana, energi kalor akan berpindah dari
temperatur media yang lebih tinggi ke
temperatur media yang lebih rendah. Proses
perpindahan panas akan terus berlangsung
sampai ada kesetimbangan temperatur yang
terjadi pada kedua media tersebut. Proses
perpindahan panas dapat terjadi secara
konduksi, konveksi, dan radiasi.
Perpindahan panas secara konduksi adalah
perpindahan panas yang terjadi pada suatu
media padat, atau pada media fluida yang
diam. Konduksi terjadi akibat adanya
perbedaan temperatur antara permukaan yang
satu dengan permukaan yang lain pada media
tersebut.
Laju konduksi dikenal dengan Hukum
Fourier tentang Konduksi ( Fourier Low of
Heat
Conduction),
yang
persamaan
matematikanya sebagai berikut:
q kond   kA
dT
dx
(1)
dimana :
qkond = laju perpindahan panas konduksi (W)
K
KE-38
= konduktivitas termal bahan (W/m.K)
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
A
= luas penampang tegak lurus terhadap
arah aliran panas (m2)
dT
dx
Besarnya radiasi yang dipancarkan oleh
permukaan suatu benda riil (nyata),
(W), adalah :
= gradien temperatur pada penampang
(3)
tersebut (K/m)
(-)
= perjanjian Fourier
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.
dimana :
Laju perpindahan panas konveksi adalah
merupakan
hukum
Newton
tentang
pendinginan (Newton's Law of Cooling) yaitu:
konstanta Stefan-boltzmann yang nilainya
5,67 x 10-8 (W/m2K4)
q konv  h . A s .T s  T  
= laju pertukaran panas radiasi (W)
= emisivitas (
= konstanta proporsionalitas dan disebut
= luas bidang permukaan (m2)
(2)
= temperatur benda (K)
dimana :
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), seperti ditunjukan
pada gambar 1 dibawah ini:
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)
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.
Gambar 1. Bagan pengaruh radiasi datang
Sumber : (Holman J.P., 1997 halaman 343)
Kolektor Pelat Datar Standar
Pada kolektor surya yang digunakan
sebagai pemanas udara, radiasi matahari tidak
akan sepenuhnya diserap oleh pelat penyerap.
Sebagian
radiasi
akan
dipantulkan
KE-38
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
(direfleksikan) menuju bagian dalam penutup
transparan. Pantulan sinar yang menuju
penutup transparan akan dipantulkan kembali
dan sebagian lainnya terbuang ke lingkungan.
Proses penyerapan radiasi ini diperlihatkan
pada Gambar 2.
berguna dengan intensitas matahari yang
mengenai kolektor. Performansi kolektor
dapat dinyatakan dengan efisiensi thermal.
Efisiensi kolektor
menggunakan persamaan:
surya
dihitung
(5)
dimana:
ŋ = efisiensi kolektor
= panas berguna (W)
= laju aliran massa fluida (kg/s)
Gambar 2. Penyerapan radiasi matahari oleh
kolektor
= kapasitas panas jenis fluida (
)
Sumber: (Aditya Kresnawan, I Dewa Gede, 2013)
Energi yang berguna digunakan untuk
menghitung seberapa besar panas yang
berguna yang dihasilkan oleh kolektor surya.
Sedangkan efisiensi
digunakan untuk
menghitung performansi atau unjuk kerja dari
kolektor surya tersebut.
)
Penelitian ini akan menguji sebuah alat
pengering
dengan
kolektor
pelat
bergelombang dengan menggunakan metode
eksperimental. Setelah persiapan selesai maka
dilakukan pengujian pada kolektor surya
dengan cara pengamatan dan pencatatan dan
data-data yang ditunjukan oleh alat ukur.
= laju aliran massa fluida (kg/s)
Bunga kamboja yang akan digunakan
sebagai bahan penelitian dari jenis bunga
kamboja kuning (bunga kamboja cendana).
Dari
penelitian
yang
dilakukan
di
Laboratorium Fakultas Teknologi Pertanian
Universitas Udayana didapat kadar air bunga
kamboja yang masih basah sekitar 88,8%,
serta kadar air bunga kamboja yang sudah
kering sekitar 19,7%. Dengan massa 160 gr
)
)
)
Metode Penelitian
= panas yang berguna (W)
= temperatur fluida masuk (
)
kolektor (
dimana:
)
= temperatur fluida masuk (
= radiasi surya yang jatuh pada bidang
(4)
= temperatur fluida keluar (
)
= luas bidang penyerapan kolektor (
Untuk perhitungan energi yang diserap
atau energi berguna pada kolektor digunakan
persamaan:
= kapasitas panas jenis fluida
= temperatur fluida keluar (
Efisiensi kolektor adalah perbandingan
panas yang diserap oleh fluida atau energi
KE-38
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
untuk setiap rak yang terdapat pada ruang
pengering.
yang sudah di cat hitam. Di dalam kolektor,
radiasi matahari akan dipantulkan scara
berulang karena adanya bentuk bergelombang
dari pelat menyerap. Udara yang masuk
melalui saluran masuk kolektor akan menerpa
pelat penyerap yang sudah panas dan
memindahkan panas dari pelat keluar menuju
ruang pengering melalui saluran keluar
kolektor.. Udara panas tersebut akan mengalir
mengenai bahan uji yang telah disusun di atas
rak pengering. Akibat dialirkan udara panas
maka bahan uji akan mengalami penurunan
kadar air dan membuat bahan uji mengalami
proses pengeringan. Selanjutnya udara panas
tersebut akan dikeluarkan melalui cerobong
yang terdapat diatas ruang pengering.
Variable bebas adalah variable yang
mempengaruhi munculnya suatu gejala.
Dalam penelitian ini variable bebas yang
dihitung adalah waktu pengeringan (t).
Variabel terikat adalah variabel yang
dipengaruhi atau yang menjadi akibat karena
adanya variabel bebas. Dalam penelitian ini
variabel teikatnya adalah : Energi yang
diserap kolektor (
), Efisiensi pengeringan
Gambar 3. Bahan Uji : Bunga Kamboja
1
2
3
4
6
5
(ηp ), Energi berguna untuk penguapan (
)
Gambar 4. Ilustrasi alat pengering surya
Diagram alir penelitian
Keterangan gambar:
1. Cerobong : memberikan tarikan untuk
keluarnya udara
2. Rak pengering : tempat meletakkan
bahan yang akan dikeringkan
3. Plastik bening : untuk penutup ruang
pengering dan atap
4. Kolektor surya : untuk menangkap dan
mengumpulkan panas matahari
5. Saluran udara masuk : sebagai saluran
masuknya udara secara alami
6. Pelat Bergelombang : sebagai area
penyerapan panas matahari
Pada Gambar 4 dapat dijelaskan bahwa
radiasi matahari yang mengenai penutup
transparan
akan
menembus
penutup
transparan dan mengenai pelat bergelombang
Gambar 5. Langkah pengujian dan pengambilan
data
KE-38
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
tidak seragam tergantung pada pergerakan
matahari pada waktu pengujian.
Hasil dan Pembahasan
Dari hasil pengujian kemudian dilakukan
perhitungan dengan menggunakan persamaanpersamaan di atas diperoleh hasil yang dibuat
dalam grafik hasil pengujian.
1. Perbandingan
Kolektor
Energi
Masuk
3. Kadar Air Bunga
Efisiensi Pengeringan
Kamboja
dan
Tiap
Gambar 8. Grafik Kadar Air Bunga Kamboja
dan Efisiensi Pengeringan
Kandungan kadar air adalah parameter
utama proses pengeringan dan menjadi target
utama dalam proses ini. Kandungan kadar air
bunga kamboja jenis cendana kuning adalah
sebesar 88,8% sebelum mendapat perlakuan
proses pengeringan. Dapat dilihat pada
gambar 4.15, terjadi penurunan kadar air pada
bunga kamboja, dimana kadar air yang dicapai
besarnya adalah 74% . Penurunan kadar air
bunga kamboja terjadi sepanjang waktu
pengujian. Ini dapat menujukkan bahwa,
udara panas yang menyerap kandungan air
pada bunga kamboja telah bersirkulasi.
Pada proses pengeringan, pada awal
dimulainya proses pengeringan tidak terjadi
perpindahan massa sehingga efisiensi
pengeringannya nol. Efisiensi pengeringan
terbesar terjadi pada pukul 09.00 wita yaitu
sebesar 1,3% karena kandungan air pada
bunga kamboja masih banyak. Selanjutnya
efisiensi menurun untuk waktu berikutnya
sampai akhir proses pengeringan.
Gambar 6. Perbandingan energi masuk tiap
kolektor
Pada gambar 6. dapat dilihat pebandingan
enegi masuk tiap kolektor, dimana
perbandingannya tidak terlalu besar sehingga
pada gambar terlihat seperti garis lurus ini
dikarenakan temperatur masuk yang diterima
tiap kolektor peredaannya tidak terlalu besar.
2. Perbandingan Energi Berguna Tiap
Kolektor
Gambar 7. Perbandingan energi berguna tiap
kolektor
Pada gambar 7, terjadi perbedaan yang
besar pada energi beguna setiap kolektor,
dimana pada kolektor 1,2, dan 4 dapat
mencapai energi puncak sebesar 0,04 kJ/s
pada jam yang berbeda ini dikarenakan
penyerapan sinar matahari oleh tiap kolektor
Kesimpulan
Setelah dilakukan pengolahan data dan
analisa data dalam penelitian ini, maka dapat
ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Dari
perbandingan
pengeringan
menggunakan alat dengan cara alami,
KE-38
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
didapatkan bahwa dengan menggunakan
alat akan dapat mempercepat proses
pengeringan. Massa akhir dari bahan yang
diuji menggunakan alat sebesar 0,69 kg
dan 1,25 kg dengan cara penjemuran
alami.
2. Selama pengujian yang sudah dilakukan,
penurunan kadar air yang dapat dicapai
sebesar 14,8% .
3. Efisiensi
pengeringan
pada
ruang
pengering terjadi paling besar pada pukul
09.00 yaitu sebesar 1,3% dan selanjutnya
menurun untuk waktu berikutnya.
Ucapan Terimakasih
Penelitian ini didanai dengan dana PNBP
oleh DIKTI Melalui LPPM dan Fakultas
Teknik Universitas Udayana Dengan Surat
Perjanjian Penugasan Pelaksanaan Penelitian
Nomor : 2020/UN14.1.31/PN.00.00.00/2015 ,
Tanggal : 25 Mei 2015
Daftar Pustaka
[1] 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.
[2] Holman, J. P., alih bahasa oleh Ir. E. Jasjfi
M.Sc, (1985), Perpindahan Kalor,
Erlangga, Jakarta
[3] J.A Duffie,., and Beckman, W. A., (2006),
Solar
Engineering
of
Thermal
rd
Processes, 3 ed, John Wiley and Sons,
Inc, New York
[4] Jansen, Ted. J., alih bahasa oleh Prof.
Wiranto
Arismunandar,
(1995),
Teknologi Rekayasa Surya, PT.
Pradnya Paramita, Jakarta
KE-38