I Kadek Danu Wiranugraha, Hendra Wijaksana dan Ketut · PDF filesurya dapat dilakukan dengan...

Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No. , Juli 2016 (1 –6)

Korespondensi: Tel. 081353364619 E-mail: [email protected]

Analisa performansi kolektor surya pelat bergelombang dengan

variasi kecepatan udara

I Kadek Danu Wiranugraha, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali

Abstrak

Energi matahari adalah salah satu sumber alternatif yang sangat mudah diperoleh di Indonesia. Namun pemanfaatan energi

matahari belum dimanfaatkan secara optimal. Oleh karena itu diperlukan suatu alat yang bisa memanfaatkan energi matahari

secara optimal. Kolektor surya adalah sebuah alat yang mampu menyerap dan memindahkan panas dari energi matahari ke

fluida kerja. Penelitian dilakukan dengan kolektor surya pelat bergelombang bertujuan untuk menambah luasan permukaan

penerima radiasi matahari. Penelitian ini dilakukan dengan variasi kecepatan udara 8 m/s, 6,4 m/s, 4,8 m/s, 3,2 m/s dan 1,6

m/s. Hasil dari pengujian dan perhitungan didapat energi berguna dan efisiensi paling besar yang dihasilkan kolektor pada

masing-masing kecepatan adalah : kecepatan 8 m/s, Qu = 648.7 W, ɳa = 22.0794 %, kecepatan 6,4 m/s, Qu = 596 W, ɳa =

24.0621 %, kecepatan 4,8 m/s, Qu = 488.6 W, ɳa = 17.6027 %, kecepatan 3,2 m/s, Qu = 372.1 W, ɳa = 31.4614 % dan kecepatan

1,6 m/s, Qu = 198.8 W, ɳa = 8.0451 %.

Kata Kunci : Kolektor surya pelat bergelombang, Variasi kecepatan udara, Performansi kolektor.

Abstract

Solar energy is one alternative source that is readily available in Indonesia. However, the utilization of solar energy has not

been used optimally. Therefore we need a tool that can harness solar energy optimally.Solar collector is a device that is able

to absorb and transfer heat from the solar energy to the working fluid. The study was conducted with a corrugated plate solar

collector aims to increase the surface area of the sun's radiation recipients. This study was done by varying the air velocity 8

m/s, 6.4 m/s, 4.8 m/s, 3.2 m/s and 1.6 m/s. The results of the testing and calculations obtained useful energy and efficiency

generated most collectors at each speed are: speed of 8 m/s, Qu = 648.7 W, ɳa = 22.0794%, the speed of 6.4 m/s, Qu = 596 W

, ɳa = 24.0621%, the speed of 4.8 m/s, Qu = 488.6 W, ɳa = 17.6027%, a speed of 3.2 m/s, Qu = 372.1 W, ɳa = 31.4614% and

a speed of 1.6 m/s, Qu = 198.8 W, ɳa = 8.0451%.

Keywords : corrugated plate solar collectors, air speed variation, Performance collector.

1. Pendahuluan

Indonesia merupakan negara yang memiliki iklim

tropis yang sinar mataharinya dapat dimanfaatkan

sebagai sumber energi. Banyak pemanfaatan sumber

energi matahari yang sudah dilakukan di beberapa

tempat di Indonesia, seperti menjemur padi, cengkeh,

pakaian, dan lain sebagainya. Energi matahari adalah

salah satu sumber alternatif yang sangat mudah

diperoleh di Indonesia. Namun pemanfaatan energi

matahari belum dimanfaatkan secara optimal. Oleh

karena itu diperlukan suatu alat yang bisa

memanfaatkan energi matahari secara optimal.

Perangkat yang digunakan untuk memanfaatkan

energi surya disebut kolektor surya. Kolektor surya

adalah sebuah alat yang mampu menyerap dan

memindahkan panas dari energi matahari ke fluida

kerja. Ada beberapa tipe kolektor surya, salah satu

diantaranya adalah kolektor surya pelat datar. Jenis

kolektor ini menggunakan pelat lembaran, dimana

untuk mendapatkan hasil yang optimal pelat dicat

dengan cat berwarna hitam doff, tujuannya adalah

untuk mendapatkan penyerapan radiasi matahari yang

optimal. Untuk menjaga supaya tidak terjadi kerugian

panas, maka digunakan tutup transparan berupa kaca

bening sehingga terjadi efek rumah kaca, dan pada

bagian bawah dan samping diberikan isolasi. Pada

dasarnya, modifikasi atau pengembangan kolektor

surya dapat dilakukan dengan beberapa cara, seperti

membuat pengganggu aliran udara di dalam kolektor

dengan menggunakan sirip berlubang [1].

Penggunaan pelat bergelombang sebagai pelat

penyerap pada kolektor [2], dan performansi kolektor

surya pelat bergelombang dengan aliran fluida

mengikuti kontur pelat dan variasi jumlah saluran

udara [3]. Adapun permasalahan yang akan dibahas

pada penelitian ini yaitu, bagaimana pengaruh variasi

kecepatan udara yang diberikan ke kolektor terhadap

performansi kolektor surya pelat bergelombang.

Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah

untuk mengetahui performansi yang dihasilkan dari

kolektor surya pelat bergelombang dengan variasi

kecepatan udara.

2. Dasar Teori

Perpindahan panas atau heat transfer adalah ilmu

yang meramalkan perpindahan energi yang terjadi

karena adanya perbedaan temperatur, dimana energi

yang berpindah tersebut dinamakan kalor atau panas

(heat). Panas akan berpindah dari medium yang

bertemperatur lebih tinggi ke medium yang

temperaturnya lebih rendah. Perpindahan panas ini

berlangsung terus sampai ada kesetimbangan

temperatur diantara kedua medium

tersebut.Perpindahan panas dapat terjadi melalui

I Kadek Danu Wiranugraha, Hendra Wijaksana dan Ketut Astawa /Jurnal Ilmiah TEKNIK DESAIN MEKANIKA Vol. No.

, Juli 2016 (1 – 6)

2

beberapa mekanisme, yaitu perpindahan panas secara

konduksi, konveksi, dan radiasi.

Perpindahan panas konduksi merupakan

perpindahan panas yang terjadi pada suatu media atau

pada media fluida yang diam akibat adanya perbedaan

temperatur antara permukaan yang satu dengan

permukaan yang lain pada media tersebut.

Persamaan laju konduksi dikenal dengan Hukum

Fourier tentang Konduksi (Fourier Low of Heat

Conduction), yang persamaan matematikanya sebagai

berikut:

dx

dTkAqkond (1)

dimana:

kondq = laju perpindahan panas konduksi (W)

K = konduktivitas termal bahan (W/m.K)

A =luas penampang tegak lurus terhadap

arah aliran panas (m2)

dx

dT = gradien temperatur pada penampang (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.

Laju perpindahan panas konveksi adalah

merupakan hukum Newton tentang pendinginan

(Newton's Law of Cooling) yaitu:

TTAhq sskonv .. (2)

dimana:

qkonv = Laju perpindahan panas konveksi (W)

h = Koefisien perpindahan panas konveksi

( W/m2.K)

As = Luas permukaan perpindahan panas

(m2)

Ts = Temperatur permukaan (K)

T∞ = Temperatur fluida (K)

Energi dari medan radiasi ditransportasikan oleh

pancaran atau gelombang elektromagnetik (photon),

dan asalnya dari energi dalam material yang

memancar. Transportasi energi pada peristiwa radiasi

tidak harus membutuhkan media, justru radiasi akan

lebih efektif dalam ruang hampa.

Besarnya radiasi yang dipancarkan oleh

permukaan suatu benda riil (nyata), 𝑞𝑟𝑎𝑑,𝑔 (W), adalah

:

𝑞𝑟𝑎𝑑,𝑔 = 𝜀 . 𝜎 . 𝑇𝑠4 . 𝐴 (3)

dimana :

𝑞𝑟𝑎𝑑,𝑔 = laju pertukaran panas radiasi (W)

𝜀 = emisivitas (0< 𝜀 < 1)

𝜎 = konstanta proporsionalitas dan disebut

konstanta Stefan-boltzmann yang nilainya

5,67 x 10-8 (W/m2K4)

𝐴 = luas bidang permukaan (m2)

Ts = temperatur benda (K)

Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu

media, maka sebagian energi radiasi tersebut akan di

pantulkan (refleksi), sebagian akan diserap (absorpsi),

dan sebagian lagi akan diteruskan (transmisi) [4],

seperti ditunjukan pada gambar 1 dibawah ini:

Gambar 1 Bagan pengaruh radiasi datang

Sumber: (Bejan, 1993 halaman 507)

Energi yang berguna digunakan untuk

menghitung seberapa besar panas yang berguna yang

dihasilkan oleh kolektor surya. Sedangkan efsiensi

digunakan untuk menghitung performansi atau unjuk

kerja dari kolektor surya tersebut.

Untuk perhitungan energi yang diserap atau energi

berguna pada kolektor digunakan persamaan:

Qu,a = ṁ x cp x (Tout - Tin) (4)

dimana:

Qu,a = panas yang berguna (Watt)

ṁ = laju aliran massa fluida (kg/s)

𝑐𝑝 = panas jenis fluida (J/kg.K), nilai 𝑐𝑝 didapat

dari properties fluida berdasarkan temperatur

(𝑇𝑟𝑎𝑡𝑎−𝑟𝑎𝑡𝑎 = 𝑇0+𝑇𝑖

2 )

Tin = temperatur fluida keluar (K)

Tout = temperatur fluida masuk (K)

Efisiensi kolektor adalah perbandingan panas

yang diserap oleh fluida atau energi berguna dengan

intensitas matahari yang mengenai kolektor.

Performansi kolektor dapat dinyatakan dengan

efisiensi thermal akan tetapi, intensitas matahari

berubah terhadap waktu.

Efisiensi kolektor surya dihitung menggunakan

persamaan:

a=𝑄𝑢,𝑎

𝐴𝑐 𝑥 𝐼𝑇 x 100% (5)

dimana :

ɳa = efisiensi actual kolektor (%)

Qu,a = energi berguna pada kolektor ( Watt )

Ac = luas kolektor

IT = intensitas cahaya matahari


, Juli 2016 (1 – 6)

3

3. Metode Penelitian

3.1 Deskripsi Penelitian

Penelitian yang dilakukan adalah penelitian

dengan metode eksperimental. Penelitian ini dimulai

dengan pembuatan kolektor surya pelat bergelombang

dengan variasi kecepatan udara, variasi kecepatan

udara yang akan dilakukan adalah dengan variasi

bukaan katup pada blower, variasi kecepatan dibuat

dengan kecepatan 1,6 m/s, 3,2 m/s, 4,8 m/s, 6,4 m/s

dan 8 m/s. Setelah persiapan selesai maka dilakukan

pengujian pada kolektor surya dengan cara

pengamatan dan pencatatan data-data yang

dutunjukkan oleh alat ukur. Setelah mendapatkan

data-data yang aktual dari kolektor surya tersebut

maka temperatur keluar kolektor diukur dan energi

berguna dan efisiensi dihitung secara aktual.

Kemudian dari analisis tersebut dapat ditarik

kesimpulan mengenai performansi kolektor surya

pelat bergelombang dengan variasi kecepatan udara.

Variabel bebas adalah variabel yang

mempengaruhi munculnya suatu gejala dalam

penelitian ini variabel babasnya adalah intensitas

radiasi matahari, waktu penelitian, dan variasi

kecepatan aliran udara.

Variabel terikat adalah variabel yang dipengaruhi

atau yang menjadi akibat karena adanya variabel

bebas. Dalam penelitian ini variabel terikatnya adalah

energi berguna dan efisiensi kolektor surya.

Gambar 2. Konstruksi kolektor surya pelat

bergelombang

Keterangan:

1. Lubang keluar udara panas kolektor surya

2. Triplek

3. Styrofoam (isolator)

4. Pelat penyerap panas bergelombang

5. Kaca ( tutup transparan)

6. Sekat pembagi udara masuk

7. Lubang udara masuk kolektor surya

3.2 Persiapan Peralatan

Luas kolektor surya yang dipakai A = 3,2m2 ,

dengan lebar kolektor Wc = 1,6m dan panjang kolektor

Lp = 2m. Pelat penyerap menggunakan pelat

bergelombang (seng atap) dicat dengan warna hitam

doff. Penggunaan pelat bergelombang bertujuan untuk

membuat aliran udara turbulen di dalam kolektor

surya dan untuk memperluas bidang penyerapan

panas. Untuk penutup bagian atas kolektor digunakan

kaca bening dengan ketebalan 5mm. Pada bagian

bawah dan samping kolektor diberi isolasi yang terdiri

dari Styrofoam dengan ketebalan 20mm dan triplek

dengan ketebalan 10mm. Jarak antara kaca dengan

pelat penyerap N = 10cm. Kemiringan kolektor dibuat

dengan sudut kemiringan 30° ,dan pada bagian lubang

masuk udara dibuat sekat-sekat pembagi udara masuk.

3.3 Penempatan Alat Ukur

Kecepatan udara di ukur pada saluran udara keluar

kolektor dengan anemometer. Untuk pengukuran

temperatur pelat penyerap dan udara mengalir

digunakan thermocouple dan thermometer, yang

dipasang masing-masing pada titik pengujian.

Gambar 3. Penempatan Alat Ukur

3.4 Diagram Alir Penelitian

A


, Juli 2016 (1 – 6)

4

Gambar 4. Diagram alir penelitian

4. Hasil dan Pembahasan

Dari hasil pengujian kemudian dilakukan

perhitungan dengan menggunakan persamaan-

persamaan di atas diperoleh hasil yang dibuat dalam

grafik hasil pengujian.

1. Grafik Energi Berguna Tiap Kecepatan

Gambar 5. Grafik energi berguna aktual (Qu,a)

pada kecepatan aliran udara 1,6 m/s

Pada gambar 5 dapat dijelaskan, penurunan energi

berguna terjadi pada pukul 10:30 dan 11:50 hal ini

disebabkan karena Tout kolektor yang menurun yang

dipengaruhi oleh intensitas cahaya matahari yang

masuk ke dalam kolektor, karena berkurangnya panas

yang diterima oleh udara yang mengalir di dalam

kolektor menyebabkan energi berguna yang

dihasilkan kolektor menjadi kecil. Energi berguna

paling besar dihasilkan pada pukul 12:10.



Pada gambar 6 dapat dijelaskan, terjadi penurunan

energi berguna pada pukul 11:10, hal ini disebabkan

karena Tout yang dihasilkan kolektor kecil yang

dipengaruhi oleh turunnya intensitas cahaya matahari

yang masuk kolektor, karena berkurangnya panas

yang diserap kolektor menyebabkan panas udara yang

mengalir di dalam kolektor akan berkurang sehingga

menghasilkan energi berguna yang kecil. Energi

berguna paling besar dihasilkan pada pukul 12:00.



Paga gambar 7 dapat dijelaskan, terjadi penurunan

energi berguna pukul 12:00 dan 13:40 hal ini

disebabkan oleh Tout kolektor yang dihasilkan kecil

karena pengaruh dari turunnya intensitas cahaya

matahari. Karena berkurangnya panas yang diserap

oleh kolektor menyebabkan turunnya panas udara

yang mengalir di dalam kolektor sehingga energi

berguna yang dihasilkan menjadi kecil. Energi

berguna paling besar dihasilkan pada pukul 13:00.

A


, Juli 2016 (1 – 6)

5



Pada gambar 8 dapat dijelaskan, terjadi penurunan

energi berguna kolektor pada pukul 15:00, hal ini

disebabkan oleh Tout yang dihasilkan kecil karena

pengaruh dari intensitah cahaya matahari yang

menurun. Dengan turunnya panas yang diterima oleh

kolektor menyebabkan penurunan temperatur pada

udara mengalir yang ada di dalam kolektor sehingga

energi berguna yang dihasilkan akan kecil. Energi

berguna paling besar diperoleh pada pukul 12:10.


pada kecepatan aliran udara 8 m/s

Pada gambar 9 dapat dijelaskan, energi berguna

yang dihasilkan terjadi penurunan pada pukul 11:20,

11:40, 12:30 dan 15:10 hal ini disebabkan oleh Tout

yang dihasilkan kolektor kecil karena pengaruh dari

intensitas cahaya matahari yang menurun, cepatnya

penurunan energi berguna juga dipengaruhi oleh

kecepatan aliran udara yang melewati kolektor

sehingga pada kecepatan yang tinggi pada saat IT turun

energi berguna akan menurun yang disebabkan oleh

Tout yang menurun dengan cepat karena pelat

penyerap lebih cepat membuang panasnya ke udara.

Energi berguna paling besar diperoleh pada pukul

12:50.

2. Efisiensi Aktual (ƞa) Kolektor Pelat

Bergelombang

Gambar 10. Grafik efisiensi aktual ( ɳa ) pada

kecepatan aliran udara 1,6 m/s

Pada gambar 10 dapat dijelaskan, efisiensi pada

jam 10:10 naik diakibatkan karena intensitas cahaya

matahari menurun, intensitas akan berbanding terbalik

dengan efisiensi, selain pengaruh dari intensitas

efisiensi juga dipengaruhi oleh besarnya Qu yang

dihasilkan, semakin besar Qu maka efisiensi akan

semakin besar juga. Efisiensi paling besar didapat

padat pukul 10:10.



Pada gambar 11 dapat dijelaskan, terjadi

peningkatan efisiensi pada pukul10:50, hal ini

disebabkan karena intensitas cahaya matahari yang

menurun sehingga pada saat intensitas turun energi

yang ada di dalam kolektor dilepaskan keluar oleh

kolektor yang menyebabkan efisiensinya meningkat.

Efisiensi paling besar didapat pada pukul 10:50.




, Juli 2016 (1 – 6)

6


peningkatan efisiensi pada pukul 13:40 hal ini

disebabkan karena intensitas cahaya matahari yang

turun, sesuai dengan rumus efisiensi jika intensitas

semakin kecil maka efisiensi yang dihasilkan kolektor

akan meningkat.




peningkatan efisiensi pada pukul 14:40, hal ini

disebabkan turunnya intensitas cahaya matahari,

dimana efisiensi sangat dipengaruhi oleh intensitas

yang masuk ke dalam kolektor, sesuai dengan rumus

ƞ𝑎 =𝑄𝑢

𝐴𝑐 𝑥 𝐼𝑇 , jika Qu yang dihasilkan besar maka

efisiensi akan meningkat dan jika intensitas kecil

maka efisiensi juga akan meningkat.


kecepatan aliran udara 8 m/s

Pada gambar 14 dapat dijelaskan, efisiensi yang

didapat naik dan turun, hal ini disebabkan oleh naik

dan turunnya intensitas cahaya matahari sehingga

efisiensi yang didapat akan berubah – ubah, selain

dipengaruhi oleh intensitas, efisiensi juga dipengaruhi

oleh Qu dan kecepatan udara yang diberikan pada

kolektor, jika kecepatan udara yang masuk kolektor

semakin besar maka Qu akan yang dihasilkan akan

meningkat dan menghasilkan efisiensi kolektor yang

besar juga.

5. Kesimpulan

Kesimpulan yang didapat dari analisa performansi

kolektor surya pelat bergelombang dengan variasi

kecepatan udara adalah kolektor surya pelat

bergelombang dengan variasi kecepatan udara adalah:

1. Intensitas cahaya matahari dan kecepatan

aliran udara yang diberikan pada kolektor

mempengaruhi Tout, Qu dan efisiensi

kolektor.

2. Energi berguna dan efisiensi paling besar

yang dihasilkan kolektor pada masing-

masing kecepatan adalah : kecepatan 8 m/s,

Qu = 648.7 W, ɳa = 22.0794 %, kecepatan

6,4 m/s, Qu = 596 W, ɳa = 24.0621 %,

kecepatan 4,8 m/s, Qu = 488.6 W, ɳa =

17.6027 %, kecepatan 3,2 m/s, Qu = 372.1

W, ɳa = 31.4614 % dan kecepatan 1,6 m/s,

Qu = 198.8 W, ɳa = 8.0451 %.

Daftar Pustaka

[1] Gigih Predana Putra, I Nyoman, (2015),

“Analisa Performansi Kolektor Surya Pelat

Datar dengan Variasi Sirip Berlubang”,

Skripsi Program Studi Teknik Mesin, Fakultas

Teknik Universitas Udayana, Bali.

[2] Hollands, K. G. T., (1963), Directional

selectivity, emittance, and absorptance

properties of vee corrugated specular

surfaces.

[3] Aditya Kresnawan, I Dewa Gede, (2013),

“Analisis Performansi Kolektor Surya Pelat

Bergelombang Dengan Aliran Fluida

Mengikuti Kontur Pelat dan Variasi Jumlah

Saluran Udara”, Skripsi Program Studi

Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas

Udayana, Bali.

[4] Bejan, Andrian, (1993), Heat Transfer.

Second Edition, Duke University, Jhon Willey

and Sons Inc.

I Kadek Danu Wiranugraha

menyelesaikan studi program

sarjana di Jurusan Teknik Mesin

Universitas Udayana dari tahun

2011 sampai 2016. menyelesaikan

studi program sarjana dengan topik

penelitian Analisa Performansi

Kolektor Surya Pelat Bergelombang

dengan Variasi Kecepatan Udara.

I Kadek Danu Wiranugraha, Hendra Wijaksana dan Ketut · PDF filesurya dapat dilakukan dengan...

Documents

Transcript of I Kadek Danu Wiranugraha, Hendra Wijaksana dan Ketut · PDF filesurya dapat dilakukan dengan...