REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA …/Rekayasa... · adalah hasil kerja saya atas arahan...

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA

MODEL PLAT DATAR

Disusun Oleh:

ROSYID KUS RAHMADI

M0206060

SKRIPSI

Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mendapat Gelar

Sarjana Sains Fisika

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

September, 2013


commit to user

2


MODEL PLAT DATAR

Disusun Oleh:

ROSYID KUS RAHMADI

M0206060

SKRIPSI

Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mendapat Gelar

Sarjana Sains

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

September, 2013


commit to user

3

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi dengan judul: REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA

SURYA MODEL PLAT DATAR

Yang ditulis oleh:

Nama : Rosyid Kus Rahmadi

NIM : M0206060

Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada:

Hari : Selasa

Tanggal : 17 September 2013


commit to user

4

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “REKAYASA

KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA MODEL PLAT DATAR”

adalah hasil kerja saya atas arahan pembimbing dan sepengetahuan saya hingga saat

ini, isi sekripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang

lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di

Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya, jika ada maka telah

dituliskan di daftar pustaka skripsi ini. Isi skripsi ini boleh dirujuk atau difotokopi

secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.

Surakarta, September 2013

ROSYID KUS RAHMADI


commit to user

5

MOTTO

Apapun yang diberikan kepadamu, maka itu adalah kesenangan hidup di dunia.

Sedangkan apa yang ada di sisi Allah lebih baik dan lebih kekal bagi orang-orang

yang beriman, dan hanya kepada Tuhan mereka bertawakal.

{Q.S. Asy-Syura (42): 36}

Jika anda bisa memimpikan sesuatu, maka anda tentu bisa meraihnya

(Zig Ziglar)


commit to user

6

PERSEMBAHAN

Dengan rahmat Allah SWT, karya ini kupersembahkan kepada:

1. Allah SWT, atas segala kesempatan dan karunianya hingga selesainya sekripsi

ini.

2. Orang tua dan seluruh keluargaku tercinta, atas semua dukungan dan kasih

sayangnya.

3. Almamaterku, jurusan Fisika serta fakultas MIPA

4. Teman-teman seperjuanganku, kalian tak tergantikan.


commit to user

7


MODEL PLAT DATAR

Rosyid Kus Rahmadi

M0206060

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Sistem pemanas air tenaga surya telah banyak diteliti baik secara eksperimen

maupun secara teoritis. Kolektor surya mampu menyerap energi matahari,

mengubahnya menjadi panas dan menyalurkannya menuju pipa-pipa fluida sebagai

sistem pemanas air. Parameter-parameter yang mempengaruhi kinerja kolektor surya

tersebut diantaranya letak antar pipa-pipa pemanas, diameter pipa, jumlah kaca

penutup, tebal insulasi dan material yang digunakan. Sehingga didapat temperatur air

panas keluaran yang tinggi serta lebih efisien.

Melalui rumusan matematis yang telah disimulasikan dengan komputer,

parameter-paremeter tersebut dapat direkayasa untuk mendesain sebuah kolektor.

Nilai parameter optimal yang didapatkan diantaranya jarak antar pipa: 1 cm,

diameter pipa 1 cm, jumlah kaca penutup: 2, dan tebal insulasi: 7 cm.

Dengan menggunakan ukuran-ukuran diatas, kolektor surya telah digunakan

untuk memanaskan air sebanyak 40 Liter dari pukul 08.00 WIB sampai pukul 15.00

WIB. Dalam pengukuran tersebut diperoleh suhu air keluaran tertinggi 51o C pada

tanggal 20 Maret 2013 pukul 13.15 WIB dan 52o C pada tanggal 21 Maret 2013

pukul 14.00 WIB.

Kata kunci : Kolektor surya, pemanas air, simulasi, pengoptimalan


commit to user

8

DESIGNING OF FLAT PLATE SOLAR WATER HEATER COLLECTORS

Rosyid Kus Rahmadi

M0206060

Departement of Physics. Faculty of Mathematics and Natural Sciences

Sebelas Maret University

ABSTRACT

Solar water heater systems have been development by experimentally and

teoretically. Solar collector able to absorb solar radiation, convert it into heat energy

and finally transfer this heat to working fluid as water heater system. The parameters

which affect to performance of solar collector is distant betwent fluid pipes, pipe

diametre, thick of insulation and material properties will be using. So, can be collect

outlet hot water temperatures in higger rate and more efficient.

Through the matematic equation in computer simulation, that parameters can

be optimized to design a solar collector. The optimized parameter value was gained

in simulation are distance each pipes is 1 cm, pipe diametre is 1 cm, many of glass

cover is 2 and thick of insulation is 7 cm.

By using the above measures, the solar collector has been used to heat the

water as much as 40 liters from 08.00 am until 15.00 pm. The measurements

obtained in the highest output water temperature 51 oC on March 20, 2013 at 13:15

pm and 52 oC on March 21, 2013 at 14:00 pm.

Key word : Solar collectors, water heater, optimizing, Designing


commit to user

9

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala nikmat dan karunia-Nya,

sehingga penulis mampu menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Selesainya skripsi

ini dikarenakan adanya dorongan, bimbingan, saran, pendampingan serta berbagai

bantuan baik moriil maupun materiil dari banyak pihak. Oleh karena itu, penulis

ingin menyampaikan terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada:

1. Bapak Prof. Ir. Ari Handono R., M.Sc., Ph.D. selaku Pembimbing I yang telah

memberikan bimbingan, masukan, memberi motivasi dan saran dalam

penyusunan skripsi.

2. Bapak Ahmad Marzuki, M.Sc., Ph.D. selaku Pembimbing II yang telah

mendampingi selama penelitian, memberi bimbingan dan saran serta motivasi

dalam penyelesaian skripsi.

3. Bapak dan Ibu dosen beserta para staff di Jurusan Fisika, terima kasih atas segala

bimbingan dan bantuannya.

4. Bapak, Ibu, Kakak dan seluruh keluarga saya, yang telah memberikan dukungan

moral dan material.

5. Teman-temanku Keluarga besar angkatan 2006, terima kasih atas bantuan dan

motivasinya.

6. Adik-adik tingkat di jurusan Fisika, terima kasih atas kebersamaannya

7. Semua pihak yang telah ikut mendukung dalam proses penyelesaian skripsi ini.

Semoga Allah SWT memberikan balasan atas kebaikan dan bantuan yang

telah diberikan.

Penulis menyadari masih ada banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini.

Penulis berharap semoga karya ini dapat memberi manfaat bagi penulis khususnya

dan pembaca pada umumnya. Amin.

Surakarta, September 2013

Penulis


commit to user

10

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL…………………………………………………………. i

HALAMAN PENGESAHAN………………………………………............... ii

HALAMAN PERNYATAAN……………………………………………….. iii

HALAMAN MOTTO………………………………………………………... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN…………………………………………....... v

HALAMAN ABSTRAK……………………………………………………... vi

HALAMAN ABSTRACT…………………………………………………… vii

KATA PENGANTAR…………………………………………...................... viii

HALAMAN PUBLIKASI …………………………………………………… ix

DAFTAR ISI……………………………………………………...................... x

DAFTAR TABEL ……………………………………………….................... xii

DAFTAR GAMBAR………………………………………………................ xiii

DAFTAR SIMBOL…………………………………………………………... xiv

DAFTAR LAMPIRAN……………………………………………………… xvi

BAB I PENDAHULUAN…………………………………………............ 1

1.1 LatarBelakang ……………………………………………........ 1

1.2 PerumusanMasalah ………………………………………........ 2

1.3 BatasanMasalah ……………………………………………..... 3

1.4 TujuanPenelitian ……………………………………………… 3

1.5 ManfaatPenelitian …………………………………………..... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA…………………………………………. 4

2.1 Radiasi Surya ……………………………………………….... 4

2.2 RadiasiMatahari di Bumi …………………………………….. 5

2.3 PotensiRadiasiMatahari di Indonesia ………………………... 7

2.4 RadiasiPadaBidang Miring ………………………………….. 9

2.4.1 PerbandinganRadiasiLangsungPadaBidang Miring

TerhadapBidangHorisontal…………………………........ 9

2.4.2 IntensitasRadiasipadaBidang Miring ………………........ 13

2.5 Kolektor Surya Plat DatarPemanas Air …………...................... 14

2.5.1 Bagian-BagianKolektor …………………………............. 16

2.5.2 Proses PadaKolektor Plat Datar …………………………. 19

2.5.2.1 Proses PengumpulanEnergi Surya ……………… 19

2.5.2.2PerpindahanPanas ……………………………….. 20

2.5.3 KesetimanganLajuEnergiPanasKolektor………………… 25

2.5.3.1 LajuEnergiPanas yang Masuk…………………… 25

2.5.3.2 LajuEnergiPanas yang Hilang…………………… 25

2.5.3.3 LajuEnergiPanas yang Digunakan………………. 28


commit to user

11

2.5.4 EfisiensiKolektor Surya …………………………………. 28

2.6 SimulasiKolektordengan Delphi 7 ……………………………. 29

BAB III METODOLOGI PENELITIAN………………………………….. 30

3.1 WaktudanTempatPenelitian…………………………………… 30

3.2 AlatdanBahan …………………………………………………. 30

3.3 Langkah-LangkahPercobaan………………………………....... 32

3.4 Kedudukan, Dimensidan Material Kolektor………………....... 32

3.5 TeknikAnalisa Data …………………………………………… 33

3.6 Diagram AlirPenelitian……………………………………........ 34

3.7 Kolektor Surya ………………………………………………… 35

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN…………………………………… 36

4.1 PenentuanDesainKolektor Surya MelaluiSimulasi………......... 36

4.2 PengujianKolektor Surya ……………………………………… 44

4.3 PerbandinganHasilPengukuranNyatadenganHasilSimulasi 49

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN…………………………………… 52

5.1 Kesimpulan…………………………………………………….. 52

5.2 Saran-Saran ……………………………………………………. 52

DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………….. 53

LAMPIRAN-LAMPIRAN………………………………………………….. 56

Lampiran I SimulasiKolektor………………………..………………… 57

LampiranII DesainKolektor…………………………………………… 64

LampiranIII Data Pengukuran………………………………………… 66


commit to user

12

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1.1 SumberdayaEnergiAlternatif di Indonesia 1

Tabel 2.1 IntensitasRadiasiMatahari di Indonesia 8

Tabel 2.2 Nilai n dalamTahun 11

Tabel 2.3 Sifat-SifatBeberapa Material Absorer 18

Tabel 2.4 Jenis Insulator 18

Tabel 4.1 Data masukan yang dibuattetap 36


commit to user

13

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Spektrum gelombang elektromagnetik 5

Gambar 2.2 Posisi kedudukan matahari dan bumi 6

Gambar 2.3 Persentase energi matahari yang dipantulkan dan

diserap bumi

7

Gambar 2.4 Waktu Surya 9

Gambar 2.5 Sudut antara posisi matahari terhadap bidang bumi 10

Gambar 2.6 Sudut radiasi datang terhadap permukaan bumi 12

Gambar 2.7 Radiasi sorotan tiap jam pada permukaan miring 14

Gambar 2.8 Penentuan Cos θT 14

Gambar 2.9 Kerugian panas utama kolektor surya selama

beroperasi

15

Gambar 2.10 Bagian-bagian dari kolektor surya plat datar 16

Gambar 3.1 Kolektor pemanas air plat datar untuk percobaan 31

Gambar 3.2 Alur pelaksanaan penelitian 34

Gambar 3.3 Kolektor surya yang telah dibuat 35

Gambar 3.4 Alat ukur yang digunakan 35

Gambar 4.1 Waktu Surya 36

Gambar 4.2 Grafik simulasi untuk variasi Tebal Plat Penyerap 37

Gambar 4.3 Grafik simulasi untuk variasi Jarak Antar Pipa 39

Gambar 4.4 Grafik simulasi variasi Jumlah Kaca Penutup 40

Gambar 4.5 Grafik simulasi untuk Jarak kaca ke plat penyerap 41

Gambar 4.6 Grafik simulasi untuk variasi Tebal Insulasi 43

Gambar 4.7 Grafik distribusi intensitas radiasi matahari harian 45

Gambar 4.8 Grafik perbandingan suhu plat penyerap terhadap

waktu

46

Gambar 4.9 Grafik perbandingan suhu kaca penutup dengan

waktu penyinaran

47

Gambar 4.10 Grafik suhu ambient terhadap waktu pengukuran 48

Gambar 4.11 Grafik suhu air keluaran terhadap waktu

penyinaran

49

Gambar 4.12 Grafik Perbandingan suhu air keluaran dengan

hasil simulasi

50


commit to user

14

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

λ Panjang gelombang Meter (m)

υ Kecepatan gelombang Meter/sekon

f Frekuensi Hz

σ Konstanta Stefan-Boltzman 5,67 x 10-8

W/m2K

4

ε Emisivitas (Kefisien pancaran)

A Luas m2

T Temperatur Kelvin

R Radius (jari-jari) meter

∅ Latitude (garis lintang) derajat ( o)

δ Declination (Deklinasi) derajat ( o)

β Slope (kemiringan) derajat ( o)

γ Sudut permukaan azimuth derajat ( o)

ω Hour angle (sudut jam) derajat ( o)

θ Angle of incident (sudut datang) derajat ( o)

θz Zenith angle (sudut zenith) derajat ( o)

Rb Perbandingan radiasicbidang miring dengan

permukaan horizontal

derajat ( o)

Ibt Komponen sorotan

I Radiasi pada bidang horosontal

Ibn Intensitas radiasi langsung pada sudut masuk normal

θT Sudut masuk derajat ( o)

ρ Kerapatan (massa jenis) Kg/m3

k Konduktivitas panas W/m.oC

Q x Laju perpindahan kalor pada arah x

dT dx Gradien temperatur pada arah x

Ra Bilangan Raileigh

Pr Bilangan Prandtl

Nu Bilangan Nusselt

g Konstanta gravitasi m/s2

a Jarak kaca ke plat penyerap m

μa Viskositas udara m2/s

Tp Temperatur plat penyerap K

Tc Temperatur penutup kaca K

hc Koefisien perpindahan panas konveksi bebas W/m2.K

kf Konduktivitas panas udara W/m.K

Re Bilangan Reynolds


commit to user

15

ρf Kerapatan air dalam pipa Kg/m3

D Diameter luar pipa m

Vf Kelajuan aliran air dalam pipa m/s

μf Viskositas air Kg/m.s

qc Laju perpindahan panas secara konveksi W

Ts Temperatur permukaan bidang K

Tf Temperatur fluida (air) K

hw Koefisien konveksi angin W/m2.K

Vw Kelajuan angin m/s

Tk Temperatur permukaan kaca K

Ta Temperatur lingkungan (ambient) K

Tp Temperatur plat penyerap K

hpk Koefisien konfeksi transfer panas plat - kaca W/m2K

Q e Laju pemancaran energi W

Tb Temperatur absolut permukaan K

qr Laju perpindahan panas radiasi W

εk Emisivitas kaca

εp Emisivitas plat penyerap

qu Energi berguna J/s

qi Energi yang masuk J/s

ql Energi yang hilang J/s

Ap Luas permukaan plat penyerap m2

η Transmitansi

α Absorbansi

Ut Koefisien kerugian panas atas W/m2K

N Jumlah penutup transparan

Ub Koefisien kerugian panas bawah kolektor

kis Konduktivitas insulasi W/m.K

tis Tebal insulasi m

UL Koefisien kerugian panas total

m Laju aliran massa fluida Kg/s

To Temperatur air keluar K

Ti Temperatur air masuk K

GT Besarnya intensitas radiasi yang masuk dan diserap

oleh plat penyerap

W/m2

η Efisiensi kolektor

V Volume fluida m3

tu Waktu pergerakan fluida s


commit to user

16

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1 Simulator kolektor surya hasil pengembangan

Mrih Mardihastuti

57

Lampiran 2 Gambar desain rancangan kolektor surya 64

Lampiran 3 Data hasil pengukuran 66

REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA …/Rekayasa... · adalah hasil kerja saya atas arahan...

Documents

Transcript of REKAYASA KOLEKTOR PEMANAS AIR TENAGA SURYA …/Rekayasa... · adalah hasil kerja saya atas arahan...