UNJUK KERJA KOLEKTOR SURYA HYBRID PHOTOVOLTAIC

THERMAL (PV/T) ALIRAN SERPENTINE MENGGUNAKAN CFD

BERDASARKAN KETEBALAN PELAT ABSORBER

(Skripsi)

Oleh:

Adi Suprianto

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2018

ABSTRAK

UNJUK KERJA KOLEKTOR SURYA HYBRID PHOTOVOLTAIC THERMAL

(PV/T) ALIRAN SERPENTINE MENGGUNAKAN CFD BERDASARKAN

KETEBALAN PELAT ABSORBER

Oleh

Adi Suprianto

Energi matahari dapat dimanfaatkan secara elektrik menggunakan photovoltaic. Akan

tetapi efisiensi photovoltaic hanya sebesar 12% -18 % lebih dari 80 % radiasi diubah

menjadi panas. Panas secara terus menerus mengakibatkan peningkatan temperatur

kerja dan mengurangi efisiensi elektrik sebesar 0,45 % setiap peningkatan 10C.

Sebagai upaya mensetabilkan temperatur photovoltaic maka ditambahkan kolektor

termal surya sehingga menjadi kolektor Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T). Unjuk

kerja kolektor Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T) dapat diperoleh menggunakan

simulasi dengan metode CFD (Computational Fluid Dynamic). Melalui CFD

karakteristik kolektor Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T) berkaitan dengan distribusi

temperatur dan tekanan fluida dapat digambarkan secara lebih mudah. Penelitian ini

bertujuan mengetahui unjuk kerja termal kolektor Hybrid Photovoltaic Thermal

(PV/T) akibat pengaruh ketebalan pelat absorber dan laju aliran massa menggunakan

CFD. Prosedur penelitian yang dilakukan adalah: perancangan kolektor surya pelat

datar, pengujian kolektor Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T), simulasi CFD dimana

proses meliputi desain, meshing, pemilihan metode radiasi, memasukan jenis material

serta menentukan kondisi batas. Proses iterasi simulasi ditunjukkan oleh grafik

“residual” yang konvergen dengan hasil simulasi berupa kontur temperatur dan

tekanan. Langkah selanjutnya validasi dan kemudian simulasi berdasarkan ketebalan

absorber 0,5 mm, 1 mm, 2 mm dan 3 mm serta laju aliran massa 0,005 kg/s, 0,010 kg/s

dan 0,015 kg/s. Hasil penelitian ini menunjukan bahwa pertambahan ketebalan pelat

absorber sebesar ± 0,5 mm dalam range (0,5 mm -3 mm) mengakibatkan peningkatan

temperatur permukaan photovoltaic sebesar ± 0,60 0C. Sementara Peningkatan laju

airan massa 0,005 kg/s dalam range (0,005 kg/s- 0.015 kg/s) temperatur permukaan

photovoltaic mengalami penurunan ± 1,92 0C dan peningkatan pressure drop sebesar

± 453 Pa. Menggunakan ketebalan pelat absorber 0,5 mm dengan laju aliran massa

0,015 kg/s meghasilkan temperature permukaan photovoltaic paling rendah bila

dibandingkan laju aliran massa (0,005 kg/s, 0,010 kg/s) dengan daya pompa 18 watt.

Kata kunci: Kolektor Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T), Metode CFD, Thermal,

Pressure Drop.

ABSTRACT

PERFORMANCE OF SOLAR HYBRID PHOTOVOLTAIC THERMAL (PV/T)

COLLECTORS SERPENTINE FLOW USING CFD BASED ON

ABSORBER PLATE THICKNESS

By

Adi Suprianto

Solar radiation can be converted into electrical energy, one of which uses photovoltaic.

However, the efficiency of photovoltaic is only 12% -18% and more than 80% of the

radiation is converted to heat. Continuous heat causes an increase in work temperature

and reduces electrical efficiency by 0.45% per 1 0C increase. In an effort to stabilize

the photovoltaic temperature, the solar thermal collector is added to become a collector

of Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T). The performance of Hybrid Photovoltaic

Thermal (PV/T) collectors can be obtained using the CFD (Computational Fluid

Dynamic) method. Through CFD the collector characteristics of Hybrid Photovoltaic

Thermal (PV/T) related to the distribution of temperature and fluid pressure can be

described more easily. So this research aims to determine the thermal performance of

Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T) collectors due to the influence of absorber plate

thickness and mass flow rate using CFD. The research procedures carried out are: the

design of flat plate solar collectors, the testing of Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T)

collectors, CFD simulations where the process includes design, meshing, selection of

radiation methods, inserting of material types and determining boundary conditions.

The simulation iteration process is shown by converging "residual" graphs with

simulation results in the form of temperature and pressure contours. The next step is

validation and then simulation based on absorber thickness of 0.5 mm, 1 mm, 2 mm

and 3 mm as well as mass flow rates of 0.005 kg/s, 0.010 kg/s and 0.015 kg/s. The

results of this research indicate that absorber plate thickness ± 0.5 mm in the range

(0.5 mm - 3 mm) resulted in an increase in the photovoltaic surface temperature of ±

0.60 0C. While the increase in mass flow rate of 0.005 kg/s in the range (0.005 kg/s -

0.015 kg/s) the surface temperature of photovoltaic decreased ± 1.92 0C and increase

in pressure drop of ± 453 Pa. Absorber plate thickness of 0.5 mm with a mass flow

rate of 0.015 kg/s resulting in the lowest photovoltaic surface temperature when

compared to the mass flow rate (0.005 kg/s, 0.010 kg/s) with a pump power of 18 watt.

Keywords: Hybrid Photovoltaic Thermal Collector (PV/T), CFD, Thermal Method,

Pressure Drop.

UNJUK KERJA KOLEKTOR SURYA HYBRID PHOTOVOLTAIC

THERMAL (PV/T) ALIRAN SERPENTINE MENGGUNAKAN CFD

BERDASARKAN KETEBALAN PELAT ABSORBER

Oleh:

Adi Suprianto

SKRIPSI

Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Mencapai Gelar

SARJANA TEKNIK

Pada

Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2018

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Toto Mulyo tanggal 28 April tahun 1995, sebagai anak

kedua dari pasangan Supardi dan Purwiasih. Penulis menyelesaikan

pendidikan Sekolah Dasar di SD Negeri 2 Toto Mulyo Kecamatan Way

Bungur Lampung Timur pada tahun 2007, pendidikan Sekolah

Menengah Pertama di SMP Negeri 2 Way Bungur Lampung T i m u r

pada tahun 2010, Pendidikan Sekolah Menengah Akhir di SMA Negeri 1 Purbolinggo

kecamatan Lampung Timur dan pada tahun 2013, dan pada tahun 2013 penulis terdaftar sebagai

Mahasiswa Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung Melalui Seleksi Nasional

Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN) jalur Undangan.

Selama Menjadi Mahasiswa penulis juga aktif dalam organisasi internal kampus, yaitu sebagai

pengurus Himpunan Mahasiswa Teknik Mesin (HIMATEM) Sebagai Anggota Pendidikan

Latihan pada tahun 2014 - 2015, menjadi pengurus Forum Silahturahim dan Studi Islam

Fakultas Teknik (FOSSI-FT) sebagai Anggota Hubungan Masyarakat (HUMAS) tahun 2014-

2015, menjadi pengurus Himpunan Mahasiswa Teknik Mesin (HIMATEM) sebagai Kepala

Bidang Pendidikan dan Pelatihan (DIKLAT) tahun 2015-2016 dan menjadi pengurus Dewan

Perwakilan Masasiswa Fakultas Teknik (DPM-FT) sebagai Ketua Komisi II. Kemudian pada

bidang akademik penulis mengerjakan kerja praktek di PT. Bukit Asam Tbk di panjang

Lampung Selatan pada tahun 2016. Pada tahun 2018 penulis melakukan penelitian pada bidang

konversi energi sebagai tugas akhir dengan judul “Unjuk Kerja Kolektor Hybrid Photo Voltaic

Thermal (PV/T) Aliran Serpentin Menggunakan CFD Berdasarkan Ketebalan Pelat Absorber”

dibawah bimbingan Bapak Dr. Amrizal, S.T., M.T. dan Dr. Amrul, S.T., M.T.

MOTO

“Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada

kemudahan. sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada

kemudahan.” (QS. ASY-SYARH 6)

Dan ketahuilah sesungguhnya kemenangan itu beriringan dengan

kesabaran. Jalan keluar beriringan dengan kesukaran. Dan sesudah

kesulitan itu pasti aka nada kemudahan. (HR. Tirmidzi)

Jika kamu benar menginginkan sesuatu, kau kan

temukan caranya. Namun jika tak serius kau hanya

akan menemukan alas an. (Jim rohn)

Hidup ini hanya sekali, tapi kalua berarti sekali saja cukup.

Masa depan adalah milik mereka yang

percaya pada keindahan mimpi – mimpi

mereka. Untuk itu perjuangkan lah!

(Adi suprianto)

Just do it.

Karnya ini kupersembahkan kepada:

Kedua orang tuaku tercinta berkat doa dan tetes peluh

keringat demi Pendidikan ku

teman teman seperjuangan

Almamater Tercinta Teknik Mesin Universitas Lampung

SANWACANA

Assalamual’aikum Wr. Wb

Segala puji dan syukur hanya milik Allah SWT karena berkat rahmat dan

pertolongan-Nya sematalah tugas akhir ini dapat diselesaikan. Shalawat serta

salam tidak lupa curhkan kepada junjungan kita nabi besar Muhammad SAW

yang telah membimbing dan mengantarkan kita menuju zaman yang lebih baik

seperti sekarang ini.

Selama proses penyusunan skripsi ini, terdapat banyak pihak yang secara langsung

maupun tidak langsung telah membantu. Maka dalam kesempatan kali ini

penghargaan dan terimakasih yang setinggi-tingginya penulis persembahkan

kepada:

1. Alloh SWT.

2. Prof. Dr. Ir. H. Hasriadi Mat Akin, M.P., Selaku Rektor Universitas

Lampung.

3. Prof. Dr. Suharno, M.Sc. Selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas

Lampung

4. Bapak Ahmad Su’udi, S.T., M.T.selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

Universitas Lampung

5. Bapak Harnowo, S.T., M.T., selaku koordinator tugas akhir jurusan

Teknik Mesin Universitas Lampung.

6. Bapak Dr. Amrizal, S.T., M.T., selaku dosen pembimbning pertama

tugas akhir ini, yang banyak memberikan nasihat dan motivasi bagi

penulis.

7. Bapak Dr. Amrul, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing kedua tugas

akhir ini, yang telah banyak mencurahkan waktu dan fikiran bagi

penulis.

8. Bapak Ir. Herry Wardono, M.Sc., selaku pembahas tugas akhir ini,

yang telah banyak memberikan kritik dan saran yang sangat bermanfaat

bagi penulis.

9. Orang tuaku, bapak, ibu, serta kakaku dan keluarga yang terus

menerus mendo’akan dan mensupport baik secara moril dan materil

sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

10. Partner seperjuangan dan mentor selama tugas akhir Cristian Cahaya

Putra, S.T., M.T dan Ahmad Yonanda, S.T., M.T., yang sudah banyak

memberika nasihat dan motifasi.

11. Keluarga besar Teknik Mesin Unila, khususnya angkatan 2013,

KOMTI dan WAKOMTI yang senantiasa mengayomi,setra rekan-

rekan yang tidak bisa disebutkan satu persatu.

12. Keluarga besar Sekelik Ikam Yuda Helmi, S.T., Fahri Surya Nugraha,

S.T., Rahmat Satria Wijaya, S.T., Rizki Rian Toni, S.T., Nurcahya

Nugraha, S.T., Tribandrio, S.T., dan Akhad Gozali, S.T., yang

senantiasa ada dikala suka dan duka.

ii

13. Rekan-rekan Seperjuangan DPM-FT. Yogi, Tino, Oki, Lila, L aili, serta

yang lain yang tidak bisa disebutkan satu persatu.

14. Mas Marta selaku Admin S1 Teknik Mesin yang selalu membantu

dengan totalitas dalam urusan adminstrasi.

15. Semua pihak yang secara langsung maupun tidak langsung

telah membantu.

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa skripsi ini belum sempurna dan masih

terdapat banyak kekurangan, akan tetapi semoga yang sederhana ini bermanfaat

bagi penulis khususnya, dan bagi pembacanya.

Wassalamual’aikum Wr. Wb.

Bandar Lampung, 8 Agustus 2018

Penulis

Adi Suprianto

iii

DAFTAR ISI

Halaman

SANWACANA ………………………………………………………………….. i

DAFTAR ISI …………………………………………………………………….iv

DAFTAR TABEL ……………………………………………………………...viii

DAFTAR GAMBAR ………...………………………………………………….ix

I. PENDAHULUAN .......................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ....................................................................................... 1

1.2 Tujuan Penelitian ................................................................................... 4

1.3 Batasan Masalah ..................................................................................... 5

1.4 Sistematika Penulisan ............................................................................ 5

II. TINJAUAN PUSTAKA ............................................................................. 7

2.1 Energi Radiasi Matahari ....................................................................... 7

2.2 Sel Surya ................................................................................................ 9

2.2.1 Struktur Dasar Pada Sel Surya ....................................................... 10

2.2.2 Prinsip Kerja Sel Surya .................................................................. 11

2.3 Solar Termal Collector ......................................................................... 13

iv

2.3.1 Kolektor Surya Pelat Datar ............................................................ 13

2.3.2 Persamaan Dasar Kolektor Surya Pelat Datar ................................. 17

2.4 Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T) ................................................... 23

2.4.1 Jenis Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T) .................................... 24

2.4.2 Efisiensi Pemanfaatan Energi Pada (PV/T) ..................................... 27

2.5 Sistem Perpindahan Panas .................................................................. 28

2.5.1 Perpindahan Panas Konveksi .......................................................... 29

2.5.2 Perpindahan Panas Konduksi .......................................................... 30

2.5.3 Sistem Perpindahan Panas Radiasi ................................................. 32

2.6 Computional Fluid Dinamics (CFD) ................................................... 34

2.6.1 Pre-prosesor .................................................................................... 35

2.6.2 Prosesor .......................................................................................... 35

2.6.3 Tahap Postprosesor ......................................................................... 36

2.7 Regresi Linier ....................................................................................... 37

2.7.1 Regresi Linier Sederhana (Simple linear regression) ..................... 37

2.7.2 Regresi Linier Berganda (Multiple Linear Regression) .................. 38

2.8 Standar EN 12975 ................................................................................. 39

III. METODOLOGI PENELITIAN ............................................................. 41

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ............................................................ 41

3.1.1 Tempat Penelitian............................................................................ 41

3.1.2 Waktu Penelitian ............................................................................. 41

3.2 Alat dan Bahan ..................................................................................... 42

3.2.1 Solar Simulator .............................................................................. 43

3.2.2 Solar Photovoltaic Module SR-156P-100 ...................................... 43

3.2.3 Komputer A445L ............................................................................ 43

3.2.4 Solar Power Meter SPM-1116SD ................................................... 43

3.2.5 Digital Thermometer TM-947SD ................................................... 44

3.2.6 Water Heater ................................................................................... 44

3.2.7 Water Flow Meter YF-S401 ........................................................... 45

3.2.8 Heat Sensor (Thermocople) ............................................................ 45

3.2.9 Digital Laser Thermometer ............................................................. 46

3.2.10 Solar Charge Controller ................................................................. 46

3.2.11 Flat Plate Collector......................................................................... 47

3.2.12 Accu ................................................................................................. 47

3.3 Prosedur Penelitian .............................................................................. 48

3.3.1 Perancangan Desain Kolektor Surya Pelat Datar ............................ 48

3.3.2 Pengujian Hybrid Photovoltaic Thermal Pada Solar Simulator ..... 50

3.3.3 Simulasi Mengguanakan CFD Ansys Fluent 15.0 .......................... 52

3.4 Proses Validasi dan Pengembangan Simulasi .................................... 62

3.4.1 Prosses Validasi .............................................................................. 62

3.4.2 Pengembangan Simulasi Karakteristik (PV/T)................................ 63

3.5 Diagram Alir Metodologi Penelitian .................................................. 62

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................................ 65

4.1. Hasil Pengujian ..................................................................................... 65

4.2. Hasil Simulasi ....................................................................................... 68

4.3. Validasi Data Hasil Simulasi ............................................................... 72

4.3.1 Perbandingan Temperatur Fluida Keluar (Tout) ............................... 72

4.3.2 Perbandingan Distribusi Temperatur Permukaan Photovoltaic ...... 74

4.3.3 Perbandingan Pressure Drop .......................................................... 76

4.4. Pengembangan Simulasi ...................................................................... 78

4.4.1 Pengaruh Ketebalan Pelat Absorber................................................ 79

4.4.2 Pengaruh Laju Aliran Massa ........................................................... 83

4.5. Pembahasan .......................................................................................... 87

V. PENUTUP ....................................................................................................... 92

5.1. Simpulan ................................................................................................ 92

5.2. Saran ...................................................................................................... 93

DAFTAR PUSTA

LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

2.1 Efisiensi pemanfaatan energi ......................................................................... 27

2.2 Standar izin parameter pengukuran (EN 12975, 2006).................................. 39

3.1 Jadwal rencana kegiatan penelitian ................................................................ 41

4.1 Data hasil pengujian ....................................................................................... 66

4.2 Data hasil simulasi ......................................................................................... 69

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

Gambar 2.1 Hubungan Bumi Dengan Matahari ................................................. 8

Gambar 2.2 Semikonduktor (a) tipe-P (b) tipe-N .............................................. 10

Gambar 2.3 Diagram energi sambungan P-N daerah deplesi ............................. 11

Gambar 2.4 Prinsip Kerja Solar Cell (Photovoltaic) .......................................... 12

Gambar 2.5 Skema kolektor surya pelat datar ................................................... 14

Gambar 2.6 Kolektor aliran pipa serpentine ...................................................... 15

Gambar 2.7 Kolektor aliran pipa parallel ........................................................... 10

Gambar 2.8 Liquid photovoltaic thermal controller .......................................... 24

Gambar 2.9 Air photovoltaic thermal collector ................................................. 25

Gambar 2.10 Schematic concentrating PV/T collector ...................................... 26

Gambar 2.11 Ilustrasi system perpindahan panas konveksi ............................... 29

Gambar 2.12 Ilustrasi system perpindahan panas konduksi .............................. 30

Gambar 2.13 Meshing pada CFD ....................................................................... 35

Gambar 2.14 Hasil simulasi CFD berupa kontur warna .................................... 36

Gambar 3.1 Solar Simulator ............................................................................... 42

Gambar 3.2 Solar Cell......................................................................................... 42

Gambar 3.3 Somputer A445L ............................................................................. 43

Gambar 3.4 Solarmater SPM-1116SD ............................................................... 43

Gambar 3.5 Digital Thermometer TM-947SD.................................................... 44

Gambar 3.6 Water heater .................................................................................... 44

Gambar 3.7 Water Flow Meter YF-S401 ............................................................ 45

Gambar 3.8 Heat Sensor (Thermocople) ............................................................ 45

Gambar 3.9 Digital Laser Thermometer ............................................................. 46

Gambar 3.10 Solar Charge Controller ............................................................... 46

Gambar 3.11 Flat Plate Collector ....................................................................... 47

Gambar 3.12 Accu ............................................................................................... 47

Gambar 3.13 Desain Flat Plate Collector........................................................... 48

Gambar 3.14 Susunan Desain Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T) ................. 49

Gambar 3.15 Hybrid photovoltaic thermal (PV/T) ............................................. 49

Gambar 3.16 Skema Rangkaian Pengujian (PV/T) ............................................. 51

Gambar 3.17 Desain PV/T pada Ansys fluent ..................................................... 52

Gambar 3.18 Desain PV/T tampak depan pada Ansys fluent ............................. 53

Gambar 3.19 Hasil meshing pada pipa dan pelat ............................................... 53

Gambar 3.20 Hasil meshing pada pipa dan pelat tampak depan ........................ 54

Gambar 3.21 Toolbar General Menu ................................................................. 55

Gambar 3.22 Toolbar Models Menu ................................................................... 55

Gambar 3.23 Toolbar fluid Materials Menu ....................................................... 56

Gambar 3.24 Toolbar solid Materials Menu....................................................... 56

Gambar 3.25 Toolbar Cell Zone Condition Menu .............................................. 57

Gambar 3.26 Toolbar Boundary Conditions Menu Inlet .................................... 58

Gambar 3.27 Toolbar Boundary Conditions Menu Radiasi ............................... 58

Gambar 3.28 Toolbar Boundary Conditions Menu wall ..................................... 58

Gambar 3.29 Toolbar Mash interface Menu ....................................................... 59

Gambar 3.30 Toolbar Solution Initilatization Menu ........................................... 60

Gambar 3.31 Toolbar Run Calculating Menu .................................................... 60

Gambar 3.32 Post-prosesing ............................................................................... 61

Gambar 3.33 Post-Prosesing Result ................................................................... 61

Gambar 3.34 Diagram Alir Penelitian ................................................................ 64

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara effisiensi terhadap rugi-rugi kalor pada

hasil pengujian ............................................................................... 67

Gambar 4.2 Distribusi temperatur fluida (Tout) pengaruh variasi temperatur

fluida masuk (Tin) ..........................................................................68

Gambar 4.3 Distribusi temperatur permukaaan photovoltaic pengaruh

variasi temperatur fluida masuk (Tin) ............................................ 69

Gambar 4.4 Grafik pengaruh variasi temperatur fluida masuk terhadap

temperatur fluida keluar ................................................................. 70

Gambar 4.5 Grafik pengaruh variasi temperatur fluida masuk terhadap

temperatur rata- rata pada permukaan photovoltaic ...................... 71

Gambar 4.6 Grafik hubungan antara effisiensi terhadap rugi-rugi kalor pada

hasil pengujian ............................................................................... 71

Gambar 4.7 Grafik perbandingan temperatur fluida keluar (Tout) simulasi

terhadap eksperimen akibat pengaruh temperatur masuk (Tin) ...... 73

Gambar 4.8 Distribusi temperatur pada permukaan photovoltaic hasil simulai

dan pengujian ................................................................................. 74

Gambar 4.9 Grafik pengaruh temperatur inlet terhadap temperatur rata- rata

pada permukaan photovoltaic ........................................................ 75

Gambar 4.10 Grafik perbandingan variasi laju aliran massa terhadap

temperatur outlet hasil simulasi dan eksperimen ........................... 76

Gambar 4.11 Grafik hubungan antara effisensi dan rugi-rugi kalor laju aliran

massa 0.005kg/s dan 0.010 kg/s ketebalan absorber 2 mm ........... 77

Gambar 4.12 Hasil simulasi ketebalan pelat absorber 0,5 mm berupa kontur

fluida distribusi termal dipermukaan photovoltaic ........................ 79

Gambar 4.13 Hasil simulasi ketebalan pelat absorber 1 mm berupa kontur

fluida dan distribusi termal dipermukaan photovoltaic ................. 80

Gambar 4.14 Hasil simulasi ketebalan pelat absorber 2 mm berupa kontur

fluida dan distribusi termal dipermukaan photovoltaic ................. 81

Gambar 4.15 Hasil simulasi ketebalan pelat absorber 3 mm berupa kontur

fluida dan distribusi termal dipermukaan photovoltaic ................. 82

Gambar 4.16 Grafik pengaruh variasi laju aliran massa terhadap temperatur

fluida keluar ................................................................................... 84

Gambar 4.17 Distribusi termal pada permukaan photovoltaic pengaruh dari

variasi laju aliran massa fluida masuk ........................................... 85

Gambar 4.18 Nilai pressure drop pengaruh dari variasi laju aliran massa

fluida masuk ................................................................................... 86

Gambar 4.19 Grafik pengaruh variasi laju aliran massa terhadap pressure drop

yang dialami ................................................................................... 87

Gambar 4.20 Grafik pengaruh ketebalan pelat absorber terhadap termperatur

fluida keluar (Tout) .......................................................................... 88

Gambar 4.21 Grafik pengaruh ketebalan pelat absorber terhadap

termperatur permukaan photovoltaic ............................................. 89

1

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Energi matahari atau energi surya merupakan salah satu sumber energi

alternatif terbarukan yang memiliki ketersediaan sangat melimpah, ramah

lingkungan serta bebas polusi. Energi matahari sangat potensial untuk

dimanfaatkan baik sebagai energi pembangkit listrik maupun untuk energi

termal. Matahari memancarkan energi termal yang sangat besar, dimana energi

termal matahari yang dapat diterima oleh permukaan bumi dapat mencapai

lebih dari 1000 W/m2 (Duffie,1980).

Indonesia memiliki potensi yang besar dalam menjadikan energi matahari

sebagai sumber energi dimasa depan, hal ini dikarenakan posisi Indonesia yang

terletak didaerah khatulistiwa. Berdasarkan data penyinaran radiasi matahari

yang didapat dari 18 wilayah penerimaan dapat dikelompokan menjadi daerah

barat dan timur, dengan distribusi penyinaran di Kawasan Barat Indonesia

(KBI) sekitar 4,5 kWh/m2/hari dengan variasi bulanan sekitar 10% dan di

Kawasan Timur Indonesia (KTI) sekitar 5,1 kWh/m2/hari dengan variasi

bulanan sekitar 9% (Kementrian ESDM, 2010).

2

Dengan potensi tersebut energi surya dapat dimanfaatkan menjadi energi listrik

dan termal. Energi listrik dapat diperoleh salah satunya menggunakan

photovoltaic. Sistem photovoltaic ini merupakan teknologi yang berfungsi

untuk mengkonversi radiasi matahari dengan memanfaatkan suatu P-N

junction pada silikon kristal tunggal yang merupakan bahan semikonduktor.

Sistem ini dapat mengumpulkan radiasi matahari dan mengubahnya menjadi

energi listrik. Akan tetapi photovoltaic hanya mampu mengubah energi radiasi

matahari menjadi listrik dengan efisiensi 12- 18 % dan lebih dari 80% energi

radiasi matahari tidak diubah menjadi energi listirk tetapi diserap dan diubah

menjadi energi kalor (Agrawal, 2010).

Energi kalor yang diterima secara terus menerus akan menyebapkan kenaikan

temperatur kerja pada photovoltaic. Akibatnya, photovoltaic akan mengalami

penurunan efisiensi elektrik. Setiap kenaikan temperatur sebeasar 9 - 10 0C

pada permukaan photovoltaic akan menyebapkan penurunan efisiensi elektrik

sebesar 5 %. Dengan demikian photovoltaic mengalami penurunan efisiensi

elektrik sebesar 0,45 % pada setiap kenaikan temperatur 1 0C (Chow, 2003).

Sebagai upaya menstabilkan temperatur kerja photovoltaic maka ditambahkan

kolektor termal surya dibawah permukaan photovoltaic. Kolektor termal surya

merupakan teknologi yang memanfaatkan energi radiasi matahari secara termal

dengan menjadikan matahari sebagai sumber pemanas. Energi ini kemudian

diubah menjadi kalor yang berguna. Salah satu kolektor yang dapat digunakan

secara baik adalah kolektor termal surya pelat datar. Kolektor jenis ini dapat

menyerap panas berlebih pada permukaan photovoltaic (Duffie, 1980).

3

Ismail (2016), dalam hasil penelitiannya mengenai kolektor surya pelat datar

berdasarkan jenis elbow dan jarak pipa, menjelaskan bahwa kolektor surya

pelat datar aliran serpentine yang menggunakan sambungan elbow 90o dengan

jarak pipa 80 mm memiliki unjuk kerja terbaik. Unjuk kerja ini ditinjau dari

sisi koefisien kerugian panas maupun dari pressure drop yang terjadi.

Selain itu kolektor surya pelat datar ini mampu secara baik menyerap energi

radiasi matahari dengan sorotan langsung maupun secara sebaran. Oleh karena

itu, kolektor surya pelat datar tidak memerlukan solar tracking system.

Kolektor ini juga memiliki desain dan perawatan sederhana serta menghasilkan

temperatur keluaran mencapai dibawah 95oC (Goswami, 1999).

Penggabungan antara sistem photovoltaic dengan kolektor surya (thermal

collector) disebut sebagai sistem hybrid photovoltaic thermal (PV/T). Sistem

kombinasi hybrid ini menjadikan kolektor surya sebagai penyerap energi panas

yang tidak bermanfaat dari modul photovoltaic. Oleh karena itu, energi akan

lebih efisien secara keseluruhan bila dibandingkan dengan photovoltaic atau

kolektor surya yang digunakan secara terpisah (Mojiri et al, 2013).

Unjuk kerja kolektor surya sistem hybrid photovoltaic thermal (PV/T) dapat

diperoleh melalui eksperimen dan proses simulasi. Melalui proses simulasi

karakteristik hybrid photovoltaic thermal (PV/T) dapat digambarkan lebih

mudah, penggunaan waktu yang lebih singkat dan dapat mengurangi biaya

ekperimen. Oleh karena itu, digunakan konsep desain engineering

menggunakan CFD. Computational fluid dynamic (CFD) merupakan cabang

4

ilmu dinamika fluida yang menggunakan alogaritma serta metode numerik

untuk menganalisa dan memecahkan persoalan yang melibatkan aliran fuida.

Salah satu software yang dapat digunakan untuk mensimulasikan hubungan

antara fluida (cair dan gas) dengan benda padat yang berkaitan dengan aliran

fuida adalah simulation software CFD menggunakan Ansys fluent versi 15.0.

Pengunaan software CFD dapat memberikan hasil berupa grafik, vector, kontur

serta bahkan animasi. Hal ini akan memberikan pemahaman lebih baik

berkaitan dengan karakteristik aliran fluida (Allan, 2017).

Dalam penelitian ini perlu dilakukan optimasi unjuk kerja hybrid photovoltaic

thermal (PV/T) aliran serpentine berdasarkan termal, heat loss dan temperatur

permukaan dengan cara memvariasikan ketebalan pelat absorber. Pelat yang

lebih tebal menyebabkan bertambahnya bobot keseluruhan sekaligus

meningkatnya biaya material absorber pada hybrid photovoltaic thermal

(PV/T). Optimasi dikakukan dengan mensimulasikan dan menganalisis

menggunakan software CFD Ansys fluent versi 15.0 pada kondisi steady

dengan standar pengujian EN12975.

1.2 Tujuan Penelitian

Tujuan yang ingin diperoleh dari penelitian ini adalah:

1. Mensimulasikan unjuk kerja kolektor hybrid photovoltaic thermal (PV/T)

aliran serpentine kemudian membandingkan dengan data eksperimen.

2. Mengetahui hasil simulasi unjuk kerja kolektor hybrid photovoltaic

thermal (PV/T) aliran serpentine menggunakan CFD Ansys Fluent

berdasarkan variasi ketebalan pelat absorber dan laju aliran massa.

5

1.3 Batasan Masalah

Sebagai batasan dalam pembahasan agar fokus dari permasalahan maka ruang

lingkup penilitian ini dibatasi sebagai berikut:

1. Unjuk kerja kolektor secara termal dan pressure drop

2. Software simulasi menggunakan Ansys fluent versi 15.0

3. Pengujian dilakukan pada kondisi steady

4. Ketebalan pelat absorber yang digunakan 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm.

5. Menggunakan standar pengujian termal EN 12975

6. Menggunakan kolektor hybrid photovoltaic thermal (PV/T) pelat datar

aliran serpentine

7. Pengujian secara eksperimen menggunakan solar simulator sebagai

pengganti sumber panas radiasi matahari.

1.4 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

I. PENDAHULUAN

Berisi tentang latar belakang, tujuan, ruang batasan masalah, hipotesa dan

sistematika penulisan dari penelitian ini.

II. TINJAUAN PUSTAKA

Berisi mengenai pengertian radiasi matahari, perpindahan panas, kolektor

surya pelat datar, photovoltaic, hibrid photovoltaic thermal (PV/T) teori

dan persamaan, software CFD Ansys, MLR dan standar EN 12975.

III. METODOLOGI

Bab ini berisi tentang tempat dan waktu pelaksanaan, alat dan bahan

komponen, prosedur pembuatan, dan diagram alir pelaksanaan peneliti.

6

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Berisi data - data yang didapat dilapangan dan pembahasan masalah dari

hasil pengamatan proses kerja kolektor pelat datar dan melakukan Analisa

dari hasil pengamatan.

V. SIMPULAN DAN SARAN

Bab ini menyimpulkan hasil akhir dari pembahasan masalah dan

memberikan saran.

DAFTAR PUSTAKA

Bersisi sumber - sumber yang menjadi referensi penulis dalam menyusun

penelitian ini.

LAMPIRAN

Memuat data - data yang mendukung penulisan laporan ini.

7

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Energi Radiasi Matahari

Energi radiasi matahari berbentuk sinar dan gelombang elektromagnetik yang

terbentuk akibat dari reaksi termonuklir. Matahari sendiri merupakan bintang

besar di tata surya yang terbentuk dari gas hidrogen dan helium. Diameter

matahari berkisar 1.392.684 km, dengan massa sebesar 2 x 1030 kg. Matahari

tersusun dari komponen yang sebagian s sebagian besar kandungannya

merupakan helium dan 1,69 % terdiri dari oksigen, neon karbon, dan besi.

Massa matahari yang besarnya lebih dari tiga perempat terdiri dari hirogen.

Energi matahari per unit waktu yang diterima satu unit luasan permukaan tegak

lurus arah radiasi matahari disebut sebagai konstanta matahari (Gsc) yang

diukur pada jarak rata-rata matahari-bumi di luar atmosfer.

World radiation center (WRC) menetapkan nilai konstanta matahari (GSC)

dengan nilai ketidakpastian sebesar 1 % yaitu sebesar 1367 W/m2. Hubungan

antara bumi dan matahari memiliki jarak yang disebut sebagai jarak eksentris

dimana memiliki variasi sebesar 1,7 %. Dimana jarak rata-rata Bumi terhadap

Matahari 1,495 x 1011 dengan sudut kecenderungan matahari 320.

8

Gambar 2.1 Hubungan Bumi Dengan Matahari

Gambar 2.1 hubungan bumi dengan matahari dimana jarak matahari ke bumi

tidaklah konstan, dikarenakan lintasan bumi terhadap matahari berbentuk elips.

Jarak terdekat 1,47 x 1011 m terjadi pada 3 januari dan jarak terjauh 1,52 x 1011

m pada 4 juli. Indonesia memiliki potensi besar dalam memanfaatkan energi

matahari yaitu sekitar 4,8 Kwh/m2 yang setara dengan 112.000 GW.

Akan tetapi nergi yang dimanfaatkan baru sekitar 10 MW. Intensitas radiasi

matahari di luar atmosfer bumi bergantung pada jarak antara matahari dengan

bumi. Tiap tahun, jarak ini bervariasi sehingga hasilnya besar pancaran E0

naik turun antara 1325 W/m2 sampai dengan 1412 W/m2. Pada kondisi cerah

tak berawan disiang hari pancaran energi matahari bisa mencapai 1000 W/m2

yang dapat diterima dipermukaan bumi. Energi matahari dapat dijadikan salah

satu pilihan energi alternatif terbaik, dikarenakan rasio elektrifikasi di

Indonesia saat ini baru mencapai 55 -60 %. Daerah yang belum dialiri listrik

9

cukup banyak terutama daerah pedesaan yang jauh dari pusat pembangkit

listrik. Energi yang dipancarkan oleh matahari merupakan sumber energi

berjumlah besar dan terbarukan terbesar yang tersedia untuk umat manusia

adalah. Energi matahri sangat efektif karena tidak bersifat polutif dan

tidak dapat habis (Vries, 2011).

2.2 Sel Surya

Sel surya adalah perangkat yang tersusun dari material semikonduktor yang

dapat mengubah energi radiasi matahari menjadi energi listrik secara langsung.

Sebuah solar cell atau photovoltaic dibentuk dalam suatu unit yang disebut

dengan modul. Sebuah modul biasanya tersusun dari bayak solar cell yang

dapat disusun secara seri maupun disusun secara parallel.

Solar cell pertama kali ditemukan oleh Edmund Becquerel pada tahun 1839,

adalah pemuda Prancis berusia 19 tahun menemukan efek yang sekarang

dikenal dengan efek fotovoltaic. Becquerel mendapatkan bahwa beberapa jenis

material tertentu mampu memproduksi arus listrik dengan jumlah kecil ketika

terkena cahaya, arus listrik dapat timbul karena adanya energi foton dalam

gelombang radiasi yang membebaskan electron- electron dalam sambungan

semi konduktor. Dalam perkembangan selanjutnya sel surya dengan

sambungan dioda P-N dari silicon semi konduktor yang dikembangkan peneliti

Bell Laboratories dapat meningkatkan efisiensi mencapai 6 %.

10

2.2.1 Struktur Dasar Pada Sel Surya

Sinar matahari yang berupa gelombang elektromaknetik tersusun dari

partikel- partikel yang sangat kecil disebut dengan foton. Ketika partikel

foton mengenai material silikon semi konduktor maka dapat memisahkan

electron dari struktur atomnya dikarenakan foton memiliki energi yang

cukup besar. Elektron yang dibebaskan akan memiliki muatan negatif

dan dapat bebas bergerak didaerah pita konduksi. Akibat terpisahnya

electron tersebut maka akan menimbulkan kekosongan yang bermuatan

positif pada struktur atom yang disebut dengan hole.

Gambar 2.2 Semikonduktor (a) tipe-P (b) tipe-N

Gambar 2.2 terlihat pada gambar (b) bahwa daerah semikonduktor

bersifat negatif dan bersifat sebagai pendonor electron yang disebut

sebagai semikonduktor tipe-N. Sedangkan pada gambar (a) lebih bersifat

positif dan berperan sebagai penerima electron serta dinamakan sebagai

semikonduktor tipe-P.

Semikonduktor tipe-P terbuat dengan menambahkan unsur Boron (B),

Aluminum (Al), Indium (In) maupun Galium (Ga) kedalam unsur silicon

(a) (b)

11

(Si), sedangkan tipe-N dibuat dengan menambahkan fosfor (P), Arsen

(As) maupun nitrogen (Ni) kedalam unsur silicon (Si). Dalam

semikonduktor alami jumlah antara hole maupun electron bebas adalah

sama. Penambahan unsur tersebut diistilahkan sebagai doping dengan

jumlah tidak lebih 1 % dari berat silikonnya.

Gambar 2.3 Diagram energi sambungan P-N munculnya daerah deplesi

Gambar 2.3 merupakan dua jenis semikonduktor yang disatukan

sehingga membentuk sambungan P-N disebut dengan dioda P-N. Terjadi

perpindahan electron-elektron ketika telah disambungkan dari

simiconduktor N menuju semikonduktor P dan perpindahan hole kearah

sebaliknya. Terciptanya medan listrik akan mencegah terjadinya

perpindahan electron maupun hole secara keseluruhan antar

semikonduktor.

2.2.2 Prinsip Kerja Solar Cell (Photovoltaic)

Pada dasarnya solar cell terbuat dari bahan semikonduktor yang

memiliki muatan yang berbeda, yaitu semikonduktor dengan muatan

12

negative (tipe-N) dan semikonduktor dengan muatan positif (tipe-P).

dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 2.4 prinsip kerja dari solar cell (photovoltaic)

Gambar 2.4 prinsip kerja solar cell terlihat ketika material semikonduktor

(tipe–P) dan (tipe-N) disambungkan maka akan terjadi difusi hole dari

(tipe–P) menuju (tipe-N) dan difusi elektron dari (tipe-N) menuju (tipe–

P). Akibat difusi maka meninggalkan daerah yang bermuatan positif

pada batas (tipe-N) dan daerah yang bermuatan pada batas (tipe–P).

lapisan semikonduktor N berada diatas dan dibuat lebih tipis agar cahaya

mahatari yang mengenai dapat terserap dan masuk kedaerah deplesi

kemudian daerah semikonduktor P.

Terlepasnya electron akibat energi matahari akan mengakibatkan hole

pada atom yang ditinggalkan. Terciptanya hole dan electron bebas ini

akan memicu terbentuknya pasangan electron hole yang diistilahkan

sebagai electron hole photogeneration. Adanya perbedaan muatan

elektron pada sambungan didaerah deplesi menyebapkan electron hasil

13

fotogenerasi tertarik kedalam semikonduktor N dan hole akan tertarik

kedalam semikonduktor P sehingga terciptalah arus listrik akibat dari

pergerakan electron tersebut (Iswanto,2008).

2.3 Solar Termal Collector

Solar thermal collector merupakan suatu sistem penukar panas yang menyerap

energi radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi panas dengan

menjadikan matahari sebagai energi utama. Komponen dasar yang harus

dimiliki oleh sebuah kolektor adalah memiliki komponen penyerap atau

disebut dengan absorber sebagai penerima energi radiasi dari matahari, selain

itu sebuah kolektor juga harus memiliki saluran fluida, disalah satu sisinya

yang dibatasi oleh absorber (Duffie, 1980).

Saluran fluida ini berfungsi memindahkan panas yang telah diserap oleh

absorber kefluida penerimanya. Ujuk kerja kolektor sangat dipengaruhi oleh

sifat fisik dari sebuah absorber. Selain itu unjuk kerja termal kolektor juga

dipengaruhi oleh tipe atau jenis dari kolektor, trasmisiviti penutup atas dari

kolektor, konvigurasi dari saluran fluida, dimensi kolektor dan kecepatan fluida

(Sumarsono, 1998).

2.3.1 Kolektor Surya Pelat Datar (Flat Plate Collector)

Kolektor surya pelat datar merupakan salah satu kolektor dengan media

absorber menggunakan pelat datar. Berfungsi sebagai pemanas fluida

yang mengalir dengan mengkonversikan energi radiasi menjadi energi

14

panas. Fluida dapat berupa air maupun udara. Kolektor pelat datar

memiliki kelebihan dapat beroperasi dengan baik tanpa menggunakan

solar tracking system, dapat memiliki temperatur keluaran sampai

dibawah 95 0C (Goswami, 1999).

Gambar 2.5 Skema kolektor surya pelat datar

Gambar 2.5 mengenai skema dan komponen yang terdapat pada kolektor

surya pelat datar terdiri dari permukaan hitam sebagai penyerap energi

radiasi matahari yang kemudian dipindahkan ke fluida. Penutup tembus

cahaya (kaca) berfungsi mengurangi efek radiasi dan konveksi yang

hilang ke atmosfir. Performansi kolektor dinyatakan dengan

keseimbangan energi, yang menggambarkan distribusi energi matahari

yang datang terhadap energi yang bermanfaat dan beberapa energi yang

hilang (Philip Kristanto, 2001).

Komponen – komponen penunjang yang terdapat pada kolektor pelat

datar ini antara lain: absorber, transparent cover, insulasi dan

frame/kerangka. Keuntungan utama dari kolektor surya pelat datar

adalah kolektor ini dapat memanfaatkan kedua komponen radiasi

15

matahari, yaitu dengan sorotan langung ataupun melalui sebaran.

Sehingga kolektor ini tidak membutuhkan system tracking matahari,

desain dari kolektor surya pelat datar juga cukup sederhana, sehingga

biaya pembuatanya menjadi lebih murah serta hanya sedikit memerlukan

perawatan. Pada umumnya kolektor ini digunakan sebagai proses- proses

pemanas dalam industri (Duffie,1980).

Kolektor surya pelat datar dapat menggunakan beberapa jenis susunan

pipa dalam aliran fluida sebagai media penerima panas. Berdasarkan

susunan pipa secara umum dapat dibagi menjadi susunan pipa serpentin

dan susunan pipa pararel.

2.3.1.1 Susunan pipa seri (serpentine)

Kolektor surya pelat datar aliran serpentine merupakan kolektor

surya yang memiliki saluran pipa fluida seri berkelok, memiliki

satu aliran fluida pada pipa panjang yang dibentuk fleksibel.

Sehingga pada jenis ini tidak ada masalah yang berkaitan dengan

perbedaan laju aliran fluida.

Gambar 2.6 Kolekor aliran pipa serpentine

16

Gambar 2.6 dari gambar diketahui dengan menggunakan susunan

pipa serpentin, dapat meniadakan potensi masalah yang akan

timbul akibat dari distribusi aliran yang tidak merata ada beberapa

hal yang perlu diperhatikan pada proses pembuatanya pada saat

menekuk (bending) harus diperhatikan agar bagian pipa yang

ditekuk tidak mengalami kerusakan.

Ada alternatif yang dapat digunakan dalam menghubungkan pipa,

yakni dengan menggunakan sambungan pipa yang desebut

dengan elbow. Elbow merupakan salah satu jenis sambungan

(fitting) pada pipa, elbow juga dapat berfungsi untuk membelok

kan arah aliran fluida. Pada umumnya elbow memiliki tiga jenis

sudut yang terdiri dari sudut 45o, 90o dan 180o.

2.3.1.2 Susunan pipa parallel

Kolektor surya pelat datar yang memiliki susunan pipa yang

berbentuk paralel, didisain untuk memindahkan fluida dari bawah

kolektor kebagian atas kolektor yang melewati jajaran pipa

vertikal paralel. Pada kolektor dengan susunan pipa parallel ini,

besar diameter pipa – pipa dibagian bawah harus lebih besar dari

pada pada bagian vertikal.

17

Gambar 2.7 Kolekor aliran pipa parallel

Gambar 2.7 kolektor pipa parallel Keuntungan dari penggunaan

aliran pipa jenis ini adalah akibat perbandingan diameter atas dan

bawah, maka tekanan fluida akan menyesuaikan sehingga laju

aliran fluida pada setiap pipa vertikal akan lebih mendekati

keseragaman. Kekurangannya adalah pada bagian tengah pipa

vertikal memiliki laju aliran fluida yang lebih rendah sehingga

mengakibatkan energi panas yang terkonsentrasi tidak maksimal

ditrasfer dengan baik (Duffie,1980).

2.3.2 Persamaan Dasar Kolektor Surya Pelat Datar

Energi radiasi yang diserap oleh absorber pada kolektor, akan

menghasilkan panas kemudian ditrasfer kefluida kerja yang mengalir

didalam saluran pipa dibawah absorber pelat hitam. Absorber pelat hitam

digunakan untuk mengisolasi energi dari radiasi matahari yang mengenai

absorber. Hal ini dilakukan untuk memaksimalkan energi yang ditrasfer

ke fluida kerja. Keseimbangan energi pada kolektor pelat datar dapat

ditulis dengan persamaan berikut (Duffie,1980):

18

Qu = Ac [S – UL (Tpm – Ta)] (2.1)

Dimana:

Ac = Luas permukaan kolektor (m2)

Ta = Temperatur lingkungan (0K)

UL = Koefisien kehilangan panas kolektor (Watt/m2.0C)

Tpm = Temperatur rata-rata permukaan pelat (0K)

S = Intesitas radiasi matahari (W/m2)

Akan tetapi penggunaan persamaan diatas memiliki persoalan, yaitu pada

temperatur pelat absorber rata-rata yang sulit ditentukan. Sulit

dihitungnya temperatur pelat absorber rata-rata, karena temperatur pelat

absorber rata-rata merupakan fungsi desain dari kolektor, kondisi fluida

masuk dan surya konsederasi.

Untuk itu perhitungan persamaan diatas dapat dihitung saat temperatur

fluida masuk dan parameter yang disebut factor removal /faktor

penghapus solar kolektor, dapat diefaluasi secara analitis dengan prinsip-

prinsip dasar yang dilakukan secara eksperimen. Maka persamaan untuk

panas berguna dari kolektor dapat ditulis menjadi (kalogirou, 2003):

Qu = AC Fr [Gt (ατ) – UL (Tfi – Ta)] (2.2)

Dimana:

AC = luas kolektor (m2)

Fr = removal factor pemindahan panas kolektor

19

UL = koefisien kehilangan panas menyeluruh (watt/m2.k)

Tfi = temperatur fluida masuk (k)

Ta = temperatur udara lingkungan (k)

ατ = koefisien trasmisi absorber

Gt = energi radiasi matahari (watt/m2)

Tempertarur fluida rata- rata (Tfm) juga dapat digunakan untuk

menghitung energi berguna, dengan persamaan sebagai berikut:

Qu = AC F’ [(ατ)e S – UL (Tfm – Ta)] (2.3)

Sedangkan untuk nilai energi berguna yang diberikan oleh kolektor ke

fluida dapat dicari mengunakan persamaan sebagai beerikut:

Qu = m Cp (Tf0 – Tft) (2.4)

2.3.2.1 Koefisien perpindahan panas menyeluruh

Menghitung kerugian koefisien perpindahan panas menyeluruh

yang merupakan kerugian kalor dari absorber yang terjadi pada

bagian atas, bagian samping dan bawah absorber, sehingga dapat

ditulis dengan persamaan:

UL = Ut + Ub + Ue (2.5)

20

Dimana:

UL = koefisien kerugian kalor total

Ut = koefisien kerugian kalor bagian atas

Ub = koefisien kerugian kalor bagian bawah

Ue = koefisien kerugian kalor bagian samping

2.3.2.2 Koefisien kerugian kalor bagian atas

Kehilangan energi panas pada bagian atas pelat absorber, dapat

terjadi karena adanya perpindahan panas secara konveksi alami

dan radiasi. Dari bagian dalam pelat kolektor ke permukaan kaca.

Sehingga dapat ditulis persamaan sebagai berikut:

Ut = (1

ℎ𝑐.𝑝−𝑐+ℎ𝑟.𝑝−𝑐+

1

ℎ𝑤+ℎ𝑟.𝑐−𝑎) -1 (2.6)

Dimana:

Ut = kerugian kalor bagian atas

hw = koefisien perpindahan panas konveksi

hr.c-a = koefisien perpindahan panas radiasi antara kaca

dengan lingkungan

hc.p-c = koefisien perpndahan panas konveksi antara pelat

dengan kaca

hr.p-c = koefisien perpindahan panas radiasi antara pelat

dan kaca.

21

2.3.2.3 Kerugian kolektor pada bagian bawah

Kerugian kalor pada bagian bawah pelat datar terjadi secara

konduksi dari absorber kepanel bagian bawah. Sedangkan

kerugian panas akibat radiasi dan konveksi diabaikan karena nilai

koefisien kerugian yang cenderung kecil. Apabila dibandingkan

dengan nlai koefisien kerugian akibat perpindahan panas secara

konduksi. Sehingga nilai koefisien kerugian panas bagian bawah

dapat dibuat persamaan menjadi sebagai berikut:

Ub = 𝐾

𝐿 (2.7)

Dimana:

Ub = koefisien kerugian kalor bagian bawah

K = konduktifitas insulator bagian bawah

L = tebal insulator

2.3.2.4 Kerugian kalor pada bagian samping

untuk koefisien kerugian kalor pada bagian samping dapat

dirumuskan atau didekati dengan persamaan sebagai berikut:

Ue = (𝑈𝐴)𝑒𝑑𝑔𝑒

𝐴𝑐 (2.8)

Dimana:

UA = k/L x volume kolektor

Ac = luas permukaan kolektor (m2)

22

2.3.2.5 Efisiensi kolektor surya

Dinilai dari efesiensi performansinya dalam sebuah kolektor

didefinisikan sebagai rasio energi berguna selama periode waktu

tertentu, terhadap energi radiasi matahari yang disebut incident

radiasi, yaitu energi matahari selama periode waktu yang sama.

Maka menghitung nilai efisiensi kolektor dapat dengan:

𝜂 = ʃ 𝑄𝑢 𝑑𝑡

𝐴𝑐 ʃ 𝐺𝑇 𝑑𝑡 (2.9)

Dimana:

𝜂 = efisiensi kolektor

Ac = luas kolektor

Qu = energi berguna

Gt = energi radiasi matahari (Watt/m2)

Dalam kondisi konstan pada periode tertentu, nilai efisiensi dari

kolektor pelat datar juga dapat dihitung menggunakan persamaan

sebagai berikut:

𝜂 = 𝑄𝑢

𝐼𝑇 𝐴𝑐 (2.10)

Dimana:

𝜂 = efisiensi kolektor

Qu = energi berguna

Ir = incident solar radiation

Ac = luas kolektor

23

2.4 Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T)

Hybrid photovoltaic thermal (PV/T) atau disebut juga dengan hybrid solar cell

adalah sebuah sistem yang dapat mengkonversikan energi radiasi matahari

menjadi energi listrik dan energi kalor. Hybrid photovoltaic thermal biasanya

merupakan gabungan, antara modul photovoltaic atau solar cell yang

dibelakang permukaannya diberikan tambahan absorber plate collector (pelat

penyerap panas) sebagai alat untuk mengekstrak kalor pada modul photovoltaic.

Sistem ini menjadikan solar cell mengkonversikan energi radisi matahari

menjadi energi listrik secara langsung, dengan efisiensi maksimum solar cell

mencapai 5-20 %. Kemudian dalam sistem ini absorber plate collector yang

terletak dibawah permukaan modul photovoltaic memiliki dua fungsi yaitu,

mendinginkan temperatur kerja solar cell dengan menyerap energi panas pada

modul photovoltaic untuk meningkatkan kinerja dari photovoltaic dan untuk

mengumpulkan energi termal dari temperatur berlebih pada photovoltaic.

Pada system hybrid photovoltaic thermal (PV/T) memiliki hasil konversi

elektrik dan termal lebih rendah, bila dibandingkan dengan panel photovoltaic

dan thermal collector konvensional. Akan tetapi system hybrid photovoltaic

thermal (PV/T) menghasilkan energi yang lebih banyak per satuan luas

permukaan, apabila dibandingkan dengan satu modul photovoltaic dan satu

kolektor surya (solar thermal collector) saja (Zondag et al, 2008).

24

2.4.1 Jenis Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T)

Terdapat bebrapa jenis tipe dari hybrid photovoltaic thermal (PV/T) yang

digunakan antara lain:

2.4.1.1 Liquid photovoltaic thermal controller

Serupa dengan pemanas air dengan flat plate collector, liguid

photovoltaic thermal collector digunakan sebagai pemanas air

sekaligus penghasil listrik. Banyak digunakan dalam dunia

industri maupun rumahan. Liguid photovoltaic thermal (PV/T)

collector untuk rumahan dirangkai parallel dan dikontrol otomatis

menggunakan thermos-siphon.

Gambar 2.8 Liquid photovoltaic thermal controller

Gambar 2.9 Hybrid liquid photovoltaic thermal collector

merupakan gabungan antara kolektor pelat datar dan photocoltaic

dimana fluida yang digunakan berupa air, oli maupun yang lain

dalam bentuk cairan.

2.4.1.2 Air photovoltaic thermal collector

Udara dan air keduanya telah digunakan sebagai heat transfer,

liguid photovoltaic thermal collector memiliki efisiensi yang

25

lebih tinggi dari air photovoltaic thermal collector. Tetapi air

photovoltaic thermal collector, banyak digunakan dalam banyak

aplikasi karena low construction dan low cost. Air photovoltaic

thermal collector memiliki beberapa tipe antara lain:

Gambar 2.9 Air photovoltaic thermal collector

2.9 Air photovoltaic thermal collector merupakan photovoltaic

yang menggunakan fluida pendingin berupa udara yang dialirkan

dibawah permukaan photovoltaic. Penggunaan penutup yang

terbuat dari kaca bertujuan untuk mengurangi heat lose yang

terjadi. Tetapi keberadaan penutup kaca ini akan dapat

mengurangi kinerja elektrik dari solar cell atau photovoltaic

Keuntungan dari air photovoltaic thermal collector adalah tidak

akan terjadi pembekuan ataupun pendidihan fluida, dan tidak

akan menyebapkan kerusakan bila terjadi kebocoran. Akan tetapi

udara memiliki kapasitas kalor dan konduktifitas yang rendah,

sehingga menyebapkan kemampuan perpindaan panas yang

rendah, serta udara juga memiliki tingkat heat losses yang cukup

tinggi.

Glass Cover

PV Module

Air flow

Insulation

26

2.4.1.3 Concentrtor photovoltaic thermal collector

Concentrator photovoltaic Thermal Collector dapat beroprasi

pada temperatur yang lebih tinggi dari pada flat plate collector.

Mengumpulkan panas yang dibuang dari sistem concentrator

photovoltaic menyebabkan concentrator photovoltaic thermal

(CPVT), menyediakan listrik dan menghsilkan panas pada suhu

sedang.

Gambar 2.10 Schematic concentrating PV/T collector

Gambar 2.10 Concentrating photovoltaic thermal collector dapat

berbentuk datar atau parabola (concentrating). Concentrating

photovoltaic thermal collector memiliki bentuk yang sama seperti

kolektor pelat datar biasa. Hanya saja pada concentrating

photovoltaic thermal collector merupakan PV/T yang memiliki

konsentrator yang berbentuk parabola. Konsentrator ini bertujuan

untuk dapat meningkatkan tingkat penerimaan radiasi matahari

pada photovoltaic (Zondag et al, 2008).

27

2.4.2 Efisiensi Pemanfaatan Energi Pada PV/T

Banyak pengembangan dan penelitian mengenai hybrid photovoltaic

thermal (PV/T) bertujuan mendapatkan efisiensi penyerapan energi

matahari yang lebih obtimal, baik secara termal maupun elektrik. Dengan

memanfaatkan gabungan dari solar thermal collector dan photovoltaic

diharapkan agar pemanfaatan energi radiasi dan matahari yang

dikonversikan menjadi listrik dan panas bisa menjadi lebih besar.

Berdasarkan Charalambous et al, presentase energi yang dihasilkan dari

masing – masing sistem dari hybrid photovoltaic thermal (PV/T), solar

therml collector dan photovoltaic, ditunjukan seperti pada Tabel 2.1

sebagai berikut:

Table 2.1 Efisiensi pemanfaatan energi

Efisiensi termal (ηth) dari solar thermal collector pelat datar

konvensional pada kondisi steady dapat ditentukan dengan menggunakan

persamaan sebagai berikut:

ηth = Qu / G (2.11)

Efisiensi Single -pass Double-pass

Thermal

Electric

Combined

24-28%

6-7%

30-35%

32-34%

8-9%

40-45%

28

Dimana:

Qu = kalor yang dikumpulkan kolektor (W/m2.k)

G = radiasi matahari (W/m2)

Sedangkan efisiensi elektrik (ηel) dari solar cell atau photovoltaic (PV)

ditunjukan oleh persamaan sebagai berikut:

ηet = 𝐼𝑚 . 𝑉𝑚

𝐺 . 𝐴𝑐 (2.12)

Dimana:

Ac = luas photovoltaic (m2)

Vm = Tegangan maksimal (Volt)

Im = Arus maksimal (A)

2.5 Sistem Perpindahan Panas

Sistem perpindahan panas pada dasar nya dapat terjadi dalam tiga proses, yaitu

sistem perpindahan panas konveksi, perpindahan panas konduksi dan

perpindahan panas secara radiasi. Sistem perpindahan panas (heat trasfer)

merupakan sistem perpindahan energi dari suatu daerah ke daerah lain yang

terjadi karena perbedaan temperatur. Panas ini akan mengalir dari tempat

yang mempunyai temperatur tinggi ketempat yang mempunyai temperatur

rendah hingga tercapai temperatur yang sama (Holman, 1983).

29

2.5.1 Perpindahan Panas Konveksi

Sistem perpindahan panas konveksi merupakan salah satu bentuk

perpindahan energi yang terjadi pada permukaan benda padat ke fluida

bergerak yang ada disekitarnya.

Gambar 2.11 Ilustrasi system perpindahan panas konveksi

Gambar 2.11 merupakan ilustrasi dari perpindahan konveksi dimana

aliran fluida yang semakin cepat akan menyebabpan perpindahan panas

konveksinya menjadi semakin tinggi. Besarnya nilai perpindahan panas

konveksi dapat ditentukan menggunakan persamaan sebagai berikut:

q = hA S (TS - T∞) (2.13)

Dimana:

H = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 °C)

As = luas permukaan perpindahan panas konveksi (m2)

Ts = temperatur permukaan (°C)

T∞ = temperatur fluida sekitar permukaan (°C)

30

Tanpa adanya pergerakan fluida (bulk fluid motion), sistem perpindahan

panas konveksi diantara permukaan benda solid dan fluida sekitar

dikatakan sebagai konveksi murni. Jika proses aliran fluida tersebut

diinduksikan oleh sebuah pompa atau circulating system yang lain, maka

digunakan istilah konveksi yang dipaksakan (forced convection).

Bertentangan dengan itu, jika aliran fluida timbul karena akibat adanya

daya apung fluida yang disebabkan oleh pemanasan, maka proses

perpindahan panas konveksi tersebut dinamakan konveksi bebas (free)

atau konveksi alami (Stoecker and Jones, 1977).

2.5.2 Perpindahan Panas Konduksi

Merupakan proses perpindahan panas yang terjadi akibat perbedaan

gradien temperatur dalam media yang diam. Selain pada benda padat

konduksi juga dapat melalui media liquid dan gas. Pada liguid dan gas

konduksi disebapkan oleh tabrakan (collisions) dan penyebaran

(difusions), dari molekul selama pergerakan random (Reynold and

Perkins,1984).

Gambar 2.12 Ilustrasi system perpindahan panas konduksi

31

Gambar 2.12 Menunjukan perpindahan panas konduksi yang terjadi pada

dinding datar, dengan (Q) merupakan arah perpindahan panas. Terlihat

temperatur yang lebih tinggi (T1) mengalir ke temperatur yang lebih

rendah (T2), secara terus menerus menyebabkan temperatur seimbang.

Dengan laju konduksi panas yang melewati lapisan bidang datar

sebanding dengan beda temperatur dan akan berbanding terbalik dengan

ketebalan lempengnya (∆x). Sistem perpindahan panas konduksi satu

dimensi melalui padatan diatur oleh hukum Fourier, sehingga untuk

perpindahan panas satu dimensi dapat dituliskan menggunakan

persamaan sebagai berikut:

qcondution = - KA ∆𝑇

∆𝑥 (2.14)

Dimana:

qconduction = kalor konduksi (W/m2)

k = konduktivitas termal (W/m.K)

∆T = perbedaan temperatur (K)

∆x = ketebalan lempengan (m)

Pada persamaan diatas adalah persamaan dasar tentang konduktivitas

termal dari dinding datar. Berdasarkan persamaan diatas q merupakan

laju aliran panas, sedangkan A merupakan luas permukaan dinding datar

sedangkan ∆T/∆x adalah gradien temperatur. Konduktivitas termal k

merupakan sifat bahan dan menujukan jumlah panas yang mengalir

melalui satuan luas apabila gradien temperaturnya satu. Berdasarkan

rumusan itu maka dapatlah dilaksanakan pengukuran dalam percobaan

32

untuk menentukan konduktivitas termal berbagai bahan. Untuk gas-gas

pada suhu relative rendah dapat dilakukan pengolahan analisis teori

kinetik gas dapat dipergunakan untuk memprediksi nilai-nilai secara

pengamatan dalam percobaan.

2.5.3 Sistem Perpindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas radiasi merupakan perpindahan energi panas yang

terjadi anatar benda, radiasi berlangsung karena foton-foton yang

dipancarkan dari satu permukaan kepermukaan lain melalui gelombang

elektromaknetik. Setiap benda memiliki pancara energi radiasinya

masing-masing, dan intensitas radiasinya tergantung temperatur dan sifat

permukaan benda benda itu sendiri. Daya pancar dari sebuah benda hitam

(black body) dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut:

E = ↋ .σ . T4 (2.15)

Dimana:

E = Daya pancar (W/m2)

↋ = emisivitas

σ = ketetapan Stefan-Boltzman (5,669 x 10 -8 W/m2.K)

T = temperatur absolut (K)

Penyinaran ideal atau benda hitam (black body), dapat memancarkan

energi dangan laju sebanding dengan pangkat empat dari temperatur

absolut benda hitam itu. Serta berbanding lurus terhadap luas

permukaannya. Setiap benda selalu memancarkan energi radiasi secara

33

terus – menerus. Pada benda hitam (black body) memiliki beberapa

karakteristik radiasi antara lain sebagai berikut:

2.5.3.1 Emisivitas permukaan

Perbandingan radiasi yang dihasilkan oleh permukaan benda

hitam pada temperatur yang sama. Emisivitas mempunyai nilai

yang berbeda tergantung kepada panjang gelombang dan

arahnya. Nilai emisivitas bervariasi dari 0-1, dimana benda hitam

mempunyai nilai emisivitas 1.

2.5.3.2 Penyerapan (Absorbsivitas)

Absorbs merupakan proses dimana suatu permukaan menerima

radiasi. Akibat langsung dari proses penyerapan ini adalah

terjadinya peningkatan energi dari dalam medium yang terkena

panas tersebut.

2.5.3.3 Trasmisivitas

Transmisivitas adalah fraksi dari jumlah energi radasi yang

dihantarkan berbanding total energi radiasi yang diterima. Pada

benda yang tidak berwarna hitam, benda tersebut akan

memancarkan energi radiasi yang lebih sedikit bila dibandingkan

dengan suatu benda hitam (black body) pada temperatur yang

sama. Energi radiasi matahari bergerak pada kecepatan cahaya

(3x108) serta memiliki ciri menyerupai radiasi cahaya. Seperti

teori elektromaknetik bahwa letak perbedaan radiasi cahaya dan

radiasi termal hanya pada Panjang gelombang pancaranya

(Incopera, 2007).

34

2.6 Computional Fluid Dinamics (CFD)

Computational fluid dynamics (CFD) atau disebut juga dengan komputasi

dinamika fluida adalah suatu cabang dinamika fluida yang menggunakan

metode numerik dan alogaritma untuk memecahkan dan menganalisa

persoalan yang melibatkan aliran fluida. Pengetahuan tentang komputasi

dinamika fluida sangat diperlukan, dalam menyelesaikan permasalahan-

permasalahan perhitungan rumit yang memerlukan komputer dalam bidang

dinamika fluida.

komputer juga digunakan dalam melakukan jutaan perhitungan yang

diperlukan dalam mensimulasikan interaksi antara benda padat dengan fluida

baik cair maupun gas. Computational fluid dynamics (CFD) merupakan sebuah

metode perhitungan yang memanfaatkan control dimensi luas dan volume.

Menggunakan bantuan komputasi dalam komputer untuk melakukan

perhitungan pada setiap elemen pembaginya.

Prinsip computational fluid dynamics (CFD) adalah suatu ruang yang berisi

fluida dilakukan perhitungan dengan membagi-bagi menjadi beberapa bagian,

yang dinamakan dengan sel. Proses pembuatan sel disebut dengan meshing.

Sel-sel tersebut menjadi control perhitungan yang akan dilakukan oleh

software. Nantinya setiap titik kontrol akan dilakukan perhitungan oleh

software dengan batasan boundary condition dan domain yang telah

ditentukan.

35

Proses perhitungan dalam computational fluid dynamics (CFD) secara umum

terdiri dari tiga tahapan utama yaitu: preprosesor, prosesor dan post prosesor

2.6.1 Pre-prosesor

Pre-prosesor merupakan tahap ketika data diinput kedalam CFD mulai

dari pendefinisian domain serta kondisi batas (boundary condition)

ditahap ini juga sebuah objek akan dianalisa dibagi-bagi dengan grid

tertentu, proses ini disebut juga dengan meshing.

Gambar 2.13 Meshing pada CFD

Gambar 2.13 merupakan bentuk dari meshing yang dilakukan pada CFD,

Tahap ini akan mementukan ketelitian dalam proses analisis pada Ansys.

Semakin kecil ukuram meshing pada suatu objek maka tingkat ketelitian

hasil akan semakin baik.

2.6.2 Prosesor

Dalam tahap ini dilakukan perhitungan data-data input dengan

persamaan yang terlibat secara iterasif. Artinya penghitungan dilakukan

sampai hasil mendekati error terkecil, atau hingga mencapai nilai yang

konvergen. Perhitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume

kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit.

36

2.6.3 Tahap Postprosesor

Tahap postprosesor merupakan tahap akhir dimana hasil perhitungan di

interprtasikan kedalam gambar, grafik bahkan dengan animasi dengan

pola-pola warna tertentu. Contoh hasil dari simulasi dapat berupa kontur

warna sebagai berikut:

Gambar 2.14 Hasil simulasi CFD berupa kontur warna

Gambar 2.14 merupakan tahap terakhir dan tahap ini menampilkan hasil

dari proses simulasi yang telah dilakukan. Dimana hasil diinterpretasikan

kedalam gambar berupa kontur warna, grafik ataupun animasi. Dalam

dunia industri computational fluid dynamics (CFD) banyak digunakan

adalah karena computational fluid dynamics (CFD) dapat melakukan

analisa dalam suatu sistem, dengan mengurangi biaya eksperimen serta

tentunya waktu yang panjang dalam melakukan ekperimen tersebut.

Sehingga membantu dalam proses design engineering dengan

menjadikan tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek. Selain itu

dengan menggunakan computational fluid dynamics (CFD) akan

memperdalam pemahaman mengenai karakteristik aliran fluida dengan

melihat hasil berupa vector, grafik, kontur bahkan animasi.

37

2.7 Regresi Linier

Secara umum regresi linier dapat diartikan sebagai alat statistik yang

digunakan untuk memberikan penjelasan mengenai pola hubungan (model)

antara dua variabel atau lebih. Dalam analisis regresi dikenal dua jenis variabel

yaitu variabel respon dan variabel prediktor. Variabel respon disebut juga

dengan variabel dependen yaitu variabel yang dipengaruhi oleh variabel lainya

dan dinotasikan dengan variabel.

Variabel prediktor atau variabel independen adalah variabel bebas yang tidak

dipengaruhi oleh variabel lain. Dalam mempelajari hubungan antara variabel

bebas maka dalam regresi linier terdapat dua jenis regresi yaitu:

2.7.1 Regresi Linier Sederhana (Simple linear regression)

Simple linear regression digunakan untuk mendapatkan hubungan

matematis dalam bentuk suatu persamaan antara variabel tunggal.

Dengan hanya memiliki satu peubah yang dihubungkan dengan satu

peubah tidak bebas. Persamaan umum untuk simple linear regression

sebagai berikut:

Y = a + bx (2.16)

Dimana:

a = parameter intercept

b = parameter koefisien regresi variabel bebas

x = variabel bebas

38

Dalam menentukan koefisien persamaan a dan b, dapat menggunakan

metode kuadrat terkecil (ordinary least square/OLS), dipakai untuk

menentukan koefisien persamaan dan dari jumlah pangkat dua kuadrat

antara titik-titik terhadap garis regresi yang dicari terkecil, sehingga

dapat ditentukan.

2.7.2 Regresi Linier Berganda (Multiple Linear Regression)

Multiple linear regression merupakan analisis yang menjelaskan

hubungan antara antara, variabel dependen dengan faktor yang

mempengaruhi lebih dari satu prediktor (variabel independen). Pada

multiple linear regression hampir sama dengan Simple linear regression,

akan tetapi simple linear regression variabel bebasnya memiliki variabel

penduga lebih dari satu.

Tujuan dari multiple linear regression adalah untuk mengukur intesitas

hubungan antara dua variabel atau lebih, kemudian membuat perdiksi

perkiraan nilai. Persamaan umum untuk model multiple linear regression

untuk populasi adalah sebagai berikut:

Y = βo + β1X1 + β2X2 + β3X3 +….. + βnXn (2.17)

Dimana:

β0 = Taksiran bagi parameter konstanta

β1, β2, β3 = Taksiran bagi parameter koefisien regresi

X1, X2, X3 = Variabel bebas (independen variable)

39

2.8 Standar EN 12975

Standar EN 12975 merupakan acuan dalam perhitungan dan percobaan pada

kondisi steady saat ini. Berdasarkan standar tersebut untuk melakukan

pengujian diluar ruangan kolektor harus diuji dibawah sinar matahari langsung

saat tengah hari. Pada prakteknya sulit untuk mendapatkan radiasi matahari

yang ideal dan seragam saat pengujian dilakukan diluar dengan sinar matahari

langsung, hal ini dikarenakan kondisi iklim cuaca yang berubah-ubah disetiap

saat.

Atas dasar itulah pengujian dilakukan menggunakan solar simulator. Solar

simulator adalah alat yang digunakan untuk menggantikan radiasi matahari

yang dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Sebagai standar dan acuan selama

penggujian steady terdiri dari intensitas matahari, temperatur udara dalam dan

luar ruangan, laju aliran massa fluida dan temperatur masuk fluida. Standar izin

parameter dapat dilihat dalam tabel berikut:

Tabel 2.2 Standar izin parameter pengukuran (EN 12975, 2006)

Parameter Selisih yang diizinkan dari nilai

tengah

Sinar surya yang diuji (global) ± 50 Wm-2

Temperatur udara sekitar (indor) ± 1 K

Temperatur udara sekitar (outdoor) ±1,5 K

Laju aliran massa fluida ±1 %

Temperatur fluida masuk kolektor ±0,1 K

40

Berdasarkan pada tabel 2.2 Standar izin EN 12975 tersebut untuk pengujian

didalam ruangan dilakukan menggunakan solar simulator, sebagai pengganti

cahaya radiasi matahari menggunakan lampu. Jumlah radiasi lampu dari solar

simulator yang sampai pada celah kekolektor paling sedikit harus mencapai

700 W/m2. Dalam pengujian khsusus juga dapat menggunakan radiasi matahari

dengan nilai antara 300 W/m2 – 1000W/m2.

Untuk parameter karakteristik pada kolektor dapat diperkirakan dari pengujian

efisiensi termal. Pengujian harus dilakukan dengan setidaknya melakukan

pengambilan empat nilai yang berbeda dari temperatur fluida masuk (Ti).

Pengambilan empat data tersebut harus diambil untuk nilai Ti, dalam dua waktu

periode selama proses dan dua waktu yang berhasil dari 16 poin pengujian (EN

12975, 2006).

41

III. METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian

Dalam melakukan penelitian ini penulis memilih waktu dan tempat penelitian

sebagai berikut:

3.1.1 Tempat Penelitian

Penelitian dan pengambilan data akan dilakukan di Laboraturium

Termodinamika Teknik Mesin Universitas Lampung.

3.1.2 Waktu Penelitian

Penelitian ini dijadwalkan dilakukan pada bulan Desember 2017 hingga

Juli 2018 dengan jadwal tersusun sebagai berikut:

Table 3.1 Jadwal Rencana Kegiatan Penelitian

Kegiatan

DES

JAN

FEB

MAR

APR

MEI

JUN

JUL

1 Studi literature

2

Perancangan

persiapan alat

pengujian

3 Pengujian

4

Validasi dan simulasi

CFD Ansys Fluent

15.0

5

Pembuatan laporan

akhir

42

3.2 Alat dan Bahan

Adapun alat dan bahan yang akan digunakan selama penelitian ini adalah

sebagai berikut:

3.2.1 Solar Simulator

Gambar 3.1 Solar Simulator merupakan alat yang digunakan sebagai

pengganti radiasi matahari pada saat pengujian. Menggunakan lampu

halogen sebanyak 12 buah dengan daya masing- masing sebesar 300

Watt, 220 V.

Gambar 3.1 Solar Simulator

3.2.2 Solar Photovoltaic Module SR-156P-100

Pada Gambar 3.2 Photovoltaic merupakan sistem yang digunakan

untuk merubah radiasi matahari menjadi energi listrik dengan

spesifikasi Vmp 17.6 V, Imp 4.26 A.

Gambar 3.2 Photovoltaic

43

3.2.3 Komputer A445L

Gambar 3.3 merupakan komputer yang digunakan untuk simulasi

dengan tipe komputer A445L dengan sepesifikasi sebagai berukut:

Gambar 3.3 Spesifikasi Komputer A445L

3.2.4 Solar Power Meter SPM-1116SD

Gambar 3.4 Solar power meter digunakan untuk mengukur jumlah

radiasi matahari yang dipancarkan solar simulator mengenai

permukaan photovoltaic dengan satuan (W/m2).

Gambar 3.4 Solarmater SPM-1116SD

No Hardware Spesifikasi Slot

1 Prosesor Intel Core i5 INTEL

2 RAM 8 GB DDR3

3 VGA Card NVIDIA G 820 M DDR3

44

3.2.5 Digital Thermometer TM-947SD

Gambar 3.5 Digital Thermometer merupakan alat ukur yang digunakan

untuk mengukur temperature fluida inlet dan outlet kolektor dengan

resolusi pengukuran 0.1 0C, range (-50.0 – 999.0 0C), akurasi ± (0.4%

+1 0C).

Gambar 3.5 Digital Thermometer TM-947SD

3.2.6 Water Heater

Gambar 3.6 Water Heater digunakan untuk meningkatkan temperatur

fluida sebelum memasuki kolektor sesuai dengan kebutuhan, terdiri

dari dua buah heater masing - masing berdaya 1000 Watt dan 500 Watt,

220V.

Gambar 3.6 Water heater

45

3.2.7 Water Flow Meter YF-S401

Gambar 3.7 merupakan flow meter yang digunakan untuk mengukur

laju alira massa air yang memasuki kolektor. Spesifikasi range 0,3 – 6

L/min, dan pressure 0,8 Mpa.

Gambar 3.7 Water Flow Meter YF-S401

3.2.8 Thermocople

Gambar 3.8 Thermometer digunakan mengukur temperatur fluida

masuk dan keluar pada kolektor dengan tipe J, resolusi 0.1 0C, range (-

50.0 – 999.0 0C).

Gambar 3.8 Heat Sensor (Thermocople)

46

3.2.9 Digital Laser Thermometer

Gambar 3.9 Digital laser thermometer merupakan alat yang digunakan

untuk mengukur temperatur permukan photovoltaic, dengan range -50

oC – 380 oC dan akurasi pembacaan dengan error ± 1.5 % (1.5oC).

Gambar 3.9 Digital Laser Thermometer

3.2.10 Solar Charge Controller

Gampar 3.10 Solar charge controller adalah alat yang digunakan untuk

mengontrol listrik yang dihasilkan oleh photovoltaic. pembacaaan alai

ini meliputi arus (A) dan tegangan (V) yang dihasilakan dan yang

diberikan pada bateri serta beban yang dipasang.

Gambar 3.10 Solar Charge Controller

47

3.2.11 Flat Plate Collector

Gambar 3.11 Flat plate collector merupakan alat yang digunakan untuk

menyerap energi radiasi dan mengubahnya menjadi kalor dengan pelat

absorber aluminium dan pipa dari tembaga.

Gambar 3.11 Flat Plate Collector

3.2.12 Accu

Gambar 3.12 Accu digunakan untuk menyimpan daya listrik yang

dihasilkan oleh photovoltaic. Accu yang digunakan dengan voltase 24

volt.

Gambar 3.12 Accu

48

3.3 Prosedur Penelitian

Dalam penelitian ini penulis akan melakukan prosedur yang meliputi:

Perancangan desain hybrid photovoltaic thermal (PV/T), Simulasi pengujian

mengunakan software CFD Ansys fluent 15.0, Pengujian untuk memvalidasi

simulasi secara eksperimen dan melakukan pengembangan simulasi

berdasarkan ketebalan pelat absorber.

3.3.1 Perancangan Desain Kolektor Surya Pelat Datar

Perangcangan kolektor surya pelat datar dengan tipe aliran serpentine,

terlihat pada gambar 3.13 dengan pipa tembaga berdiameter dalam 9,53

mm menggunakan sambungan elbow 900. Jarak antar pipa sepanjang

80 mm dengan panjang total pipa 7 m. pelat datar menggunakan bahan

aluminium dengan variasi ketebalan pelat absorber (t) 0,5 mm, 1 mm,

2 mm, dan 3 mm dengan panjang 940 mm dan lebar 750 mm.

Gambar 3.13 Desain Flat Pelate Collector

80

80

0

60

0

75

0

49

Gambar 3.14 Susunan Desain Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T)

Selanjutnya komponen - komponen dirakit dengan susunan desain

seperti pada gambar 3.14. Dimulai paling atas photovoltaic berukuran

Panjang 1 m dan lebar 0,8 m yang dipasang pada kerangka bagian atas

kemudian pelat aluminium dan pipa tembaga direkatkan dan dipasang

pada bagian bawah kerangka. Sehingga menjadi satu kesatuan hybrid

photovoltaic thermal (PV/T) seperti pada gambar berikut:

Gambar 3.15 Hybrid photovoltaic thermal (PV/T)

50

3.3.2 Pengujian Hybrid Photovoltaic Thermal (PV/T) Pada Solar Simulator

Pengujian secara ekperimen dilakukan didalam laboratorium

menggunakan solar simulator, untuk memvalidasi hasil dari simulasi

menggunakan software CFD Ansys fluent 15.0. Pengujian dilakukan

untuk mengetahui unjuk kerja dari hybrid photovoltaic thermal (PV/T).

Pengujian hybrid photovoltaic thermal (PV/T) dilakukan dengan 4

variasi temperatur fluida masuk (Tin), mulai dari temperatur mendekati

lingkungan sampai dengan tempertur kerja optimum dari photovoltaic.

Setiap variasi temperatur dilakukan pengmabilan data sebanyak 4 kali

sesuai dengan standar EN 12975. Adapun tahapan pengukurannya

adalah sebagai berikut:

1. Pengukuran temperatur fluida masuk PV/T Tin (oC)

2. Pengukuran laju aliran massa fluida ṁ (kg/s)

3. Pengukuran energi radiasi pada solar simulator, dengan waktu

pengkondisian sebelum pengambilan data selama 20 menit,

menggunakan solar power meter.

4. Pengukuran temperatur fluida keluar PV/T Tout (oC)

5. Pengukuran udara lingkungan (oC)

6. Pengukuran temperatur permukaan pada photovoltaic (oC)

7. Pegukuran tegangan photovoltaic (PV) (V)

8. Pengukuran arus keluar photovoltaic (PV) (A)

9. Pengukuran daya output dati photovoltaic (PV) (Watt).

51

Gambar 3.16 Skema Rangkaian Pengujian PV/T

Keterangan:

1. Hybrid photovoltaic thermal (PV/T) 8. Pompa Sirkulasi

2. Solar power mater 9. Katup

3. Solar simulator 10. Flow mater

4. Digital thermometer 11. Heater

5. Thermometer Output 12. Control Charger

6. Thermometer inlet 13. Accu

7. Pressure gauge 14. Lampu

Pada gambar 3.16 merupakan skema rangkaian pengujian yang

dilakukan dalam penelitian ini. Data hasil pengujian digunakan

sebanyak 16 data, yang terdiri dari 4 macam variasi temperatur inlet

kemudian ditulis dalam tabel data. Berikut adalah tabel data masing-

masing variasi temperatur untuk pengujian hybrid photovoltaic thermal

(PV/T) pada kondisi stady.

52

3.3.3 Simulasi Mengguanakan CFD Ansys Fluent 15.0

Proses simulasi menggunakan program computational fluid dynamic

(CFD) yaitu Ansys fluent versi 15.0. Dalam menjalankan program

Ansys fluent perlu perlu tiga tahapan sebagai berikut:

1. Tahap pre-prosesing

Tahap ini dimulai dengan membuat geometri kemudian melakukan

mehsing menentukan batas bidang objek geometri dan pengecekan

meshing.

a. Membuat geometri

Gambar 3.17 dan 3.18 merupakan bentuk geometri yang dibuat

menggnakan Ansys fluent versi 15.0. Batas geometri nya

meliputi cover, tube and absorber dan fluida dengan ukuran

geometri seperti pada desain.

Gambar 3.17 Desain PV/T pada Ansys fluent

53

Gambar 3.18 Desain PV/T tampak depan pada Ansys fluent

b. Menentukan meshing

Setelah membuat geometri langkah selanjutnya adalah

menentukan meshing seperti nampak pada gambar 3.19 dan

3.20 merupakan hasil meshing pada pipa dan pelat absorber.

Tahap ini akan menentukan ketelitian dalam proses analisis

pada Ansys. Semakin kecil ukuram meshing pada suatu objek

maka tingkat ketelitian hasil akan semakin baik. Dalam simulasi

ini digunakan ukuran meshing sebesar 0,1 mm.

Gambar 3.19 Hasil meshing pada pipa dan pelat

54

Gambar 3.20 Hasil meshing pada pipa dan pelat tampak depan

2. Tahap Prosesing

Tahap prosesing merupakan salah satu tahap paling utama dalam

sebuah simulasi, dalam tahap ini akan dimemasukan kondisi batas

serta parameter (setup) yang diperlukan selain itu tahap ini adalah

tempat berlangsungnya semua proses general, models, penentuan

material, cell zone conditions, boundary condition, dan run

calculations.

a. General Menu

Pada gambar 3.21 Toolbar general menu merupakan dalam

simulasi ini aliran fluida berifat steady didalam pipa dengan

velocity formulation yang absolute dan menggunakan metode

solusi default berdasarkan pada tekanan. Kemudan set unit

temperatur dalam (0C) dan Panjang dalam (mm).

55

Gambar 3.21 Toolbar General Menu

b. Models Menu

Pada gambar 3.22 Toolbar models menu didalamnya ada energi

dan prosesnya sebagai bagian dari analisis untuk itu energi

disetting ON. Kemudian radiasi menggunakan surface to surfice

karena paling cocok untuk aliran yang bersifat steady.

Kemudian menampilkan hasil paling baik untuk perpindahan

panas radiasi melalui photovoltaic-plate-pipe to fluids.

Gambar 3.22 Toolbar Models Menu

56

c. Materials Menu

Pada gambar 3.23 dan 3.24 merupakan tollbar material menu

digunakan menyesuaikan material yang digunakan dalam

eksperimen sehingga dalam simulasi ini material solid terdiri

dari tembaga untuk pipa, aluminium untuk pelat dan silicon

semiconductor untuk photovoltaic. Untuk fluida menggunakan

air (water-liquud) dan udara.

Gambar 3.23 Toolbar fluid Materials Menu

Gambar 3.24 Toolbar solid Materials Menu

57

d. Cell Zone Conditions Menu

Didalam Cell Zone Conditions Menu gambar 3.25 tiap-tiap

bagian disesuaikan dengan nama dan jenis material yang

digunakan. Pada bagian cover (enclosure) berupa udara (air),

bagian tube dengan material tembaga dan bagian fluids dengan

material air (water-liquid).

Gambar 3.25 Toolbar Cell Zone Condition Menu

e. Boundary Conditions Menu

Gambar 3.36 merupakan boundary condition dimana pada

tahapan ini batas batas kondisi yang digunakan dalam simulasi

ditentukan mulai dari laju aliran massa dan temperature inlet,

menentukan tembus cahaya atau tidaknya suatu material.

58

Gambar 3.26 Toolbar Boundary Conditions Menu Inlet

Gambar 3.27 Toolbar Boundary Conditions Menu Radiasi

Gambar 3.28 Toolbar Boundary Conditions Menu wall

59

f. Mash Interface Menu

Pada gambar 3.29 Mash Interface Menu merupakan tahap

penghubungan atar permukaan bidang yang berkontak,

permukaan photovoltaic yang berkontak dengan permukaan

pelat. Pelat dengan tube kemudian dari tube ke fluida.

Gambar 3.29 Toolbar Mash interface Menu

g. Solution Initialization

Pada gambar 3.30 menunjukan solution initialization dalam

tahap ini dilakukan pengecekan ulang terhadp meshing,

boundary condition, dan energy radiation secara komputerisasi

untuk memastikan tidak ada error dalam input nya.

60

Gambar 3.30 Toolbar Solution Initilatization Menu

h. Run Calculating

Pada pada gambar 3.31 run calculation tahap ini terjadi proses

iterasi hingga mendapat nilai terkecil. Sehingga pada akhir

proses ini dapat melihat karak teristik fluida dalam bentuk

kontur warna, animasi dan grafik.

Gambar 3.31 Toolbar Run Calculating Menu

61

3. Tahap Post-prosesing

Post-prosesing merupakan tahap terakhir dan tahap ini, pada

gambar 3.32 dan gambar 3.33 menampilkan hasil dari proses

simulasi yang telah dilakukan. Dimana hasil diinterpretasikan

kedalam gambar berupa kontur warna, grafik ataupun animasi.

Gambar 3.32 Post-prosesing

Gambar 3.33 Post-Prosesing Result

62

3.4 Proses Validasi dan Pengembangan Simulasi

Setelah prosedur penelitian tercapai maka selanjutnya melakukan validasi.

Merupakan proses penentuan apakah model konseptual simulasi benar-benar

merupakan representasi akurat dari sistem nyata yang dimodelkan.

Memvalidasi hasil model simulasi dengan data eksperimen unjuk kerja

kolektor hybrid photovoltaic thermal (PV/T) pelat datar aliran serpentine.

Setelah melakukan validasi kemudian dilakukan pengembangan simulasi

karakteristik (PV/T).

3.4.1 Prosses Validasi

Memvalidasi simulasi dilakukan dengan membandingkan data hasil

simulasi dengan data hasil eksperimen yang telah dilakukan, dengan

parameter yang meliputi distribusi temperatur permukaan photovoltaic,

temperatur outlet, dan pressure drop.

1. Perbandingan distribusi tempertur permukan photovoltaic

Dalam eksperimen didapat hasil pengukuran temperatur permukaan

yang terdiri dari 32 titik untuk mempermudah melihat distribusi dari

temperatur dipermukaan. Dalam simulasi juga dilakukan pengukuran

dengan jumlah titik yang sama kemudian hasil simulasi dibandingkan

dengan hasil eksperimen dalam sebuah grafik.

2. Perbandingan temperatur fluida keluar (outlet)

Perbandingan fluida keluar dengan menggunakan laju aliran massa

fluida sebesar 0.010 kg/s dengan variasi temperatur inlet (Tin) 30 0C,

35 0C, 40 0C dan 45 0C. Hasil dari simulasi kemudian dibandingkan

dengan data eksperimen dalam sebuah grafik.

63

3. Perbandingan Pressure Drop

Perbandingan pressure drop dilakukan dengan variasi laju aliran

massa fluida sebesar 0.005 kg/s, 0,010 kg/s dan 0,015 kg/s. Variasi

laju aliran massa digunakan untuk melihat kesamaan nilai baik secara

eksperimen maupun simulasi.

3.4.2 Pengembangan Simulasi Karakteristik (PV/T)

Setelah validasi kemudian dilakukan pengembangan simulasi berupa

pengaruh variasi ketebalan pelat absorber dan laju aliran massa fluida.

Pengembangan simulasi dilakukan untuk melihat unjuk kerja dan

karakteristik pada hybrid photovoltaic termal. Dalam hal ini ujuk kerja

berupa termal dan pressure drop pada hybrid photovoltaic thermal

(PV/T) aliran serpentin. Proses simulasi dilakukan menggunakan

software CFD Ansys Fluent 15.0 adapun pengembangan simulasi

dilakukan dengan variasi ketebalan pelat absorber (t) 0,5 mm, 1 mm, 2

mm dan 3 mm dan laju aliran massa yang digunakan sebear 0,005 kg/s,

0,010 kg/s dan 0,015 kg/s.

64

3.5 Diagram Alir Metodologi Penelitian

Gambar 3.34 Diagram Alir Penelitian.

Belum

Mulai

Kondisi Batas

Termal Sesuai

Dengan Standar

EN 12795

Selesai

Studi Litetatur

Mendesain kolektor pelat datar aliran serpentin kemudian

digabungkan dengan photovoltaic, menjadi kolektor hybrid

photovoltaic thermal (PV/T)

Melakukan pengujian unjuk kerja termal pada kolektor hybrid

photovoltaic thermal (PV/T)

Data Pengujian

Mensimulasikan unjuk kerja kolektor hybrid photovoltaic thermal (PV/T) pelat datar

aliran serpentine kemudian membandingkan dengan data eksperimen.

Sudah

Mengembangkan simulasi unjuk kerja kolektor hybrid photovoltaic thermal (PV/T)

pelat datar aliran serpentine berdasarkan ketebalan pelat absorber.

Analisis data hasil dan kesimpulan

92

V. PENUTUP

5.1. Simpulan

Berdasarkan hasil simulasi dan pengembangan simulasi berdasarkan ketebalan

pelat absorber pada hybrid photovoltaic termal (PV/T) aliran serpentine yang

telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

1. Pemodelan CFD Ansys Fluent dapat diandalkan dalam memprediksi

karakteristik perpindahan panas dan aliran fluida berdasarkan distribusi

temperatur dengan kedekatan nilai faktor koreksi antara pengujian dan

simulasi sebesar 0,78 dan 0,74.

2. Pertambahan ketebalan pelat absorber mengakibatkan peningkatan

temperatur permukaan photovoltaic sebesar ± 0,60 0C dengan rata-rata

pertambahan ketebalan ± 0,5 mm.

3. Peningkatan laju airan massa 0,005 kg/s maka temperatur permukaan

photovoltaic mengalami penurunan ± 1,92 0C dengan peningkatan pressure

drop sebesar ± 453 Pa.

4. Menggunakan ketebalan pelat absorber 0,5 mm dengan laju aliran massa

0,015 kg/s meghasilkan temperature permukaan photovoltaic paling rendah

bila dibandingkan laju aliran massa (0.005 kg/s, 0.010 kg/s) dengan daya

pompa 18 watt.

93

5.2. Saran

Berdasarkan hasil penelitian dan analisis yang telah dilakukan serta untuk

pengembangan penelitian selanjutnya maka saran yang dapat diberikan adalah

sebagai berikut:

1. Agar perpindahan panas dapat berlangsung secara obtimal sebisa mungkin

menghindari adanya celah antara absorber dan photovoltaic maupun dari

pipa keabsorber dengan melakukan fabrikasi yang lebih baik agar

komponen dapat melekat dengan sempurna.

2. Disarankan untuk menggunakan fluida yang berbeda selain air, atau dapat

menggunakan fluida campuran.

94

DAFTAR PUSTAKA

Agrawal, B. and Tiwari, G.N. 2010. Optimizing the Energy and Exergy of Building

Integrated Pv thermal (BIPVT) Systems Under Cold Climatic Conditions.

doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.06.011.

Allan, J. et al. 2017. CFD Simulation and Experimental Study of Key Design

Parameters of Solar Thermal Collectors. School of Engineering and

Design. Brunel University. London.

Chow, T.T. Hand, J.W dan Strachan, P.A. 2003. Building Integrated PV and

Thermal Application in A Subtropical Hotel Building.

doi.org/10.1016/S1359-4311(03)00183-2.

Duffie, J.A dan Beckman, W.A. 1980. Solar Engineering of Thermal Processes.

Hobokem. Jhon Wiley and Sons. New York.

EN 12975, 2006. Thermal Systems and Component – Solar Collector part-2.

Germany.

Goswami, D. Yogi. 1999. Principle of Solar Engineering. LLC. Paris.

Holman, J.P. 1983. Heat Transfer. Sixth Edition. McGraw Hill. London

95

Incropera, F.P. 2007. Fundaamental of Heat and Mass Transfer. Sixth Edition. Jhon

Wiley and Sons. New York.

Ismai. 2016. Unjuk Kerja Kolektor Surya Plat Datar Aliran Serpentine

Berdasarkan Jenis Elbow Dan Jarak Pipa. Bandar Lampung. Jurusan

Teknik Mesin Universitas Lampung.

Iswanto, Ady. 2008. Staf Divisi Riset 102FM. ITB

Kementrian, ESDM. 2010. http://www3.esdm.go.id/berita/artikel/56-

artikel/3347 pemanfaatan-energi-surya-di-indonesia.html. Diakses 20

november 2017.

Kalogirou, S.A. 2003. Solar Energy Engineering Processes And System. Edisi ke-

2. Elsevier.

Mojiri, A. et al. 2013. Spectral Beam Splitting for Efficient Conversion of Solar

Energy. A Review. In Renewable and Sustainable Energy Reviews. Pages

654–663. doi:10.1016/j.rser.2013.08.026.

Sumarsono, M. 1998. Perancangan Dimensi Kolektor Plat Datar Pemanas Udara

Denga Metode Whiller. Samarinda.

Vries, P.D et al. 2011. Energi yang Terbarukan. Contained Energy Indonesia.

Jakarta.

Zondag, H.A. 2008. Flat-Plate PV-Thermal Collectors and Systems: A Review.

Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (4):891-959.2008.