Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV ...eprints.ulm.ac.id/601/1/KE-20.pdf · Tp1, Tp2 Temperatur plat kolektor TR1, TR2 ... Pengukuran setiap parameter ... dengan

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-20

Pengaruh Bentuk Kolektor KonsentratorTerhadap Efisiensi Pemanas Air SuryaDarwin*, M. Ilham Maulana, Irwandi ZA

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Syiah KualaJl. Tgk. Syeh Abdurrauf No. 7 Darussalam – Banda Aceh 23111, Indonesia.

Telepon/Fax. (0651)7552222, E-mail: [email protected]

Abstrak

Solar collectors water heater system atau kolektor surya merupakan alat untuk mengumpulkansinar radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi termal yang bermanfaat. Alat inidigunakan untuk memanaskan air. Dilakukan pembuatan dan pengujian alat untuk mengetahuipengaruh bentuk kolektor konsentrator tipe cylindrical trough collectors (CTC) dan tipeparabolic trough collectors (PTC) terhadapefisiensi thermal. Masing-masing kolektor denganluas plat reflektor yang sama dan dibentuk lengkungan yang berbeda. Masing-masing kolektordibuat dengan pelat stainless steel tebal 0,07 cm dengan panjang 170 cm dan lebar 87,135 cmsebagai reflector. Pipa absorber berbahan tembaga berdiameter Ø 3/8 inchi dengan panjang200 cm. Drum bekas dengan diameter 55,5 cm dan panjang 170 cm digunakan sebagai rangkacylindrical trough collectors (CTC). Air dari tangki dialirkan ke kolektor dengan laju aliran 25ml/menit. Dari hasil pengujian didapat bahwa, temperatur air tertinggi dihasilkan oleh kolektorsurya tipe cylindrical trough collectors (CTC) pada pukul 13.00 WIB tanggal 28 januari 2015dengan temperatur maksimum 49 °C, energi yang berguna 30.79 W. Sedangkan kolektor suryatipe parabolic trough collectors (PTC) menghasilkan temperatur air keluaran maksimum 44.8°C, energi yang berguna 23,48 W. Efisiensi tertinggi pada pukul 9.30 WIB kolektor CTC 1,56%, dan efisiensi kolektor PTC pada jam yang sama yaitu 1,33 %. Jadi, dapat disimpulkanbahwa air keluaran dari kolektor surya tipe cylindrical trough collectors (CTC) lebih tinggidaripada kolektor surya tipe parabolic trough collectors (PTC).

Keyword: Kolektor surya tipe cylindrical trough collectors (CTC), Kolektor surya tipeparabolic trough collectors (PTC), Bentuk kolektor, Efisiensi.

1. PendahuluanAir hangat merupakan salah satu media

yang dapat menstabilkan keadaan tubuhkembali ke dalam bentuk normal. Setiap harimanusia akan kehilangan cairan tubuhmelalui keringat, urin, feses bahkan ketikabernafas. Kehilangan cairan tubuh(dehidrasi) juga diakibatkan oleh cuaca yangpanas. Penyediaan air hangat juga digunakanuntuk kebutuhan di rumah-rumah sakituntuk mencuci alat-alat medis, di industridigunakan untuk keperluan sepertipencucian botol, selain itu kebutuhan airhangat sudah menjadi kebutuhan masyarakatsaat ini.

Solar collectors water heater systematau kolektor surya merupakan salah satualat penyerap atau pengumpul panas dariradiasi matahari yang berfungsi untukmemanaskan air, sumber energi utama

kolektor surya adalah sinar matahari. Karenamengunakan panas matahari sebagai sumberenergi, maka hasilnya bergantung padakeadaan cuaca yang dipengaruhi radiasipanas matahari yang sampai ke bumi.

Pemanas air dengan menggunakanenergi matahari lebih dikenal dengansebutan solar collectors water heatersystem. Pemanas air ini memanfaatkanenergi dari alam yang tidak akan habis.Maka diaplikasikan teknologi solarcollectors water heater menggunakankolektor konsentrator (concentratingcollectors) tipe cylindrical trough collectors(CTC) dan tipe parabolic trough collectors(PTC) dengan luas permukaan plat absorber(absorber plate) yang sama tetapi bentukyayang berbeda.


KE-20

Adapun tujuan penelitian tugas akhir iniadalah :1. Membandingkan pengaruh bentuk

kolektor konsentrator tipe cylindricaltrough collectors (CTC) vs tipe parabolictrough collectors (PTC) dengan ukuranplat yang sama terhadap efisiensi.

2. Mengetahui peningkatan temperatur airkeluaran yang dihasilkan pada masing-masing kolektor setiap 30 menit.

Manfaat yang diharapkan dari penelitian iniadalah:1. Mendapatkan informasi pengaruh bentuk

kolektor konsentrator tipe cylindricaltrough collectors (CTC) vs tipe parabolictrough collectors (PTC) terhadapkemampuan menyerap panas denganukuran plat yang sama.

2. Dapat memanfaatkan energi mataharisecara efisien.

2. Tinjauan Pustaka2.1 Kolektor Surya

Kolektor surya merupakan alatpengumpul panas yang diperoleh dari energimatahari, fungsinya adalah untukmengumpulkan energi radiasi matahari danmengubahnya menjadi panas yangbermanfaat. Secara umum dapatdidefinisikan sebagai sistem perpindahanpanas yang menghasilkan energi termaldengan memanfaatkan radiasi mataharisebagai sumber energi utama.

2.2 Klasifikasi Kolektor SuryaTerdapat tiga jenis kolektor surya yang

diklasifikasikan ke dalam Solar ThermalCollector System dan juga memiliki korelasidengan pengklasifikasian kolektor suryaberdasarkan dimensi dan geometri darireceiver yang digunakan.

a. Kolektor Plat Datar/ Flat Plate SolarCollector SystemKolektor pelat datar (Flat Plate Solar

Collector System) adalah kolektor suryayang paling umum digunakan untuk sistempemanas air tenaga surya. Kolektor pelatdatar standar adalah sebuah kotak logamdengan penutup kaca atau plastik (disebutglasir) dan pelat absorber berwarna gelap.

Kolektor ini memanaskan cairan atau udarapada suhu kurang dari 80°C[9].

Gambar 2.1. Kolektor Plat DatarSumber: Fabio[9]

b. Kolektor Parabolik/ ConcentratingCollectors

Jenis ini dirancang untuk aplikasi yangmembutuhkan energi panas pada temperaturtinggi >100oC. Kolektor surya jenis inimampu memfokuskan energi radiasi cahayamatahari pada suatu receiver sehingga dapatmeningkatkan kuantitas energi panas yangdiserap oleh absorber. Agar cahaya matahariselalu dapat difokuskan terhadap tabungabsorber, konsentrator harus dirotasi.Pergerakan ini disebut dengan tracking.Komponen konsentrator harus terbuat darimaterial dengan transmisivitas tinggi.Berdasarkan komponen absorbernya jenisini dikelompokan menjadi dua jenis yaituLine Focus dan Point Focus[4]. Kolektorsurya tipe cylindrical trough collectors(CTC) dan tipe parabolic trough collectors(PTC) termasuk kedalam kolektor surya tipeline focus dimana cahaya matahari yangmasuk ke kolektor dipantulkan olehreflektor dan difokuskan ke pipa yangberada ditengah sepanjang kolektor hanyasaja letak pipa antara CTC dan PTC yangberbeda dan bentuk dari lengkunganreflektor yang berbeda.


KE-20

(a) (b)

Gambar 2.2 Kolektor Parabola/Konsentrator,

(a) line focus, (b) point focusSumber: Kalogirou[4]

c. Kolektor Pipa Hampa/ EvacuatedTube Collectors (ETC)Jenis kolektor ini dirancang untuk

menghasilkan energi panas yang lebih tinggidibandingkan dengan dua jenis kolektorsurya sebelumnya. Keistimewaannyaterletak pada efisiensi transfer panasnyayang tinggi tetapi faktor kehilanganpanasnya yang relatif rendah. Hal inidikarenakan fluida yang terjebak diantaraabsorber dan covernya dikondisikan dalamkeadaan vakum, sehingga mampumeminimalisasi kehilangan panas yangterjadi secara konveksi dari permukaan luarabsorber menuju lingkungan[4].

Gambar 2.3. Evacuated Tube CollectorsSumber: Kalogirou[4]

2.3 Perhitungan laju aliran massaPerhitungan laju aliran massa (mass

flow rate) menurut Duffie dan Backmandapat ditentukan dengan menggunakanpersamaan dibawah ini :

= .V ………………………… (1)Dimana:

= Laju aliran massa (kg/s)= Densitas air (kg/m3)

V = Laju aliran fluida (m3/s)

2.4 Panas BergunaBesarnya harga perolehan panas

berguna menurut Duffie dan Backmanadalah:

Qu = .Cp.(Tfo-Tfi) ……………... (2)

Dimana:Qu =Perolehan panas yang berguna(Watt)

= Massa alir fluida (kg/s)Tfo = Temperatur fluida keluar (°C)Tfi = Temperatur fluida masuk (°C)Cp = Panas spesifik (J/kg.°C)

2.5 Efisiensi KolektorEfisiensi kolektor tiap jam dan

sepanjang hari dinyatakan oleh Duffie danBeckman dengan persamaan :

……………………... (3)

Dimana:= Efisiensi kolektor (%)

Qu = Perolehan panas yang berguna (Watt)Ac = Luas kolektor (m2)Ir = Intensitas radiasi matahari (W/m2)

2.6 Penelitian – penelitian sebelumnyaDedi Aitama (2002) melakukan

penelitian tentang pengaruh diameter pipaabsorber terhadap performansi kolektorpalung silindris, dengan variasi diameterpipa absorber 3/8 inch, 1/2 inch dan 3/4inch. Dari hasil penelitian didapat bahwakolektor yang menggunakan pipa absorberberdiameter 3/8 inch dapat menghasilkanefisiensi tertinggi.

Romi Saputra (2006) melakukanpenelitian hubungan paralel dan seri padakolektor surya jenis palung silindrissetengah lingkaran, dimana efisiensitertinggi di dapat pada hubungan seri.

Zulfiadi (2004) melakukan penelitiantentang pengaruh variasi laju aliran dalampipa terhadap efisiensi kolektor surya jenispalung silindris, dengan variasi 25 ml/menit,50 ml/menit, 75 ml/menit, 100 ml/menit,dan 125 ml/menit. Dari hasil penelitiandidapat bahwa temperatur air keluartertinggi adalah pada laju aliran 25 ml/menityaitu mencapai 63 °C

3. Metodologi

3.1 Material/bahan yang digunakanAdapun bahan dan peralatan yang

diperlukan dalam penelitian ini adalahsebagai berikut:


KE-20

a. Sistem kolektor :1) Drum bekas dengan diameter 55,5 cm

dibelah secara vertikal menjadi 2 bagian danujungnya disambung menggunakan lassehingga memiliki panjang 170 cmdigunakan sebagai rangka kolektorkonsentrator tipe cylindrical troughcollectors (CTC).

2) Lembaran pelat stainless steel tebal 0,07cm dengan panjang 170 cm dan lebar 87,135cm sebagai reflector.

3) Pipa tembaga Ø 0,9525 cm (3/8 inchi)dengan panjang 200 cm sebagai absorber.

4) Lembaran styrofoam warna hitam berfungsisebagai isolator penghambat panas yanghilang dengan tebal 0.9 cm.

b. Alat ukur :l) Gelas ukur2) Stopwatch3) Termokopel tipe K4) Termometer5) Solar Power meters

c. Alat bantu :l) Tangki air utama.2) Katup (valve).

3) Pipa PVC dan selang plastik.4) Alat penjejak matahari

5) Tangki Penampungan air keluar6) Kerangka penyangga tangki air.7) Kerangka penyangga Kolektor

3.2 Lokasi PenelitianPenelitian ini dilaksanakan di halaman

parkir Fakultas Teknik Universitas Syiahkuala Darussalam Banda Aceh.

3.3 Jadwal PengujianPengujian dilakukan pada tanggal 1,3,7,

dan 28 januari 2015.

3.4 Susunan Perangkat Penelitian

Gambar 3.1 Skema Susunan perangkatpenelitian

Tabel 3.1 Keterangan Gambar Susunanperangkat penelitian.

No Keterangan Gambar1 Kerangka penyangga air2 Tangki air3 Katup (valve)4 Reflektor5 Pipa absorber

6Kerangka penyanggakolektor

7 Styrofoam8 Selang plastik9 Penyangga pipa absorber10 Bak penampungan air

3.5 Penempatan Alat Ukur

Keterangan: : Thermometer: Thermocouple

Gambar 3.2 Penempatan alat ukur

(a) Kolektor surya tipe cylindrical troughcollectors (CTC)

(b) Kolektor surya tipe parabolic troughcollectors (PTC)


KE-20

Tabel 3.2 Keterangan Gambar PenempatanAlat Ukur.

Keterangan Gambar

Tp1, Tp2 Temperatur plat kolektor

TR1,TR2

Temperatur ruang kolektor

TA1,TA2Temperatur permukaanluar pipa masuk kolektor

TB1,TB2Temperatur permukaanpipa didalam kolektor

TC1,TC2Temperatur permukaanluar pipa keluar kolektor

Tfi Temperatur air masuk

Tfo1,

Tfo2

Temperatur air keluar

Temperatur air masuk dan air keluardiukur menggunakan termometer digital.Temperatur ambient dan temperatur ruangkolektor menggunakan termometer manual.Temperatur permukaan luar pipa masukkolektor, Temperatur permukaan pipadidalam kolektor, Temperatur permukaanluar pipa keluar kolektor diukurmenggunakan termokopel. Intensitas

matahari diukur menggunakan Solar Powermeters. Kecepatan angin diukurmenggunakan anemometer. Dan laju volumealiran diukur menggunakan gelas ukur danstopwatch. Pengukuran setiap parameterdilakukan pengukuran setiap selang waktu30 menit mulai pukul 8.00 WIB – 18.00WIB.

4. Hasil Dan Pembahasan

4.1 Data Hasil Pengujian

Pada proses penelitian ini digunakan 1buah kolektor surya tipe cylindrical troughcollectors (CTC) dan 1 buah kolektor suryatipe parabolic trough collectors (PTC) yangpengujiannya dilakukan pada masing-masing kolektor. Aliran air yang masukkedalam pipa absorber berasal dari tangkiair dialirkan melalui pipa bercabang dandebit aliran masing-masing pipa diaturdengan menggunakan ball valve. Air keluarditampung kedalam bak terbuka. Sirkulasipengisian air dari bak ketangkipenampungan dilakukan secara manual.Parameter pokok yang diukur adalah padabagian-bagian yang ditentukan. Pengukuranini dilakukan dengan thermometer danthermocouple tipe K yang dihubungkandengan display thermometer

4.1.1 Distribusi temperatur pengujian pada kolektor surya tipe cylindrical troughcollectors (CTC) dan tipe parabolic trough collectors (PTC).


KE-20

Gambar 4.1 Distribusi temperatur pipa masuk, temperatur pipa dalam dan temperatur pipakeluar terhadap waktu pada kolektor surya tipe CTC dan tipe PTC dengan lajualiran 25 ml/menit pada tanggal 28 Januari 2015.

Gambar 4.2 Distribusi temperatur plat kolektor dan ruang kolektor terhadap waktu padakolektor surya tipe CTC dan tipe PTC dengan laju aliran 25 ml/menit padatanggal 28 Januari 2015.

Dari Gambar 4.1 dapat disimpulkanbahwa pada pukul 8.00 WIB - 18.00 WIBtemperatur pipa masuk kedua kolektoryaitu sama mulai dari pagi hari 24 ºChingga sore hari 27 ºC, karena pada pipamasuk belum dipengaruhi oleh pantulanreflector dan ruang kolektor. Pada pukul13.00 WIB temperatur pipa dalamkolektor CTC mencapai 55 ºC, sedangkankolektor PTC hanya 53 ºC disebabkanoleh peletakan pipa receiver terletakdiatas kolektor sehingga panasdipantulkan oleh plat reflektor yangmengenai pipa receiver mudah terkenaangin dan udara luar, sedangkan pipadalam pada kolektor CTC terletakditengah sehingga panas yang terkumpultidak mudah terpengaruh oleh udara luaratau angin dan dipengaruhi oleh panasyang tersimpan pada plat dan ruangkolektor disekeliling pipa. Pada pukul13.30 WIB – 18.00 WIB temperaturpermukaan pipa di dalam kolektor terusmenurun akibat intensitas radiasi matahari

yang diterima oleh kolektor semakinberkurang.

Dari Gambar 4.2 dapat disimpulkanbahwa pada pukul 8.00 WIB temperaturplat dan temperatur ruang pada kolektorPTC dan CTC sama yaitu 25 ºCdikarenakan intensitas radiasi matahari470 W/m2 belum meningkat sehinggabelum berpengaruh terhadap kolektor.Pada pukul 13.00 WIB intensitas radiasimatahari mencapai 1437 W/m2 temperaturplat CTC 74 ºC lebih tinggi dari padatemperatur plat PTC 70 ºC selisihkeduanya yaitu 4 ºC. Pada pukul 13.00WIB temperatur ruang CTC 68 ºC lebihtinggi dari pada ruang PTC 63 ºC selisihkeduanya yaitu 4 ºC. Pada pukul 13.00WIB – 16.30 WIB temperatur plat dantemperatur ruang kembali turun seiringberkurangnya intensitas radiasi matahari.Menjelang sore hari Pada pukul 17.00WIB – 18.00 WIB selisih antaratemperatur plat dan temperatur ruang


KE-20

hanya sedikit bahkan saling mendekatidikarenakan intensitas radiasi matahari

ikut turun yaitu 284 W/m2.

Gambar 4.3 Distribusi temperatur air masuk dan air keluar terhadap waktu pada kolektorsurya tipe CTC dan tipe PTC dengan laju aliran 25 ml/menit pada tanggal 28 Januari 2015.

Dari Gambar 4.3 dapat disimpulkanbahwa, temperatur air keluar pada masing-masing kolektor tipe CTC dan tipe PTCterjadi peningkatan setiap jamnya sejakpukul 8:00 WIB hingga pukul 13:00 WIBkarna cuaca cerah tanpa awan dan jugaintensitas radiasi matahari juga terjadipeningkatan. Temperatur air keluar padakolektor surya tipe CTC lebih besardibandingkan kolektor surya tipe PTC. Halini terjadi dikarenakan intensitas yangsemakin meningkat sehingga terjadi prosesheat exchanger pada masing-masingkolektor. Pada pukul 9.00 WIB temperaturkolektor surya CTC yaitu 36,7 ºC dan pada

kolektor surya PTC 35,2 ºC, terjadiperbedaan antara kolektor CTC dan PTCyaitu 1,5 ºC. Pada pukul 13.30 WIB – 18.00WIB temperatur air keluar kembali turunseiring berkurangnya intensitas radiasimatahari. Temperatur air masuk pada pukul8.00 WIB lebih rendah daripada temperaturambien yaitu 25,3 ºC sedangkan temperaturambien 26 ºC. Pada pukul 11.30 WIB selisihantara temperatur air masuk dan temperaturambien 4,8 ºC. Pada pukul 15.00 WIBtemperatur air masuk dan temperatur ambiensama sama 33 ºC. Menjelang sore pukul16.00 WIB – 18.00 WIB temperatur airlebih tinggi dari pada temperatur ambien.


KE-20

4.1.2 Grafik Energi Berguna

Gambar 4.4 Distribusi Energi Berguna terhadap waktu pada kolektor surya tipe CTC dan tipePTC pada tanggal 28 Januari 2015.

4.1.3 Grafik Efisiensi Kolektor

Gambar 4.5 Distribusi Grafik Efisiensi tiap 30 menit pada kolektor surya tipe CTC dan tipePTC pada tanggal 28 Januari 2015.

Dari Gambar 4.4 dapat disimpulkan bahwaenergi berguna (useful energy) tertinggiterjadi pada kolektor surya tipe CTC pada

pukul 13.00 WIB adalah 30,79 watt,sedangkan kolektor tipe PTC adalah 23,48watt. Selisih keduanya 7,31 watt.


KE-20

Dari Gambar 4.5 dapat disimpulkanbahwa seiring meningkatnya intensitasmatahari meningkat pula efisiensi. Efisiensitertinggi dihasilkan oleh kolektor CTC.Pada pukul 9.30 wib efisiensi kolektorCTC 1,56 % dan kolektor PTC 1,33 %.

5. Kesimpulan Dan Saran

5.1 Kesimpulan

Setelah dilakukan penelitian danpembahasan data hasil pengujian, makadapat diambil beberapa kesimpulan sebagaiberikut:1. Kolektor surya tipe cylindrical trough

collectors (CTC) yang telah diujimembuktikan bahwa mampumenghasilkan temperatur fluida keluaryang lebih tinggi daripada kolektorsurya tipe parabolic trough collectors(PTC).

2. Temperatur air didalam kolektor dankeluaran kolektor pemanas air suryabergantung pada intensitas mataharidan tingkat kecerahan langit pada saatpengujian.

3. Laju aliran air pada kolektormempengaruhi temperatur air keluaranpada kolektor tersebut yaitu semakinkecil laju aliran maka temperatur airkeluar yang dihasilkan akan semakintinggi seiring meningkatnya intensitasradiasi.

4. Energi berguna (useful energy) padakolektor surya tipe cylindrical troughcollectors (CTC) pada pukul 13.00WIB tanggal 28 januari 2015mencapai 30,79 watt, sedangkankolektor surya tipe parabolic troughcollectors (PTC) pada pukul 13.00WIB pada tanggal 28 januari 2015mencapai 23.48 watt.

5. Efisiensi tertinggi terdapat pada pukul9.30 WIB pada tanggal 28 januari 2015pada kolektor surya tipe CTC mencapai1,56%, dan kolektor surya tipe PTCmencapai 1,33%.

5.2 Saran1. Ketepatan posisi kolektor terhadap sinar

datang matahari perlu diperhatikan agar

kolektor tetap tegak lurus terhadapsinar datang matahari.

2. Alat ukur yang terpasang pada kolektorharus tepat agar tidak salah dalampengambilan data.

PENGHARGAAN

Ucapan terima kasih kepada semuapihak atas seluruh dukungan danbimbingannya, baik secara moril maupunmateril sehingga karya ilmiah ini dapatdiselesaikan.

Referensi

[1]. Aitama, Dedi, 2002, Pengaruhdiameter pipa absorber terhadapperformansi kolektor palungsilindris, Tugas Akhir, Jurusan TeknikMesin, Fakultas Teknik, UniversitasSyiah Kuala.

[2]. Duffie, J.A, and W.A.Beckman, 1980,Solar Engineering of ThermalProcesses, John Wiley and Sons,Inc.,New York.

[3]. Jansen, T.J, 1995, TeknologiRekayasa Surya, terjamahan WirantoArismunandar, P.T. Prandnya ParamitaJakarta.

[4]. Kalogirou, Soteris A, 2009, SolarEnergy Engineering Process andSystems, Academis Press, USA.

[5]. Kurniawan Ramadhani, Wildan, dkk,Pengaruh bentuk penampangreceiver terhadap kinerja pemanasair tipe cylindrical parabolic collector,Jurnal Jurusan Teknik Mesin, FakultasTeknik, Universitas Brawijaya.

[6]. Mariadi, Dedi, 2005, Pengaruh kacapenutup terhadap performansikolektor surya jenis silindrissetengah lingkaran, Tugas Akhir,Jurusan Teknik Mesin, FakultasTeknik, Universitas Syiah Kuala.

[7]. Rapp, Donald, 1981, Solar Energy,prentice Hall, Inc., Englewood Clifts,N.J. 07632.

[8]. Saputra, Romi, 2006, Analisahubungan paralel dan seri padakolektor surya jenis palung silindrissetengah lingkaran, Tugas Akhir,


KE-20

Jurusan Teknik Mesin, FakultasTeknik, Universitas Syiah Kuala.

[9]. Srukmann, Fabio, 2008, Analysis of aFlat-plate Solar Collector, ProjectReport, Lund University, Sweden.

[10].Zulfiadi, 2004, Pengaruh variasi lajualiran dalam pipa terhadap efesiensikolektor surya jenis palung selindris,Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin,Fakultas Teknik, Universitas SyiahKuala.

Documents

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV ...eprints.ulm.ac.id/601/1/KE-20.pdf · Tp1, Tp2 Temperatur plat kolektor TR1, TR2 ... Pengukuran setiap parameter ... dengan