rancang bangun alat konversi energi surya menjadi energi mekanik

RANCANG BANGUN ALAT KONVERSI ENERGISURYA MENJADI ENERGI MEKANIK

Yazmendra Rosa(1), Rino Sukma, (1)

(1)Laboratorium Refrigerasi & Pengkondisian Udara, Jurusan Teknik MesinPoliteknik Negeri Padang

ABSTRACT

A solar collector chimney model has been studied. The appliance of convert solar energybecome mechanic energy by heated the air at collector resulting the forming of air streamnaturally, which able to turn around turbine in the chimney. Solar energy is the naturesource of energy with character: unpollutant, free of charge and also continuous all daylong. The change of air density because of temperature changes will result air emit astream naturally to the lower temperature place and hot weather will ride on to chimney.Examination have conducted in air-gap broadly, the surface of collector 1 m2, high ofchimney 1 m and diameter 7,5cm (PVC 3"). The result showed that turbine which isattached by a chimney at output of collector could rotate. Its means that solar energy canturn into mechanic energy with rotation equal to mean 110 rpm. With this wide of collectorwas obtained the increase of secretory air temperature of collector equal to mean 15oC.

Keywords: heat transfer, Solar Energy & Solar Power Chimney

1. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Indonesia merupakan salah satu negara yang beradapada lintasan sumber energi yaitu pada gariskhatulistiwa 6oLU sampai 11oLS. Posisi yang sangatstrategis ini membawa negara ini menjadi negarayang sangat kaya sumber energi, tentunyapemanfaatan energi yang terorganisasi dan efisienakan dapat dipertahankan untuk anak cucu dimasamendatang.

sumber energi masih dimanfaatkan denganmengandalkan sumber minyak bumi, dimana padasuatu saat akan habis jika tidak memperhitungkansiklusnya yang beribu tahun. Untuk memutus rantaisumber energi minyak bumi, maka perlu mencarialternatif energi dengan jalan memanfaatkanlangsung sumber dari segala sumber energi yaituenergi surya.

Kolektor surya menangkap radiasi dengan absorbersehingga udara yang mengalir dipermukaannya akanpanas, sehingga dapat digunakan untuk prosespemanasan dan pengeringan. Kondisi udara panas iniakan secara alamiah akan mengalirkan udara tersebutke tempat udara yang mempunyai temperatur yangrendah, sehingga aliran udara jika kita rencanakansebuah alat transfer energi misalkan fan yangberputar tentu dapat merubahnya ke energi putaran.

Solar konstan yang sampai ke permukaan bumiberkisar antara 1350 Watt/m2. Posisi kota padangdapat radiasi surya antara 700 s/d 1000 Watt/m2 [1,3,4].Jika kolektor pelat datar surya digunakan mempunyaiefisiensi 55% [1,3,4] untuk menghasilkan udara panassehingga diperoleh energi 400 Watt/m2. Energi

sebesar ini dilakukan transfer energi ke energimekanik dengan menghasilan putaran fan, jikadiasumsikan saja efisiensi 10% maka diperolehenergi 40 watt/m2 radiasi surya.

Issu krisis energi memerlukan energi alternatifdengan memanfaatkan kondisi wilayah Indonesiayang berada di khatulistiwa. Posisi inimemungkinkan akan menerima secara maksimalenergi surya secara berkelanjutan selama setahunperjalanan surya menyinari bumi. Negara Eropaseperti Spayol telah membuat dengan kapasitas 50kW, kolektor surya ber-radius 126 m, panjang suduturbin 5 m dan 1500 rpm[2].

Bangunan gedung dan rumah menghasilkan panasradiasi surya yang terbuang dan menjadipermasalahan dalam pendinginan ruangan.Konstruksi bangunan ini jika dimanfaatkan dengankondisi alam Indonesia tentunya bisa memanfaatkanenergi panas dari surya ini untuk pemanfaatan yanglebih baik.

1.2 Tujuan dan Manfaat

Pemanfaatan sumber energi surya menjadi energimekanik putaran dengan menggunakan kolektor pelatdatar yang dapat menghasilkan aliran fluida. Aliranfluida karena perbedaan temperatur oleh kolektordialiarkan melewati turbin sehinga menghasilkanenergi mekanik.

Penelitian ini bermanfaat sebagai alternatif energibaru dalam membudayakan hemat energi danpemanfaatan sumber energi ramah lingkungandengan keuntungan Indonesia berada di khatulistiwayang menerima surya sepanjang hari dan kontiniyu.

Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa)

55

1.3 Batasan Masalah

Alat konversi energi surya ke energi mekanikdirancang skala kecil untuk tahap pengujianlaboratorium. Kolektor pelat datar dengan fluidakerja udara dirancang dalam penelitian ini sertadilakukan pengujian dengan mengasumsikankecepatan udara lingkungan, penyebaran intensitasradiasi pada permukaan absorber merata dan lajualiran massa udara tetap

2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Energi Surya

Energi surya adalah sumber energi yang terdapatdialam, dimana tidak bersifat polutif, tidak habis dangratis. Energi ini tersedia dalam jumlah yang besardan bersifat kontinue bagi kehidupan makhluk dibumi. Untuk memanfaatkan energi surya diperlukanpengetahuan dan teknologi yang tinggi agar dapatefisiensi yang lebih baik serta ekonomis.

2.1.1 Radiasi Surya

Radiasi surya yang diterima oleh permukaan bumitergantung pada hal-hal berikut:

Posisi surya Lokasi permukaan. Hari dalam tahun. Keadaan cuaca dan kemiringan

permukaan.

Besarnya radiasi langsung yang diterima darimatahari yaitu:[14]

IABDN

(sin

)

... (1)

dengan,- A = iradiasi nyata surya, W/m2.

- B = koefisien pemandangan atmosfir, takberdimensi.

Radiasi yang diterima langsung dari surya disebutradiasi langsung, sedangkan yang diterima setelahmelewati rintangan disebut dengan radiasi diffusi.Intensitas radiasi surya total pada sebuah kolektoradalah:[14]

I I I Iio DN DS r cos ... (2)dimana Iio, IDN, IDS dan Ir berturut-turut adalah totalradiasi matahari pada suatu permukaan, komponenradiasi langsung , radiasi diffusi dan radiasigelombang pendek yang dipantulkan oleh permukaanlain. Semua variabel dalam satuan W/m2.

Harga dari komponen radiasi diffusi[11],

I C I FDS DN ss ... (3)

dimana C dan Fss adalah masing-masing angkaperbandingan antara radiasi surya difussi denganradiasi surya langsung yang jatuh pada permukaanhorizontal dan faktor sudut antara permukaan danlangit

Untuk mencari harga Fss dirumuskan:[14]

Fss 1

22cos ... (4)

dimana 2 adalah sudut kemiringan permukaanterhadap bidang datar di bumi. Dalam perhitunganbiasanya komponen Ir bukanlah komponen utama.

Radiasi yang mengenai suatu material akanmengalami tiga proses yaitu:

1. Absorbsivitas yaitu kemampuan suatu materialuntuk menyerap beberapa bagian dari totalradiasi yang terjadi pada permukaan material,

I

Iabsorb

tot

,

,

2. Koefisien Reflektivitas adalah ratio antararadiasi yang dipantulkan dengan radiasi yang

terjadi.

II

ref

tot

,

,

3. Koefisien Transmissivitas adalah ratio antarakemampuan suatu material untuk meneruskanradiasi matahari yang terjadi dengan total yang

terjadi,

II

trans

tot

,

,

2.1.2 Geometri Surya

Gerakan dan posisi surya sangat menentukanbesarnya energi yang dapat diterima oleh kolektor.Untuk mengamati posisi surya terhadap bumi dapatdi gambarkan dalam dua sudut:

Sudut Zenit yaitu sudut yang diukur dari sumbuvertikal dengan bidang sinar datang matahari.

Sudut Azimuth yaitu sudut antara sumbuhorizontal dengan proyeksi sinar datangmatahari arah selatan posisi pengamatan.

2.1.3 Deklinasi Matahari

Deklinasi matahari adalah sudut yang terbentukantara sinar datang matahari dengan garis tegak lurusterhadap sumbu polar dalam bidang matahari.Dengan mengetahui deklinasi matahari maka posisiorbit bumi dapat ditentukan.

The American Epherimes and Naval Almanacmerumuskan:[13]

23 45 360365

284, ( ( ))Sin n ... (5)

dimana:n = hari ke berapa dihitung dari tanggal 1 Januari

Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.2,Desember 2008 ISSN 1829-8958

56

Polar axis

Equatorial planeSurya

Collector site at latitude

Gambar 1. Deklinasi matahari

Pada gambar dapat ditentukan sudut jam siangmatahari:

Cos s tan .tan ... (6)Untuk matahari terbit berharga positif dan terbenamberharag negatif.

2.1.4 Sudut Insiden Surya

Sudut Insiden Surya adalah hubungan antara luassebuah kolektor dengan radiasi langsung dari suryaditentukan oleh besar sudut antara sinar datangdengan vektor garis normal dari permukaan kolektor.

Cos s ss s

sin (sin cos cos sin cos )cos (cos cos sin sin cos cos sin sin sin )

... (7)

2.2 Kolektor Energi Surya

Kolektor surya adalah suatu alat yang dapatmengumpulkan atau menyerap radiasi surya danmengkonversikan menjadi panas. Panjang gelombangradiasi surya yang dapat diserap adalah 0, 29 sampai2, 5 m. Besarnya panas dari kolektor yang akandapat dimanfaatkan adalah:

Q m c Tu p

... (8)maka temperatur udara keluaran dapat dihitungdengan persamaan:

T Q

m cTko u

p

kin ... (9)

Komponen kolektor pelat datar adalah:

1. Absorber dari bahan yang berwarna hitam untukmemaksimalkan penyerapan radiasi surya.

2. Penutup berupa bahan transparan, mempunyaitransmisi yang besar untuk gelombang pendekdan menghalangi perpindahan panas konveksidan radiasi.

3. Isolasi untuk menghindari kehilangan panas kelingkungan.

4. Rangka yang kokoh, mudah dibentuk dan tahanlama.

EreffEglob

Tin Tout

QLGambar 2 Kesetimbangan energi pada kolektor

Persamaan kesetimbangan energi pada kolektor:

Q Q Q Qa u l s ... (10)

Prinsip kerja kolektor adalah pelat absorbermenyerap radiasi surya yang jatuh ke permukaan dandikonversikan dalam bentuk panas, sehinggatemperatur pelat tersebut menjadi naik. Panasdipindahkan ke fluida kerja yang mengalir pada pelatabsorber. Perpindahan panas akan terjadi secarakonduksi, konveksi dan radiasi.

2.3 Prinsip Solar Chimney

Gambar 3 Prinsip solar chimney

Radiasi surya mengenai sistem kolektor, maka padapelat absorber menyerap radiasi surya yang jatuh kepermukaan dan dikonversikan dalam bentuk panas,sehingga temperatur pelat tersebut menjadi naik.Panas dipindahkan ke fluida kerja yang mengalirpada pelat absorber. Karena adanya perbedaantemperatur terjadilah aliran udara secara alamiah dariudara bertemperatur tinggi ke udara bertemperaturrendah. Pada point (a) udara masuk ke sistem solarchimney, point (b) udara menjadi panas , sehinggaterjadi aliran udara karena perbedaan density dankemudian point (c) aliran udara dihambat dengansebuah turbin sehingga turbin merubah ke energimekanik, selanjutnya udara akan keluar ke point (d)dengan adanya perbedaan tekanan dan sifat-sifatudara tersebut.


57

Power output yang dapat dihasilkan oleh sistem iniadalah

plantsolarturbintowercoilsolar QQP ....

(11)

Perbedaan tekanan yang terjadi antara cerobong(tower) dan keluaran kolektor serta lingkungandiperoleh dengan hubungan:

towerH

toweratot dHgp0

.. ... (12)

dstot ppp ... (13)

dimanagesekan diabaikan,

sp = perbedaan tekanan statik,

dp = perbedaan tekanan dinamik

Dengan total perbedaan tekanan dan laju aliran udarapada 0 sp maka daya Ptot dari aliran diperoleh:

coiltowertottot AvpP .. max, ... (14)

Maka efisiensi cerobong (tower) adalah:

Q

Ptottower ... (15)

Tanpa turbin , kecepatan maksimum ( max,towerv ),yang dikonversi ke energi kinetik adalah:

max,2

21

towertot vmP

... (16)

Menggunakan persamaan Boussinesq (Unger, 1988):

0max, ...2 T

THgv towertower

... (17)

dimana

T = Perbedaaan temperatur yang terjadi antarakeluaran kolektor (in tower) denagn lingkungan

Sedangkan menurut persamaan (Schlaich 1995)efisiensi cerobong adalah:

0..TcHg

ptower ... (18)

3. METODE PENELITIAN

3.1 Pendahuluan

Kolektor surya adalah alat untuk mengkonversikanenergi surya ke dalam energi panas. Pada absorber,

radiasi surya di serap, kemudian di lalui fluida kerjaudara sebagai pembawa energi panas.

Perencanaan kolektor yang akan dibahas meliputipelat absorber, penutup transparan, isolasi, saluranudara dan rangka kolektor. Pertimbangan yang perludiperhatikan dalam perencanaan yaitu: ekonomis,produktifitas tinggi, mudah pembuatan, kuat danmudah dioperasikan.

3.2 Dasar Idealisasi dan Data Perencanaan

Parameter yang merupakan dasar dari perancangankolektor adalah:

1 Kondisi udara masuk ke kolektor, Tkin = 33 oC =306 K

2 Kondisi udara keluar dari kolektor, Tkout= 69 oC= 342 K[1,3,4]

3 Intensitas radiasi matahari, Eglob. = 900 watt/m2.

4 Asumsi awal kolektor pelat datar mempunyaiefisiensi 45%[1,3,4]

5 Lokasi penelitian kota Padang, 0oLS dan 100o BT,serta ketinggian 8 meter dari permukaan laut.

Pada kolektor terjadi kehilangan panas, baik yangterjadi pada bagian atas, bawah maupun sampingkolektor yang dipengaruhi oleh kecepatan angin yangmengalir pada lingkungan kolektor. Intensitas suryadiasumsikan tetap setiap saat dan radiasi surya yangsampai pada permukaan pelat absorber merata sertakeseimbangan energi dalam keadaan stasioner.

Faktor-faktor yang mempengaruhi temperatur danefisiensi kolektor adalah:

Luas permukaan kolektor dan bentuk absorber.

Intensitas radiasi matahari maksimum.

Laju aliran massa udara

Kecepatan udara lingkungan.

Isolasi dan mutu pembuatan kolektor.

3.3 Perancangan Kolektor Pelat Datar

3.3.1 Perancangan Pelat Absorber

Pelat absorber berfungsi untuk menyerap radiasisurya dan mengkonversikan menjadi panas. Energidialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi.Dengan mengacu fungsi absorber maka dipilih sifatbahan antara lain:

Absorbsivitas tinggi ()

Emisifitas panas rendah ()

Kapasitas panas kecil (Cp).

Konduktifitas besar (k)

Refleksi rendah ()


58

Tahan panas dan tahan korosi

Kaku dan mudah dibentuk

Harga murah

Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk pelatpengumpul yaitu: aluminium, tembaga, kuningan,dan baja. Dalam perancangan ini digunakanaluminium sesuai pertimbangan di atas.

Luas kolektor 1m2 untuk skala kecil pengujian danefisiensi kolektor awal diasumsikan 45 %, sehinggadidapat daya energi panas yang dapat dimanfaatkanadalah

WmWmEAQ globku 40545,0.900.1. 2

2

Aluminium yang digunakan mempunyai ketebalan0,3 mm. Permukaannya dilakukan pelapisan dengancat semprot hitam kusam (Pylox Black Flat Paint109A), agar jangan terjadi refleksi dan mempunyaiabsorsivitas maksimum.

3.3.2 Perancangan Kaca Penutup.

Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasisurya berupa gelombang pendek dan mencegah panasyang keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagianatas. Berdasarkan fungsi ini maka kaca penutup harusmempunyai sifat:

Transmisivitas tinggi ()

Absorsivitas rendah ()

Refleksivitas rendah ()

Tahan panas

Murah dan kuat

Hubungan radiasi yang terjadi pada kaca dapat dilihatpada pada Gambar (4)

Eglob

Gambar 4 Radiasi yang terjadi pada kaca

Dengan pertimbangan sifat di atas, maka digunakankaca bening dengan ketebalan 5mm. Transmisivitaskaca, = 0,85, refleksi = 0,09 dan absorsivitas=0,06, maka diperoleh panas yang dapat melaluikaca adalah:

Q E Watt m Watt mglob .. , . / /0 85 900 7652 2

3.3.3 Perancangan Isolasi.

Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yanghilang dari kolektor ke lingkungan pada bagianbelakang dan samping kolektor. Pada isolasi terjadiperpindahan panas secara konduksi sehinggakehilangan panas dipengaruhi oleh sifat-sifat bahan.Isolasi yang digunakan adalah:

Konduktifitas termal bahan (k) kecil.

Mudah dibentuk dan praktis

harga murah

Tahan lama.

Bahan yang biasa digunakan untuk isolasi yaitu:gelas wol, silika aerogel, serbuk gergaji, kapuk, asbessemen, dan gabus. Berdasarkan sifat di atas makadigunakan gabus yang mempunyai konduktifitastermal, k = 0,048 W/m 0 C, dengan ketebalan 4 cm.

3.3.4 Perancangan Rangka

Fungsi rangka adalah tempat kolektor membentuksistem yang bermanfaat. Untuk itu rangka diperlukansifat-sifat antara lain:

Kuat dan kaku.

Tidak terlalu berat.

Mudah dibentuk dan dibuat.

Tahan lama.

3.4 Keseimbangan Energi Pada Kolektor

Suatu sistem dianalisa dengan keseimbangan energi,dimana keseimbangan energi selalu tetap. Persamaankeseimbangan energi adalah:

Qa = Qu + Ql ... (19)

dengan,

Qa = laju radiasi surya yang dapat diserap olehpelat absorber.

Qu = Laju perpindahan panas dari pelat absorberke fluida udara (energi yang berguna).

Ql = Laju kehilangan energi dari kolektor kelingkungan.

Pada keadaan stedi tidak ada penambahan energidalam (U=0)

3.4.1 Laju Aliran Energi yang digunakan (Qu)

Besar panas yang dapat dimanfaatkan dari absorberoleh fluida kerja udara, dipengaruhi oleh laju aliran,peningkatan suhu dan panas jenis dari fluida kerja.Keadaan ini dinyatakan dalam persamaan:

Qu = m

Cp (Tout - Tin) ... (20a)


59

Q A F E k T Tu k r glob eff in ( ) ( ~) ...(20b)

Q A F E k T Tu k glob eff r ' ( ) ( ~) ...(20c)

dengan,

Fr = Faktor transpor panas kolektor, (0,5 - 0,8) [6]

F = Faktor efisiensi kolektor, (0,8 - 0,9) [9].

Kondisi fluida kerja dalam kolektor antaratemperatur keluar dan temperatur masuk, makadiasumsikan temperatur rata-rata (Tr) =49 oC = 322oK. Pada keadaan udara T = 49 oC , diperoleh Cp =1,0102 kJ/kg oC [4].

Berdasarkan Persamaan 20a, didapat laju aliranmassa udara:

skg

xm 011,0

360102,1405,0

3.4.2 Laju Energi yang Diserap (Qa).

Kemampuan sistem kolektor untuk menerima radiasisurya menjadi panas dipengaruhi oleh hargatransmisivitas (), kaca penutup dan hargaabsorpsivitas (), dari pelat absorber.

Pengaruh transmisivitas () dan absorpsivitas ()bahan disebut dengan transmittance-absorptanceproduct (). Proses radiasi yang sampai ke kolektordapat dilihat pada Gambar (5). d ialah hargarefleksifitas dari kaca penutup.

Kaca

d

(1-)(1-)d

(1-)2d(1-)2d2

(1-) d (1-)2 d2

Gambar 5 Radiasi matahari yang jatuh pada sistemkolektor

Persamaan transmittance absorptance product ialah :

* = .

11 10

.

..d

N

dn

...(21)

Besar harga transmisivitas () dan refleksivitas ()dari suatu kaca penutup dipengaruhi oleh sudutjatuh, dari radiasi surya. Sudut jatuh, radiasisurya ke kaca penutup diasumsikan pada sudut nolderajat (tegak lurus kolektor). Harga = 0,85 danharga d = 0,09 dan harga absorpsivitas dari pelatabsorber = 0,95.

Persamaan panas yang dapat diserap oleh kolektor,Qa menjadi:

Q E Aa glob a . . . ... (22)

Dengan mengunakan Persamaan (22) di dapat:

.85,743/900.)95,087,0(1 22

WattmWmQa

3.4.3 Rugi-rugi Panas Pada Kolektor.

Panas yang hilang dari kolektor ke lingkungandipengaruhi oleh koefisien perpindahan panas total,luas pelat absorber dan beda temperatur absorberdengan lingkungan. Panas yang hilang dari kolektorke lingkungan terjadi pada tiga sisi kolektor yaitu:bagian bawah, samping dan atas kolektor. Jumlahtotal rugi panas secara ke seluruhan ke lingkunganadalah:

QL = F UL Ak (Tr - T~) ... (23a)

QL = Fr UL Ak (Tin - T~) ... (23b)

- Rugi Panas Melalui Belakang.

Panas yang hilang pada bagian belakang dipengaruhioleh lapisan isolasi berupa luas, konduktifitas danketebalan isolasi. Lapisan yang digunakan dapatdilihat pada Gambar (6)

Tb~

Tb~h

R2

R1

R3

R5

R4

Ta

triplek

triplek

gabus

pelat baja seng

Ta

Gambar 6 Bahan isolasi bagian belakang kolektor

Koefisien perpindahan panas keseluruhan melaluibagian bawah adalah:[5]

U AA t

ktk

tk

tk h

T TT Tb

b

k

b

a b

a

. . ( )

( )~

~

111

1

2

2

3

3

4

4

... (24)

dengan,

Ab = luas permukaan bagian belakang.Ak = luas kolektor.t1 = tebal bahanh = koefisien konveksi bagian bawah kolektor


60

=5,7 + 3,8 (1,5)= 11,4 W/m2 oC.Tb~ = Temperatur belakang kolektor ,oC.T~ = Temperatur lingkungan, oC

Kehilangan panas bagian bawah Persamaan (24)adalah CmWU ob

2/03818,1

- Rugi Panas Melalui Bagian Atas.

Pada bagian atas terjadi perpindahan panas konduksi,konveksi dan radiasi seperti terlihat pada Gambar(7) Koefisien perpindahan panas total melaluibagian atas kolektor dapat dirumuskan:[5]

UAA

R R RR R

T TT Tf

f

kk

c r

c r

a f

a

. ~~

1

... (25)

dengan,

Rk = tahanan termal konduksi kaca.

R = tkk kaca

Rc = tahanan termal konveksi dari tutup kelingkungan.

Rhc f

1

hf = 5,5 + 2,7 (v) = koefisien konveksi termal padapermukaan kaca.v = kecepatan udara disekitar kolektor = 1,5 m/s. Rr = tahanan termal radiasi antara penutup ke

lingkungan.

RT T T Tr k

12 2

2 . .( ~ ).( ~)

Tb~h~

Tf ~h~

kaca

TaRr

T~

Ta

Rc

Rk

Gambar 7 Bahan isolasi bagian atas kolektor

dengan,

= konstanta boltzman, 5,67 x 10-8 W/m.K

= emisivitas kaca, 0,9.

T2 = temperatur kaca, K.

Berdasarkan Persamaan (28), diperoleh rugi panasmelalui bagian atas adalah: CmWU of

2/0081,6

- Total Rugi-rugi Panas Pada Kolektor

Q F A U U U T Ttotal r k f b s in . ( ).( ~) ... (26a)

Q F A U U U T Ttotal k f b s r ' . ( ).( ~) ... (26b)

Dengan mengunakan Persamaan (26b) di dapat:.84,162 WattQtot

3.4.4 Efisiensi Termal Kolektor.

Efisiensi kolektor ditentukan oleh besarnya panasyang diterima kolektor (Qin) terhadap panas yangdapat di manfaatkan (Qu). Energi yang di terima olehkolektor yaitu:

Q E Ain glob k .

maka efisiensi teoritis kolektor adalah:

F E A U A T TE A

glob k L k r

glob k

'. . . ( ~).

... (27a)

F E A U A T TE A

r glob k L k in

glob k

. . . ( ~).

... (27b)

Sedangkan efisiensi aktual kolektor dapat ditulis:

QQ

m C TE A

u

in

p

glob k

. ..

... (28a)

Q Q

E Aa L

glob k.... (28b)

Dengan mengunakan Persamaan (27a), di dapat:%5,50505,0 th

3.5 Prosedur Pengujian

1. Pengujian dilakukan dari jam 10.00 WIB sampaijam 15.00 WIB (pada saat intensitas maksimal)

2. Periksa dan pasang alat ukur intensitas surya diatas kolektor.

3. Pasang termokopel pada sistem alat pengujian.

4. Catat parameter yang didapat: Intensitas radiasi matahari (mv) Temperatur lingkungan, temperatur masuk dan

keluar kolektor. Temperatur kolektor yaitu temperatur absorber,

dan temperatur bagian belakang. Temperatur di keluar penghambat (turbin) Putaran turbin yang dihasilkan (rpm) Laju aliran Massa udara.


61

7. Ulangi prosedur 4, dengan selang waktu 10 menitselama satu hari.

8. Lakukan pengujian beberapa hari kemudian untukmelihat variasi pengaruh lingkungan

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Sistem alat yang direncanakan dalam penelitian inidapat dilihat pada Gambar (8) dan Gambar (9).Pengujian menggunakan data aquisisi dengan cardADC PCL-818L with PLCD-8115 dan sensortermokopel tipe T yang dihubungkan ke komputerseperti set-up yang terlihat pada Gambar (10)

Gambar 8 Rangka Kolektor surya pelat datar

Gambar 9 Sistem alat kolektor pelat datar dancerobong

Gambar 10 Sistem data akusisi yang digunakan

4.1 Data dan Hasil pengujian

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Temperatur Data A quis is i (oC)

Tem

pera

tur

(oC

)

Naik Turun Rata-rata Linear (Turun) Linear (Naik) Linear (Rata-rata)

Gambar 11.Grafik Perbandingan Temperatur Data Aquisisi dengan Termometer Kaca (turun/naik)


62

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10:48 11:45 12:43 13:40 14:38 15:36

Waktu (WIB)

Tem

pera

tur(

o C)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Inte

nsita

s(W

att)

T~ Tout-kolektor (in cerobong) T(out -cerobong)

Intensitas 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

Gambar 12 Grafik Temperatur dan Intensitas Terhadap Waktu (Perngujian 1)

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10:48 11:45 12:43 13:40 14:38 15:36

Waktu (WIB)

Tem

pera

tur(

o C)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Inte

nsita

s(W

att)




20

30

40

50

60

70

80

90

100

10:48 11:45 12:43 13:40 14:38 15:36 16:33

Waktu (WIB)

Tem

pera

tur(

o C)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Inte

nsita

s(W

att)





63

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36

Waktu

Inte

nsita

s(W

att)

30

50

70

90

110

130

150

170

Put

aran

(rpm

)

Intensitas putaran 3 per. Mov. Avg. (putaran) 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)

Gambar 15 Grafik intensitas dan putaran (rpm) terhadap waktu (Perngujian 1)

300

400

500

600

700

800

900

9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36

Waktu

Inte

nsita

s(W

att)

30

50

70

90

110

130

150

170

Put

aran

(rpm

)

Intensitas putaran rpm 3 per. Mov. Avg. (putaran rpm) 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)


100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

10:48 11:02 11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28

Waktu

Inte

nsita

s(W

att)

30

50

70

90

110

130

150

Puta

ran

(rpm

)

Intensitas putaran rpm 3 per. Mov. Avg. (putaran rpm) 2 per. Mov. Avg. (Intensitas)



64

4.2 Pembahasan

Pada Gambar (11) perbandingan alat ukurtemperatur data akusisi dengan termometer kacayang diperoleh hubungan persamaan naik dan turunpengukuran yaitu Pers. Naik = y = 1.043x - 2.118, R2= 0.9687 dan Pers. Turun = y = 0.9239x + 2.5623, R2= 0.9425 serta persamaan rata rata antara naik danturun diperoleh y = 0.9835x + 0.2221. Histerisis alatukur akan makin melebar pada saat temperatur makintinggi (Temperatur > 50oC).

Pada Gambar (12) sampai Gambar (14)merupakan data hasil pengolahan grafik temperaturdan intensitas terhadap waktu. Data grafik terlihattemperatur keluaran kolektor dapat mencapai di atas50 oC dan selama pengujian temperatur yang dapatdihasil kolektor dapat kenaikan dari lingkunganberkisar antara 10 oC sampai dengan 20oC. Intensitasmaksimum pada siang hari mengakibatkantemperatur keluaran kolektor paling maksimal danhasil putaran turbin (alat ukur anemometer)menunjukan maksimal berkisar antara 0,3 m/s sampaidengan 0,4 m/s.

Dari grafik dan data diperoleh secara rata-rataputaran turbin 110 rpm dengan rincian pengujian114,37 rpm, 96,50 rpm, 103,24 rpm dari hasilpengujian. Peningkatan rpm turbin mungkin dapatdiberikan apabila penambahan luas kolektor suryayang dibuat dan sekaligus dapat meningkatkandayanya.

Pada Gambar (15), Gambar (16), dan Gambar(17), hasil putaran turbin dapat lebih stabil padakondisi stedi yang diakibatkan oleh sistem alat masihcukup menyimpan panas walaupun terjadi penurunanradiasi surya. Perlu dipertimbangkan pengguanaanpenyimpan energi dalam sistem alat ini.

Pada saat pengujian sistem alat ini dapat terlihatsecara visual putaran turbin (lihat vidio pengujian)atau boleh dikatakan sistem model alat yangdirencanakan dapat mengalirkan udara di dalamcerobong yang kemudia memutar turbin yangmenghasilkan energi mekanik. Aliran ini disebabkanperbedaan temperatur, density karena pengaruhenergi panas dari surya yang ditangkap melaluikolektor.

5 KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Hasil pengujian dan pembahasan dapat diambilbeberapa kesimpulan, yaitu;

1. Alat konversi energi surya menjadi energimekanik yang direncanakan ini dapatmenghasilkan putaran pada turbin berkisar antara 110 rpm dengan luas kolektor pelat datar 1m2 ,kemiringan kolektor 10o serta berbentuk profilatap rumah. (vidio visual pengujian)

2. Kolektor pelat datar energi surya dapat menaikantemperatur udara secara rata-rata berkisar 15oCsehingga dapat mengalirkan udara secara panasmengguanakan cerobong yang dapat memutarturbin.

3. Pemanfaatan sistem alat ini untuk pembangkitenergi listrik perlu menyesuaikan putaran yangdihasilkan terhadap generator yang ada (yg dapatdibuat).

4. Energi mekanik yang dihasilkan model alat inidapat dikembangkan sebagai energi alternatifyang bersih dan ramah lingkungan serta tersediasepanjang hari karena kondisi wilayah indonesiaberada dalam jalur garis khatulistiwa , yangmemberikan intensitas paling besar dipermukaanbumi ini.

5.2 Saran

Penelitian dikembangkan dengan mengabungkandengan pemanfaatan energi angin sebagai energiawal agar terjadi aliran fluida udara secara paksa.

Pengembangan kolektor dengan menggunakanenergi penyimpan untuk menjaga temperaturkeluar kolektor konstan.

Perlu penelitian lanjut peningkatan secara optimaldari pemanfaatan cerobong terhadapat aliranfluida udara sistem secara keseluruhan.

UCAPAN TERIMA KASIH

Kepada Bapak/Ibu yang telah membantuterlaksananya penelitian terutama keluarga besarpenulis. Pimpinan dan pengelola dana DIPAPoliteknik Negeri Padang, semoga dana yangdiberikan menghasilkan cikal bakal teknologi yangbermanfaat yaitu pemanfaatan sumber energi suryamenjadi energi listrik dikemudian hari terwujudhendaknya.

PUSTAKA

1. Adly Havendry, Rosa. Yazmendra, Hanif,Kolektor Energi Surya untuk Sistem PengeringKulit Manis, Jurnal TeknikA Tahun IV,Universitas Andalas, 1997.

2. Sukhatme, Solar Energi: Principles of ThermalCollection and Storage, Tata McGraw-HillPublishing Company Limited, New Delhi, India,2001

3. Rosa. Yazmendra, Hanif & Zulhendri,Optimasi Udara Panas Keluaran Kolektor Surya,Jurnal Teknik Mesin, Vol.1 No.1 PoliteknikNegeri Padang, 2004

4. Rosa. Yazmendra, Maimuzar & Nasrullah,Rancang Bangun Pengering Gambir denganMemanfaatkan Energi Surya, Jurnal Teknik


65

Mesin, Vol.3 No.1 Politeknik Negeri Padang,2006.

5. A. Bejan, G. Tsatsaronis dan M. Moran,Thermal Design and Optimization, John Wiley &Sons, New York, 1996.

6. Zainuddin, Dahnil, Solar Teknik 1 & 2,Universitas Andalas, Padang, 1990.

7. George A. Lane, Ph.D, Solar Heat Storage:Latent Heat Materials, CRC Press, Inc., Florida,2000.

8. A. Saito dan H. Hong, Experimental Study onHeat Transfer Enhancement in Latent ThermalEnergi Storage with Direct Contact Melting,Departement of Mechanical Engineering &Science, Tokyo Institute of Technology, Japan,Int, J. Heat Mass Transfer.

9. C. P. Arora, Refrigeration and Air Conditioning,McGraw-Hill, Singapore, 2000.

10. ASHRAE, Fundamentals Handbook,. 1997.

11. Culp, Archie W. Jr., Prinsip-prinsip KonversiEnergi, Erlangga, Jakarta, 1985.

12. Dickinson, William C & Cheremisinoff, PaulN., Solar Energy Technology Handbook Part A,Marcel Dekker, New York, 1980.

13. Dufie, John A., & Beckman, William A., SolarEnergy Thermal Processes, John Wiley & Sons,New York, 1995

14. Stoecker, Wilbert F., & Jerols, W. Jones,Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Erlangga,Jakarta, 1992.

15. Floating Solar Chimney Technology,www.floatinglarchimney.gr, September 2008

16. The Solar Tower : Large scale Renewable energyPower Station Development, 19th World EnergyCongress, Sydney Australia, Sep 2004

17. Andre G Ferreira, Technical FeasibilityAssessment of a Solar Chimney for Food Drying,Solar Energy 82 (2008), 198-205, Elsevier. 2008

CURRICULUM VITAE

Penulis menyelesaikan studi sarjana di JurusanTeknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Andalastahun 1997 dan tahun 2003 menyelesaikan studi S2bidang Konversi Energi, Departemen Teknik Mesindi Institut Teknologi Bandung, Sekarang sebagaidosen dan staf Labor Refrigerasi & PengkondisianUdara di Program Studi Teknik Mesin PoliteknikUniversitas Andalas, staf pengajar dan pembimbingdi program D4 Konservasi Energi serta mengajar dan

membimbing di Pasca Sarjana ISTN,. Email:[email protected] & [email protected].

rancang bangun alat konversi energi surya menjadi energi mekanik

Documents