auliya burhanuddin

8/17/2019 AULIYA BURHANUDDIN

1/97

i

SKRIPSI

KARAKTERISTIK KOLEKTOR SURYA

PLAT DATAR DENGAN VARIASI JARAK KACA PENUTUP

DAN SUDUT KEMIRINGAN KOLEKTOR

AULIYA BURHANUDDIN

M0201023

Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret

Surakarta

2006


2/97


3/97


4/97

iii

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi ini adalah hasil kerja saya

dan sepengetahuan saya. Hingga saat ini skripsi ini tidak berisi materi yang telah

dipublikasikan atau ditulis orang lain, atau materi yang telah diajukan untuk

mendapatkan gelar di Universitas Sebelas Maret Surakarta atau diperguruan tinggi

lainnya, kecuali telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini. Segala bentuk

bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terima kasih.


5/97

iv

MOTTO

v Sesungguhnya Allah tidak mengubah keadaan suatu kaum

sehingga mereka mengubah keadaan yang ada padadiri mereka sendiri. (ar-Ra’du : 13)

v “Katakanlah: ‘Sesungguhnya karunia itu di tangan Allah.’

“(QS. Ali-‘Imran: 73)

v Semua perjalanan hidup selalu ada maknanya, tinggal

bagaimana kita menghargai dan menyiapkan sebaik-

baiknya untuk sisa waktu kita agar kehidupan kelaklebih berguna.

v Apa yang kita lakukan tidak lepas dari kebenaran dan

kesalahan yang harus kita sikapi secara positif danmengambil hikmahnya sehingga bisa bermanfaat

untuk pembelajaran kita yang akan datang.

v Setiap menit setiap detik berharga, gunakanlah untuk

membahagiakan orang-orang yang telah menyayangi

kita.


6/97

v

PERSEMBAHAN

karya sederhana ini saya persembahkan

kepada :

Ø Bapak dan Mama tercintaengkau hadirkan cinta yang berart i, kau berikan segalanya

tanpa harap balas, slalu ada tempat tuk resahku, takkan

pernah mampu kulukis putihmu.

Maafkanlah aku

Ø Annis and mahbubYang selalu ada di hatiku

Aku belum banyak berart i bagi kalian

Ø Impian ”kecil”ku yang indah dan aku sayangi yang menjadisemangat sisa perjalanan waktu, dengan usaha dan doa kan

kubuat manjadi besar dan mempesona


7/97

vi

KATA PENGANTAR

Segala puji bagi Allah SWT yang telah menciptakan jin dan manusia

untuk beribadah kepada-Nya. Dia memerintahkan untuk melaksanakan yang

diwajibkan dan meninggalkan yang dilarang. Shalawat dan salam semoga tetap

terlimpahkan kepada Nabi Muhammad SAW, beserta keluarga, para sahabat dan

pengikutnya yang baik hingga hari Kiamat.

Syukur Alhamdlillah kepada Allah SWT atas segala hidayah, inayah dan

nikmat yang telah Allah berikan yang atas izin-Nya saya dapat kesempatan dan

kekuatan untuk menyelesaikan skripsi ini. Saya menyadari bahwa dalam

penelitian ini semua tak akan lepas dari bantuan dari berbagai pihak, saya

mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Drs. Marsusi, M.S., selaku Dekan Fakultas Matematika Dan Ilmu

Pengetahuan Alam.

2. Bapak Drs. Harjana, M.Si., Ph.D. selaku Ketua Jurusan Fisika FMIPA

UNS dan pembimbing atas segala bantuan, bimbingan, motivasi, fasilitas

dan berbagai kajian Ilmu pengetahuan yang telah diberikan.

3. Bapak Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc., Ph.D. selaku sekretaris Jurusan

Fisika dan pembimbing atas semua fasilitas, semangat dan ilmunya

selama penelitian dan penyelesaian penelitian tugas akhir ini.

4. Bapak Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D. sebagai pembimbing akademis atas

semua nasehat dan bimbingannya.

5. Bapak dan Ibu dosen jurusan Fisika yang telah memberikan ilmu yang

berharga semoga dapat bermanfaat.Amin.6. Bapak dan Ibu tercinta, atas segala doa, kasih sayang dan pengorbanan

yang telah diberikan, semoga ananda menjadi anak yang berbakti.

7. Kedua adekku annis (aku selalu berdoa semoga kamu bahagia bersama

penghuni surga) dan mahbub (temukan impianmu dan jadikanlah

semangat untuk berusaha dan jangan menyerah sebelum impianmu

tercapai. Semoga kamu dapat lebih baik lagi).

8. Pak dhe makmuri sekeluarga atas segala doa dan dukungannya.


8/97

vii

9. Sahabatku Budi Riyanto (semoga kamu capat mendapatkan AL yang

baru dan semua cita-citamu tercapai).

10. Laboran Sub Lab. Fisika : Mas(Arie, Eko, Johan, Mul), mas David ( Lab.

Instel ), mbak Dwik, mbak Ning terima kasih atas segala bantuannya.

11. Temenq Fuad (trims printnya,hslnya bgs,cepet wujudkan pak!), 3ono

(Trims dipinjamin CPU&printnya, pinjam film lg kpn?),Ahmad(smg

makin gemuk aj),Arifin(thanks timunnya),achi(jgn sk ngmbk&mksa2

ya&smg bahagia sm masnya),miyem(aku gak lupa lho tulis kamu&

thanks bntu brsh2),didik,Erik,Ustad,pandoyo(kan renang lg),Wahyu

(thanks dibantu angkat2alatnya),Eko w,Hany&Heny(kalian tetep kompak

aja),Ari (sudah dpt yg ke-11blm?),Budi (trims smua bntuannya, dah

agstus cpt slse ya),Agus (gmbrny bgs kok, kjr des yo), eny, mami, widya.

12. jupri atas kebersamaanya ( patner penelitian) dan temen- temen Fisika

2001 (kemanapun kalian akan melangkah aku akan mengenang

kebersamaan kita

13. Faris (smg bahagia bersama saynya), dedy (jangan sk mrh2ya sm ”dia”)

14. Temen- temen adik angkatan 2002Oo, narso, usman, dkk , 2003 ( yuly,

bambang, farika, dkk ), 2004 (sari (thanks semangatnya&jng tmbh ndut

ya), hesti, ubay, ningsih(ftnya mn?),dkk). terima kasih atas kebersamaan

dan persahabatannya .

15. AD 3189 PS yang membuat aku tidak tahu tarif bus rumah-kampus.

16. Semua pihak yang telah membantu terselesainya karya ini.

Saya menyadari bahwa hasil karya ini kurang dari sempurna, maka

penulis mengharapkan saran dan kritik dari pembaca yang sifatnya membangun.

Pada akhirnya penulis berharap semoga hasil karya memberikan manfaat dan

berguna khususnya bagi Jurusan Fisika FMIPA UNS dan pembaca pada

umumnya.

Surakarta, 14 Juni 2006

AULIYA BURHANUDDIN


9/97

viii

DAFTAR ISI

Halaman

Halaman Judul.......................................................................................................... i

Lembar Pengesahan ................................................................................................ ii

Lembar Pernyataan Keaslian Skripsi ..................................................................... iii

Motto ...................................................................................................................... iv

Persembahan ........................................................................................................... v

Kata Pengantar ....................................................................................................... vi

Daftar Isi...............................................................................................................viii

Daftar Gambar........................................................................................................xi

Daftar Tabel Lampiran .........................................................................................xiii

Daftar Simbol ....................................................................................................... xiv

Abstract ................................................................................................................xvi

Abstrak ................................................................................................................xvii

BAB I PENDAHULUAN

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

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

1.3. Perumusan Masalah .................................................................................... 4

1.4. Pembatasan Masalah ...................................................................................... 5

1.5. Manfaat Penelitian .................................................................................... 5

1.6. Sistematika penulisan ................................................................................. 6

BAB II DASAR TEORI2.1.Energi matahari dan pemanfaatannya ............................................................... 7

2.2.Tinjauan perpindahan panas.............................................................................. 8

A Konduksi ..................................................................................................... 9

B Konveksi ..................................................................................................... 9

C Radiasi....................................................................................................... 11

2.3.Tinjauan mekanika fluida................................................................................ 12


10/97

ix

2.4.Posisi Matahari................................................................................................ 13

2.4.1. Persamaan untuk sudut zenit............................................................... 13

2.4.2. Intensitas radiasi pada bidang miring.................................................. 16

2.5.Macam-Macam Kolektor Panas Surya ........................................................... 18

2.5.1. Kolektor surya plat datar ..................................................................... 18

2.5.2. Kolektor terkonsentrasi ....................................................................... 19

2.5.3. Kolektor tabung terevakuasi ............................................................... 21

2.5.4. Kolektor pasif...................................................................................... 22

2.6.Cara kerja kolektor termal............................................................................... 22

2.6.1. Proses perpindahan panas pada kolektor termal ................................. 22

1. Konduksi pada kolektor termal .................................................... 22

2. Konveksi pada kolektor termal..................................................... 23

A Konveksi alami antara kaca penutup ke atmosfer................... 23

B Konveksi antara plat penyerap dengan kaca transparan ......... 24

3. Radiasi pada kolektor termal ........................................................ 24

A Radiasi antara kaca transparan dengan lingkungan ................ 24

B Radiasi antara plat penyerap dengan kaca transparan............. 25

2.6.2. Kesetimbangan laju energi panas kolektor termal .............................. 26

1. Laju energi panas yang masuk ..................................................... 26

2. Laju energi panas yang hilang...................................................... 26

a Kerugian laju energi panas bagian atas (top loss) ................... 26

b Kerugian laju energi panas bagian bawah (bottom loss) ........ 27

3. Laju energi panas yang digunakan ............................................... 27

2.6.3. Efisiensi kolektor termal ..................................................................... 27

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Pengambilan Data............................................................ 32

1. Tempat....................................................................................................... 32

2. Waktu ........................................................................................................ 32

3.2 Perancangan kolektor panas surya tipe datar .................................................. 32

1 Bahan ....................................................................................................... 32

2 Alat – alat .................................................................................................. 33


11/97

x

3 Teknik perancangan kolektor panas surya tipe datar ................................ 34

3.3 Metode pengujian kolektor surya plat datar.................................................... 35

1 Teknik pengambilan data .......................................................................... 35

3.4. Prosedur penelitian.......................................................................................... 37

3.5. Teknik analisa data.......................................................................................... 38

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Intensitas Radiasi Surya ............................................................................... 39

4.2 Temperatur kolektor surya........................................................................... 41

4.3 Efisiensi kolektor surya................................................................................ 48

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN

5.1 Kesimpulan .................................................................................................. 53

5.2 Saran............................................................................................................. 53

DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 55

LAMPIRAN......................................................................................................... 57


12/97

xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Viskositas fluida................................................................................ 13

Gambar 2.2 Sudut Zenit θz dan sudut azimut θA yang ditetapkan........................ 14

Gambar 2.3 Posisi Matahari.................................................................................. 15

Gambar 2.4 Deklinasi Matahari, posisi dalam musim panas................................ 15

Gambar 2.5 Radiasi Sorotan setiap jam pada permukaan miring

dan pengukuran I .................................................................................................. 17

Gambar 2.6 Penentuan cos θT .............................................................................. 17

Gambar 2.7 Skema kolektor surya plat datar........................................................ 19

Gambar 2.8 Skema kolektor terkonsentrasi .......................................................... 19

Gambar 2.9 Berkas-berkas cahaya yang pararel terhadap sumbu utama cermin

cekung ................................................................................................................... 20

Gambar 2.10 Skema kolektor tabung terevakuasi................................................. 21

Gambar 2.11 Proses transfer energi panas pada kolektor ..................................... 25

Gambar 2.12 Tabel Hubungan Kerapatan Udara dengan Temperatur.................. 30

Gambar 2.13 Tabel Hubungan Kapasitas Panas dengan Temperatur .................. 30

Gambar 2.14 Tabel Hubungan Viskositas dinamik dengan Temperatur .............. 31

Gambar 3.1 Jenis alat-alat ukur yang digunakan pada Penelitian......................... 33

Gambar 3.2 Skema dan ukuran kolektor surya plat datar ..................................... 35

Gambar 4.1 Grafik Intensitas Matahari terhadap waktu ....................................... 39

Gambar 4.2 Grafik Intensitas Matahari pada variasi

sudut kemiringan kolektor..................................................................................... 40

Gambar 4.3 Grafik temperatur input-output pada jarak 3 cm............................... 42

Gambar 4.4 Grafik temperatur input-output pada jarak 9 cm............................... 42

Gambar 4.5 Grafik perbedaan temperatur input-output

pada jarak 3 cm dan 6 cm...................................................................................... 43


pada jarak 3 cm dan 9 cm ..................................................................................... 44


pada jarak 6 cm dan 9 cm...................................................................................... 44


13/97

xii


pada sudut 100 dan 200 .......................................................................................... 46


pada sudut 200 dan 300 .......................................................................................... 46


pada sudut 200 dan 400 .......................................................................................... 47

Gambar 4.11 Grafik efisiensi termal dengan jarak kaca penutup

dengan plat penyerap 3 cm dan 6 cm.................................................................... 48





Gambar 4.14 Grafik efisiensi termal dengan sudut 100 dan 200 ........................... 50




14/97

xiii

DAFTAR TABEL LAMPIRAN

A : Data percobaan................................................................................................ 57

B : Intensitas Radiasi Matahari pada Bidang Miring ............................................ 63

C : Perhitungan Efisiensi Termal dari Kolek0 tor surya....................................... 68

D : Sifat Udara ...................................................................................................... 74

E : Foto Penelitian Kolektor Surya ....................................................................... 75

F : Contoh Perhitungan ......................................................................................... 78


15/97

xiv

DAFTAR SIMBOL

A : Luas penampang yang tegak lurus pada aliran panas (m2)

b : Tinggi kolektor panas surya (m)

C p : Panas jenis udara (J/kg. K)

d : Jarak regangan (m)

Dh : Diameter hidrolik

d i : Diameter pipa (m)

E : Laju perpindahan panas radiasi benda hitam (W)

F : Gaya tekanan (N)

G sc : Konstanta matahari 1367 W/m2

h : Koefisien konveksi (W/m2.K)

hc : Koefisien perpindahan panas secara konveksi (W/m2.K) H pk : Koefisien konveksi transfer panas plat-kaca (W/m

2.K)

hw : Koefisien konveksi angin

I : Intensitas radiasi terukur pada permukaan horizontal

I bn : Intensitas radiasi pada sudut masuk normal

I bT : Intensitas radiasi pada permukaan miring

k : Konduktivitas termal (W/mK)

L : Panjang (m)

m : Massa udara (kg)

n : Hari dari tahun yang bersangkutan

N u : Bilangan Nusselt

q : Laju perpindahan panas (W)

qbl : Laju energi panas bagian bawah (bottom loss) (J/s)

qc : Laju perpindahan secara konveksi (W)

qi : Energi yang masuk (J/s)

q L : Energi yang hilang (J/s)

qr : Laju perpindahan panas secara radiasi (W/m2)

qtl : Laju energi panas bagian atas (top loss) (J/s)

qu : Energi yang dipakai (J/s)

Re : Bilangan Reynolds

T : Temperatur mutlak (K)

t : Tebal insulator (m)T 0 : Temperatur luar (K)

T 1 : Temperatur mutlak benda pertama (K)

T 2 : Temperatur mutlak benda kedua (K)

T a : Temperatur lingkungan (K)

T f : Temperatur fluida (K)

T i : Temperatur dalam (K)

T k : Temperatur permukaan kaca (K)

T p : Temperatur permukaan plat penyerap (K)

T s : Temperatur langit (K)

t u : Waktu pergerakan udara (s)


16/97

xv

T w : Temperatur dinding (K)

v : Kecepatan rata-rata dari fluida (m/s)

V : Volume udara (m3

)w : Lebar kolektor panas surya (m)

x : Panjang lintasan bidang datar (m)

dx

dT : Gradien temperatur dalam arah aliran panas (-K/m)

•

m : Laju aliran massa udara (kg/s)

ρ : Massa jenis (kg/m3)

σ : Konstanta Stefan Boltzmann 5,67x10-8 W/m2K 4

ε : Emisivitas

φ : Sudut lintang

ω : Sudut jam (sudut pada bidang ekuatorial)

δ : Deklinasi (sudut antara bidang ekuator (khatulistiwa) dengan

matahari)

β : Kemiringan kolektor

τ : Transmisivitas kaca penutup

α : Absorbsivitas plat penyerap

η : Efisiensi

Υ A : Sudut azimut

µd : Viskositas dinamik (N/m2.s)

µk : Viskositas kinematik (m2/s)

εk : Emisivitas kacaε p : Emisivitas plat penyerap

ΥT : Sudut masuk (sudut antara arah sorotan pada sudut masuk

normal)

∆T : Perbedaan temperatur

Υ z : Sudut zenit


17/97

xvi

ABSTRACT

FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR CHARACTERISTICWITH SHUTTER GLASS DISTANCE VARIATION

AND COLLECTOR INCLINATION ANGLE

Oleh :

AULIYA BURHANUDDIN

M0201023

It has been done a research to determine the solar thermal collector

efficiency of the flat plate collector. The testing of the collector was conducted on

30th November 2005, 1st, 3rd, 5th, 6th, 7th December 2005 with the variation of

distance between one glass covers were varied from 3 cm, 6 cm, and 9 cm; and

with inclination angle variation of collector from 100, 200, 300, and 400. Solar

thermal collector absorb the radiant energy from the sun and convert it to heat

between the bottom glass cover and absorbing plates in the collector. Parameters

which influence on the collector performance include distance between plate

collector with glass covers and the inclination angle. It was found that the

difference between output - input temperature is the highest on a distance of 3 cm

and inclination angle of 100. This is influenced that inclination angle 100 more

close to zenith angle. The solar thermal collector efficiency is not a constant, The

solar collector efficiency depends on solar radiation intensity, input-output

temperatur difference and air flow. The smaller the inclination angle of solar

collector, the higher the absorption radiation. If inclination angle of collector same

with zenith angle, so the absorbtion radiation will maximum.

Key word : flat plate solar collector, collector efficiency.


18/97

xvii

INTISARI

KARAKTERISTIK KOLEKTOR SURYA

PLAT DATAR DENGAN VARIASI JARAK KACA PENUTUP DAN

SUDUT KEMIRINGAN KOLEKTOR

Oleh :

AULIYA BURHANUDDIN

M0201023

Telah dilakukan penelitian untuk menentukan efisiensi kolektor panassurya plat datar. Pengujian kolektor dilakukan pada tanggal 30 November 2005,

1, 3, 5, 6, 7 Desember 2005 dengan variasi jarak satu kaca penutup 3 cm, 6 cm,

dan 9 cm; dan variasi sudut kemiringan kolektor 100, 200, 300, dan 400. Kolektor

panas surya menyerap energi radiasi dari matahari dan mengkonversikan menjadi

panas diantara kaca penutup bawah dan plat penyerap. Parameter yang

berpengaruh pada unjuk kerja kolektor diantaranya jarak plat penyerap dengan

kaca penutup dan sudut kemiringannya. Dari hasil penelitian ini menunjukkan

bahwa perbedaan temperatur output - input lebih besar pada jarak 3 cm dan sudut

100, karena sudut 100 lebih mendekati sudut zenit dibanding sudut lainnya.

Efisiensi kolektor panas surya bukanlah suatu konstanta. Efisiensi kolektor surya

bergantung pada intensitas radiasi matahari, perbedaan temperatur input-output,dan aliran udara. Pada sudut kemiringan kolektor surya terkecil, menyerap radiasi

terbesar. Jika sudut kemiringan kolektor sama dengan sudut zenit maka radiasi

yang terserap akan maksimal.

Kata kunci : Kolektor surya plat datar, Efisiensi kolektor.


19/97

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Indonesia beriklim tropis yang mempunyai temperatur lingkungan yang

relatif tinggi, kelembaban relatif, serta pada beberapa tempat mempunyai curah

hujan yang tinggi pula. Indonesia juga dikenal sebagai negara agraris yang

menghasilkan selain makanan pokok juga menghasilkan produk pertanian lainnya

seperti kakao, kopi, kopra, pala dan lain-lain. Komoditi tersebut kebanyakan harus

segera dikeringkan setelah dipanen, karena bila terlambat akan terjadi proses

pembusukan sehingga sangat merugikan.

Untuk mengeringkan dibutuhkan energi yang sangat besar. Petani

kebanyakan melakukan penjemuran di bawah teriknya sinar matahari. Cara ini

mengandung beberapa keuntungan dan kerugian. Temperatur lingkungan pada

waktu pengeringan secara langsung di bawah terik sinar matahari adalah sekitar

33° C, sedang temperatur untuk pengeringan untuk komoditi pertanian yang

optimal kebanyak-an berkisar 60-70°C. Jika digunakan udara pemanas

bertemperatur lingkungan atau lebih rendah dari temperatur pengeringan tersebut,

maka akan membutuhkan waktu yang lebih panjang. Untuk meningkatkan

temperatur lingkungan adalah dengan cara mengumpulkan udara dalam suatu

kolektor surya dan menghembuskannya ke komoditi (http://www.iptek.net.id).

Energi fosil khususnya minyak bumi merupakan sumber sumber energi

utama dan sumber devisa negara. Krisis BBM baru-baru ini menunjukkan bahwa

http://www.iptek.net.id/http://www.iptek.net.id/


20/97

2

cadangan energi fosil yang dimiliki Indonesia terbatas jumlahnya. Fakta

menunjukkan konsumsi energi terus meningkat sejalan dengan laju pertumbuhan

ekonomi dan pertambahan penduduk. Terbatasnya sumber energi fosil

menyebabkan perlunya pengembangan energi terbarukan dan konservasi energi

yang disebut pengembangan energi hijau. Energi terbarukan adalah energi non-

fosil yang berasal dari alam dan dapat diperbaharui. Bila dikelola dengan baik,

sumber daya itu tidak akan habis (www.dw-world_de).

Pemanfaatan energi terbarukan sudah mulai banyak diketahui dan di

manfaatkan untuk berbagai keperluan, kususnya di tempat-tempat terpencil

dimana ketersedian sumber-sumber energi komersial (pada umumnya bahan bakar

minyak – BBM) masih langka dan “mahal”.

Indonesia, di satu pihak merupakan negara kepulauan sehingga

transportasi energi komersial akan tetap menjadi kendala bagi penyediaan energi

yang murah di tempat-tempat terpencil tersebut diatas. Di lain pihak, Indonesia

memiliki potensi sumber energi terbarukan yang cukup besar. Di masa

mendatang, potensi pengembangan sumber energi terbarukan mempunyai peluang

besar dan bersifat strategis mengingat sumber energi terbarukan merupakan

sumber energi bersih, ramah lingkungan, dan berkelanjutan.

Berdasarkan data penyinaran matahari yang dihimpun dari 18 lokasi di

Indonesia menunjukan bahwa radiasi surya di Indonesia dapat diklasifikasikan

berturut-turut untuk kawasan barat dan timur Indonesia dengan distribusi

penyinaran :


21/97

3

Kawasan Barat Indonesia (KBI) = 4.5 kWh/m2.hari, variasi bulanan sekitar 10%

Kawasan Timur Indonesia (KTI) = 5.1 kWh/m2

.hari, variasi bulanan sekitar 9%

---------------------------------------------------------------------------------------------

Rata-rata Indonesia = 4.8 kWh/m2.hari, variasi bulanan sekitar 9%

Hal ini menunjukkan bahwa:

- radiasi surya tersedia hampir merata sepanjang tahun,

- kawasan timur Indonesia memiliki penyinaran yang lebih baik.

Energi surya dapat dimanfaatkan untuk penyediaan jasa energi melalui 2 macam

teknologi yaitu energi surya termal dan surya fotovoltaik.

Sistem pemanas udara dengan energi surya adalah merupakan

pemanfaatan energi radiasi matahari yang banyak digunakan orang. Salah satu

tahapan pengembangan sistem ini adalah untuk meningkatkan efisiensi kolektor.

Untuk itu diperlukan pengukuran parameter-parameter yang mempengaruhi

efisiensi termal kolektor, misalnya temperatur udara masuk dan temperatur udara

keluar dari kolektor, intensitas radiasi matahari, laju aliran udara melalui kolektor

dan temperatur udara sekitarnya (www.jbptitbpp-gdl-s2-1990-sibukginti-1745 -

Departemen Teknik Sipil ITB - GDL 4_0.htm).

Kolektor surya tersusun dari plat penyerap yang mempunyai konduktivitas

termal yang baik. Permukaannya bisa plat bergelombang atau datar. Selain plat

penyerap, kolektor surya juga tersusun atas isolator dan satu atau lebih penutup

tembus cahaya pada bagian atasnya biasanya yang digunakan adalah kaca. Dari

penelitian kolektor plat datar sebelumya bahwa Jenis kaca yang paling tepat

digunakan adalah kaca bening dengan tebal 3 mm (Ekadewi Anggraini Handoyo,

2002).


22/97

4

Pada penelitian kali ini akan menggunakan 2 buah kolektor dengan plat

penyerap datar dengan kaca bening 3 mm. Variasi yang dilakukan adalah

memvariasi jarak dan variasi sudut. Variasi jarak, yaitu 3 cm, 6 cm, dan 9 cm.

Variasi sudut, yaitu 100, 200, 300, dan 400. dengan menggunakan 2 buah kolektor

diharapkan dapat membandingkan setiap variasinya dalam satu waktu, sehingga

didapatkan jarak kaca dan sudut yang dapat menghasilkan perbedaan temperatur

masukan-keluaran dan efisiensi yang lebih tinggi.

1.2 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk:

1. Merancang dan membuat kolektor surya dengan menggunakan plat datar

yang sederhana dan mengetahui pengaruh jarak kaca penutup terhadap

perbedaan temperatur input-output.

2. Mengetahui pengaruh sudut kemiringan kolektor terhadap perbedaan

temperatur input-output.

3. Mengetahui pengaruh jarak kaca penutup dan pengaruh sudut kemiringan

kolektor terhadap efisiensi kolektor.

1.3 Perumusan Masalah

Berdasarkan uraian diatas, rumusan masalah yang akan dipecahkan adalah:

1. Bagaimana perancangan dan pembuatan kolektor surya dengan

menggunakan plat datar yang sederhana dan bagaimana pengaruh jarak

kaca penutup terhadap perbedaan temperatur input-output?


23/97

5

2. Bagaimana pengaruh sudut kemiringan kolektor terhadap perbedaan

temperatur input-output?

3. Bagaimana pengaruh jarak kaca penutup dan pengaruh sudut kemiringan

kolektor terhadap efisiensi kolektor?

1.4 Pembatasan Masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini adalah perancangan dan pengujian

kolektor panas surya plat datar untuk pemanas udara, suhu keluaran yang

dihasilkan oleh kolektor, pada variasi jarak satu kaca penutup yaitu 3cm, 6cm, dan

9cm; dan menggunakan variasi sudut kemiringan kolektor surya sebesar 100, 200,

300, dan 400.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat yang didapat dari penelitian ini adalah:

1. Dapat menambah pengetahuan dalam perancangan dan pembuatan

kolektor surya plat datar.

2. Dapat digunakan untuk penelitian lebih lanjut dengan berbagai variasi

sehingga efisiensi yang paling baik akan didapatkan.

3. Dapat digunakan sebagai salah satu pemanfaatan sumber energi yang

ramah lingkungan dan tidak akan habis.

4. Dapat dikembangkan menjadi teknologi yang aplikatif bagi manusia.


24/97

6

1.6 Sistematika Penulisan

Sistem penulisan penelitian ini terdiri dari:

1. Bab Pertama, Pendahuluan, berisi tentang : latar belakang, tujuan

penelitian, rumusan masalah, pembatasan masalah, manfaat penelitian, dan

sistematika penulisan.

2. Bab Kedua, Tinjauan Pustaka, berisi tentang : energi dan pemanfaatanya,

tinjauan perpindahan panas, tinjauan mekanika fluida, posisi matahari,

macam-macam kolektor panas surya, dan cara kerja kolektor termal.

3. Bab ketiga, Metode Penelitian yang meliputi: tempat dan waktu

pengambilan data, perancangan kolektor surya plat datar, metode

pengujian kolektor surya plat datar, prosedur penelitian, dan teknik analisa

data.

4. Bab keempat, Hasil dan Pembahasan yang meliputi: intensitas radiasi

surya, temperatur kolektor surya, dan efisiensi kolektor surya.

5. Bab kelima, Penutup yang meliputi Kesimpulan dan Saran.


25/97

7

Bab II

DASAR TEORI

2.1. Energi matahari dan pemanfaatannya

Sebagai bintang yang paling dekat dari planet biru Bumi yang berjarak

sekitar 150 juta km, pancaran energi matahari mempengaruhi dinamika atmosfer

dan kehidupan di Bumi secara alami. Radiasi matahari yang terpancar dari

matahari dapat menembus ruang antar planet sehingga menyebabkan fluktuasi

kelimpahan dan komposisi kimia planet-planet dalam keluarga matahari. Energi

yang datang ke Bumi sebagian besar merupakan pancaran radiasi matahari. Energi

ini kemudian ditransformasikan menjadi bermacam-macam bentuk energi,

misalkan pemanasan permukaan Bumi, gerak dan pemanasan atmosfer,

fotosintesa tanaman dan reaksi fotokimia lainnya ( http://www.as.itb.ac.id).

Matahari yang setiap hari memancarkan sinarnya ke bumi dan juga ke

planet-planet lain yang ada pada tatasurya, adalah sumber kehidupan bagi semua

makhluk hidup yang ada di bumi ini. Pemancaran energi matahari yang sampai ke

bumi telah berlangsung terus menerus sejak kurang lebih 5.000.000.000 tahun

yang lalu (http://www.elektroindonesia.com)

Menggunakan energi pada dasarnya memanfaatkan efek perpindahan

energi. Ada dua jenis perpindahan energi, yakni kerja (work ) dan perpindahan

panas (heat transfer ). Kerja dipicu oleh perbedaan potensi mekanik atau elektrik,

dan perpindahan panas dipicu oleh perbedaan temperatur. Bila dicermati, maka

sumber-sumber energi yang umum digunakan manusia bisa digolongkan

http://www.as.itb.ac.id/http://www.elektroindonesia.com/http://www.elektroindonesia.com/http://www.as.itb.ac.id/


26/97

8

berdasarkan bentuk energinya, misalnya bentuk energi angin adalah kinetik,

bentuk energi air adalah potensial, dan bentuk energi matahari adalah internal.

Energi angin dan air berpindah melalui kerja, sedangkan energi matahari

berpindah melalui perpindahan panas. Bahan bakar fosil (minyak, gas, dan

batubara) yang saat ini merupakan energi dominan di dunia juga tergolong dalam

bentuk energi internal.

Dalam pemilihan sumber energi, setidaknya terdapat empat parameter

penting yang patut diperhatikan, yakni: jumlah/cadangan energi, kerapatan energi

(energy density [energi per volume sumber energi]), kemudahan penyimpanan

energi, dan kemudahan perubahan/perpindahan energi. Bila kemudian faktor

lingkungan juga diperhitungkan, maka efek pencemaran lingkungan juga menjadi

parameter penting bagi sebuah sumber energi. Energi (sinar) matahari paling

unggul di sisi jumlah/cadangan energi dan faktor lingkungan, namun masih

bermasalah dalam hal kerapatan energi. Diperlukan riset yang lebih dalam untuk

menghasilkan alat konversi energi sinar matahari dengan efisiensi tinggi

(www.beritaiptek.com).

2.2. Tinjauan perpindahan panas

Sebagai suatu gambaran mengenai tiga cara perpindahan panas dalam

sebuah alat pemanas cairan surya, panas mengalir secara konduktif sepanjang

pelat penyerap dan melalui dinding saluran. Kemudian panas dipindahkan ke

fluida dalam saluran dengan cara konveksi, apabila sirkulasi dilakukan dengan

sebuah pompa, maka disebut konveksi paksa. Pelat penyerap yang panas itu

http://www.beritaiptek.com/http://www.beritaiptek.com/


27/97

9

melepaskan panas ke pelat penutup kaca (umumnya menutupi kolektor) dengan

cara konveksi alamiah dan dengan cara radiasi. Prinsip perpindahan panas terdiri

dari tiga cara:

A. Konduksi

Panas mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke

daerah yang bertemperatur rendah. Laju perpindahan panas konduksi dapat

dinyatakan dengan hukum Fourier sebagai berikut (Jasjfi,1995):

−=

dx

dT kAq (2.1)

Dimana q adalah laju perpindahan panas, W; k adalah konduktivitas termal,

W/(m.K); A adalah luas penampang yang tegak lurus pada aliran panas m2 dan

dT/dx adalah gradien temperatur dalam arah aliran panas, -K/m.

B. Konveksi

Udara yang mengalir di atas suatu permukaan logam pada sebuah alat

pemanas udara surya, dipanasi secara konveksi. Apabila aliran udara disebabkan

oleh sebuah blower, kita menyebutnya sebagai konveksi paksa; dan apabila

disebabkan oleh gradien massa jenis, maka disebut konveksi alamiah.

Pada umumnya, laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan

persamaan sebagai berikut (Jasjfi, 1995):

)( f w T T hAq −= (2.2)

di mana q adalah laju perpindahan panas, W; h adalah koefisien konveksi,

W/(m2.K); A adalah luas permukaan, m2; wT adalah temperatur dinding; dan f T

adalah temperatur fluida, K. Umumnya koefisien konveksi h dinyatakan dengan


28/97

10

parameter tanpa dimensi yang disebut bilangan Nusselt (Arismunandar, 1985).

Koefisien konveksi pada bidang datar sepanjang x dapat dinyatakan

(Prijono, 1986 ) :

k N h uc = (2.3)

dimana ch adalah koefisien perpindahan panas secara konveksi (W/m2.K), k

adalah konduktivitas termal (W/m.K) dan x adalah panjang lintasan bidang datar,

u N adalah bilangan nusselt.

Untuk pemanas surya yang bekerja dalam daerah bilangan Reynolds antara

2000 sampai 10000, Shewen dan Holland telah menganjurkan nilai bilangan

Nusselt sebesar (Arismunandar, 1985):

u N = 0,00269. Re (2.4)

Bilangan Reynold di atas 2000 untuk aliran turbulen, dan di bawah 2000 untuk

aliran laminer. Bilangan Reynold dapat dirumuskan (Arismunandar, 1985):

µ

ρie

vd R = (2.5)

Dimana e R adalah bilangan Reynold, v adalah kecepatan rata - rata dari

fluida (m/s), id adalah diameter pipa (m), ρ adalah massa jenis (kg/m3), µ adalah

viskositas dinamik (kg/m.s).

Untuk saluran tidak berpenampang lingkaran, seperti pemanas udara surya

dengan penampang lintang yang lebar dan sempit, diameter pipa dapat diganti

dengan diameter hidrolik. Untuk saluran segi empat panjang dengan b kecil

dibanding dengan w (b


29/97

11

adalah tinggi kolektor surya atau jarak plat ke kaca penutup diatasnya

(Arismunandar, 1985).

bbw

bw Dh 2

22

4≈

+= (2.6)

Jadi diameter hidrolik adalah dua kali jarak b antara plat-plat. Untuk bilangan

Reynolds di bawah 2000, aliran adalah laminer, dalam lapisan, dan

menggambarkan jenis aliran yang terdapat di dalam pipa pemanas cairan surya.

Untuk pemanas udara surya dengan aliran turbulen, bilangan Reynolds biasanya

berkisar antara 2000 dan 10000. Dimana aliran laminer adalah suatu aliran yang

terjadi atas lapisan – lapisan (lamina) yang bergerak terhadap satu sama lain,

seperti dalam aliran bergaris alir. Sedangkan aliran turbulen adalah aliran yang

kecepatan alirnya di titik–titik yang tetap letaknya berginjal (fluktuatif) dengan

waktu secara hampir acak, gerak alirannya pada dasarnya bergolak, dimana laju

perpindahan momentum dan massa cukup besar dibandingkan dengan laju

perpindahan momentum dan massa pada aliran laminer.

C. Radiasi

Perpindahan panas dari radiasi total benda hitam yang sempurna sebanding

dengan pangkat empat dari temperatur benda tersebut. Ini merupakan hukum

Stefan-Boltzman sehingga dapat dituliskan sebagai berikut (Beiser, 1981) :

4 AT E σ= (2.7)

Dimana σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang besarnya

81067.5 −× W/m2.K 4, A adalah luas penampang benda (m2), T adalah temperatur

mutlak benda (K).


30/97

12

Laju perpindahan panas radiasi termal antara dua bahan ideal (benda

hitam) dinyatakan (Arismunandar, 1985):

)( 424

1 T T Aqr −= σ (2.8)

Dimana r q adalah laju perpindahan panas secara radiasi (Watt/m2), σ adalah

konstanta Stefan-Boltzman yang besarnya 81067.5 −× W/m2.K 4, A adalah luas

penampang permukaan benda (m2), 1T adalah temperatur mutlak benda pertama

(K) dan 2T adalah temperatur mutlak benda benda kedua (K).

2.3. Tinjauan mekanika fluida

Viskositas

Viskositas merupakan sifat yang menentukan karakteristik fluida yaitu

ukuran tahanan fluida terhadap tegangan geser. Viskositas dinamik didefinisikan

sebagai perbandingan antara tegangan geser dan laju regangan geser. Untuk

distribusi kecepatan linear, seperti terlihat dalam Gambar 2.1, maka viskositas

dinamik dapat dirumuskan (Arismunandar, 1985):

d V

A F

=µ (2.9)

dan satuannya adalah [Newtons/m2]/[m/(s.m)] = N/m2.s = Pa.s atau pascal detik.

Untuk 1N = 1 kg.m/s2. Viskositas kinematik adalah

ρ

µµ d k = (2.10)

satuan dari viskositas kinematik adalah [(N/m2.s)/(kg/m3 )].


31/97

13

Plat dengan luas A bergerak

F dengan kecepatan V

d

Gambar 2.1 Viskositas fluida

2.4. Posisi Matahari

Untuk menghitung komponen langsung dari pemasukan radiasi surya pada

sebuah permukaan miring dari data radiasi pada sebuah permukaan horisontal,

posisi matahari pada tiap saat harus diketahui.

2.4.1 Persamaan untuk sudut Zenit

Dari gambar 2.2 sudut zenit z diperlihatkan sebagai sudut antara zenit z,

atau garis lurus diatas kepala, dan garis pandang ke matahari. Pengamat P kini

ditempatkan dalam gambar 2.3, dengan sudut ZP (matahari) sebagai sudut zenit

z , dan garis lintang (latitude) dari P sama dengan φ .

V


32/97

14

Sudut

zenit

W

P

N

S

E

Z

θZ

θA

Permukaan

horisontal

Sudut azimut

Gambar 2.2 Sudut Zenit θz dan sudut azimut θA yang ditetapkan

Diketahui NP sama dengan φ−090 . Apabila sebuah garis ditarik dari pusat bumi,

O, ke matahari, maka garis ini memotong permukaan bumi di Q. sudut δ antara

bidang datar ekuator (khatulistiwa) dan OQ (matahari) disebut deklinasi (Gambar

2.4).

Dengan sudut POQ yang juga sama dengan z , maka busur PQ juga sama

dengan z . sudut PNQ sama dengan ω pada bidang ekuatorial, disebut sudut jam.

Karena bumi berputar mengelilingi sumbunya satu kali setiap 24 jam, maka sudut

jam ω sama dengan 150 per jam. Sudut ini dapat didefinisikan sebagai sebuah

sudut yang harus dikelilingi bumi untuk membawa pengamat P langsung di bawah

matahari. Persamaan untuk sudut zenit dapat dirumuskan (Arismunandar, 1985):

ωφδφδθ coscoscossinsincos += z (2.11)

Desklinasi δ , yaitu sudut yang dibentuk oleh matahari dengan bidang

ekuator, ternyata berubah sebagai akibat kemiringan bumi, dari +23,450 musim


33/97

15

panas (21 Juni) ke-23,450 di musim dingin (21 Desember). Lihat gambar 2.3 dan

Gambar 2.4.

Gambar 2.3 Posisi Matahari

Gambar 2.4 Deklinasi Matahari, posisi dalam musim panas

Harga deklinasi pada tiap saat dapat diperkirakan dengan dari persamaan

berikut ini (Arismunandar, 1985):

−×=

365

284360sin45,23

nδ (2.12)

di mana n adalah hari dari tahun yang bersangkutan.


34/97

16

Sudut jam ω dari definisi di atas, adalah sama dengan nol pada tengah hari

surya (solar noon), negatif untuk pagi hari dan positif untuk sore hari.

2.4.2 Intensitas Radiasi pada bidang miring

Radiasi pada suatu permukaan miring biasanya dihitung. Dalam bagian ini

dipertimbangkan metode untuk menghitung komponen radiasi pada suatu

permukaan miring, yaitu komponen sorotan I bT .

Komponen sorotan I bT diperoleh dengan mengubah radiasi sorotan pada

permukaan horizontal menjadi masuk normal dengan mengunakan sudut zenit,

dan kemudian mendapatkan komponen pada permukaan miring dengan

menggunakan sudut masuk.

Intensitas radiasi langsung atau sorotan per jam pada sudut masuk normal

I bn, dari Gambar 2.5 adalah (Arismunandar, 1985):

z

bn

I I

θcos= (2.13)

di mana I adalah radiasi sorotan pada suatu permukaan horizontal dan cos θ z

adalah sudut zenit yang ditentukan dari pers (2.11). Dengan demikian, untuk

semua permukaan yang dimiringkan dengan sudut β terhadap bidang horizontal

(Gambar 2.5), intensitas dari komponen sorotan adalah:

z

T T bnbT I I I

θ

θθ

cos

coscos == (2.14)

di mana θT disebut sudut masuk, dan didefinisikan sebagai sudut antara arah

sorotan pada sudut masuk normal dan arah komponen tegak lurus (900) pada

permukaan bidang miring.


35/97

17

Apabila permukaan dimiringkan dengan suatu sudut β terhadap horizontal,

maka hal itu adalah sama dengan apabila bumi diputar dengan arah jarum jam

sebesar sudut β, dan permukaannya tetap berada pada kedudukan yang sama,

Gambar 2.6. Hubungan untuk θ z untuk garis lintang φ - β kemudian dapat

digunakan untuk permukaan yang dimiringkan pada garis lintang φ. Karena garis

lintang ditentukan dari bidang ekuator, yaitu bahwa permukaan itu dimiringkan ke

selatan bagi hemisfer bagian utara.

Gambar 2.5 Radiasi Sorotan setiap jam pada permukaan miring dan pengukuran I

Gambar 2.6 Penentuan cos θT


36/97

18

Maka persamaan untuk sudut θT , yaitu sudut masuk, adalah

( ) ( ) ωβφδβφδθ coscoscossinsincos −+−=T (2.15)

Dari pers. (2.14), (2.11), dan (2.15), radiasi sorotan I bT pada permukaan miring

selanjutnya dapat dihitung dari radiasi sorotan (terukur) I pada sebuah permukaan

horizontal (Arismunandar, 1985).

( ) ( )

ωφδφδ

ωβφδβφδ

coscoscossinsin

coscoscossinsin

+−+−

= I I bT (2.16)

2.5. Macam - macam kolektor panas surya

2.5.1 Kolektor surya plat datar

Kolektor surya plat datar merupakan jenis kolektor yang banyak dipakai

dan banyak digunakan untuk pemanas air surya dan pemanas udara surya.

Kolektor surya plat datar terdiri dari plat penyerap yang mempunyai konduktivitas

termal baik yang berhubungan dengan pipa – pipa (saluran) yang mengalirkan

cairan pada sistem pemanas air, penutup transparan dan insulasi. Energi radiasi

yang datang ditransmisikan melalui penutup transparan dan diubah menjadi panas

oleh plat penyerap dimana di bagian dasar plat penyerap diberi insulasi. Skema

kolektor surya plat datar dapat ditunjukkan pada gambar 2.7 :


37/97

19

Gambar 2.7 Skema kolektor surya plat datar

2.5.2 Kolektor terkonsentrasi

Kolektor ini mempunyai sistem pencerminan yang lebih besar untuk

memfokuskan berkas radiasi sinar matahari pada pipa – pipa yang mengalirkan

fluida. Cermin – cermin berfungsi sebagai reflektor dan dihubungkan dengan

sistem mekanik, sehingga dapat mengikuti pergerakan matahari sepanjang hari.

Kolektor ini mampu menghasilkan panas yang lebih besar daripada kolektor plat

datar tetapi kolektor ini sangat mahal dan sangat rumit untuk digunakan. Skema

kolektor terkonsentrasi dapat ditunjukkan pada gambar 2.8 :

Gambar 2.8 Skema kolektor terkonsentrasi


38/97

20

Pada kolektor terkonsentrasi tedapat cermin cekung. Untuk matahari yang

berjarak takhingga maka berkas cahaya yang mencapai cermin cekung akan tepat

pararel. Untuk membentuk bayangan yang tajam, berkas-berkas itu harus menuju

ke satu titik. Jika cermin tersebut kecil dibandingkan dengan radius

kelengkungannya, sehinga berkas yangterpantul hanya membentuk sudut kecil

pada saat terpantul, maka berkas tersebut akan saling menyilang pada titik yang

hampir sama atau fokus, seperti pada gambar 2.9.

Gambar 2.9 Berkas-berkas cahaya yang pararel terhadap sumbu utama cermin cekung

Berkas-berkas cahaya yang pararel terhadap sumbu utama cermin cekung

akan terfokus pada F , yang disebut titik fokus, selama cermin memiliki lebar yang

kecil dibandingkan dengan radius kelengkungannya (r ). Jarak dari F ke pusat

cermin adalah panjang FA, disebut panjang fokus ( f ), dari cermin tersebut. Cara

lain untuk mendefinisikan titik fokus adalah dengan mengatakan bahwa titik ini

merupakan titik bayangan dari suatu benda yang jauh tak terhingga sepanjang

sumbu utama. Radiasi sinar matahari yang datang ke cermin cekung akan

dipantulkan ke titik fokus F (Giancoli, 1998).


39/97

21

Pada kolektor ini jika medium dalam pipa yang dipanaskan adalah air,

maka air dingin setelah melewati kolektor ini akan menjadi panas. Air panas yang

didapatkan disimpan dalam suatu sistem penyimpanan panas yang cukup dengan

dindingnya dibuat dari bahan isolator, sehingga dapat digunakan pada malam hari

atau pada hari-hari mendung. Karena dengan menggunakan kolektor

terkonsentrasi maka air di dalam pipa dapat melebihi suhu didih air, maka uap air

dapat dipakai untuk memutar turbin (Culp, 1991).

2.5.3 Kolektor tabung terevakuasi

Kolektor ini tersusun dari tabung – tabung kaca yang terevakuasi. Setiap

tabung terdiri dari plat penyerap tipis yang melekat pada pipa didalam tabung

kaca. Keadaan vakum didalam tabung kaca mencegah kehilangan panas dan

temperatur air yang dapat dihasilkan oleh kolektor ini diatas 100 0 C. Air panas

yang dihasilkan dapat digunakan untuk proses industri. Skema kolektor tabung

terevakuasi dapat ditunjukan pada gambar 2.10 :

Gambar 2.10 Skema kolektor tabung terevakuasi


40/97

22

2.5.4 Kolektor pasif

Kolektor pasif menyerap radiasi matahari dan mengubahnya menjadi

energi panas secara alamiah. Energi yang dipindahkan secara konduksi, konveksi,

radiasi, dan perpindahan panas secara transport alami tanpa mengunakan kipas.

Kolektor pasif ini digunakan untuk pemanas ruangan. Contohnya adalah

penyimpan panas berupa dinding kaca atau bahan lain yang dapat menyerap dan

menyimpan panas. Permukaan luar dinding ini dipanas oleh matahari, kemudian

panas tersebut secara perlahan dipindahkan melalui dinding kepermukaan dalam,

dan dikonveksikan juga diradiasikan ke ruangan dalam yang akan dipanaskan

(Arismunandar, 1985).

2.6. Cara kerja kolektor termal

2.6.1 Proses perpindahan panas pada kolektor termal

Perpindahan panas kolektor termal energi surya terdiri dari tiga proses

yaitu: konduksi, konveksi, dan radiasi.

1 Konduksi pada kolektor termal

Proses konduksi panas kolektor termal energi surya terjadi pada kaca

transparan dan plat penyerap. Karena nilai konduktivitas bahan plat penyerap

lebih tinggi dibanding konduktivitas bahan kaca transparan maka temperatur plat

penyerap selalu lebih tinggi daripada temperatur kaca penyerap.

Konduksi pada plat penyerap akan dilanjutkan menuju isolator yang

terletak di lapisan bawah plat penyerap. Laju perpindahan panas melalui proses

konduksi pada saluran pemanas udara surya dengan lebar w (m), tinggi b (m),


41/97

23

tebal insulator t (m), panjang L (m), temperatur luar 0T (K), dan temperatur dalam

iT (K). Laju perpindahan panas dari kolektor panas surya plat datar akan

sebanding dengan besarnya konduktivitas bahan penyerap, luasan plat penyerap

dan arah dari laju perpindahan panas akan menuju ke insulator dibawahnya.

Pemberian bahan insulator untuk memperkecil laju perpindahan panas. Sehingga

pemilihan bahan insulator harus bahan yang mempunyai konduktivitas yang

sangat kecil.

2 Konveksi pada kolektor termal

Proses perpindahan panas secara konveksi pada kolektor surya plat datar

dengan satu kaca penutup terjadi pada dua tempat, yaitu antara kaca transparan

dengan atmosfer dan antara plat penyerap dengan kaca transparan.

A Konveksi alami antara kaca penutup ke atmosfer

Harga wh koefisien konveksi angin (Wiranto Arismunandar, 1985)

dinyatakan dengan :

8,37,5 +=wh v (2.17)

Dimana wh adalah koefisien konveksi angin (W/(m2.K))

v adalah kecepatan angin (m/s).

Laju perpindahan panas secara konveksi antara kaca transparan dengan

atmosfer dinyatakan :

)( sk wc T T Ahq −= (2.18)


42/97

24

Di mana cq adalah laju perpindahan secara konveksi (Watt), A adalah luas

permukaan (m2), k T temperatur permukaan kaca (K) dan sT temperatur langit

(K).

B .Konveksi antara plat penyerap dengan kaca transparan

Laju perpindahan panas melalui proses konveksi antara plat penyerap

dengan kaca transparan dinyatakan dengan persamaan :

)( k p pk c T T Ahq −= (2.19)

dimana pk h adalah koefisien konveksi transfer panas plat-kaca (W/m2.K), A

adalah luas permukaan (m2), pT temperatur permukaan plat penyerap (K) dan k T

temperatur permukaan kaca (K).

3 Radiasi pada kolektor termal

Proses radiasi pada kolektor termal energi surya juga terjadi di dua tempat,

yaitu antara kaca transparan dengan lingkungan dan antara plat penyerap dengan

kaca transparan.

A. Radiasi antara kaca transparan dengan lingkungan

Laju perpindahan panas melalui proses radiasi antara kaca transparan

dengan lingkungan dapat dinyatakan dalam persamaan :

)(.. 44 ak k r T T Aq −= εσ (2.20)

dimana r q adalah laju perpindahan panas secara radiasi (Watt), A luas permukaan

kaca (m2), εk emisivitas kaca, k T temperatur mutlak permukaan kaca (K) dan aT

adalah temperatur mutlak lingkungan (K).


43/97

25

B. Radiasi antara plat penyerap dengan kaca transparan

Laju perpindahan panas secara radiasi antara plat penyerap dengan kaca

transparan dapat dinyatakan dengan persamaan:

1

).(.

11

44

−+

−=

k p

k p

r

T T Aq

εε

σ (2.21)

Dimana r q adalah laju perpindahan panas secara radiasi (Watt), A adalah luas

penampang permukaan plat (m2), σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang

besarnya 81067.5 −× W/m2.K 4, pT adalah temperatur mutlak plat (K), k T adalah

temperatur permukaan kaca (K), k pdanεε adalah emisivitas plat penyerap dan

emisivitas kaca. Dimana emisivitas sendiri adalah kemampuan suatu benda untuk

memancarkan suatu bentuk energi.

Pada proses transfer panas kolektor panas surya dapat dilihat pada gambar 2.10.

Radiasi matahari

Konveksi dan RadiasiDari kaca ke lingkungan

Insulator Plat PenyerapKonveksi dan radiasi

Antara kaca pertama dan plat penyerap

Konveksi dan radiasi

Antara kaca pertama dan kaca kedua

Konduksi melalui insulator

Kaca penutup

Refleksi

Tarnsmisi

Gambar 2.11 Proses transfer energi panas pada kolektor


44/97

26

2.6.2 Kesetimbangan laju energi panas kolektor termal

Kesetimbangan laju energi panas pada kolektor termal dapat dinyatakan

dengan persamaan :

l iu qqq −= (2.22)

Dimana uq adalah energi yang dipakai (J/s), iq adalah energi yang masuk (J/s)

dan Lq adalah energi yang hilang (J/s).

1 Laju energi panas yang masuk, qi

Laju energi panas yang masuk pada kolektor termal energi surya (J/s)

dipengaruhi oleh I bT jumlah intensitas radiasi matahari pada permukaan miring

(watt/m2), A p luas plat penyerap kolektor termal (m2), dan hasil kali transmivisitas

kaca penutup-absorbsivitas plat penyerap (τ.α). dinyatakan dengan persamaan :

)..(. ατbT pi I Aq = (2.23)

2 Laju energi panas yang hilang, ql

Tidak semua energi panas yang masuk dapat dipakai seluruhnya sebab ada

faktor kerugian panas pada kolektor termal. Kerugian panas ini terjadi pada

bagian atas kolektor panas surya yang disebut kerugian panas bagian atas dan

pada bagian bawah kolektor panas surya disebut kerugian panas bagian bawah.

Dimana jumlah dari kedua kerugian panas merupakan kerugian panas total.

a. Kerugian laju energi panas bagian atas (top loss) q tl

Panas yang hilang dari bagian atas plat penyerap disebabkan oleh konveksi

alam dan radiasi dari permukaan plat penyerap ke permukaan bagian dalam kaca

transparan. Panas tersebut lalu dikonduksi oleh kaca transparan menuju


45/97

27

permukaan bagian luarnya, yang selanjutnya dipindahkan ke atmosfer secara

konveksi dan radiasi.

b. Kerugian laju energi panas bagian bawah (bottom loss) q bl

Proses kehilangan panas pada bagian bawah dari plat penyerap yang

menuju ke lingkungan sebanding dengan konduksi yang melewati insulator dan

juga dipengaruhi oleh konveksi, radiasi dari insulator ke lingkungan. Pada

keadaan setimbang, panas yang hilang dari plat penyerap menuju insulator akan

sebanding dengan panas yang hilang dari insulator menuju ke lingkungan.

3. Laju energi panas yang digunakan

Laju energi panas yang keluar dari kolektor termal energi surya dapat

dinyatakan dalam persamaan (Duffie dan Beckman, 1991):

qu =•

m .C p.(T 0 – T 1 ) (2.24)

Dimana qu adalah laju energi panas yang keluar (J/s),•

m adalah laju aliran massa

udara dalam saluran kolektor termal (kg/s), C p adalah panas jenis udara (J/kg.K),

T 0 adalah temperatur udara yang keluar dari kolektor termal (K), dan T l adalah

temperatur udara yang masuk kolektor termal (K).

2.6.3 Efisiensi kolektor termal, η

Definisi dari efisiensi kolektor panas surya yaitu perbandingan antara

energi yang digunakan dengan jumlah energi surya yang diterima pada waktu

tertentu. Parameter-parameter yang menentukan efisiensi termal adalah I bT

intensitas radiasi yang datang ke permukaan kolektor panas surya (W/m2), p A


46/97

28

luas permukaan kolektor panas surya (m2), faktor hasil kali transmisivitas dan

absobsivitas (τα ), laju aliran massa udara •m , temperatur masuk menuju kedalam

kolektor iT , dan besarnya temperatur yang keluar meninggalkan kolektor panas

surya 0T , GT adalah besarnya intensitas radiasi yang masuk dan diserap oleh plat

penyerap pada kolektor panas surya (W/m2), uq adalah laju perpindahan panas

kolektor panas surya (joule/s) .

Energi radiasi yang mengenai bahan mengalami beberapa proses dimana

sebagian energinya dipantulkan, sebagian lagi diserap, dan sebagian lagi

diteruskan. Dimana fraksi yang dipantulkan disebut fraksi refleksivitas ( )ρ , fraksi

yang diserap disebut fraksi absorbsivitas ( )α , dan fraksi yang diteruskan disebut

fraksi transmisivitas ( )τ . Perbandingan antara fluks yang diserap oleh plat

penyerap dengan fluks yang mengenai kaca penutup merupakan hasil kali

transmisivitas dengan absorbsivitas. Berkas radiasi matahari yang mengenai

permukaan kolektor panas surya ditunjukan oleh faktor ( )τα . Faktor ini

merupakan hasil kali transmisivitas dan absorbsivitas. Kita dapat mengasumsikan

bahwa kaca penutup tidak menyerap radiasi matahari sehingga semua radiasi

matahari dapat diteruskan ke plat penyerap. Tapi bila untuk menghitung reduksi

laju panas yang hilang karena penyerapan radiasi oleh kaca penutup sangat kecil

dibandingkan yang diserap plat penyerap. maka efisiensi kolektor panas surya

dapat dinyatakan (Duffie dan Beckman, 1991):

T p

u

G A

q=η (2.25)


47/97

29

bT p

i p

I A

T T C m

)(

)( 0

τα

η−

=

•

(2.26)

Laju aliran massa udara merupakan jumlah massa udara yang mengalir tiap satuan

waktu dan dapat dinyatakan sebagai berikut :

uu t

V

t

mm

ρ==

•

(2.27)

Dengan m adalah massa udara (kg), ut adalah waktu pergerakan udara dari ujung

satu ke ujung yang lain dari kolektor panas surya (s), V adalah volume udara yang

mengalir dari ujung satu ke ujung lain dari kolektor panas surya (m3) dan ρ

kerapatan udara (Kg/m3).

Massa udara yang bergerak dipengaruhi oleh kerapatan udara pada saat itu.

Harga kerapatan udara berbanding terbalik dengan temperatur. Dimana harga

temperatur input pada suatu penelitian tentu tidak semuanya akan sama dengan

harga temperatur input pada grafik sehingga harga kerapatan udara dapat dicari

dengan persamaan garis sebagai berikut :

y = -0,0022 x + 1,2009 (2.28)

dimana y adalah harga kerapatan udara yang dicari (kg/m3) dan x adalah

temperatur udara yang diukur (

0

C).


48/97

30

y = -0,0022x + 1,2009

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

1,5

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperatur (oC)

K e r a p a

t a n u

d a r a

( k g

/ m 3 )

Gambar 2.12 Tabel Hubungan Kerapatan Udara dengan Temperatur(Jensen dalam Wiranto Arismunandar, 1985).

Kapasitas panas dinyatakan dengan C merupakan jumlah panas yang

diperlukan untuk menaikkan suhu sebesar C 01 , dan mempunyai kesebandingan

dengan temperatur maka persamaan garis lurus dapat ditulis berdasarkan grafik :

y = 0,1309x + 1000,7

980

1000

1020

1040

1060

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperatur(oC)

K a p a s i t a s P a n a s U d a

r a

( J / ( k g . o

C )

Gambar 2.13 Tabel Hubungan Kapasitas Panas dengan Temperatur(Jensen dalam Wiranto Arismunandar, 1985).

y = 0,1309 x + 1000,7 (2.29)

dimana y adalah harga kapasitas panas (J/kg0C) dan x adalah nilai temperatur (0C).


49/97

31

y = 0,004x + 1,7545

1,7

1,9

2,1

2,3

2,5

2,7

2,9

3,1

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperatur (0C)

V i s k o s

i t a

D i n a m

i k ( P a . s )

1 X 1 0 - 5

Gambar 2.14 Tabel Hubungan Viskositas dinamik dengan Temperatur

(Jensen dalam Wiranto Arismunandar, 1985).

7545,1004.0 += x y (2.30)

dimana y adalah harga Viskositas dinamik (Pa.s) dan x adalah temperatur (0C)


50/97

32

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Pengambilan Data

1 Tempat

Pengujian daya kerja (performance) dilakukan di halaman Belakang

Laboratorium Pusat UNS Surakarta yang berada pada geografis 110 45’ 15’’- 110

45’ 35’’ BT dan 7 36’- 7 56’ LS (www.surakarta.go.id).

2 Waktu

Sedangkan waktu pengujian kolektor dari pukul 10:00 sampai dengan pukul

14:00 selama 8 hari dari tanggal 30 Novembar 2005 sampai 7 Desember 2005.

3.2 Perancangan Kolektor Surya Plat Datar

1 Bahan

a Triplek dengan ukuran 90 cm x 120 cm dan tebal 5 mm.

b Kaca bening dengan ukuran 90 cm x 120 cm dan tebal 3 mm.

c Glasswoll dan sabut kelapa sesuai luasan dari plat penyerap dan kaca

penutup.

d Plat penyerap dengan ukuran 90 cm x 120 cm dari bahan seng.

e Lis kayu dengan berbagai ukuran.

f Paku dan bahan perekat.

g Dudukan tempat untuk sudut ! .

h Pilok atau cat warna hitam.

http://www.surakarta.go.id/http://www.surakarta.go.id/


51/97

33

2 Alat-alat

a Termokopel dengan :

• Tipe K (range -200 C 0 sampai 1370 C 0 )

• Tipe J (range -200 C 0 sampai 980 C 0 )

• Tipe T (range -250 C 0 sampai 400 C 0 )

b Anemometer testo

c Digital Thermometer

d Light Meter Model Li- 250 No Sri LMA - 2706

e Sensor pyranometer No seri PY – 46415

1 2 3 4 5 6 7

Gambar 3.1 Jenis alat-alat ukur yang digunakan pada Penelitian


52/97

34

Keterangan Gambar :

1. Rotari switch

2. Stop watch

3. Digital Thermometer

4. Light Meter Model Li- 250 No Sri LMA - 2706

5. Anemometer

6. Kabel penghubung termokopel

7. Sensor pyranometer N0 seri PY-46415

3 Teknik Pembuatan Kolektor Surya Plat Datar

a Pembuatan kotak kolektor dari bahan triplek dengan ukuran 90 cm x 120

cm dengan dudukan kaca pada bagian dalam kolektor dengan 2 dudukan

kaca yang sejajar .

b Meletakkan glasswoll pada dasar atau bagian bawah dari kolektor.

c Memotong plat penyerap dengan ukuran 90 cm x 120 cm dan meletakkan

di atas insulator (glasswoll dan sabut kelapa).

d Pemotongan kaca dengan ukuran 90 cm x 120 cm sebanyak dua buah dan

meletakkan pada dudukan di dalam kolektor .

e Mengulang langkah di atas (a sampai d) sehingga menghasilkan 2 buah

kolektor surya plat datar.

f Secara skema gambar dan ukuran kolektor terlihat pada gambar 3.2.


53/97

35

90 cm

120 cm

9 cm

10 cm

3 cm

Isolator Plat Seng Penyerap

3 cm

Kaca

Gambar 3.2 Skema dan ukuran kolektor surya plat datar

3.3 Metode Pengujian Kolektor Surya Plat Datar

1 Teknik Pengambilan Data

a Pengambilan data dilakukan dengan menempatkan kolektor di bawah sinar

matahari.

b Kolektor dimiringkan dengan sudut tetap 200.

c Memasang rangkaian untuk mengukur temperatur udara masuk ke

kolektor, temperatur udara keluar dari kolektor, temperatur plat penyerap,

dan temperatur kaca penutup.


54/97

36

d Intensitas radiasi diukur dengan sensor pyranometer yang dihubungkan ke

Light-Meter.

e Mencatat hasil pengukuran pada tiap interval waktu setiap 15 menit.

f Memvariasikan jarak kaca dengan plat kolektor dengan jarak 3 cm, 6 cm,

dan 9 cm.

g Mengisi titik-titik data yang ada pada tabel 3.1 dan tabel 3.2.

h Menganalisa grafik antara efisiensi dengan perbedaan temperatur.

i Mengulangi langkah di atas (langkah a, c-e, dan h-i), dengan

memvariasikan sudut kemiringan kolektor dengan sudut 100, 200, 300, dan

400 yang dilakukan pada jarak kaca penutup dengan plat penyerap tetap

sebesar 3 cm.

Tabel 3.1. Tabel Pengambilan Data

Waktu I(W/m

2)

T 1(

0c)

T 0(

0c)

T plat(

0c)

T k(

0c)

v

udara

(m/s)

KacaPenutup

Tabel 3.2. Tabel perhitungan efisiensi kolektor surya plat datar dengan ∆t = 15menit.

T 1(

0c)

ρ(kg/m

3)

0

m (kg/s)

C p(J/kg

0C)

∆ T I bT(W/m

2)

q i(J/s)

q u(J/s)

η (%)

v

udara

(m/s)

Re

1

2

3

dst


55/97

37

3.4 Prosedur Penelitian

Langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian Kolektor Termal Tipe

Datar Plat Datar ini adalah :

Perancangan Kolektor Termal

Pembuatan Kolektor Termal

Analisa Grafik

Variasi β

Variasi jarak

kaca penutup

Plot Grafik I r , T p , T k , T i , T o

Plot Grafik η - ∆T

Perhitungan Efisiensi Termal

Pengujian Kolektor

Termal

Kesimpulan


56/97

38

3.5 Teknik Analisa Data

Pada proses analisa data kita akan menguji efisiensi dari kolektor panas

surya plat datar dan plat gelombang dengan memanfaatkan radiasi matahari.

Mengetahui hubungan Intensitas radiasi terhadap temperatur. Dengan

memvariasikan jarak kaca penutup dengan plat dan memvariasikan sudut β, maka

akan diketahui jarak paling optimum dari ketiga variasi jarak kaca dan sudut β

paling optimum dari keempat variasi β yang dilakukan. Pengujian kolektor panas

surya dilakukan mulai jam 10.00 – 14.00 WIB.


57/97

39

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Intensitas Radiasi Surya

a. Intensitas matahari pada bidang datar

Pengukuran intensitas radiasi matahari dapat dilihat pada Gambar 4.1.

0

200

400

600

800

1000

1200

10.00 11.00 12.00 13.00 14.00

Jam pengamatan

I n t e n s

i t a s m a

t a h a r i

( W / m 2 )

I Radiasi

Gambar 4.1 Grafik Intensitas Matahari terhadap waktu

Dari Gambar 4.1, dapat kita lihat bahwa pengambilan data dilakukan dari

pukul 10.00 sampai dengan 14.00. intensitas sebaran yang terlihat tidak teratur.

Intensitas matahari yang seharusnya pada pukul 10.00 sampai dengan 12.00 akan

naik dan pada pukul 12.00 sampai dengan 14.00 akan turun tidak semuanya

terjadi, sehingga terlihat bahwa intensitas yang terjadi sangat fluktuatif. Hal ini

dapat terlihat dari kenaikan dan penurunan intensitas yang cukup tajam. Fluktuatif


58/97

40

yang terjadi tersebut disebabkan karena kondisi cuaca yang berubah yang

disebabkan adanya gumpalan awan dan mendung tebal yang menghalangi radiasi

matahari sampai ke bumi.

b. Intensitas matahari pada variasi sudut

Hasil pengukuran intensitas radiasi matahari pada bidang miring dengan

variasi sudut kemiringan kolektor pada Gambar 4.2.

5 Desember 2005

0

200

400

600

800

1000

10.00 11.00 12.00 13.00 14.00

Jam Pengamatan

I n t e n s

i t a s m a

t a h a r i

( W / m

2 )

sudut 10

sudut 20

6 Desember 2005

0

200

400

600

800

1000

1200

10.00 11.00 12.00 13.00 14.00

Jam pengamatan

I n t e n s

i t a s

M a

t a h a r i

( W / m 2 )

sudut 20

sudut 30

7 Desember 2005

0

200

400

600

800

1000

1200

10.00 11.00 12.00 13.00 14.00

Jam pengamatan

I n t e n s

i t a s m a

t a h a r i

( W / m 2 )

sudut 20

sudut 40

Gambar 4.2 Grafik Intensitas Matahari pada variasi sudut kemiringan kolektor

Dari Gambar 4.2, pengambilan data dilakukan dari pukul 10.00 sampai

dengan 14.00 juga memperlihatkan intensitas matahari yang fluktuatif. Hal ini

disebabkan kondisi cuaca yang tidak menentu yang disebabkan adanya gumpalan

awan dan mendung tebal yang menghalangi radiasi matahari sampai ke bumi.

Dari grafik dapat kita lihat bahwa besar intensitas yang masuk ke kolektor dengan


59/97

41

variasi sudut per hari besarnya berbeda. Jika kita bandingkan variasi sudutnya

perhari, maka kita dapatkan data tanggal 5 desember 2005 intensitas yang masuk

ke kolektor dengan sudut 100 besarnya agak lebih tinggi sedikit dibandingkan

sudut 200. Hal ini karena kemiringan kolektor pada sudut 100 mendekati sudut

zenit dibandingkan dengan sudut 200. Pada tanggal 6 desembar 2005 intensitas

dengan sudut 200 besarnya lebih tinggi dibandingkan sudut 300. Hal ini karena

kemiringan kolektor pada sudut 200 mendekati sudut zenit dibandingkan dengan

sudut 300. Sedangkan pada tanggal 7 desember 2005 intensitas dengan sudut 200

besarnya lebih tinggi dibandingkan sudut 400. Hal ini karena kemiringan kolektor

pada sudut 200 mendekati sudut zenit dibandingkan sudut 400. Karena sudut zenit

permukaan kolektor adalah 14,80. Sehingga dapat kita ketahui bahwa intensitas

matahari yang masuk ke kolektor akan maksimum jika permukaan kolektor tegak

lurus dengan posisi matahari. Dari grafik dapat dilihat bahwa variasi sudut akan

mempengaruhi besar intensitas yang masuk ke kolektor dan besar intensitas

matahari setiap hari tidak sama karena perubahan posisi matahari.

4.2 Temperatur Kolektor Surya

a. Temperatur kolektor pada variasi jarak kaca penutup

Hasil pengukuran temperatur masukan dan temperatur keluaran pada

penelitian yang dilakukan pada tanggal 1 Desember 2005 dengan jarak 3 cm dan 9

cm dapat dilihat pada Gambar 4.3 dan Gambar 4.4.


60/97

42

Data 1 Desember 2005

Jarak 3 cm

0

10

20

30

40

50

60

70

10.00 11.00 12.00 13.00 14.00

Jam Pengamatan

T e m p e r a

t u r

( 0 C )

T in

T out

Gambar 4.3 Grafik temperatur dengan jam pengamatan pada jarak 3 cm

Data 1 Desember 2005

Jarak 9 cm

0

10

20

30

40

50

60

10.00 11.00 12.00 13.00 14.00

Jam Pengamatan

T e m p e r a t u r

( 0 C )

T in

T out

Gambar 4.4 Grafik temperatur dengan jam pengamatan pada jarak 9 cm

Pada Gambar 4.3 dan Gambar 4.4 dapat kita lihat bahwa besar temperatur

keluarannya lebih besar dari temperatur masukannya. Pada jarak plat 3 cm

perbedaan nilai temperatur masukan dan keluaran terbesar mencapai 23,1 0C dan

perbedaan terkecil 9,9 0C. Temperatur keluaran tertinggi mencapai 63,8 0C pada

pukul 11.45 dan temperatur masukan mencapai 41,7 0C pada pukul 12.45. Pada


61/97

43

jarak plat 9 cm perbedaan nilai masukan dan keluaran terbesar mencapai 13 0C

dan perbedaan terkecil 0,40

C. Temperatur keluaran tertinggi mencapai 51,20

C

pada pukul 11.45 dan temperatur masukan mencapai 42,6 0C pada pukul 11.45.

b. Perbedaan Temperatur kolektor pada variasi jarak kaca penutup

Hasil temperatur pada kolektor surya dapat dilihat pada grafik perbedaan

temperatur masuknya (Tin) dan temperatur keluarnya (Tout) terhadap jam

pengamatan. Grafik perbedaan temperatur input-output dengan jam pengamatan

pada variasi jarak kaca penutup dapat dilihat pada Gambar 4.5, Gambar 4.6, dan

Gambar 4.7.

30 November 2005

0

5

10

15

20

25

30

10.00 10.50 11.00 11.50 12.00 12.50 13.00 13.50 14.00

Jam pengamatan

P e r b e d a a n t e m p e r a t u

r

i n p u t - o u t p u t ( 0 C )

3 cm

6 cm

Gambar 4.5 Grafik perbedaan temperatur input-output pada jarak 3 cm dan 6 cm


62/97

44

1 Desember 2005

0

5

10

15

20

25

10.00 11.00 12.00 13.00 14.00

Jam Pengamatan

P e r b e d a a n t e m p e r a t u r

i n p u t - o u t p u t ( 0 C )

3 cm

9 cm


3 Desember 2005

0

2

46

8

10

12

14

16

18

10.00 11.00 12.00 13.00 14.00

Jam pengamatan

P e r b e d a a

n t e m p e r a t u r i n p u t -

o u t p u t ( 0 C )

6 cm

9 cm


Pada Gambar 4.5, Gambar 4.6, dan Gambar 4.7 dapat kita lihat bahwa

pada tanggal 30 November 2005, perbedaan temperatur pada jarak kaca 3 cm

hasilnya lebih tinggi dari jarak kaca 6 cm. Tetapi ada 2 data yang hasilnya

kebalikannya, hal ini karena adanya perubahan aliran yang bergerak di sekitar

kolektor. Pada tanggal 1 Desember 2005, perbedaan temperatur pada jarak kaca 3

cm hasilnya lebih tinggi dari jarak kaca 9 cm. Hal ini karena pada jarak kaca 9 cm

panas yang hilang ke lingkungan semakin besar. Sehingga penyerapan panas pada


63/97

45

plat berkurang. sedangkan pada tanggal 3 Desember 2005, perbedaan temperatur

pada jarak kaca 6 cm hasilnya sebagian besar lebih tinggi dari jarak kaca 9 cm.

Pada jarak kaca 9 cm banyak panas yang hilang ke lingkungan. Tetapi ada

beberapa keadaan dimana besarnya berkebalikan, hal ini dikarenakan adanya

perbedaan aliran udara yang bergerak di sekitar kolektor.

Pada Gambar 4.3 terlihat bahwa pada pukul 10.30 dan pukul 11.30

perbedaan temperatur pada jarak 3 cm naik tetapi pada jarak 6 cm turun.Pada

Gambar 4.5 terlihat bahwa pada pukul 11.30 perbedaan temperatur pada jarak 6

cm naik tetapi pada jarak 9 cm turun. Hal ini karena penelitian ini menggunakan 2

buah kolektor dengan 1 buah sensor pyranometer dan 6 buah termokopel.

Sedangkan pada penelitian yang akan kita ambil 5 buah titik intensitas radiasi

matahari (Intensitas matahari pada bidang datar dan untuk menghitung

absorbsivitas kaca) dan 8 buah titik temperatur (temperatur input, temperatur

output, temperatur kaca, dan temperatur plat). Untuk mengambil data intensitas

matahari, temperatur, dan aliran udara tidak bisa dilakukan secara bersamaan

karena kekurangan alat penelitian. Sehingga ketika kita mengambil intensitas

yang lain terjadi penurunan intensitas yang cepat tetapi penurunan temperatur

tidak secepat penurunan intensitas matahari. Pada gambar 4.5 terlihat bahwa

pukul 11.15 pada jarak 6 cm didapatkan data penelitian, sedangkan pada jarak 9

cm data yang didapatkan tidak valid.

Dari hasil pengukuran dapat disimpulkan bahwa variasi jarak kaca

berpengaruh terhadap perbedaan temperatur kolektor. Dimana perbedaan

temperatur akan maksimum pada jarak kaca kecil. Hal ini dikarenakan sedikit


64/97

46

energi panas yang hilang ke lingkungan dan sedikit volume udara yang

dipanaskan.

c. Temperatur kolektor pada variasi sudut kemiringan kolektor surya

Hasil temperatur pada kolektor surya dapat dilihat pada grafik perbedaan

temperatur masuknya (Tin) dan temperatur keluarnya (Tout) terhadap jam

pengamatan. Grafik perbedaan temperatur dengan jam pengamatan pada variasi

sudut kemiringan kolektor dapat dilihat pada Gambar 4.8, Gambar 4.9, dan

Gambar 4.10.

5 Desember 2005

-5

0

5

10

15

20

25

30

10.00 11.00 12.00 13.00 14.00

Jam pengamatan

P e r b e d a

a n t e m p e r a t u r

i n p u t - o u t p u t ( 0 C )

sudut 10

sudut 20

Gambar 4.8 Grafik perbedaan temperatur input-output pada sudut 100 dan 20

0

6 Desember 2005

0

5

10

15

20

25

3035

40

10.00 11.00 12.00 13.00 14.00

Jam pengamatan


i n p u t - o u t p u t ( 0 C )

sudut 20

sudut 30


0


65/97

47

7 Desember 2005

0

5

10

15

20

25

3035

10.00 11.00 12.00 13.00 14.00

Jam pengamatan


i n p u t - o u t p u t ( 0 C )

sudut 20

sudut 40


0

Pada Gambar 4.8, Gambar 4.9, dan Gambar 4.10 dapat kita lihat bahwa

pada tanggal 5 Desember 2005, besar perbedaan temperaturnya pada sudut 100

ada yang lebih besar dari perbedaan temperatur pada sudut 200, tetapi ada yang

kebalikannya. Hal ini karena perbedaan temperatur akan maksimal jika

kemiringan kolektor sesuai dengan sudut zenit. Pada penelitian ini sudut zenit dari

permukaan kolektor sebesar 14,8

0

. Pada 6 Desember 2005, besar perbedaan

temperatur pada sudut 200 lebih besar dari pada sudut 300. Hal ini karena sudut

200 mendekati sudut zenit dibandingkan sudut 300. Pada 7 Desember 2005, besar

perbedaan temperatur pada sudut 200 sebagian besar hasilnya lebih tinggi

dibandingkan perbedaan temperatur pada sudut 400. hal ini karena sudut 200 lebih

mendekati sudut zenit dibandingkan sudut 400. Tetapi pada grafik terlihat adanya

beberapa nilai pada sudut 200 yang hasilnya lebih kecil dibandingkan sudut 400,

hal ini disebabkan adanya aliran udara balik. Hal ini juga yang dapat

mengakibatkan basar temperatur masukan menjadi lebih besar dari temperatur

keluarannya.


66/97

48

Pada gambar 4.6 pada pukul 11.15 dengan variasi sudut 200 terlihat bahwa

hasilnya negatif, hal ini karena adanya aliran udara balik yang bergerak ke dalam

kolektor.

Dari hasil di atas dapat disimpulkan bahwa variasi sudut berpengaruh

terhadap perbedaan temperatur kolektor. Dimana perbedaan temperatur akan

maksimum jika permukaan kolektor tegak lurus dengan posisi matahari.

4.3 Efisiensi Kolektor Surya

a. Efisiensi kolektor surya pada variasi jarak kaca

Hasil efisiensi pada kolektor surya dapat dilihat pada grafik efisiensi

kolektor surya terhadap perbedaan temperatur masuknya (Tin) dan temperatur

keluarnya (Tout). Grafik efisiensi kolektor surya dengan perbedaan temperatur

pada variasi jarak kaca penutup kolektor dapat dilihat pada Gambar 4.11, Gambar

4.12, dan Gambar 4.13.

30 November 2005

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

perbedaan temperatur input-output (0C)

e f i s i e n s

i t e r m a

l ( % )

3 cm

6 cm

Gambar 4.11 Grafik efisiensi termal dengan jarak kaca penutup dengan plat penyerap 3 cm

dan 6 cm


67/97

49

1 Desember 2005

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

perbeda

auliya burhanuddin

Documents