142093
TRANSCRIPT
PEMANAS AIR DAN PEMANAS RUANGAN SEDERHANA
MEMANFAATKAN ENERGI SURYA
DENGAN TEKNOLOGI NON-PHOTOVOLTAIC
MAKALAH
Disusun untuk Memenuhi Tugas
Olimpiade Sains Nasional Pertamina ( OSN-Pertamina ) 2012
Seleksi Tingkat Nasional
Oleh :
Muh. Yasin Y. B. I. C.
Bidang Fisika
142093
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS SAINS DAN MATEMATIKA
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
2012
i
PEMANAS AIR DAN PEMANAS RUANGAN SEDERHANA
MEMANFAATKAN ENERGI SURYA
DENGAN TEKNOLOGI NON-PHOTOVOLTAIC
MAKALAH
Disusun untuk Memenuhi Tugas
Olimpiade Sains Nasional Pertamina ( OSN-Pertamina ) 2012
Seleksi Tingkat Nasional
Oleh :
Muh. Yasin Y. B. I. C.
Bidang Fisika
142093
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS SAINS DAN MATEMATIKA
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
2012
ii
KATA PENGANTAR
Saya panjatkan puji syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Pengasih dan
Penyayang atas limpahan rahmat dan hidayah-Nyalah, saya dapat menyelesaikan
tugas makalah ini yang berjudul β Pemanas Air dan Pemanas Ruangan Sederhana
Memanfaatkan Energi Surya dengan Teknologi Non-Photovoltaic β untuk
memenuhi tugas Olimpiade Sains Nasional Pertamina ( OSN-Pertamina) 2012
seleksi tingkat Nasional.
Saya mengucapkan terima kasih kepada:
1. Drs. K. Sofyan F, MSc dan
2. Dr. Priyono, M.Si selaku dosen pembimbing dalam penyusunan makalah
ini, serta
3. teman- teman dan semua pihak yang ikut membantu dan mendukung dalam
penyusunan dan penyelesaian makalah ini.
Saya menyadari bahwa dalam penyusunan makalah ini masih terdapat
kekurangan. Untuk itu kritik dan saran yang bersifat membangun dari para
pembaca sangat saya harapkan. Semoga makalah ini dapat menjadi bagian dalam
pengembangan intelektualitas, kreativitas dan inovasi bagi pembaca, semoga
bermanfaat.
Semarang, November 2012
Penyusun
iii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ...........................................................................................i
KATA PENGANTAR ........................................................................................ii
DAFTAR ISI ......................................................................................................iii
BAB I. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang ....................................................................................1
1.2. Rumusan Masalah ...............................................................................2
1.3. Tujuan Penyusunan Makalah ..............................................................2
BAB II. PEMBAHASAN
2.1. Pengertian Energi Surya ....................................................................3
2.2. Perbandingan Energi Surya Non-Photovoltaic
dengan Photovoltaic ...........................................................................3
2.3. Penerapan Teknologi Non-Photovoltaic
pada Peralatan Rumah tangga ............................................................4
2.4. Energi Surya sebagai Energi untuk
Pemanas Air dan Ruangan .................................................................4
2.5. Mekanisme Kerja Pemanas Air dan
Pemanas Ruangan Energi Surya ........................................................4
2.6. Rancangan Pemanas Bertenaga Surya
Non-Photovoltaic Sederhana .............................................................6
2.7. Efektivitas dan Efisiensi Alat
dengan Asumsi Secara Fisis ...............................................................8
BAB III. PENUTUP
3.1. Kesimpulan .........................................................................................9
3.2. Saran ...................................................................................................9
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................10
LAMPIRAN .....................................................................................................11
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Dalam masa modern, kebutuhan energi sangat besar karena aktivitas dan
peralatan teknologi membutuhkan banyak energi. Pemanfaatan energi di dunia
saat ini paling banyak mengandalkan sumber energi berbasis fosil ( minyak bumi,
batu bara, dan lain-lain) untuk kelangsungan aktivitas hidup manusia misalnya
untuk transportasi dan industri. Sumber energi berbasis fosil tidak dapat
diperbaharui dan ketersediannya semakin berkurang karena eksplotasi yang terus-
menerus maka energi berbasis fosil tersebut akan cepat habis dan terjadi
kelangkaan ( krisis) energi.
Sebenarnya berbagai sumber energi lain selain fosil tersedia di alam dalam
jumlah cukup melimpah yang diantaranya dapat diperoleh dengan cuma-cuma dan
dapat diperbaharui, misalnya energi surya dan energi angin. Permasalahannya
yaitu energi surya dan angin tidak dapat dengan mudah dipindah-pindah tempat,
akan tetapi dengan teknik tertentu dan kemajuan teknologi maka energi surya dan
angin menjadi energi alternatif yang lebih mudah, murah dan efisien.
Salah satu contoh penggunaan energi surya yaitu untuk pemanas air dan
pemanas ruangan dalam skala besar untuk industri sampai skala kecil untuk
kebutuhan rumahtangga, sehingga tidak perlu menggunakan bahan bakar fosil
ataupun listrik.
Sudah banyak pemanas air dan pemanas ruangan efeisien yang dijual di
pasaran, akan tetapi harganya relatif mahal dapat mencapai puluhan juta
tergantung kapasitas dan kualitas, sehingga tidak terjangkau bagi masyarakat
secara luas. Hal tersebut membuat penerapan teknologi energi di Indonesia kurang
optimal, sehingga diperlukan teknik peralatan penghasil energi sederhana yang
terjangkau bagi masyarakan secara luas.
2
1.2 Rumusan Masalah
Dari latar belakang tersebut, rumusan masalah dari makalah ini yaitu
bagaimana sistem kerja dan desain alat pemanas air dan ruangan sederhana untuk
skala kecil yang dapat dibuat dengan mudah, murah dan efektif dengan bahan
yang mudah didapat sehingga ekonomis dan terjangkau untuk masyarakat.
1.3 Tujuan Penyusunan Makalah
Tujuan makalah ini berdasarkan dari rumusan tersebut yaitu memberikan ide
inovasi dan penjelasan tentang sistem kerja dan desain alat pemanas air dan
ruangan sederhana untuk skala kecil yang dapat dibuat dengan mudah, murah dan
efektif dengan bahan yang mudah didapat sehingga ekonomis dan terjangkau
untuk masyarakat.
3
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 Pengertian Energi Surya
Energi surya merupakan suatu energi dari matahari yang diberikan melalui
radiasi cahayanya. Energi surya berupa radiasi membawa energi dalam bentuk
kalor dan sekaligus dalam bentuk gelombang elektromagnetik yang dapat
dimanfaatkan sebagai sumber energi.
Teknologi pemanfaatan kalor dari energi surya melalui serapan kalor disebut
photothermic atau non-photovoltaic, sedangkan yang memanfaatkan foton dari
energi surya melalui efek fotolistrik yang menghasilkan energi listrik disebut
photovoltaic.
Untuk pemanas tenaga surya teknik non-photovoltaic lebih menguntungkan
karena langsung menyerap energi surya dalam bentuk kalor dan juga lebih efektif
dan efisien.
2.2 Perbandingan Energi Surya Non-Photovoltaic dengan Photovoltaic.
Energi surya non-photovoltaik atau photothermic menggunakan panel yang
menyerap kalor misalnya logam yang dicat hitam, sedangkan photovoltaic
menggunakan efek fotolistrik yang diterapkan pada semi konduktor.
Kelebihan teknologi energi surya non-photovoltaic dibandingkan dengan yang
berbasis photovoltaic antara lain :
1. secara umum non-photovoltaic lebih murah
2. lebih efisien dalam serapan energi
3. secara umum membutuhkan luas tempat yang lebih sempit untuk
menghasilkan energi yang sama
4. dapat dibuat secara konvensional, mudah dan sederhana
5. perawatan dan perbaikan lebih mudah
akan tetapi teknologi non-photovoltaic memiliki kekurangan diantaranya:
1. menghasilkan energi kalor yang secara umum susah untuk dikonversi ke
bentuk energi yang lain
4
2. mengandalkan panas dari sinar matahari sehingga kurang optimal katika
kondisi berawan dan hujan.
2.3 Penerapan Teknologi Non-Photovoltaic pada Peralatan Rumah tangga
Penerapan penggunaan energi surya non-photovoltaic pada peralatan rumah
tangga tentunya yang lebih mudah berhubungan dengan kalor, misalnya:
1. pemanas air, pemanas ruangan
2. pendingin ruangan, lemari pendingin
3. kompor masak, penghangat makanan dan minuman
4. pengering cucian pakaian, pangering hasil pertanian, dll.
2.4 Energi Surya sebagai Energi untuk Pemanas Air dan Ruangan
Pemanas air diperlukan di rumah tangga karena air panas digunakan untuk
keperluan mandi yang berguna bagi kesehatan, proses mencuci alat dapur dan
pakaian, dan memasak agar lebih cepat. Dengan menggunakan pemanas air tenaga
surya maka akan lebih hemat energi dan pengeluaran sehingga menguntungkan.
Rumah Sakit, Puskesmas, dan Rumah Bersalin membutuhkan air panas untuk
perawatan pasien, kontrol suhu ruang terapi dan untuk proses sterilsasi alat,
sehingga dengan pemanas energi surya dapat membantu panghematan.
Pemanas ruangan dapat digunakan untuk ruangan dalam rumah ataupun kantor.
Pemanas ruangan dapat digunakan sebagai pemanas ruangan pada musim hujan,
dan pada musim kemarau sebagai pandingin ruangan karena menyerap kalor pada
siang hari dan sebagai pemanas ruangan pada malam harinya.
2.5 Mekanisme Kerja Pemanas Air dan Pemanas Ruangan Energi Surya
Mekanisme dari pemanas bertenaga surya yaitu panas dari matahari masuk
kedalam kolektor panel surya temik melalui kaca ( hanya sedikit cahaya yang
dipantulkan) yang akan menyebarkan panas tersebut di dalam kolektor, pipa air
yang dicat hitam akan menyerap kalor. Air yang berada dalam pipa di dalam
kolektor akan menyerap kalor tersebut, sehingga dihasilkan panas yang sebanding
dengan panas yang berada di dalam kolektor.
5
Gambar 2.1 Mekanisme kerja pemanas air tenaga surya.
Pada gambar 2.1 warna menunjukan arah aliran air ,warna biru adalah air
dingin setalah melewati kolektor bagian bawah akan mengalami pemanasan di
gambarkan berwarna merah. Mekanisme kerja pemanas air tenaga surya, air
dingin dipompa masuk melalui bagian bawah kolektor sehingga berubah menjadi
air panas yang keluar melalui bagian atas kolektor menuju tangki penampungan
air panas yang sudah di rancang untuk mencegah radiasi panas keluar.
Pemanas air tenaga surya dengan kapasitas kacil ( kurang dari 600 liter) lebih
efektif tidak menggunakan pompa dalam mengalirkan air, tetapi menggunakan
prinsip kerja efek thermoshipon. Prinsip efek thermosiphon adalah metode pasif
pertukaran panas secara konveksi yang menyebabkan air dengan suhu lebih tinggi
akan terdorong oleh air dengan suhu lebih rendah akibat perbedaan massa
jenisnya karena suhu menyebabkan pemuaian. Sehingga sistem pemanas air
tenaga surya tersebut tidak memerlukan pompa air untuk bekerja mengalirkan air
dalam kolektor surya.
Gambar 2.2 Pemanas air tenaga surya terdiri dari kolektor yang dihubungkan ke
tangki penampungan.
6
Pemanas air tenaga surya seperti yang diperlihatkan dalam gambar 2.2
memiliki ruang kolektor yang dibuat sehitam mungkin agar terjadi penyerapan
maksimal dari panas matahari yang masuk melewati kaca kristal di atasnya. Pipa
aluminium yang juga dihitamkan dirancang dengan bentuk berbelok-belok seperti
susunan huruf S dengan maksud air akan mengalir lebih lama di dalamnya
sehingga penyerapan panas oleh air di dalamnya akan berlangsung lebih baik.
Pada pemanas air tenaga surya terdapat dua buah terminal air, yaitu terminal
masuk dan keluar, lalu sebuah tangki penampungan air yang dibuat seperti
thermos berfungsi sebagai penyimpan air hasil sirkulasi yang tidak langsung
digunakan. ( Sidopekso, 2011).
2.6 Rancangan Pemanas Bertenaga Surya Non-Photovoltaic Sederhana
Mekanisme pemanas air dan pemanas ruangan ini sama saja dengan pemanas
bertenaga surya yang sudah ada, yaitu intinya menyerap kalor dari sinar matahari
kemudian memberikan kalor itu kepada fluida ( air atau udara). Akan tetapi
pemanas ini dari segi desain lebih efisien dan ekonomis dari yang sudah ada dan
merupakan alat pemanas yang dapat dibuat sendiri ( handmade) oleh masyarakat
dengan bahan yang mudah didapat, murah dan cukup efisien.
2.6.1 Pemanas Air
Pemanas air ini terdiri dari beberapa bagian dengan bahan tertentu. Bagian-
bagian tersebut yaitu:
a. Wadah merupakan tempat dari kolektor surya menggunakan bahan kayu
untuk mengurangi perpindahan kalor dari kolektor kelingkungan.
b. Kolektor surya merupakan bagian penerima dan penyerap kalor dari sinar
matahari, menggunakan pipa yang langsung sebagai penyerap panas sehingga
susunannya dirapatkan dan berbelak-belok secara horisontal.
Pipa dicat hitam untuk meningkatkan daya serap kalor dan bagian bawah diberi
isolator kalor untuk mengurangi perpindahan kalor kelingkungan. Isolator kalor
menggunakan kain bekas selain mudah didapat juga lebih ekonomis.
Bagian atas dari kolektor menggunakan kaca agar kalor terkurung dalam
kolektor, hal ini menggunakan prisip efek rumah kaca sehingga penyerapan kalor
lebih efektif.
7
Pipa yang dapat digunakan yaitu pipa PVC karena murah, mudah didapat dan
mudah dibentuk serta tahan terhadap korosi. Akan tetapi daya konduktivitas
termal pipa PVC jauh lebih kecil dibandingkan dengan pipa logam, sehingga lebih
baik menggunakan pipa aluminium karena tahan terhadap korosi.
Gambar 2.3 Penampang melintang pemanas air tenaga surya
c. Tandon merupakan tempat penampung air dingin dan air panas dari sirkulasi
pada kolektor yang tidak langsung digunakan.
Tandon diberi isolator kalor dari kain bekas pada bagian luarnya untuk
mengurangi perpindahan kalor dari tandon kelingkungan. Pipa bagian bawah dari
tandon dihubungkan dengan bagian bawah dari kolektor surya demikian pula pipa
bagian atas dari tandon dihubungkan dengan bagian atas dari kolektor surya,
sehingga pada tandon air bagian atas adalah air panas dan yang bagian bawah
adalah air dingin.
Gambar 2.4 Rangkaian susunan pemanas air tenaga surya
Tandon mempunyai keluaran bagian atas untuk air panas dan bagian bawah
untuk air dingin sehingga keluaran dari tandon tidak hanya air panas saja, serta
kaca
pipa
dicat hitam
isolator kain kotak kayu
panel pemanas surya
air masuk
ke tandon
merah : air panas
biru : air dingin
air panas
air dingin
tandon air
8
terdapat pipa yang langsung masuk ke bagian dasar tandon sebagai masukan air
dari sumber air.
2.6.2 Pemanas Ruangan
Rancangan pemanas ruangan sama dengan pemanas air hanya saja ukuran
tandon diperbesar dan air dalam pipa dan tandon diganti dengan udara.
Gambar 2.5 Rangkaian pemanas ruangan tenaga surya
Tandon mempunyai keluaran bagian atas untuk udara panas yang dialirkan ke
bagian atas dari ruangan, dan bagian bawah untuk udara dingin yang dihubungkan
ke bagian bawah dari ruangan dan udara luar sebagai kontrol suhu.
2.7 Efektivitas dan Efisiensi Alat dengan Asumsi Secara Fisis
Perkiraan energi dari matahari rata-rata sebesar 1300 W/m2 dan alat pemanas
ini dengan luas kolektor 1 m2, diasumsikan efisiensi sekitar 60% (kaca 85%, pipa
90%, wadah 85%, tandon 90%). Suhu luar (lingkungan) 35oC dan suhu kamar
25oC suhu didalam panel surya dapat mencapai 40
oC.
Distribusi aliran air dalam pipa dengan diameter 1,5 inch mencapai 4,6 gr/s dan
kelajuannya 0,47 cm/s sedangkan untuk udara dengan kondisi yang sama
mencapai 94,5 gr/s dan kelajuannya 9,8 m/s.
Temperatur keluaran pipa atas tandon ( pipa panas ) setinggi 75% dari tinggi
tandon dengan asumsi temperatur terdistribusi linier sebesar 36oC dan pipa bawah
tandon ( pipa dingin ) berada di dasar tandon sebesar 25oC.
panel pemanas surya
tandon udara
ruangan
pipa udara ke luar
untuk kontrol suhu
merah : udara panas
biru : udara dingin
9
BAB III
PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Berdasarkan ulasan ide tersebut dapat dibuat alat pemanas air dan ruangan
sederhana yang inovatif dengan sistem kerja dan desain sederhana untuk skala
kecil yang dapat dibuat dengan mudah, murah, mudah didapat dan efektif dengan
bahan tandon air, kotak kayu, kain bekas, pipa, dan kaca sehingga ekonomis dan
terjangkau untuk masyarakat.
3.2 Saran
Makalah ini hanya sedikit memberi ide inovatif tentang penggunaan energi
surya. Untuk mengoptimalkan penerapan teknologi energi di Indonesia perlu
adanya teknik yang mudah dan sederhana serta ekonomis sehingga terjangkau
bagi masyarakat, maka dengan itu masyarakat dapat membuat dan
menerapkannya sendiri sehingga didapat penerapan teknologi yang optimal.
10
DAFTAR PUSTAKA
Dewanto, Rudy. Pemanas Air Tenaga Surya.
http://RudyDewantoblog.blogspot.com/pemanas Tanggal akses 3 Oktober
2012 08.30 PM
Rahardjo dan Ekadewi.1999.Unjuk Kerja Pemanas Air Jenis Kolektor Surya
Plat Datar dengan Satu dan Dua Kaca Penutup. Jurnal Teknik Mesin Vol.
1, No. 2, Oktober 1999, hal 116-121.Universitas Kristen Petra.
Sidopekso, Satwiko.2011.Studi Pemanfaatan Energi Matahari sebagai
Pemanas Air. Jurnal Berkala Fisika Vol. 14, No. 1, Januari 2011, hal 23-26.
Jakarta: UNJpress.
www.wikipedia.org/Energisurya Tanggal akses 3 Oktober 2012 08.00 PM
11
LAMPIRAN
Besarnya konduktivitan termal bahan- bahan yang digunakan.
Bahan Konduktivitas Termal ( W/moC)
Perak (murni) 410
Tembaga (murni) 385
Aluminium (murni) 202
Besi (murni) 73
PVC 1,50
Kaca jendela 0,78
Kayu 0,17
Kain 0,038
Tabel konduktivitas panas beberapa bahan ( sumber: Wikipedia)
Perkiraan energi dari Matahari dan efisiensi alat sebagai berikut
Energi dari matahari karena ada serapan dari atmosfer sehingga rata-rata
sebesar 1300 W/m2, misalkan asumsi efisien dari alat panel surya adalah 60%
(kaca 85%, pipa 90%, wadah 85%, tandon 90%) berdasarkan energi yang dapat
diserap oleh alat dan luas panel surya adalah 1 m2. Suhu luar 35
oC dan suhu
kamar 25oC suhu didalam panel surya dapat mencapai 40
oC, diketahui kapasitas
kalor jenis air yaitu 4200 J/Kg.K sedangkan untuk udara sebesar 550 J/Kg.K,
maka:
12
berdasarkan dari uraian tersebut untuk pemanas air didapat aliran air sebesar 4,6
gr/s dan kelajuannya 0,47 cm/s dengan pipa berdiameter 3,5 cm dan luas panel
1m2, sedangkan untuk pemanas ruangan sebagai berikut:
dari uraian tersebut untuk pemanas ruangan didapat aliran udara sebesar 94,5 gr/s
dan kelajuannya 9,8 m/s dengan pipa berdiameter 3,5 cm dan luas panel 1m2.
Misalkan keluaran pipa atas tandon ( pipa panas ) setinggi 75% dari tinggi
tandon sedangkan pipa bawah tandon ( pipa dingin ) berada di dasar tandon, maka
distribusi temperatur sebagai berikut:
dari uraian tersebut diperoleh besarnya temperatur keluaran pada tandon untuk
pipa panas sebesar 36oC sedangkan untuk pipa dingin sebesar 25
oC.
Palat = π Psurya = π c βπ
0,6 x 1300 = π 4200 x (40-25)
π = 4,6 .10- 3
kg/s
π = 4,6 mL/s
v = π /A = 4,6 / (0.25 π 3,52)
v = 0,47 cm/s
Palat = π Psurya = π c βπ
0,6 x 1300 = π 550 x (40-25)
π = 94,5 .10- 3
kg/s
π = 94,5 L/s
v = π /A = 94500 / (0.25 π 3,52)
v = 9,8 m/s
β2 T = 0 β π2
πβ2T = 0 β
π
πβT = c (konstan)
β T = Tdingin + c h ( T terdistribusi linear)
Tpanas = 25 + 0.75 (40-25)
Tpanas = 36oC
h 0,75 h
40oC
25oC 25
oC
36oC