6. bab iii teori khusus plat datar.docx

BAB III

TEORI KHUSUS PERFORMANSI KOLEKTOR SURYA PELAT DATAR

3.1 Sekilas tentang Kolektor Surya Plat Datar

Kolektor plat datar adalah kolektor surya yang paling umum untuk sistem

pemanas air di rumah dan pemanas ruangan. Ciri khas kolektor plat datar adalah

kotak logam berinsulasi dengan gelas atau plastik penutup (disebut kaca) dan plat

penyerap berwarna gelap. cairan atau udara panas kolektor ini tidak kurang dari

temperatur 80°C. Keuntungan dari kolektor surya plat datar yaitu memanfaatkan

kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran,

perawatan dan biaya pembuatan murah, serta desain yang sederhana.

Kolektor surya plat datar memiliki beberapa komponen utama seperti cover

(Glazing), insulation, absorber, flow tube, dan header. Cover berfungsi mengurangi

rugi panas secara konveksi menuju lingkungan. Insulation berfungsi sebagai saluran

transmisi fluida kerja. Absorber berfungsi sebagai penyerap panas dari radiasi cahaya

matahari. Komponen dari kolektor surya plat datar dapat dilihat pada gambar 1.

Gambar 3.1. Komponen kolektor surya plat datar

3.2 Pengujian Performansi Kolektor

3.2.1 Radiasi Surya yang diterima kolektor

Radiasi surya merupakan pancaran energi yang berasal dari proses

thermonuklir yang terjadi di matahari. Energi radiasi surya berbentuk sinar dan

gelombang elektromagnetik. Pada pengujian performansi kolektor surya plat datar,

radiasi surya akan datang pada kolektor dan terjadi aliran panas. Skema aliran panas

dapat dilihat pada gambar 2.

Gambar 3.2. Skema aliran panas melalui kolektor

Sebagian dari radiasi surya ini dipantulkan kembali ke langit, sebagian lain

diserap oleh kaca dan sisanya ditularkan melalui kaca dan mencapai pelat absorber

sebagai radiasi gelombang pendek. Oleh karena itu, faktor konversi menunjukkan

persentase sinar matahari menembus penutup transparan kolektor (transmisi) dan

persentase yang diserap. Sehingga panas radiasi suryanya adalah

Dimana: Qi = Panas radiasi surya (J)

I = Intensitas radiasi surya (W/m2)

A = Luas permukaan kolektor (m2)

τα = Produk dari laju transmisi penutup dan tingkat penyerapan absorber

13

Ketika kolektor menyerap panas, temperaturnya akan semakin tinggi

dibandingkan dengan sekitarnya dan panas akan hilang ke atmosfir oleh konveksi dan

radiasi. Sehingga nilai panas yang hilang dapat dirumuskan sebagai berikut:

Dimana: Qo = Panas yang hilang (J)

UL = Koefisien perpindahan panas (W/m2 C)


Tc = Temperatur kolektor (oC)

Ta = Temperatur udara (oC)

Dengan demikian, tingkat energi guna diekstraksi oleh kolektor (Qu),

dinyatakan sebagai tingkat ekstraksi dalam kondisi steady state, sebanding dengan

tingkat energi yang berguna diserap oleh kolektor, kurang jumlah hilang oleh

kolektor dengan lingkungannya. Skema sistem pengumpulan energi surya dapat

dilihat pada gambar 3.

Gambar 3.3 Skema sistem pengumpulan energi surya

Tingkat energi guna yang diekstraksi oleh kolektor dapat dirumuskan sebagai

berikut:

Dimana: Qu = Panas yang diekstraksi (J)

14

Qi = Panas yang diserap kolektor (J)

Qo = Panas yang hilang (J)

Hal ini juga diketahui bahwa laju ekstraksi panas dari kolektor dapat diukur melalui

jumlah panas terbawa dalam cairan melewatinya, yaitu:

Dimana: Qu = Laju ekstraksi panas dari kolektor (J)

m = Nilai aliran massa yang melalui kolektor (kg/m2s)

Cp = Kalor spesifik (J/kg C)

To = Temperatur bagian luar kolektor (oC)

Ti = Temperatur bagian dalam kolektor (oC)

Persamaan di atas sedikit merepotkan karena sulit dalam mendefinisikan

temperatur kolektor rata-rata. Sekarang mudah untuk menentukan kuantitas yang

menghubungkan manfaat yang sebenarnya mendapatkan energi dari kolektor untuk

keuntungan guna jika seluruh permukaan kolektor berada pada temperatur inlet

fluida. Kuantitas ini dikenal sebagai "The collector heat removal factor (FR)"

dan dinyatakan sebagai:

Dimana: FR = Collector heat removal factor

m = Nilai aliran massa melalui kolektor (kg/m2s)

Cp = Kalor spesifik (J/kg C)


τα = Produk dari laju transmisi penutup dan tingkat

penyerapan absorber


To = Temperatur outlet (oC)

15

Ti = Temperatur inner (oC)


Setelah didapatkan nilai the collector heat removal factor, maka dapat

diketahuilah besar energi guna actual (Qu) yang dirumuskan sebagai berikut:

Dimana: Qu = Panas yang diekstraksi dari kolektor (J)

FR = Collector heat removal factor



Hubungan yang digunakan untuk mengukur besar energi yang diperoleh dari kolektor

dan dikenal sebagai "persamaan Whillier-Bliss hottel“.

3.2.2 Efisiensi kolektor (η)

Ukuran dari performa kolektor plat datar adalah efisiensi kolektor (η) yang

didefinisikan sebagai rasio energi guna yang diperoleh (Qu) dengan energi surya

selama periode waktu tertentu. Efisiensi kolektor (η) dapat dirumuskan sebagai

berikut:

Efisiensi termal sesaat pada kolektor yang menjadi metode pengujian standar:

Dimana: η = Efisiensi kolektor

FR = Collector heat removal factor

16



τα = Produk dari laju transmisi penutup dan tingkat

penyerapan absorber


To = Temperatur outlet (oC)



Contoh skema pengujian dari kolektor surya pelat datar dapat dilihat pada

gambar 3.5. jenis dari pengujiannya yaitu pengujian closed-loop pada kolektor surya

pelat datar. Fluida mengalir menuju filter dan di dalam filter fluida disaring,

kemudian dialirkan menuju pompa. Fluida dari pompa dialirkan ke electric heater

dan masuk ke sight glass, kemudian menuju flow meter untuk diukur kecepatan

alirannya. Setelah itu fluida masuk ke mixing device dan aliran fluida diikur

temperaturnya pada sensor temperatur. Sebelum fluida masuk ke kolektor surya,

tekanan fluida diukur terlebih dahulu kemudian baru masuk ke kolektor surya.

Gambar 3.4 Pengujian Closed-loop pada Kolektor Pelat Datar Pemanas Air

17

Dari pengujian kolektor surya pelat datar pemanas air dapat diperoleh

efisiensi kolektor seperti yang terlihat pada gambar 3.6.

Gambar 3.5 Data perhitungan pengujian efisiensi kolektor untuk kolektor plat datar pemanas

air dengan satu cover dan selective absorber

Dari gambar 3.6 terdapat beberapa parameter yaitu efisiensi kolektor (Ƞi), temperatur

inlet (Ti), temperatur outlet (To) dan intensitas radiasi (GT). Gambar di atas

menunjukkan perbandingan antara Ƞi dengan Ti−¿¿ , yang mana semakin besar nilai

Ti−¿¿

maka semakin rendah nilai efisiensi kolektornya (Ƞi), dan begitu sebaliknya.

Contoh pada nilai Ti−¿¿ = 0.04 m2C/W maka diperoleh efisiensi kolektor Ƞi = 40%.

18

Gambar 3.6 Karakteristik dari lima jenis kolektor surya pelat datar pemanas air: (a) satu

cover, absorber dengan krom hitam selektif, (b) dua cover, absorber dengan

krom hitam selektif, (c) satu cover, absorber hitam datar, (d) dua cover

polycarbonate, absorber pelat hitam polymetric dengan ruang tabung

tertutup, dan (e) absorber pelat hitam unglazed. Data dari solar products

specification guide (1983).

Pada gambar 3.7 dapat dilihat perbandingan antara Ƞi dengan Ti−¿¿ pada

lima jenis kolektor surya pelat datar pemanas air. Dapat dianalisa kolektor surya jenis

a (satu cover, absorber dengan krom hitam selektif) memiliki perbandingan efisiensi

paling bagus dibandingkan keempat jenis lainnya.

Dan pada gambar 3.8 dapat dilihat perbandingan antara Ƞi dengan Ti−¿¿

pada tiga kolektor dengan tiga jenis pengoperasian. Sehingga dapat dianalisa bahwa

jenis penyusun kolektor dan jenis pengoperasiannya akan mempengaruhi besar nilai

efisiensi kolektor (Ƞi). Semakin besar nilai operasi kolektor maka semakin bagus

nilai efisiensi yang diperoleh dari kolektor.

19

Gambar 3.7 Karakteristik kurva untuk dua pemanas udara: (a) satu cover, selective absorber,

beroperasi pada 25 1/m2s; (b) kolektor yang sama, beroperasi 10 1/m2s; (c) satu

cover, absorber krom hitam selektif, beroperasi pada 20 1/m2s. Data berasal

dari Solar Products Specification Guide (1983)

3.2.3 Peubah Sudut Insidensi

Peubah sudut insidensi merupakan perubahan sudut sinar datang pada

kolektor yang mana fokus kepada besar produk transmisi dan absorbs (τα). Peubah

sudut sinar datang akan mempengaruhi nilai panas yang diekstaksi (Qu). Souka dan

Safwat (1966) menyarankan peubah sudut insidensi dituliskan sebagai berikut

Kτα = (τα )(τα ) n

Kemudian

Qu = Ac FR [GT Kτα (τα)n – UL (Ti – Ta)]

Persamaan umum nilai peubah sudut insidensi (Kτα);

Kτα = (τα )(τα ) n = 1 + bo( 1

cosϴ - 1)Dimana:

Kτα = Perubahan sudut insidensi

20

τα = nilai produk transmisi dan absorpsi

bo = koefisien peubah sudut insidensi

ϴ = sudut insidensi

Qu = panas yang diekstraksi (J)

Ac = Luas permukaan kolektor (m2)

FR= the Collector heat removal factor

GT= Intensitas radiasi (W/m2)




Gambar 3.8 Data peubah sudut insidensi untuk sebuah double-glazed kolektor pemanas air.

Kondisi pengoperasian: kolektor memliki kemiringan 25o ke selatan;

temperatur udara lingkungan 34oC; kecepatan angin 4,5 m/s dan insolation

230-830W/m2 yang diperkirakan 20% berdifusi. Dikutip dari Hill et al (1979).

21

3.2.4 Kontanta Waktu Kolektor

Konstanta waktu dari kolektor tergantung pada waktu fluida meninggalkan

kolektor hingga mencapai perubahan melalui 0,632 total perubahan dari initial hingga

ultimate steady value setelah tahap perubahan pada incident radiation atau temperatur

fluida inlet.

Gambar 3.9 Konstanta Waktu Kolektor

Dari gambar 3.4 dapat dianalisa kontanta waktu penurunan temperatur hingga

fluida keluar dari kolektor sebesar 12,7 menit. Dapat dilihat juga pada gambar

rentang naiknnya temperatur saat fluida masuk diberi kode A dengan rentang 28-

62oC. kemudian terjadi penurunan temperatur hingga fluida keluar dari kolektor

diberi kode B dengan rentang 62-40oC. Dan rentang temperatur saat fluida keluar dan

masuk kembali ke kolektor diberi kode C dengan rentang 40-28oC.

Plot waktu-temperatur untuk pemanas udara pelat datar menunjukkan

penurunan temperatur pada gangguan dadakan dari radiasi matahari pada kolektor.

konstanta waktu adalah waktu lamanya temperatur untuk turun ke 1/e dari total

potensial penurunan, yaitu, untuk B/A mencapai 0,368.

22

Dari data pengujian beberapa kolektor diperoleh karakteristik dan konstanta

waktu dari kolektor. Karakteristik dan konstanta waktu dari kolektor dapat dilihat

pada tabel 3.1

Tabel 3.1 Karakteristik dan konstanta waktu dari kolektor

No.

Kolektor

(Type)

Areas, m2

Plate GlazingBack

Insulation

Time

Constant,

min

Apertur

eGross

1 (Liquid) 1.61 1.68Alumunium roll-

bond, black paintDouble-glass

7.6-cm

glass

fiber

1.7

2 (Liquid) 1.40 1.66

Steel plate with

copper tubbing, black

chrome selective

surface

Double glass,

antireflective

coating on three

glass surface

8.5-cm

semirigid

fiber

board

1.6

3 (Liquid) 1.79 1.96 Steel, black-chrome Single glass

7.0-cm

glass

fiber

1.8

4 (Air) 7.25 6.25

Steel, black paint, air

flow is in 1.6-cm-deep

channel behind plate

Double-glass

9-cm

glass

fiber

12.7

3.2.5 Performansi Kolektor In Situ

Beberapa pertimbangan praktis yang dapat mempengaruhi performa yang

diukur. Perbedaan antara performa yang diprediksi dan yang diukur disebabkan dari

beberapa sumber, yaitu:

1. Aliran fluida melalui kolektor yang tidak seragam melalui semua bagian dari

susunan kolektor

2. Laju aliran tidak sesuai dengan kolektor yang diuji

3. Kebocoran pada kolektor udara dapat menyebabkan perbedaan antara

performa yang diprediksi dan yang diukur

4. Kerugian tepi dan belakang yang berbeda pada pengujian dan aplikasi

23

3.2.6 Distribusi Aliran pada Kolektor

Perhitungan performansi dari kolektor didasarkan pada asumsi implisit dari

distribusi aliran yang seragam pada kolektor tunggal atau ganda. Jika alirannya tidak

seragam, komponen dari kolektor dengan aliran rendah melalui riser akan memiliki

nilai FR lebih rendah dari komponen dengan tingkat aliran yang tinggi. Jadi, desain

dari headers dan manifolds sangat penting sifatnya dalam menentukan performansi

kolektor yang bagus. Masalah ini telah dipelajari secara analitikal dan eksperimental

oleh Dunkle dan Davey (1970).

Gambar 3.10 Distribusi tekanan pada headers dari sebuah isothermal absorber bank.

Dikutip dari Dunkle dan Davey (1970).

Berdasarkan analisis bahwa aliran turbulen pada headers dan laminar pada risers,

analisis oleh Dunkle dan Davey menunjukka adanya tekanan di sepanjang headers untuk

situasi air memasuki bagian bawah headers pada satu sisi dari kolektor dan meningggalkan

bagian atas headers pada sisi lainnya. Pada keadaan ini, perhitungan distribusi tekanan pada

bagian atas dan bawah headers ditunjukkan pada gambar 3.11.

Temperatur dari pelat absorber dihitung dari bagaimana energi dengan efektif

dikeluarkan, dan demikian perbedaan selama temperatur dihitung pada kondisi relatif yang

sama pada kolektor individu di banks dihitung dari kekurangan ketidakseragaman dari aliran

pada risers. Gambar 3.12 dari dunkle dan Davey, menunjukkan perhitungan temperatur untuk

banks dua belas kolektor dihubungkan secara paralel. Data tersebut menunjukkan perubahan

temperatur 22oC dari pusat menuju ujung yang mana perbedaannya berarti. Penghubungan

24

unit pada sebuah perencanaan paralel seri atau paralel ganda seperti ditunjukkan pada gambar

3.13 hasilnya distribusi aliran dan temperatur yang lebih seragam.

Gambar 3.11 Perhitungan temperatur eksperimental pada pelat di sebuah banks kolektor

dihubungkan secara paralel. Dikutip dari Dunkle dan Davey (1970).

Gambar 3.12 Contoh metode alternatif dari susunan kolektor penghubung pada

(a) seri-paralel (b) perencanaan paralel-seri, sesuai dengan yang

disarankan oleh Dunkle dan Davey (1970).

25

6. bab iii teori khusus plat datar.docx

Documents