analisa efisiensi prototype solar collector jenis ... · tube pada pipa absorber. dengan ini...

LAPORAN TUGAS AKHIR

Analisa Efisiensi Prototype Solar Collector Jenis Parabolic Trough dengan Menggunakan Cover Glass Tube pada Pipa Absorber

Diajukan Guna Memenuhi Syarat Kelulusan Mata Kuliah Tugas Akhir pada Program Sarjana Strata Satu (S1)

Disusun Oleh :

Nama : Hartamas Ridho Prasetyo

NIM : 41310010006

Program Studi : Teknik Mesin

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MERCU BUANA

JAKARTA

2015

http://digilib.mercubuana.ac.id/

ii

LEMBAR PERNYATAAN

Yang bertanda tangan di bawah ini,


NIM : 41310010006

Jurusan : Teknik Mesin

Fakultas : Teknik

Judul Skripsi : Analisa Efisiensi Prototype Solar Collector Jenis

Parabolic Trough dengan Menggunakan Cover Glass

Tube pada Pipa Absorber.

Dengan ini menyatakan bahwa hasil penulisan Skripsi yang telah saya buat ini

merupakan hasil karya sendiri dan benar keasliannya. Apabila ternyata di kemudian hari

penulisan skripsi ini merupakan hasil plagiat atau penjiplakan terhadap karya orang lain,

maka saya bersedia mempertanggungjawabkan sekaligus bersedia menerima sanksi

berdasarkan aturan tata tertib Universitas Mercu Buana

Demikian, pernyataan ini saya buat dalam keadaan sadar dan tidak dipaksakan.


iii

LEMBAR PENGESAHAN

Analisa Efisiensi Prototype Solar Collector Jenis Parabolic Trough

dengan Menggunakan Cover Glass Tube pada Pipa Absorber

Disusun Oleh :


NIM : 41310010006

Program Studi : Teknik Mesin


v

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas terselesaikannya penulisan

laporan Tugas Akhir ini. Hanya dengan seizin Allah SWT penulis dapat menyusun

skripsi hingga selesai tepat pada waktunya.

Skripsi ini disusun dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk memperoleh

gelar Sarjana dalam bidang Teknik Mesin (ST) di Universitas Mercu Buana.

Dalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis telah banyak mendapatkan bantuan dan

bimbingan baik secara moril maupun materil sehingga Tugas Akhir ini dapat

diselesaikan dengan semaksimal mungkin. Oleh karena itu pada kesempatan ini,

penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada :

1. Kedua orang tua, atas doa, perhatian, kesabaran, pelajaran, dorongan, dan

nasehat yang selama ini tiada henti diberikan kepada penulis.

2. Ahmad Rifai dan Erlangga Hadi Kusuma, yang menjadi tim seperjuangan

menyelesaikan prototype tugas akhir.

3. Bapak Dr.Ir. Abdul Hamid selaku dosen pembimbing yang telah memberikan

bimbingan dan pengarahan dalam penulisan tugas akhir ini.

4. Bapak Dr.Ing. Darwin Sebayang selaku kepala program studi Teknik Mesin

Universitas Mercu Buana.

5. Seluruh dosen pengajar di lingkungan Fakultas Teknik atas ilmu yang telah

disampaikan.

6. Untuk kawan-kawan Teknik Mesin angkatan 2010 yang setiap saat selalu

memotivasi agar tetap semangat dan membantu menyelesaikan tugas akhir ini.


vi

7. Untuk kawan – kawan Bengkel Kreativitas Teknik Mesin yang tidak pernah

berhenti memberikan semangat kreativitas tanpa batas.

8. Untuk sahabat-sahabat di Ahoy Canary Team yang terus memotivisasi bahwa

yang muda yang berkarya.

9. Bagi semua pihak yang tidak bisa saya sebutkan namanya satu – persatu atas

terlibatnya dalam penyusunan Tugas Akhir hingga selesai saya ucapkan

terimakasih banyak.

Semoga ALLAH SWT memberikan balasan yang sesuai atas dukungan dan

bantuan yang telah diberikan.

Penulis berharap agar karya tulis ini dapat bermanfaat bagi semua kalangan engineer

untuk memberikan informasi tentang penggunaan energi matahari sebagai energi

matahari yang berguna bagi masa depan. Dan penulis memahami karya tulis ini masih

jauh dari kata sempurna maka dari itu penulis mengharapkan saran dan kritikkan yang

sifatnya membangun pada pembaca agar dapat menyempurnakan karya tulis ini.

Akhir kata penulis berharap semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi

penulis dan pembacanya.

Jakarta, 15 Agustus 2015

Penulis


vii

DAFTAR ISI

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

Halaman Pernyataan .........................................................................................ii

Halaman Pengesahan ........................................................................................iii

Abstrak ..............................................................................................................iv

Kata Pengantar ..................................................................................................v

Daftar Isi ...........................................................................................................vii

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

Daftar Gambar ..................................................................................................xiv

Daftar Simbol ...................................................................................................xvi

BAB I PENDAHULUAN

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

1.2 Rumusan Masalah............................................................................. 6

1.3 Pembatasan Masalah ......................................................................... 6

1.4 Tujuan Penelitian ............................................................................. 7

1.5 Ruang Lingkup Penelitian ................................................................. 7

1.6 Penelitian Signifikan ......................................................................... 8

1.7 Tinjauan Pustaka .............................................................................. 9

1.8 Sistematika Penulisan ....................................................................... 10

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Cahaya.............................................................................................. 12

2.2 Sifat Cahaya ...................................................................................... 13

2.3 Pergerakan Bumi Terhadap Matahari ..................................................13


viii

2.4 Sudut Matahari ...................................................................................15

2.5 Energi Matahari .................................................................................17

2.5.1 Radiasi Matahari .................................................................19

2.5.2 Jenis-Jenis Radiasi Matahari ................................................21

2.5.3 Radiasi Ekstraterrestrial pada Permukaan Horisontal ......................22

2.5.4 Komponen Radiasi Langsung dan Sebaran Per Jam .............23

2.6 Konstanta Surya ......................................................................23

2.7 Pengaruh Posisi Relatif Matahari Terhadap Bumi ....................25

2.8 Solar Collector ........................................................................28

2.8.1 Jenis-Jenis Solar Collector ....................................................29

2.8.1.1 Flate Plate Collector (FPC) ..............................................29

2.8.1.2 Compound Parabolic Collector ( CPC )............................30

2.8.1.3 Evacuated Tube Collector ( ETC ) ...................................31

2.8.1.4 Linear Fresnel Collector ( LFC ) ......................................33

2.8.1.5 Parabolic Trough Solar Collector ( PTSC ) ......................34

2.8.1.6 Parabolic Dish Reflector ( PDR ) .....................................34

2.8.1.7 Heliostat Field Collector ( HFC ) .....................................35

2.8.1.8 Pemanas Tenaga Surya ( Solar Heater) ............................36

2.9 Desain Optik Solar Concentrator .............................................38

2.10 Concentrating Ratio ...............................................................39

2.11 Sudut Rim .............................................................................40

2.12 Pemantulan Cahaya ...............................................................40

2.12.1 Jenis Jenis Pemantulan Cahaya ..........................................41

2.12.1.1 Pemantulan Biasa ..........................................................41


ix

2.12.1.2 Pemantulan Baur............................................................42

2.12.1.3 Pemantulan Sempurna ...................................................43

2.12.1.4 Pembiasan Cahaya (Refraksi) .......................................43

2.13 Rambat Cahaya Transmisivitas Cover Pipa Kaca ...................45

2.14 Kalor .....................................................................................47

2.14.1 Jenis – Jenis Perambatan atau Perpindahan Kalor ............................48

2.14.1.1 Konduksi .....................................................................................49

2.14.1.2 Konveksi .....................................................................................50

2.14.1.3 Perambatan Kalor Radiasi ............................................................52

2.15 Fluida .................................................................................................53

2.15.1 Fluida dan Jenisnya .........................................................................53

2.15.2 Sifat-sifat Fisik Fluida .....................................................................54

2.15.3 Perbedaan Jenis dan Sifat Aliran Fluida pada Pipa ...........................55

2.15.3.1 Laminar dan Turbulen...................................................................55

2.16 Titik Didih Normal atau Titik Uap Cairan ...........................................56

2.17 Faktor Geometri .................................................................................57

2.18 Nilai Refleksi Material Energi Radiasi Berguna ..................................58

2.19 Efisiensi Optik Konsentrator ...............................................................60

2.20 Luas Area yang Terkonsentrasi Kalor .................................................62

2.21 Temperatur Absorbsivitas Material pada Parabola dan Pipa

Kolektor ...........................................................................................62

2.22 Perpindahan Kalor Terjadi didalam Pipa (Overall Heat

Transfer Coeficient)...............................................................64

2.23 Kerugian Panas Keseluruhan (Overall Heat Loss) ..............................62


x

2.24 Faktor Pelepasan Panas (Heat Removal Factor) ..................................67

2.25 Performa .................................................................................68

2.26 Efisiensi Termal Kolektor .......................................................69

BAB III METODELOGI PERANCANGAN

3.1 Mengetahui Sumber Daya .......................................................71

3.2 Persiapan Pemilihan Bahan Material pada Receiver .................72

3.3 Input Data ...............................................................................72

3.4 Penelitian Efisiensi Pipa Absorber dengan Material yang

Sudah Ditentukan ...................................................................72

BAB IV PERHITUNGAN SOLAR COLLECTOR TYPE PARABOLIC

TROUGH

4.1. Perhitungan Akibat Gerak Semu Harian Matahari ..............................75

4.1.1 Perhitungan Sudut Deklinasi ............................................................75

4.1.2 Perhitungan Persamaan Waktu .........................................................75

4.1.3 Perhitungan Waktu Surya ................................................................76

4.1.4 Perhitungan Sudut Jam.....................................................................77

4.1.5 Perhitungan Sudut Zenith .....................................................77

4.1.6 Perhitungan Sudut Altitute Matahari .....................................77

4.1.7 Perhitungan Sudut Azimuth Matahari ...................................77

4.2. Komponen Radiasi Masukan Sistem .......................................78

4.2.1 Perhitungan Radiasi Ekstraterrestrial ...................................78

4.2.2 Perhitungan Indeks Kecerahan Langit ...................................78

4.2.3 Perhitungan Radiasi Hambur (Diffuse) .................................78


xi

4.2.4 Perhitungan Radiasi Langsug (Beam) ...................................78

4.2.5 Perhitungan Radiasi Masukan ...............................................79

4.3. Perhitungan pada Sistem Parabolic Trough .............................79

4.3.1 Menetukan Dimensi Parabolic Trough ..................................79

4.3.2 Perhitungan Luas Arperture Area..........................................80

4.3.3 Perhitungan Luas Pipa Absorber ...........................................81

4.3.4 Perhitungan Rasio Konsentrasi ............................................81

4.3.5 Perhitungan Sudut Rim .........................................................81

4.3.6 Perhitungan Faktor Geometri ...............................................82

4.4. Perhitungan Nilai Energi Netto ...............................................82

4.4.1 Energi Berguna .....................................................................82

4.4.2 Reflektifitas ..........................................................................82

4.4.3 Radiositas .............................................................................83

4.4.4 Energi Radiasi Bersih dari Refleksi Parabola ........................83

4.5 Perhitungan Efisiensi Optik Konsentrator ................................83

4.6 Luas Area Terkensontrasi Kalor ..............................................84

4.6.1 Area Selimut Tabung ............................................................84

4.6.2 Area Parabola .......................................................................85

4.7 Perhitungan Nilai Absorbsivitas Material ................................85

4.7.1 Suhu Parabola.......................................................................85

4.7.2 Suhu Pipa Tembaga Telah di Cat Hitam ...............................85

4.8 Desain Thermal / Heat Transfer Collector ................................86

4.8.1Perhitungan Overall Heat Transfer Coefficient Terhadap

Pipa Absorber ......................................................................86


xii

4.8.2Perhitungan Mencari Nilai Laju Aliran Massa dan

Temperatur Suhu Air yang Keluar dari Dalam Pipa.............88

4.9 Perhitungan Overall Heat Loss Coefficient .............................89

4.10 Perhitungan Efisiensi Collector.............................................90

4.11 Summary Hasil Perhitungan Signifikan ................................93

BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan......................................................................................94

5.2. Saran ....................................................................................95

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................96

DAFTAR ACUAN ...........................................................................................97

LAMPIRAN .....................................................................................................98


xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tipe Solar Collector ........................................................................ . 29

Tabel 2.2 Penentuan Factor Intercept 훾 ........................................................... ..61

Tabel 4.1 Titik-Titik Parabola pada Sumbu-x dan Sumbu-y ............................ ..79

Tabel 4.2 Ukuran Pipa Absorber Tembaga ...................................................... ..81

Tabel 4.3 Summary Hasil Perhitungan Variabel Signifikan ............................. ..93


xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Posisi Bumi Terhadap Matahari ................................................... .. 14

Gambar 2.2 Lintang, Sudut Waktu dan Deklinasi Matahari ................................15

Gambar 2.3 Jenis Radiasi Matahari yang Mengenai Permukaan ...................... . 22

Gambar 2.4 Hubungan Geometris Bumi-Matahari .......................................... . 24

Gambar 2.5 Beberapa Sudut Penting dalam Energi Surya ............................... . 25

Gambar 2.6 Kolektor Surya Plat Datar ............................................................ . 29

Gambar 2.7 Compound Parabolic Collector .................................................... . 31

Gambar 2.8 Evacuated Tube Collector ............................................................ . 32

Gambar 2.9 Linear Fresnel Collector............................................................... . 33

Gambar 2.10 Parabolic Trough Solar Collector ............................................... . 34

Gambar 2.11 Parabolic Dish Reflector ............................................................ . 35

Gambar 2.12 Heliostat Field Collector ............................................................ . 36

Gambar 2.13 Parabolic Trough Solar Collector 3D dan 2D ............................. . 37

Gambar 2.14Tinggi Titik Fokus pada Prototype PTSC dan ukuran P x L ........ . 39

Gambar 2.15 Pemantulan Cahaya: Sudut Datang Sama Dengan Sudut Pantul. . 41

Gambar 2.16 Pemantulan Biasa pada Cermin Membentuk Bayangan Benda ... . 41

Gambar 2.17 Pemantulan Baur pada Permukaan Bidang yang Tidak Rata ....... . 42

Gambar 2.18 Pemantulan Sempurna pada Berlian ........................................... . 43

Gambar 2.19 Pembiasaan Cahaya ................................................................... . 44

Gambar 2.20 Sinar Melalui Fokus Utama Dipantulkan Sejajar Sumbu Utama . 44

Gambar 2.21 Nilai Transmisivitas Kaca Biasa dan Kaca Borossilicate ............ . 46

Gambar 2.22 Pipa Logam Absorber yang di lapisi Pipa Kaca .......................... . 46


xv

Gambar 2.23 Komponen Energi yang Berada didalam Pipa Receiver .............. . 47

Gambar 2.24 Perpindahan Kalor ..................................................................... . 49

Gambar 2.25 Perpindahan Kalor Secara Konduksi .......................................... . 50

Gambar 2.26 Proses Konveksi dari Sepanci Air yang Dipanaskan ................... . 52

Gambar 2.27 Perpindahan Kalor Melalui Proses Radiasi ................................. . 53

Gambar 2.28 Skema Aliran Fluida Laminar Dalam Pipa atau Tabung ............. . 56

Gambar 2.29 Skema turbulen Aliran Fluida Dalam Pipa atau Tabung ............ . 56

Gambar 2.30 Grafik Fokus Rasio Terhadap Luas Arperture ............................ . 58

Gambar 2.31 Perpindahan Kalor Konduksi dan Konveksi dari Sumber Kalor.. . 63

Gambar 4.1 Geometri Parabola ....................................................................... . 80


xvi

DAFTAR SIMBOL

퐴 = 퐿푢푎푠(푚 )

푐 = 퐾푎푙표푟푠푝푒푠푖푓푖푘 퐾푗퐾푔 퐶

푑 = 퐷푖푎푚푒푡푒푟(푚 )

퐽 = 푅푎푑푖표푠푖푡푎푠 wm

푘 = 퐾표푛푑푢푘푡푖푓푖푡푎푠푡푒푟푚푎푙 wm .℃

푙 = 푃푎푛푗푎푛푔(푚 )

푚 = 퐿푎푗푢푚푎푠푠푎푎푙푖푟푎푛 kgs

푇 = 푇푒푚푝푒푟푎푡푢푟℃/K

퐴 = 퐴푝푎푟푡푢푟푒푎푟푒푎(푚 )

퐴 = 퐿푢푎푠푝푖푝푎푎푏푠표푟푏푒푟(푚 )

퐴 = 퐹푎푘푡표푟퐺푒표푚푒푡푟푖

퐶 = 푅푎푠푖표퐾표푛푠푒푛푡푟푎푠푖

퐶 = 퐾푎푙표푟푠푝푒푠푖푓푖푘푝푎푑푎푡푒푘푎푛푎푛푘표푛푠푡푎푛 퐾푗 퐾푔 퐶

퐷 = 퐷푖푎푚푒푡푒푟푙푢푎푟푝푖푝푎푎푏푠표푟푏푒푟(푚 )

퐷 = 퐷푖푎푚푒푡푒푟푑푎푙푎푚푝푖푝푎푎푏푠표푟푏푒푟(푚 )

퐸 = Energiberguna wm

ℎ = 푁푖푙푎푖푘표푛푣푒푘푠푖푎푘푖푏푎푡푎푛푔푖푛 wm .℃

ℎ = 퐾표푒푓푖푠푖푒푛푝푒푟푝푖푛푑푎ℎ푎푛푘푎푙표푟푟푎푑푖푎푠푖(m s⁄ )

퐼 = 퐸푛푒푟푔푖푟푎푑푖푎푠푖푛푒푡푡표 wm

퐾 = 퐼푛푑푒푘푠푘푒푐푒푟푎ℎ푎푛푟푎푡푎 − 푟푎푡푎

푃 = 퐴푛푔푘푎푃푟푎푛푑푡푙(푎푐푢푎푛푡푎푏푒푙)


xvii

푞푎 푡표푡푎푙 = 퐸푛푒푟푔푖푡표푡푎푙푦푎푛푔푑푖푡푟푎푛푠푚푖푠푖푘푎푛푘푒푑푎푙푎푚푝푖푝푎푎푏푠표푟푏푒푟 w

m

푞 = 퐸푛푒푟푔푖푏푒푟푔푢푛푎푃푇푆퐶푑푒푛푔푎푛푓푎푘푡표푟푡푒푚푝푒푟푎푡푢푟푎푚푏푖푒푛푡(푊푎푡푡)

푞 = 퐸푛푒푟푔푖푏푒푟푔푢푛푎푃푇푆퐶푑푒푛푔푎푛푝푒푟푏푒푑푎푎푎푛ℎ푎푠푖푙푡푒푚푝푒푟푎푡푢푟푓푙푢푖푑푎(푊푎푡푡)

푇 = 푇푒푚푝푒푟푎푡푢푟푦푎푛푔푑푖푒푣푎푙푢푎푠푖푝푎푑푎푘표푛푑푖푠푖푡푒푚푝푒푟푎푡푢푟푑푖푛푑푖푛푔(℃)

푇 = 푇푒푚푝푒푟푎푡푢푟퐴푚푏푖푒푛푡℃/K

푇 = 푇푒푚푝푒푟푎푡푢푟푓푙푢푖푑푎푚푎푠푢푘푑푎푙푎푚푝푖푝푎(℃)

푇 = 푇푒푚푝푒푟푎푡푢푟푓푙푢푖푑푎푟푎푡푎 − 푟푎푡푎(℃)

푈 = 푁푖푙푎푖ℎ푒푎푡푙표푠푠푡표푡푎푙 wm .℃

푢 = 퐷푒푏푖푡푎푙푖푟푎푛(m s⁄ )

훽 = 푆푢푑푢푡푘푒푡푖푛푔푔푖푎푛푚푎푡푎ℎ푎푟푖(푑푒푔)

훾 = 푆푢푑푢푡푝푒푟푚푢푘푎푎푛푎푧푖푚푢푡ℎ

∅ = 퐺푎푟푖푠푙푖푛푡푎푛푔

훿 = 푆푢푑푢푡푑푒푘푙푖푛푎푠푖(푑푒푔)

휔 = 푆푢푑푢푡푤푎푘푡푢ℎ푎푟푖푎푛(푚 )

휑 = 푆푢푑푢푡푟푖푚(푚 )

훾 = 퐼푛푡푒푟푐푒푝푡푓푎푘푡표푟(퐴푐푢푎푛푇푎푏푒푙)

휃 = 푆푢푑푢푡푖푛푐푖푑푒푛푡

휃 = 푆푢푑푢푡푧푒푛푖푡ℎ

훼 = 푆푢푑푢푡푘푒푡푖푛푔푔푖푎푛푚푎푡푎ℎ푎푟푖

훾 = 푆푢푑푢푡푎푧푖푚푢푡ℎ푚푎푡푎ℎ푎푟푖

휂 = 퐸푓푖푠푖푒푛푠푖표푝푡푖푘

휌 = 푅푒푓푙푒푘푡푖푣푖푡푎푠푚푎푡푒푟푖푎푙푝푎푟푎푏표푙푎푐표푛푐푒푛푡푟푎푡표푟

휏 = 푆푢푑푢푡푎푧푖푚푢푡ℎ푚푎푡푎ℎ푎푟푖

휎 = 퐾표푛푠푡푎푛푡푎푆푡푒푓푎푛 − 퐵표푙푡푧푚푎푛(5,669 × 10 )

휌 = 푅푒푓푙푒푘푡푖푓푖푡푎푠


xviii

휖 = 퐸푚푖푠푖푚푖푣푖푡푎푠

훼 = 퐴푏푠표푟푝푠푖푣푖푡푎푠

ħ = 퐾표푒푓푖푠푖푒푛푝푒푟푝푖푛푑푎ℎ푎푛푘푎푙표푟푟푎푡푎 − 푟푎푡푎 wm .℃

휇 = 푉푖푠푘표푠푖푡푎푠푑푖푛푎푚푖푘

휇 = 푉푖푠푘표푠푖푡푎푠푑푖푛푎푚푖푘푦푎푛푔푑푖푒푣푎푙푢푎푠푖 dari temperatur fluida kgm. s

휌 = 퐷푒푛푠푖푡푎푠 Kgm

SATUAN TAK BERDIMENSI

푅푒 = 퐴푛푔푘푎푅푒푦푛표푙푑푠

푁 = ℎ푥푘퐴푛푔푘푎푁푢푠푠푒푙푡

푃 = 퐶 휇푘

퐴푛푔푘푎푃푟푎푛푑푡푙


analisa efisiensi prototype solar collector jenis ... · tube pada pipa absorber. dengan ini...

Documents