analisa performansi kolektor surya pelat datar … · 2017-04-01 · bidang penyerapan panas...
TRANSCRIPT
iii
ANALISA PERFORMANSI KOLEKTOR SURYA PELAT DATAR DENGAN
LIMA SIRIP BERDIAMETER SAMA YANG DISUSUN SECARA EJAJAR
Oleh : I Wayan Sudiantara
Dosen Pembimbing : Ketut Astawa, ST.,MT.
: I Gusti Ngurah Putu Tenaya, ST.,MT.
ABSTRAK
Energi sinar matahari merupakan salah satu sumber energi alternatif sangat
besar di Indonesia, dilihat wilayah Indonesia dilalui garis katulistiwa. Di Indonesia
masyarakan sangat tergantung dengan adanya sinar matahari. Oleh sebab itu perlu
dilakukan sebuah penelitian agar energi sinar matahari yang ada dapat dimanfaatkan
dengan maksimal.
Kolektor surya yaitu suatu alat yang menyerap dan mengumpulkan energi
sinar matahari dan merubahnya menjadi energi panas yang bisa dimanfaatkan.
Penelitian ini menggunakan metode eksperimental. Dimana kolektor surya pelat
datar ini berfungsi untuk menyerap panas radiasi matahari yang datang dan
mentransfer panas yang diterima tersebut ke fluida udara, penggunan pelat tersebut
akan dapat meningkatkan penyerapan radiasi sinar matahari. Untuk memperluas
bidang penyerapan panas dipasang lima sirip berdiameter sama yang disusun secara
sejajar. Tujuan pemasangan sirip berlubang berdiameter sama yang disusun secara
sejajar yaitu, untuk membuat aliran udara yang masuk dalam kolektor surya yang
melewati sirip lebih merata dan juga meningkatkan performansi dari kolektor surya.
Setelah dilakukan pengujian terhadap kolektor surya pelat datar dengan lima
sirip berdiameter sama yang disusun secara sejajar, maka didapatkan hasil
performansi kolektor surya paling besar pada intensitas radiasi matahari 1.122 W/m2
dengan temperatur keluar kolektor 321 K, energi berguna yang dihasilkan 104,786
W, dan efisiensi sebesar 15,565 %.
Kata kunci : Kolektor surya pelat datar, Sirip pelat berlubang, Performan kolektor
iv
PERFORMANCE ANALYSIS OF FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR
WITH FIVE FIN SAME DIAMETER WHICH WAS PREPARED IN
PARALLEL
By : I Wayan Sudiantara
Supervisor : Ketut Astawa, ST.,MT.
: I Gusti Ngurah Putu Tenaya, ST.,MT.
ABSTRACT
The energy of sunlight is one of the alternative energy sources are very large
in Indonesia, the views of Indonesia passed the equator. In Indonesia the Community
depends on the presence of sunlight. Therefore, it needs to do a study so that the
energy of sunlight there can be utilized to the maximum. Solar Collector is a tool that absorb and collect solar energy and convert it into
heat energy that can be utilized. This research uses experimental methods. Where the flat
plate solar collector heat serves to absorb incoming solar radiation and heat transfer fluid is
received into the air, the use of these plates will be able to increase the absorption of solar
radiation. To expand the field of heat absorption fins mounted five same diameter are
arranged in parallel. Interest mounting the same diameter perforated fins arranged in parallel,
namely, to make the air flow into the solar collector which passes through the fins more
evenly and also improving the performance of solar collectors.
After testing the flat plate solar collector with five fin same diameter are
arranged in parallel, then showed the performance of the solar collector is greatest in
the intensity of solar radiation 1122 W / m2 with the exit temperature collectors 321
K, useful energy produced 104.786 W, and efficiency amounted to 15.565%.
Keywords: flat plate solar collectors, perforated plate fin, collector Performan
v
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa, karena atas
berkat dan anugrah-Nya penulis dapat menyelesaikan Skripsi yang berjudul:
“Analisa Performansi Kolektor Surya Pelat Datar Dengan Lima Sirip
Berdiameter Sama Yang Disusun Secara Sejajar ”
Dalam penyusunan Skripsi ini penulis banyak memperoleh petunjuk dan
bimbingan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada:
1. Dr. Ir. I Ketut Gede Sugita, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Udayana.
2. Bapak Ketut Astawa, ST., MT, selaku Dosen Pembimbing I dalam
penyusunan Skripsi.
3. Bapak I Gusti Ngurah Putu Tenaya, ST., MT, selaku Dosen Pembimbing II
dalam penyusunan Skripsi.
4. Bapak Ketut Astawa, ST., MT, selaku koordinator Skripsi Jurusan Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana.
5. Prof. Ir. Ngakan Putu Gede Suardana, MT., PhD, selaku Dosen Pembimbing
Akademik.
6. Bapak/Ibu dosen serta staf pegawai Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Udayana.
7. Semua pihak dan kawan-kawan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universaitas Udayana yang telah membantu dalam penyelesaian Skripsi.
Penulis menyadari bahwa Skripsi ini tentunya jauh dari kesempurnaan
mengingat keterbatasan pengetahuan dan referensi yang penulis miliki. Oleh karena
itu kritik dan saran yang sifatnya membangun sangat penulis harapkan. Sekali lagi
penulis mengucapkan banyak terima kasih dan penulis mohon maaf apabila ada
kekurangan ataupun kesalahan dalam penulisan Skripsi ini.
Denpasar, Desember 2016
Penulis
vi
DAFTAR ISI
Halaman
LEMBAR PENGESAHAN.........................................................................................i
LEMBAR PERSETUJUAN.......................................................................................ii
ABSTRAK..................................................................................................................iii
ABSTRACT...............................................................................................................iv
KATA PENGANTAR................................................................................................v
DAFTAR ISI..............................................................................................................vi
DAFTAR GAMBAR.................................................................................................ix
DAFTAR TABEL.....................................................................................................xi
DAFTAR LAMPIRAN...........................................................................................xii
BAB I PENDAHULUAN..........................................................................................1
1.1 Latar Belakang............................................................................................1
1.2 Rumusan Masalah.......................................................................................3
1.3 Batasan Masalah.........................................................................................3
1.4 Tujuan Penelitian........................................................................................3
1.5 Manfaat Penelitian......................................................................................3
BAB II LANDASAN TEORI...................................................................................4
2.1 Perpindahan Panas.....................................................................................4
2.1.1 Perpindahan panas secara konduksi.................................................4
2.1.2 Perpindahan Panas Konveksi...........................................................5
2.1.3 Perpindahan Panas Radiasi..............................................................7
2.2 Konstanta Matahari....................................................................................8
2.3 Radiasi Matahari........................................................................................9
2.3.1 Faktor yang Mempengaruhi Penerimaan Radiasi Matahari di
Bumi...............................................................................................11
2.4 Kolektor Surya..........................................................................................16
2.4.1 Bagian-Bagian Kolektor Surya.......................................................16
vii
2.4.2 Radiasi yang Diserap Kolektor Surya.............................................17
2.5 Kolektor Surya pelat datar dengan sirip berlubang .................................19
2.5.1 Penggunaan sirip berlubang............................................................19
2.5.2 Sirip Berlubang Pada Kolektor Surya.............................................20
2.6 Aliran Fluida.............................................................................................21
2.7 Energi berguna dan Efisiensi Kolektor Surya...........................................23
2.7.1 Laju Aliran Massa Fluida................................................................23
2.7.2 Energi Berguna Kolektor Surya......................................................24
2.7.3 Efisiensi Kolektor Surya.................................................................24
2.8 Skema kolektor........................................................................................26
2.8.1 Kesetimbangan energi.....................................................................26
2.9 Kontruksi Kolektor Surya Sirip Berlubang Berdiameter Sama................27
2.10 Kontruksi Aliran Udara Pada Kolektor Surya Sirip Berlubang
Berdiameter Sama...................................................................................28
BAB III METODE PENELITIAN.........................................................................29
3.1 Waktu dan Tempat Pengujian...................................................................29
3.2 Variabel Penelitian....................................................................................29
3.3 Alat dan Bahan.........................................................................................30
3.3.1 Spesifikasi Kolektor Surya.............................................................31
3.4 Intalasi Pengambilan Data........................................................................33
3.5 Penempatan Alat Ukur.............................................................................33
3.6 Diagram Aliran Penelitian........................................................................34
3.7 Prosedur Pengujian...................................................................................36
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Hasil Penelitian................................................................................38
4.2 Perhitungan Data Hasil Penelitian ...........................................................38
4.2.1 Perhitungan Pada Kolektor Surya..................................................38
4.3 Analisa Performansi Kolektor..................................................................41
4.3.1 Temperatur Keluar (Tout) Kolektor Pelat Datar............................41
viii
4.3.2 Energi Berguna (Qu,a) Kolektor Pelat Datar..................................43
4.3.3 Efisiensi (ƞa) Kolektor Pelat Datar.................................................44
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan...............................................................................................45
5.2 Saran.........................................................................................................45
DAFTAR PUSTAKA ..............................................................................................46
PERNYATAAN.......................................................................................................48
LAMPIRAN A DATA HASIL PENGUJIAN.......................................................49
LAMPIRAN B DATA HASIL PERHITUNGAN.................................................56
LAMPIRAN C GRAFIK PERBANDINGAN.......................................................60
LAMPIRAN D SIFAT THERMOFISIK...............................................................64
LAMPIRAN E FOTO PENELITIAN....................................................................68
ix
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Perpindahan panas konduksi pada bidang datar...................................5
Gambar 2.2 Perpindahan panas konveksi dari permukaan media padat ke fluida
yang mengalir........................................................................................6
Gambar 2.3 Bola matahari........................................................................................8
Gambar 2.4 Bagan pengaruh radiasi datang.............................................................9
Gambar 2.5 Fenomena refleksi spektakular (a) dan refleksi baur (b).....................10
Gambar 2.6 Radiasi sorotan dan radiasi sebaran.....................................................11
Gambar 2.7 Posisi Peredaran Matahari...................................................................12
Gambar 2.8 Sudut zenith, sudut kemiringan, sudut azimuth permukaan, sudut
azimuth surya......................................................................................13
Gambar 2.9 Bagian bumi yang menunjukkan β, θ, Ø dan (Ø-β) untuk belahan
utara....................................................................................................15
Gambar 2.10 Penyerapan radiasi matahari oleh kolektor.........................................17
Gambar 2.11 Grafik hubungan antara sudut timpa dengan transmisivitas................18
Gambar 2.12 Kegunaan sirip untuk memperbesr perpindahan
panas media padat...............................................................................20
Gambar 2.13 Pengambatan aliran udara dengan sirip
berlubang.............................................................................................20
Gambar 2.14 Inclined manometer.............................................................................23
Gambar 2.15 Skema kolektor surya pelat datar........................................................26
Gambar 2.16 Kontruksi kolektor surya dengan sirip berlubang
berdiameter sama................................................................................27
Gambar 2.17 Kontruksi kolektor surya dengan aliran udara....................................28
Gambar 2.18 Dimensi kolektor surya pelat datar aliaran impinging jets..................31
Gambar 2.19 Rancangan pengujian kolektor surya dengan sirip berlubang.............32
Gambar 2.20 Penempatan alat ukur..........................................................................33
Gambar 2.21 Diagram aliran penelitian....................................................................35
x
Gambar 4.1 Grafik perbandingan temperatur keluar(Tout)
kolektor terhadap waktu......................................................................42
Gambar 4.2 Grafik perbandingan energi berguna (Qua)
kolektor terhadap waktu.....................................................................43
Gambar 4.3 Grafik perbandingan efisiensi (ƞa) kolektor terhadap waktu..............44
xi
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 3.1 Waktu Penelitian.................................................................................29
Tabel 4.1 Data hasil perhitungan kolektor surya dengan lima sirip berdiameter
sama yang disusun secara sejajar........................................................41
xii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Tabel A.1 Data Hasil Pengujian 15 Agustus 2016..............................................50
Tabel A.2 Data Hasil Pengujian 15 Agustus 2016..............................................51
Tabel A.3 Data Hasil Pengujian 16 Agustus 2016..............................................52
Tabel A.4 Data Hasil Pengujian 16 Agustus 2016..............................................53
Tabel A.5 Data Hasil Pengujian 22 Agustus 2016..............................................54
Tabel A.6 Data Hasil Pengujian 22 Agustus 2016..............................................55
Tabel B.1 Data Hasil Perhitungan 15 Agustus 2016...........................................57
Tabel B.2 Data Hasil Perhitungan 16 Agustus 2016..... .....................................58
Tabel B.3 Data Hasil Perhitungan 22 Agustus 2016...........................................59
C.1 Grafik Perbandingan Temperatur Keluar (Tout) Terhadap Waktu.....61
C.2 Grafik Perbandingan Energi Berguna (Qu,a) Terhadap Waktu..........62
C.3 Grafik Perbandingan Efisiensi (ƞa) Terhadap Waktu.........................63
Tabel D.1 Sifat Thermofisik Udara Pada Tekanan Atmosfer..............................65
Tabel D.2 Sifat Thermofisik Massa Jenis Material..............................................66
Tabel D.3 Sifat Thermofisik Massa Jenis Zat.....................................................67
E Foto Penelitian....................................................................................69
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Di dunia banyak masyarakat yang memanfaatkan sumber energi dari sinar
matahari untuk kebutuhan sehari-hari, misalnya disektor pertanian banyak yang
memanfaatkan sinar matahari sebagai pengering hasil pangan para petani dengan
cara tradisional yaitu dengan menjemur hasil pangan dengan sinar matahari. Banyak
juga sektor-sektor yang memenfaatkan sinar matahari sebagai sumber energi
keperluan sehari-hari. Energi dari matahari merupakan sumber energi paling besar
untuk kelangsungan mahluk hidup di bumi. Di Indonesia masyarakan sangat
tergantung dengan adanya sinar matahari karena masyarakat Indonesia mata
pencahariannya banyak di sektor pertanian.
Di Indonesia sumber energi sinar matahari sangat besar karena dilihat
wilayah Indonesia yang dilalui garis katulistiwa oleh sebab itu sumber energi
matahari sangat besar untuk pengembangan teknologi yang memanfaatkan sinar
matahari sebagai energi alternatif. Berdasarkan hal tersebut penggunanan berbagai
teknologi dikembangkan untuk memanfaatkan energi sinar matahari sebagai sumber
energi alternatif, salah satunya adalah kolektor surya yaitu suatu alat yang menyerap
dan mengumpulkan energi matahari dan merubahnya menjadi energi panas yang bisa
dimanfaatkan. Dimana kolektor surya pelat datar ini dicat berwarna hitam doff yang
berfungsi untuk menyerap radiasi matahari yang datang dan menstransfer kalor yang
diterima tersebut ke fluida, penggunan pelat tersebut akan dapat meningkatkan
penyerapan radiasi sinar matahari. Radiasi sinar matahari akan mengenai pelat
penyerap dimana sebagian akan dipantulkan ke penutup transparan atau kaca
transparan dan sebagian akan dipantulkan ke bagian lainnya. Kolektor surya ini
dialiri fluida udara yang dikeluarkan oleh blower akan masuk kedalam kolektor,
aliran udara akan dibagi oleh honeycomb agar udara yang masuk kedalam kolektor
merata, setelah aliran udara dibagi oleh honeycomb udara akan masuk kedalam
kolektor dan pertama akan mengenai sirip berlubang setelah itu aliran udara akan
2
berubah menjadi aliran turbulen yang akan mengalir kesegala arah didalam kolektor
dan juga aliran udara tersebut akan menyerap panas pada pelat penyerap, sebagian
fluida udara akan mengalir juga ke bagian sirip kolektor lainya melalui lubang yang
ada pada sirip. Udara akan kembali mengenai sirip berlubang dan merubahnya
menjadi aliran turbulen. Ini akan terus berulang sampai udara mengalir melewati
sirip terakhir dan keluar dari kolektor surya yang mengasilkan udara panas yang
berguna. Dari pengembangan pembuatan modifikasi alat kolektor surya sudah
banyak dilakukan oleh peneliti-peneliti lain, seperti salah satu penelitian dari I
Nyoman Gigih Predana Putra,(2010) yaitu: analisis performansi kolektor surya pelat
datar dengan variasi sirip berlubang. Hasil penelitian diameter lubang besar ke kecil
menghasilkan temperature keluar yang lebih tinggi dan menyebabkan energi berguna
lebih tinggi dibandingkan dengan kolektor surya pelat datar dengan variasi diameter
dari kecil ke besar.
Oleh sebab itu berbekal dari penelitian yang telah dilakukan tersebut, penulis
akan membuat modifikasi kolektor surya pelat datar. Kolektor surya pelat datar
memiliki berbagai bentuk sirip yang dipasang pada kolektor surya, salah satu yang
akan dibuat adalah dengan sirip berlubang berdiameter sama yang disusun secara
sejajar. Setiap satu sirip memiliki jumlah lubang sebanyak lima lubang berdiameter
sama yang nantinya akan dipasang lima sirip pada kolektor surya, jadi jumlah lubang
sirip berdiameter sama keseluruhannya berjumlah dua puluh lima lubang. Fungsi dari
pemasangan sirip berlubang berdiameter sama yaitu, untuk memperluas bidang
penyerapan panas pada kolektor surya. Sirip berlubang ini akan menghambat laju
aliran udara didalam kolektor agar penyerapan panas menjadi maksimal. Udara akan
menyerap panas pada sirip dan pelat penyerap didalam kolektor, temperatur udara
akan semakin tinggi setiap melewati masing-masing sirip dari sirip pertama sampai
udara melewati sirip terakhir. Tujuan pemasangan sirip berlubang berdiameter sama
yang disusun secara sejajar yaitu, untuk membuat aliaran massa udara yang masuk
dalam kolektor surya yang melewati sirip lebih merata dikarenakan lubang sirip satu
dengan lubang sirip lainya saling sejajar dan memiliki diameter lubang yang sama
dan juga akan meningkatkan effisiensi daya serap dari radiasi sinar matahari.
3
1.2 Rumusan masalah
Adapun rumusan masalah yang dibahas dari penelitian ini yaitu bagaimana
pengaruh penambahan sirip berlubang berdiameter sama yang disusun secara sejajar
terhadap performansi kolektor surya pelat datar.
1.3 Batasan masalah
Adapun batasan masalah yang ada dalam penelitian ini yaitu:
1. Penutup transparan atau kaca transparan diasumsikan bersih dari debu dan
kotoran.
2. Aliran udara yang mengalir steady state atau steady flow.
3. Lubang sirip dipasang secara sejajar.
4. Efisiensi daya input blower diabaikan.
1.4 Tujuan penelitian
Tujuan yang ingin dicapai untuk mengetahui energi berguna dan efisiensi
yang dihasilkan dari kolektor surya pelat datar dengan lima sirip berlubang
berdiameter sama yang disusun secara sejajar.
1.5 Manfaat penelitian
1. Memanfaatkan sumber energi matahari yang melimpah di Indonesia
sebagai energi alternatif.
2. Dapat diketahui pengunana sirip yang baik pada kolektor surya agar lebih
efektif dan efesien.
3. Memberi pengetahuan mengenai kolektor surya pemanas udara untuk bisa
digunakan dalam kehidupan sehari-hari.