Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-76

Studi Eksperimental Penyimpanan Energi Termal pada TangkiPemanas Air Tenaga Surya yang Berisi PCM

Muhammad Nadjib1, a *, Sukamta1, b, Novi Caroko1, c dan Tito Hadji A.S.1,d

1Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

Jl. Lingkar Selatan, Tamantirto, Bantul, Yogyakarta 55183, Indonesiaanadjibar@yahoo.com, bmsukamta@gmail.com, cnovicaroko@gmail.com, dtitohas@yahoo.com

AbstrakPenelitian ini bertujuan untuk mengkaji secara eksperimental penyimpanan energi termal padatangki Pemanas Air Tenaga Surya (PATS) yang di dalamnya berisi phase change material (PCM).Air sebagai fluida pemindah kalor (heat transfer fluid, HTF) dan paraffin wax digunakan bersama-sama untuk menyimpan kalor di dalam tangki. Paraffin wax dimasukkan ke dalam sekumpulankapsul berbentuk silinder dan disusun secara horisontal serta segaris. Kolektor sebagai pengumpulenergi matahari dihubungkan dengan tangki PATS. Sistem PATS dihadapkan dengan mataharisehingga terjadi proses pemanasan (charging) dimana HTF dan PCM akan bertambahtemperaturnya akibat transfer kalor dari air kolektor. Temperatur HTF dan PCM direkam selamaproses charging. Data temperatur digunakan untuk menyelidiki penyimpanan energi termal didalam tangki. Hasil pengujian menunjukkan bahwa kapasitas penyimpanan energi termal totalPATS terbesar adalah 4,8 MJ dan kontribusi dari penggunaan PCM adalah 44,28% selama waktucharging 340 menit. Selain itu, energi tersimpan kumulatif terbesar yang diperoleh selama prosescharging adalah 3,97 MJ. Perbedaan antara kapasitas penyimpanan energi dan energi tersimpankumulatif merupakan energi yang terbuang ke lingkungan. Berdasarkan hasil tersebut dapatdisimpulkan bahwa PCM telah berfungsi menyimpan energi termal di dalam tangki. Desain sistemisolasi TES perlu mendapat perhatian untuk meminimalisir rugi-rugi termal ke lingkungan.

Kata kunci : PATS, PCM, TES, HTF, paraffin wax, proses charging

Latar belakang

Kebanyakan sistem termal yangmenggunakan energi matahari memerlukanthermal energy storage (TES). TES dipakaiuntuk mengeliminasi ketidaksesuaian antarawaktu suplai energi dan penggunaannya [1].PATS adalah salah satu contoh aplikasisistem energi matahari yang menghasilkanenergi termal. Air sebagai penyimpan kalorsensibel adalah fluida yang umum digunakanpada PATS konvensional jenis thermosyphon.PATS tipe ini telah digunakan olehmasyarakat seperti di rumah tangga, restoran,rumah sakit dan hotel.

Penggunaan air pada PATS konvensionaladalah metode yang dapat diandalkan karenaharganya murah dan mempunyai sifatperpindahan kalor yang baik. Namun begitu,pemakaian air pada PATS mempunyaibeberapa kelemahan, diantaranya adalah

densitas energinya rendah dan pelepasanenerginya terjadi pada kisaran temperaturyang luas [2]. Rendahnya densitas airmengakibatkan kebutuhan volume TES yangbesar untuk dapat menampung energi termalyang banyak.

PCM adalah jenis penyimpan kalor latenyang telah dikembangkan sebagai materialTES pada sistem pemanasan [3]. Paraffin waxmerupakan salah satu PCM yang memilikisifat antara lain: densitas energinya cukuptinggi (~ 200 kJ/kg) dan konduktivitastermalnya rendah (~ 0,2 W/m.ºC) [4]; sifattermalnya stabil di bawah 500ºC [5]; tidakberbahaya dan tidak reaktif [6] dantemperatur leleh beberapa produk paraffinwax bervariasi antara 8 sampai 106ºC [7].

Berdasarkan sifat tersebut, paraffin waxmenarik untuk diaplikasikan sistem PATS.Untuk itu perlu dilakukan studi eksperimental

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-76

pemakaian paraffin wax pada sistem PATS.Penelitian ini bertujuan melakukan investigasikemampuan penyimpanan energi termaltangki PATS yang menggunakan air danparaffin wax sebagai penyimpan energitermal.

Metode

Penelitian ini menggunakan bahan berupaair dan paraffin wax (RT52). Alat utama yangdipakai adalah seperti pada Gambar 1 yaitutangki TES (1), kolektor matahari (2),piranometer (3) dan termokopel (4).

Gambar 1. Alat penelitian

Kolektor matahari jenis plat datar seluas1,9 m2 dihubungkan dengan tangki bervolume31,37 liter dimana posisi tangki berada di ataskolektor. Kolektor dipasang dengan tilt angle15º. Di dalam tangki terdapat kapsul yangberisi PCM dengan jumlah 16 buah dandisusun secara segaris. Material kapsul adalahpipa tembaga dengan panjang 1,63 m dandiameter luar 2,54 cm. Massa total PCMadalah 8,95 kg. Termokopel dipasang di sisiHTF sejumlah 9 titik dan di sisi PCMsebanyak 8 titik. Alat akuisisi data USB-4718digunakan untuk merekam data temperatursedangkan intensitas radiasi matahari diukurdengan piranometer yang diletakkan disamping kolektor matahari.

Pengujian dilakukan selama prosespemanasan air di dalam kolektor yangselanjutnya memanaskan HTF dan PCM ditangki (proses charging). Pengujian dimulaidengan mengisi air di dalam sistem PATShingga penuh kemudian membuka penutup

kolektor sehingga radiasi matahari mengenaipermukaan kolektor. Setelah itu dilakukanperekaman data temperatur HTF dan PCMserta intensitas radiasi matahari setiap 30detik. Pengambilan data diakhiri jikatemperatur PCM telah melebihi titik lelehnya.Data yang diperoleh digunakan untukmenganalisis kemampuan penyimpananenergi termal di dalam tangki PATS.

Hasil

Evolusi temperatur rata-rata HTF di dalamtangki dan intensitas radiasi matahari selamadua hari pengujian (hari pertama tanggal 25Oktober 2014 dan hari kedua tanggal 1November 2014) disajikan pada Gambar 2.

0

200

400

600

800

1000

1200

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300 350

Rad

iasi

mat

ahar

i (W

/m²)

Tem

pera

tur

rata

-rat

a H

TF

(°C

)

Waktu (menit)

HTFRadiasi matahari

0

200

400

600

800

1000

1200

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300 350

Rad

iasi

mat

ahar

i (W

/m²)

Tem

pera

tur

rata

-rat

a H

TF

(°C

)

Waktu (menit)

HTFRadiasi matahari

Gambar 2. Evolusi temperatur rata-rata HTF

Kedua grafik pada Gambar 2 membuktikankarakteristik yang khas pada PATSthermosyphon yaitu kenaikan temperatur

(2)(1)

(3)(4)

25/10/14

1/11/14

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-76

terjadi secara lambat yang disebabkan olehrendahnya laju aliran massa air. Kondisi inimempengaruhi laju perpindahan kalor yangterjadi. Oleh karena itu kenaikan temperaturHTF di dalam tangki menjadi rendah. Naik-turunnya evolusi temperatur rata-rata HTFutamanya disebabkan oleh berfluktuasinyaintensitas radiasi matahari. Radiasi yangberubah-ubah menyebabkan energi termalyang diserap kolektor juga naik-turun,akibatnya temperatur HTF di tangkiberfluktuasi.

Menurut Gambar 2, temperatur rata-rataHTF tertinggi pada pengujian hari keduamencapai 65,7°C (menit ke-285) dimana lebihbesar daripada pengujian hari pertama yaitu65,39°C (menit ke-305). Setelah itutemperatur HTF berangsur-angsur turun.Penyebab turunnya temperatur ini adalahberkurangnya energi matahari yang diterimakolektor sehingga tidak mampu mengimbangirugi-rugi energi ke lingkungan. Intensitasradiasi matahari rata-rata selama pengujianhari pertama sebesar 676,2 W/m2 sedangkanpada pengujian hari kedua adalah 698,74W/m2. Intensitas radiasi yang besarmenyebabkan tingginya temperatur air keluardari kolektor sehingga selisih temperaturdengan air di dalam tangki adalah besar. Halini mengakibatkan perpindahan kalornya jugabesar.

Evolusi temperatur rata-rata PCM di dalamkapsul dan intensitas radiasi matahari selamadua hari pengujian diberikan pada Gambar 3.

0

200

400

600

800

1000

1200

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300 350

Rad

iasi

mat

ahar

i (W

/m²)

Tem

pera

tur

rata

-rat

a PC

M (

°C)

Waktu (menit)

PCMRadiasi matahari

0

200

400

600

800

1000

1200

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300 350

Rad

iasi

mat

ahar

i (W

/m²)

Tem

pera

tur

rata

-rat

a PC

M (

°C)

Waktu (menit)

PCMRadiasi matahari

Gambar 3. Evolusi temperatur rata-rata PCM

Pola evolusi temperatur rata-rata PCMpada Gambar 3 hampir sama dengantemperatur HTF. Semakin lama temperaturPCM semakin naik secara lambat danberfluktuasi. Semakin lama waktu berjalan,semakin besar energi termal yang diserap darienergi matahari dan dipindah ke HTF.Bertambah besarnya temperatur HTFmengakibatkan terjadinya proses perpindahankalor dari HTF di dalam tangki TES ke PCMmelalui kapsul. Lambatnya kenaikantemperatur PCM disebabkan oleh rendahnyakonduktivitas termal PCM. Seperti halnyaevolusi temperatur HTF, kenaikan temperaturPCM juga naik-turun yang disebabkan olehberubah-ubahnya intensitas radiasi matahari.

Berdasarkan Gambar 3 diketahui bahwatemperatur PCM tertinggi pada pengujian haripertama mencapai 67,58°C yang terjadi dimenit ke-305, sedangkan pada pengujian harikedua adalah 64,25°C yang terjadi di menitke-265. Walaupun rata-rata intensitas radiasimatahari saat pengujian hari pertama lebihrendah namun temperatur PCM lebih tinggidaripada pengujian hari kedua. Kondisi inidisebabkan oleh penurunan radiasi mataharilebih cepat pada pengujian hari kedua setelahmenit ke-200.

Radiasi matahari kumulatif selama duahari pengambilan data ditampilkan pada

25/10/14

1/11/14

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-76

Gambar 4. Radiasi matahari kumulatifmenggambarkan jumlah energi radiasi tiapsatuan luasan yang mengenai kolektor secarakumulatif pada kurun waktu tertentu.

0

4

8

12

16

0 50 100 150 200 250 300 350

Rad

iasi

kum

ulat

if (M

J/m

²)

Waktu (menit)

25/10/14 (Total = 13,49 MJ/m2, 340 menit)1/11/14 (Total = 13,42 MJ/m2, 333 menit)

Gambar 4. Radiasi matahari kumulatif

Gambar 4 menunjukkan bahwa radiasimatahari kumulatif pada hari kedua lebihbesar daripada hari pertama. Pada Gambar 2dan Gambar 3 terlihat jelas bahwa intensitasradiasi matahari saat pengujian hari pertamasangat fluktuatif. Besarnya radiasi mataharikumulatif ini mengindikasikan bahwa jumlahenergi matahari yang menimpa kolektor padahari kedua lebih besar. Lama proses chargingadalah 340 menit untuk hari pertama dan 333menit pada hari kedua.

Kapasitas energi tersimpan adalah jumlahenergi termal yang dapat disimpan di dalamtangki TES yang berasal dari kalor sensibelHTF, kalor sensibel kapsul dan kalor sensibelserta kalor laten PCM [8]. Perhitungankapasitas energi ini dilakukan berdasarkantemperatur awal dan akhir selama prosescharging baik untuk HTF maupun PCM.Kapasitas energi tersimpan di dalam tangkiselama dua hari pengujian disajikan padaGambar 5 di bawah ini.

2.68

0.700.14

1.28

4.80

0

1

2

3

4

5

6

1

Ene

rgi (

MJ)

Kalor sensibel air Kalor sensibel PCM

Kalor sensibel kapsul Kalor laten PCM

Akumulasi energi tersimpan

2.59

0.640.14

1.28

4.64

0

1

2

3

4

5

6

1

Ene

rgi (

MJ)

Kalor sensibel air Kalor sensibel PCM

Kalor sensibel kapsul Kalor laten PCM

Akumulasi energi tersimpan

Gambar 5. Kapasitas penyimpanan energitermal

Temperatur awal dan akhir HTF masing-masing adalah 25,94°C dan 62,99°C sertatemperatur awal dan akhir PCM masing-masing adalah 25,3°C dan 64,26°C untukpengujian hari pertama. Pada pengujian harikedua, temperatur awal HTF 26,2°C,temperatur akhir HTF 61,98°C, temperaturawal PCM 26,3°C dan temperatur akhir PCMadalah 61,92°C. Menurut Gambar 5,persentase penyimpanan energi oleh PCMdan kapsul terhadap penyimpanan total energikalor selama proses charging adalah 44,28%untuk hari pertama dan 44,18% untuk harikedua. Tingginya persentase penyimpananenergi pada pengujian hari pertamadisebabkan oleh selisih antara temperaturakhir dan awal baik HTF maupun PCM yanglebih besar. Kapasitas energi total yang

25/10/14

1/11/14

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-76

tersimpan dengan adanya PCM padapengujian hari pertama adalah 2,12 MJ,sementara kapasitas energi tersimpan padahari kedua sebesar 2,06 MJ. Walaupunkapasitas energi tersimpan selama dua haripengujian masih di bawah harga kalorsensibel air masing-masing, PCM telahberfungsi menyimpan energi termal di dalamtangki.

Energi tersimpan kumulatif (cumulativeheat stored) diperoleh dari perkalian antarakalor tersimpan sesaat dengan waktu dandijumlahkan secara kumulatif selamapengujian. Energi tersimpan kumulatif dalamdua hari pengujian ditunjukkan pada Gambar

6.

0

1

2

3

4

5

0 50 100 150 200 250 300 350

Ene

rgi t

ersi

mpa

n ku

mul

atif

(M

J)

Waktu (menit)

25/10/2014 (Total 3,77 MJ, 340 menit)

1/11/2014 (Total 3,97 MJ, 333 menit)

Gambar 6. Energi tersimpan kumulatif

Energi ini menggambarkan akumulasienergi yang tersimpan nyata di dalam tangkiTES. Rata-rata kecepatan perolehan energisaat charging pada pengujian hari pertama

adalah 0,185 kJ/detik, sedangkan padapengujian hari kedua sebesar 0,199 kJ/detik.Rata-rata kecepatan perolehan energi saatcharging pada pengujian ini termasuk rendahakibat kecilnya laju aliran massa air darikolektor (proses thermosyphon). Laju aliranmassa yang rendah menyebabkan kecilnyalaju perolehan kalor dari kolektor matahari.Penelitian serupa menggunakan paraffin waxpada tangki yang dihubungkan dengankolektor matahari diperoleh hasil bahwa rata-rata kecepatan perolehan energi saat chargingadalah 0,855 kJ/detik untuk energi kumulatif10 MJ dengan laju aliran massa HTF sebesar2 liter/menit [8].

Apabila Gambar 6 dihubungkan denganGambar 4 maka dapat dipahami bahwatingginya radiasi kumulatif pada pengujianhari kedua berkorelasi dengan besarnya energitersimpan kumulatif. Intensitas radiasi yangtinggi menyebabkan kecepatan kenaikantemperatur air di dalam kolektor lebih besaryang pada akhirnya meningkatkan kecepatankenaikan temperatur air di dalam tangki.

Harga penyimpanan energi menurutGambar 5 dan Gambar 6 adalah berbeda.Perbedaan ini disajikan pada Tabel 1.

Tabel 1. Perbedaan kapasitas penyimpananenergi dan energi kumulatif

Selisih energi pada tabel tersebut didugamerupakan kehilangan energi termal selamapengujian. Temperatur rata-rata udara luarpada pengujian hari pertama adalah 30,96°C,sedangkan pada pengujian hari kedua sebesar32,41°C. Walaupun energi tersimpankumulatif pada pengujian hari kedua lebihtinggi, namun karena temperatur rata-rataudara luar lebih tinggi maka kehilanganenergi termalnya lebih rendah daripadapengujian hari pertama.

Kehilangan energi termal pada tangkiPATS disebabkan oleh adanya perpindahankalor konduksi dan konveksi. Lajuperpindahan kalor konduksi dipengaruhi olehperbedaan temperatur antara permukaandalam tangki dan permukaan luar isolatorserta tahanan termal tangki dan isolator. Lajuperpindahan kalor konveksi tergantung oleh

Tanggal

Kapasitaspenyimpan

anenergi

Energitersimpa

n

kumulatif

Selisihenergi

(MJ) (MJ) (MJ)

25/10/14

4,8 3,77 1,03

1/11/14 4,64 3,97 0,67

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-76

perbedaan temperatur antara permukaan luarisolator dan udara luar serta luas permukaanisolator. Mempertimbangkan faktor yangmempengaruhi kehilangan energi termaltersebut, sistem isolasi memegang perananyang penting. Untuk meminimalkan rugi-rugienergi termal ke lingkungan maka desainsistem isolasi pada tangki perludiperhitungkan secara cermat baik bahanisolator maupun ketebalannya.

Kesimpulan

Paraffin wax dapat diintegrasikan denganair sebagai material penyimpan energi termaldi dalam tangki PATS. Rugi-rugi termal daritangki ke lingkungan tidak dapat dihindari,oleh karena itu desain sistem isolasi padaPATS memegang peranan penting.

Ucapan Terima kasih

Peneliti mengucapkan terima kasih kepadaLP3M UMY yang telah menyediakan fasilitaspenelitian melalui Program PenelitianUnggulan Prodi dengan No. Kontrak865/SP2-PL/LP3M-UMY/VI/2014.

Referensi

[1] L.A. Chidambaram, A.S. Ramana, G.Kamaraj, R. Velraj, Review of solar coolingmethods and thermal storage options,Renewable and Sustainable EnergyReviews 15 (2011) 3220 – 3228.

[2] A. Hasan, Optimization of DomesticSolar Water Heating System, InternationalJournal of Solar Energy 17 (1995) 135 – 144.

[3] B. Zalba, J.M. Marin, L.F. Cabeza dan H.Mehling, Review on Thermal Energy Storagewith Phase Change: Materials, Heat TransferAnalysis and Applications, Applied ThermalEngineering 23 (2003) 251 – 283.

[4] M.M. Farid, A.M. Khudair, S.A.K.Razack, S. Al-Hallaj, A review on PhaseChange Energy Storage: Materials and

Applications, En. Conv. and Mngt. 45 (2004)1597 – 1615.[5] A. Sharma, V.V.Tyagi, C.R. Chen dan D.Buddhi, Review on Thermal Energy StorageWith Phase Change Materials andApplications, Renewable and SustainableEnergy Reviews 13 (2009) 318 – 345.

[6] S.D. Sharma dan K. Sagara, 2005, LatentHeat Storage Materials and Systems: AReview, International Journal of GreenEnergy 2 (2005) 1 – 56.

[7] M. Kenisarin dan K. Mahkamov, SolarEnergy Storage Using Phase ChangeMaterials, Renewable and Sustainable EnergyReviews 11 (2007) 1913 – 1965.

[8] N. Nallusamy, S. Sampatha dan R. Velraj,Experimental Investigation on a CombinedSensible and Latent Heat Storage SystemIntegrated with Constant/Varying (Solar)Heat Sources, Renewable Energy 32 (2007)1206–1227.