PEMODELAN DAN SIMULASI PEMANAS AIR ENERGI SURYA ...

i

PEMODELAN DAN SIMULASI PEMANAS AIR

ENERGI SURYA MENGGUNAKAN

KOLEKTOR PIPA PARALEL

SKRIPSI

Diajukan guna memenuhi salah satu syarat

memperoleh gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Mesin

Disusun oleh :

Ganang Darmanto

NIM : 155214022

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2018

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ii

MODELING AND SIMULATION OF SOLAR ENERGY

WATER HEATERS USING PARALLEL

PIPE COLLECTORS

FINAL PROJECT

Pressented As Partial Fulfillment Of The Requirements

To Obtain The Sarjana Teknik Degree

In Mechanical Engineering

By :

Ganang Darmanto

Student Number : 155214022

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2018


E- E &'I B AR FE RS A TU"t[j A ia-

SKRT*57

FE &{ t} il}EtAH SAF{ 5I F'{ t,j I-ASI PE :vtulH A 5 A I ft.

EI{ERGI SURI'A MENC GtjinAIi4,H

KOI,SKT'OR PIPA PARALEL

iii


TEMBAB. PSHGgSAI{AH

PEMSI}ELA}{ I}AN SIMLTLASI PSMANAS AIR

ENEEGT SLIRYA MENGGTIHAKAI{

KSLEKT*R PIPA PARALEL

Faiia targgai I ? Llesei::h*r" ZiitE

uhi syarat

\iatra

Ketua

Sekretaris

Anggpta

YnxGilesemlrer itjl Idan Teknol*gi

tas Sauata Dhanna

ar'Og)'Akalta

Ilekan

Lc{*

iv

Tei air dilrer-iah*nk arr eli i: a<iai:ai; ti u: p*r gra i i

i tululgkasi. Ph"D"

l


LEMBAR PERI\TYATAA}I PERSETUJUAhI PUBLIKASI KARYAILMIAH T}NTTIK KEPENTINGAI{ AKADET{IS

Yaug bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharnra :

Nama : Ganang Dannanto

NomorMahasiswa :155214A22

Demi ilmu pengetahuan" saya memberikan kepada Perpustakaan

Universitas Sanata Dhanna karya ilmiah saya yang berjudul :

PEMODELAIT I}AN SIMULASI PEMANAS AIR

EI\TERGI SURYA MENGGI INAKAI\I

KOLEI(TORPIPA PARALEL

beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikiaa saya memberikan

kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk mengalihkan

dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentukpangkalandatamedishibusikan

secara terbatas, serta mempublikasikan di intemet atau media lain guna kepentingan

akademis tanpa pedu meminta izin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya

selama tetap mencaotumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Yogyakarta 17 Desember 2018

Yang menyatakan

@Ganang Darmanto

v


LEMBAR PERIYYATAAI\I KEASLIAN SKRIPSI

Dengan ini saya sebenar-benarnya bahwa Skripsi dengan judul :

PEMODELANT DAI\I SIMULASI PEMANAS AIR

ENERGI SURYA MENGGT}NAKAN

KOLEKTOR PIPA PARALEL

yang disusmgunamemenuhi mlahsatu syratuntukmemperolehgelar SarjanaTeknik

pada Program Strata-1, Program Studi Teknik Mesrq Fakultas Sains dan Teknologi,

Universitas Sanata Dharma bukan merupakan hasil tiruan dari skripsi atau penelitian

yang telah dipublikasikan di Universitas Sanata Dharma maupun di Perguruan Tinggr

manapun. Keeuali besan informasi yang telah dicantrmkan dalam daftar pustaka

sebagaimana layaknya karya ilmiah.

Yogyakarta, 17 Desember 2018

Yang menyatakan

6?tu//TGanang Darmanto

vi


vii

HALAMAN PERSEMBAHAN

Skripsi ini saya persembahkan sebagai ucapan syukur dan cintaku kepada :

1. Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan berkat dan anugerah-Nya.

2. Ibu dan Bapak tercinta yang telah memberikan segalanya untuk keberhasilan

pendidikan saya.

3. Sanak Saudara yang telah memberikan bantuan serta dukungan untuk

pendidikan saya.

4. Dosen dan Karyawan Fakultas Sains dan Teknologi yang telah membimbing

dan memberikan ilmu kepada saya.

5. Teman-teman seperjuangan semua.


viii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat

serta limpahan anugerah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan

Skripsi : Pemodelan Dan Simulasi Pemanas Air Energi Surya Menggunakan Kolektor

Pipa Paralel dengan baik dan lancar.

Tujuan penyusunan Skripsi ini adalah sebagai salah satu syarat wajib guna

mendapatkan gelar sarjana S1 pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan

Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian penyusunan Skripsi ini

melibatkan banyak pihak. Maka, dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan

terima kasih kepada :

1. Tuhan Yesus Kristus.

2. Kedua Orang Tua saya, Suroto dan Sri Sunarni serta adik-adik saya Eliza

Anugraheni dan Novalio Nugraha yang telah memberikan motivasi dan

dukungan kepada penulis baik secara moril, material maupun spiritual.

3. Keluarga Besar Trah Suto Wagiyah yang telah memberikan motivasi dan

dukungan kepada penulis baik secara moril, material maupun spiritual.

4. Sudi Mungkasi, Ph.D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas

Sanata Dharma Yogyakarta.

5. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

6. Ir. Fransiscus Asisi Rusdi Sambada, M.T., selaku Dosen Pembimbing Skripsi.

7. Alm. Prof. Dr. Vet. Asan Damanik, selaku Dosen Pembimbing Akademik.

8. Dr. Eng. I Made Wicaksana Ekaputra, selaku Dosen Pembimbing Akademik.

9. Seluruh Dosen, Staff, dan Karyawan Program Studi Teknik Mesin Fakultas

Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah


mendidik dao memberikan ilmu pengetahuan kepada penulis dalam

penyusunao skripsi ini.

10. Yayasan Peduli Kasih AA Rachmad yang telah berkenan memberikan

beasiswa.

11. S/idya Savitiningtyas yang selalu memberikan do4 se,mangat serta dukungan

secara moral.

12. Seluruh sahabat sayq Teknik Mesin A (TMA Hooligans) 2015.

13. Seluruh penguxus Kabinet Kolaborasi Bersinar Badan Eksekutif Mahasiswa

Universitas Sanata Dharma (BEM USD) periode z0fln01,8.

14. Seluruh pengurus Komisi Pemuda Gereja Kristsn Jawa Karangnongko periode

2015-2017.

15. Seluruh sahabat saya, Kelas Rekayasa Tenaga Surya 2015.

16. Seluruh sahabat saya, Kuliah KerjaNyafa Aptik Peduli Mentawai Batch trI.

17. Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu secara langsung

maupun tidak langsung yang telah memberikan dukungan.

Penulis menyadari bahwa di dalam penulisan slaipsi ini masih banyak terdapat

kekuangan dan jauh dari kesempurnaan. Maka dari itn, penulis memohon maaf atas

segala dan kesalalran yang terdapat dalam penulisan skripsi ini. Saran dan

kritik dari pembaca sangat diharapkan penulis demi perbaikan di

kemudianhari.

Atfiir kata penulis berharap semoga penyusunan slaipsi ini nantinya dapat

Yogyakarta 17 Desember 2018

Penulis

WGanang Darmanto

ix


x

ABSTRAK

Air panas merupakan salah satu kebutuhan dalam kehidupan sehari-hari, mulai dari

keperluan rumah tangga sampai dengan industri seperti mencuci piring, mencuci

pakaian, mandi, membersihkan botol, dan lain sebagainya. Banyak cara untuk

mendapatkan air panas tersebut, mulai dari menggunakan bahan bakar fosil sampai

dengan energi listrik. Alat pemanas air energi surya yang sudah ada saat ini masih

belum optimal, hal ini dikarenakan masih minimnya pengembangan panduan dalam

tahap perancangan alat pemanas air energi surya. Dari persoalan tersebut, banyak

didapatkan hasil temperatur air panas dan efisiensi alat pemanas air energi surya yang

masih belum optimal. Oleh karena itu, untuk mengatasi persoalan tersebut diperlukan

upaya pemodelan dan simulasi. Hal ini dilakukan guna mendapatkan sebuah rancangan

alat pemanas air energi surya yang lebih baik. Penelitian pemanas air energi surya ini

bertujuan untuk menganalisis pengaruh dari luasan permukaan reflektor dan sudut

reflektor terhadap unjuk kerja alat pemanas air energi surya serta untuk mengetahui

perbandingan simulasi dengan alat pemanas air energi surya. Pada penelitian ini akan

diukur besarnya temperatur air masuk kolektor (Tin1), temperatur air keluar kolektor

(Tout1), temperatur air masuk bak (Tin2), temperatur air keluar bak (Tout2), temperatur

air tengah bak (Tbak), temperatur sekitar (Ta), temperatur kolektor (Tp), temperatur kaca

(Tc), dan energi matahari yang diterima (G). Data dari hasil penelitian tersebut

selanjutnya dilakukan perhitungan untuk mencari efisiensi kolektor dari alat pemanas

air energi surya dan selanjutnya akan dibuat grafik berupa perbandingan simulasi

dengan alat. Simulasi yang diperoleh dapat membantu dalam perancangan alat

pemanas air energi surya, sehingga dapat diperoleh hasil efisiensi kolektor dan

temperatur air panas yang lebih optimal. Dari penelitian ini diperoleh efisiensi kolektor

paling tinggi sebesar 81% pada variasi sudut reflektor dengan luasan sebesar 1,5 m2

pada sudut 30° dan diperoleh temperatur air panas paling tinggi sebesar 40.47°C pada

variasi tanpa penambahan reflektor dengan sudut 45°.

Kata kunci : pemanas air, kolektor pipa paralel, simulasi


xi

ABSTRACT

Hot water is one of the needs in everyday life, ranging from household needs to

industries such as washing dishes, washing clothes, bathing, cleaning bottles, and so

forth. There are many ways to get the hot water, from using fossil fuels to electricity.

Solar energy water heaters that are currently available are still not optimal, this is due

to the lack of development guidelines in the design phase of solar energy water heaters.

From this problem, many results obtained from the temperature of hot water and the

efficiency of solar energy water heaters that are still not optimal. Therefore, to

overcome this problem modeling and simulation efforts are needed. This is done to get

a better design of a solar energy water heater. The study of solar energy water heaters

aims to analyze the effect of the surface area of the reflector and reflector angle on the

performance of solar energy water heaters and to compare the simulation with solar

energy water heaters. In this study the collector water temperature will be measured

(Tin1), the collector's outgoing water temperature (Tout1), the temperature of the inlet

water (Tin2), the water temperature out of the tub (Tout2), the center water temperature

(Tbak), the ambient temperature (Ta), collector temperature (Tp), glass temperature (Tc),

and solar energy received (G). Data from the results of these studies are then calculated

to find the efficiency of collectors from solar energy water heaters and then graphs will

be made in the form of a comparison comparison with the tool. The simulation obtained

can help in designing solar energy water heaters, so that the collector efficiency and

hot water temperature can be obtained more optimally. From this study the highest

collector efficiency was obtained at 81% in the angle variation of the reflector with an

area of 1.5 m2 at an angle of 30° and obtained the highest hot water temperature of

40.47 °C in variations without the addition of a reflector with 45° angle.

Keywords: water heater, parallel pipe collector, simulation


xii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................................... i

TITLE PAGE ............................................................................................................. ii

LEMBAR PERSETUJUAN ...................................................................................... iii

LEMBAR PENGESAHAN ....................................................................................... iv

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH .. v

LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ................................................ vi

HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................................... vii

KATA PENGANTAR .............................................................................................. viii

ABSTRAK .................................................................................................................. x

ABSTRACT ................................................................................................................ xi

DAFTAR ISI .............................................................................................................. xii

DAFTAR TABEL ..................................................................................................... xv

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................... xvii

DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................................... xviii

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................ 1

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

1.2 Identifikasi Masalah .......................................................................................... 2

1.3 Rumusan Masalah ............................................................................................. 3

1.4 Batasan Masalah................................................................................................ 3

1.5 Tujuan dan Manfaat Penelitian ......................................................................... 4

1.5.1 Tujuan Penelitian ............................................................................................. 4

1.5.2 Manfaat Penelitian ........................................................................................... 4


xiii

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................. 5

2.1 Penelitian Terdahulu ......................................................................................... 5

2.2 Landasan Teori .................................................................................................. 9

2.3 Hipotesis ......................................................................................................... 17

BAB III METODE PENELITIAN .......................................................................... 18

3.1 Metode Penelitian............................................................................................ 18

3.2 Langkah Penelitian .......................................................................................... 21

3.3 Skema dan Spesifikasi Alat ............................................................................. 22

3.4 Variabel yang Divariasikan ............................................................................. 25

3.5 Parameter yang Diukur ................................................................................... 25

3.6 Alat Ukur yang Digunakan ............................................................................. 26

3.7 Langkah Analisis Data .................................................................................... 27

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................. 28

4.1 Data Penelitian ................................................................................................ 28

4.2 Hasil Penelitian ............................................................................................... 31

4.3 Pembahasan ..................................................................................................... 54

4.3.1 Analisis Pengaruh Luas Kolektor Terhadap Efisiensi Kolektor Pada

Variasi 1, 2, dan 3 …………………………………………………….. 54

4.3.2 Analisis Pengaruh Sudut Datang Terhadap Efisiensi Kolektor Pada

Variasi 3, 4, dan 5 …...……………………………………………….. 57

4.3.3 Perbandingan Simulasi Dengan Eksperimen Pada Variasi 1, 2, 3, 4, dan

5 ……………………………………………...………………………………………………………………… 58

BAB V PENUTUP ..................................................................................................... 71

5.1 Kesimpulan ………...………………………………………………………. 71


xiv

5.2 Saran ....…………………………………………………………………….. 73

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 74

LAMPIRAN ............................................................................................................... 76


xv

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data rata-rata tiap jam alat pemanas air energi surya pada variasi 1 ......... 28





Tabel 4.6 Hasil perhitungan Φ1, Φ2, Φ3, dan zΦ2Φ3 pada variasi 1 ........................... 34

Tabel 4.7 Hasil perhitungan hi, hri, R, ho, dan hro pada variasi 1 ................................ 35

Tabel 4.8 Hasil perhitungan efisiensi sirip pada variasi 1 .......................................... 35

Tabel 4.9 Hasil perhitungan Φ1, Φ2, Φ3, dan zΦ2Φ3 pada variasi 2 ........................... 36

Tabel 4.10 Hasil perhitungan hi, hri, R, ho, dan hro pada variasi 2 .............................. 36

Tabel 4.11 Hasil perhitungan efisiensi sirip pada variasi 2 ........................................ 37

Tabel 4.12 Hasil perhitungan Φ1, Φ2, Φ3, dan zΦ2Φ3 pada variasi 3 ......................... 37









Tabel 4.21 Hasil perhitungan 1/UL[F(s-d)+d], Cb, Re, Pr dan RePrdi/L pada

variasi 1.................................................................................................... 43

Tabel 4.22 Hasil perhitungan faktor efisiensi pada variasi 1 ..................................... 44


variasi 2.................................................................................................... 44



xvi


variasi 3.................................................................................................... 45



variasi 4.................................................................................................... 46



variasi 5.................................................................................................... 47


Tabel 4.31 Hasil perhitungan faktor pelepasan panas pada variasi 1 ......................... 49





Tabel 4.36 Hasil efisiensi kolektor pada variasi 1 ...................................................... 52






xvii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 3.1 Langkah-langkah penelitian................................................................... 20

Gambar 3 2 Skema Alat Pemanas Air Energi Surya ................................................. 22

Gambar 3.3 Alat Pemanas Air Energi Surya ............................................................. 23

Gambar 3.4 Alat Pemanas Air Energi Surya Menggunakan Reflektor ..................... 24

Gambar 4.1 Grafik perbandingan luas kolektor dengan efisiensi kolektor ............... 55

Gambar 4.2 Grafik perbandingan sudut reflektor dengan efisiensi kolektor ............ 57

Gambar 4.3 Grafik persamaan matahari pada simulasi dan pemodelan alat pemanas

air energi surya variasi 1 ....................................................................... 59

Gambar 4.4 Grafik perbandingan simulasi dan pemodelan alat pemanas air energi

surya variasi 1 ....................................................................................... 60




surya variasi 2 ....................................................................................... 62




surya variasi 3 ....................................................................................... 64




surya variasi 4 ....................................................................................... 66




surya variasi 5 ....................................................................................... 69


xviii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Gambar Alat Pemanas Air Energi Surya .............................................. 76

Lampiran 2. Gambar Alat Ukur Yang Digunakan .................................................... 78

Lampiran 3. Grafik Bilangan Nusselt Rata-rata Dalam Berbagai Bilangan

Prandtl ................................................................................................... 80

Lampiran 4. Grafik Koefisien Konveksi Alam hi Dengan Sudut β Sebagai

Parameter .............................................................................................. 81

Lampiran 5. Tabel Sifat Air ...................................................................................... 82


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Air panas merupakan salah satu kebutuhan dalam kehidupan sehari-hari, mulai

dari keperluan rumah tangga seperti mencuci piring, mencuci pakaian sampai dengan

mandi. Air panas tidak hanya dibutuhkan untuk keperluan rumah tangga saja

melainkan juga dibutuhkan didalam dunia industri seperti membersihkan botol, dan

lain sebagainya. Banyak cara untuk mendapatkan air panas tersebut, mulai dari

menggunakan bahan bakar fosil sampai dengan energi listrik. Akan tetapi pada saat ini,

cadangan bahan bakar fosil di Indonesia semakin menipis. Maka dibutuhkan suatu alat

untuk mendapatkan air panas tersebut dengan cara yang lebih ekonomis dan ramah

lingkungan. Oleh karena itu, salah satu cara untuk mengatasi persoalan tersebut yaitu

dengan alat pemanas air energi surya.

Dewasa ini, persoalan yang terdapat pada alat pemanas air energi surya yaitu

mengenai optimalisasi dari temperatur air panas dan efisiensi dari alat pemanas air

energi surya. Hal ini dikarenakan kondisi cuaca yang tidak dapat diprediksi oleh alat

pemanas air energi surya. Maka dari itu, perlu adanya penambahan reflektor disamping

kolektor surya untuk mengoptimalkan penyerapan sinar matahari yang dapat diserap

oleh kolektor surya.

Adapun alat pemanas air energi surya yang telah dibuat sebelumnya masih

belum mendapatkan hasil yang optimal dari segi penambahan reflektor dan


2

penempatan sudut reflektor. Maka diperlukan rancangan serta panduan dalam

pengembangan alat pemanas air energi surya. Oleh karena itu, salah satu cara untuk

mengatasi persoalan tersebut yaitu dengan dilakukan perbandingan antara hasil

eksperimen dengan simulasi secara matematis.

1.2 Identifikasi Masalah

Alat pemanas air energi surya yang sudah ada saat ini masih belum optimal, hal

ini dikarenakan masih minimnya pengembangan panduan dalam tahap perancangan

alat pemanas air energi surya. Dari persoalan tersebut, banyak didapatkan hasil

temperatur air panas dan efisiensi alat pemanas air energi surya yang masih belum

optimal. Oleh karena itu, untuk mengatasi persoalan tersebut diperlukan upaya

pemodelan dan simulasi. Hal ini dilakukan guna mendapatkan sebuah rancangan alat

pemanas air energi surya yang lebih baik.

Selain itu, untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal maka perlu

ditambahkan variasi dalam pembuatan model alat dari simulasi tersebut. Adapun

variasi yang digunakan untuk mendapatkan hasil temperatur air panas dan efisiensi alat

yang lebih optimal yaitu dengan posisi tangki horizontal dan dengan ditambahkan

reflektor pada samping kolektor. Posisi tangki horizontal dimaksudkan supaya luasan

air dingin yang terdapat didalam tangki lebih luas, sehingga dengan demikian air panas

yang masuk kedalam tangki penyimpanan tidak cepat merambat ke air yang dingin.

Maka ketika air dingin tersebut mengalir ke dalam pipa pemanas, air yang dingin

tersebut akan lebih cepat panas karena perbedaan temperatur yang lebih besar.


3

Sedangkan penambahan reflektor dibagian samping kolektor surya dimaksudkan untuk

mengoptimalkan penyerapan sinar matahari yang dapat diserap oleh kolektor surya.

Hal ini dikarenakan didalam penyerapan yang dilakukan oleh kolektor surya, ada

sebagian sinar matahari yang dipantulkan kembali ke atmosfir. Oleh karena itu,

reflektor inilah yang nantinya berfungsi untuk membantu dalam mengoptimalkan

panas dari sinar matahari yang memantul keluar tersebut untuk nantinya diarahkan

kembali mengarah ke kolektor surya.

1.3 Rumusan Masalah

Dari uraian identifikasi masalah diatas, didapatkan rumusan masalah pada

penelitian ini yaitu:

a. Bagaimana pengaruh luas reflektor terhadap efisiensi kolektor pemanas air

energi surya?

b. Bagaimana pengaruh sudut reflektor terhadap efisiensi kolektor pemanas air

energi surya?

1.4 Batasan Masalah

a. Temperatur kaca dianggap merata.

b. Temperatur absorber dianggap merata

c. Ketinggian air dianggap merata.

d. Kemiringan kolektor sebesar 30° dengan susunan pipa paralel.

e. Luasan absorber dan volume air dalam tangki.


4

1.5 Tujuan dan Manfaat Penelitian

1.5.1 Tujuan Penelitian

a. Menganalisis pengaruh luasan reflektor terhadap unjuk kerja alat pemanas

air energi surya.

b. Menganalisis pengaruh sudut reflektor terhadap unjuk kerja alat pemanas

air energi surya.

c. Membuat simulasi alat pemanas air energi surya.

1.5.2 Manfaat Penelitian

a. Untuk menambah kepustakaan teknologi pemanas air energi surya.

b. Sebagai panduan dalam pengembangan alat pemanas air energi surya.

c. Dikembangkan dalam pembuatan prototipe untuk menambah alat yang

berguna bagi masyarakat.


5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Penelitian Terdahulu

Penelitian mengenai alat pemanas air energi surya sebelumnya sudah pernah

dilakukan, diantaranya pemanas air energi surya dengan sel surya sebagai absorber

(Subarkah, R., dan Belyamin, 2011), penelitian ini dilakukan bertujuan untuk

menghasilkan alat pemanas air energi surya dengan sel surya sebagai absorber. Pada

penilitian ini sel surya yang diberi tambahan pelat absorber pada permukaan bawahnya

menghasilkan efisiensi ± 1-3% lebih rendah jika dibandingkan dengan sel surya yang

tanpa diberi tambahan pelat absorber pada permukaan bawahnya. Pada penelitian ini

dihasilkan air panas dengan temperatur ± 40°C sebanyak ± 50 liter dalam kurun waktu

lima jam pada saat kondisi cuaca cerah. Penelitian selanjutnya adalah analisis kinerja

pemanas air tenaga surya dengan reflector linear parabolic concentrating (Rahman, S.,

Kahar, dan Rusdi, M., 2014). Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui energi berguna

dari kolektor, besarnya kalor yang dapat dimanfaatkan di dalam tangki dan mengetahui

besarnya efisiensi kolektor dalam pemanfaatan energi matahari. Pada penelitian ini

memiliki hasil besarnya energi berguna dari reflektor parabolik sebesar 474,65 W,

energi maksimum yang tersimpan di dalam tangki sebesar 440,87 W, dan efisiensi

sesaat reflektor linear parabolic concentrating yaitu sebesar 16,23% - 47,01%.

Penelitian selanjutnya adalah unjuk kerja pemanas air jenis kolektor surya plat datar

dengan satu dan dua kaca penutup (Tirtoatmodjo, R., dan Handoyo, E. A., 1999),


6

dimana penelitian ini bertujuan untuk mengetahui perbedaan unjuk kerja dari pemanas

air dengan satu dan dua kaca penutup. Pada penelitian ini, diperoleh hasil bahwa

efisiensi menggunakan dua kaca penutup lebih baik dibandingkan hanya dengan satu

kaca penutup. Pada penelitian ini juga diperoleh hasil perbedaan temperatur air keluar

kolektor dan temperatur air masuk kolektor menggunakan dua kaca penutup lebih

tinggi sebesar 17°C dibandingkan kolektor dengan satu kaca penutup. Penelitan

selanjutnya adalah pengaruh jarak antar pipa pada kolektor terhadap panas yang

dihasilkan solar water heater (SWH) (Susanto, H., dan Irawan, D., 2017), penelitian

ini bertujuan untuk mengetahui perpindahan panas yang terjadi pada kolektor pemanas

air energi surya dengan variasi jarak antar pipa tembaga dan untuk mengetahui efisiensi

perubahan panas yang terjadi, serta untuk mengetahui jarak antar pipa pemanas yang

tepat pada pemanas air energi surya. Dalam penelitian ini diperoleh hasil pada pipa

tembaga dengan jarak 5 cm diperoleh perpindahan panas secara konveksi sebesar

549,73 W dan efisiensi perubahan panas rata-rata pada intensitas matahari tertinggi

sebesar 33%, pada pipa tembaga dengan jarak 7 cm diperoleh perpindahan panas secara

konveksi sebesar 256,33 W dan efisiensi perubahan panas rata-rata pada intensitas

matahari tertinggi sebesar 21,98%, dan pada pipa tembaga dengan jarak 9 cm diperoleh

perpindahan panas secara konveksi sebesar 101,74 W dan efisiensi perubahan panas

rata-rata pada intensitas matahari tertinggi sebesar 13,33%. Pada penelitian ini juga

diperoleh hasil jarak antar pipa pemanas yang tepat digunakan pada pemanas air energi

surya yaitu dengan jarak antar pipa sebesar 5 cm. Penelitian selanjutnya adalah analisis

kolektor sederhana bergelombang dengan penambahan reflektor terhadap kinerja solar


7

water heater (Sutrisno, dan Mustafa., 2014), penelitian ini bertujuan untuk

menganalisa penambahan reflektor panas terhadap panas yang dipantulkan. Penelitian

ini diperoleh hasil bahwa dengan penambahan reflektor membuat penyerapan panas

menjadi lebih efektif dan maksimal. Penelitian selanjutnya adalah analisis performansi

kolektor surya pemanas air dengan pelat kolektor bentuk V (Jalaluddin, Arief, E., dan

Tarakka, R., 2015), penelitian ini bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja dari kolektor

surya dengan pelat absorber berbentuk V terhadap kolektor dengan pelat absorber

datar. Dari penelitian ini diperoleh hasil bahwa kolektor surya dengan pelat absorber

berbentuk V memiliki peningkatan performasi sebesar 2,36% pada debit 0,5 liter/menit

dan 4,23% pada debit 2,0 liter/menit. Penelitian selanjutnya adalah optimasi jumlah

pipa pemanas terhadap kinerja kolektor surya pemanas air (Sumarsono, M., 2005),

penelitian ini bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja dari jumlah pipa pemanas air

yang optimal. Pada penelitian ini diperoleh hasil energy berguna optimum dapat

dihasilkan oleh kolektor surya dengan jumlah pipa pemanas sebanyak 6 pipa dan 8

pipa. Penelitian selanjutnya adalah pengaruh pelat penyerap ganda model gelombang

dengan penambahan reflector terhadap kinerja solar water heater sederhana (N.R.,

Ismail., 2006), penelitian ini bertujuan untuk membandingkan kinerja pelat penyerap

ganda model gelombang dengan penambahan reflektor dan tanpa reflektor. Penelitian

ini diperoleh hasil bahwa solar water heater pelat ganda dengan penambahan reflektor

dapat meningkatkan nilai efisiensi penyerapan rata-rata sebesar 24,02%, sedangkan

nilai efisiensi penyerapan panas rata-rata pada solar water heater pelat penyerap model

gelombang tanpa reflektor sebesar 19,81%. Penelitian selanjutnya adalah unjuk kerja


8

kolektor surya pelat datar aliran paralel (Zulfa, Amrizal, dan Amrul., 2017), penelitian

ini bertujuan untuk mengkarakterisasi unjuk kerja termal kolektor surya aliran paralel

berupa efisiensi dan pressure drop berdasarkan variasi jarak antar pipa paralel terhadap

diameter pipa dan arah aliran fluida pada pipa riser. Penelitian ini diperoleh hasil

kolektor dengan W/D 8 aliran vertikal memiliki unjuk kerja terbaik dari sisi efisiensi

sebesar 46,65% dan rugi-rugi kalor dengan nilai 2,7111 W/(m2.K), sementara kolektor

dengan W/D 12 untuk aliran vertikal memiliki pressure drop terbaik dengan nilai

123,48 Pa, dan kolektor yang menggunakan penutup kaca dan kolektor dengan laju

aliran massa yang lebih kecil memiliki unjuk kerja terbaik dari sisi koefisien kerugian

panas dan efisiensi. Penelitian selanjutnya adalah pemodelan dan simulasi perpindahan

panas pada kolektor surya pelat datar (Amir, F., Syuhada, A., dan Hamdani., 2013).

Pada penelitian pemodelan dan simulasi pemanas air ini dilakukan untuk menganalisa

serta mengukur perpindahan panas pada kolektor surya dengan tipe plat datar. Hasil

dari simulasi ini kemudian dijadikan pembanding dengan hasil pengujian studi

eksperimental. Dan didapatkan temperatur fluida yang keluar hasil simulasi ini lebih

besar daripada hasil pengujian. Pada penelitian sebelumnya ini diperoleh hasil nilai

intensitas surya paling tinggi pada pukul 13.00 WIB dengan energi panas yang

dihasilkan sebesar 700 W/m2, intensitas surya paling rendah pada pukul 18.00 WIB

dengan energi panas yang dihasilkan sebesar 215 W/m2. Pada penelitian ini juga

diperoleh hasil temperatur fluida keluar hasil simulasi lebih besar daripada hasil studi

eksperimental dengan plat absorber yang sama.


9

2.2 Landasan Teori

Sistem sirkulasi pemanas air energi surya merupakan sebuah rangkaian

pemanas air yang terdiri dari berbagai komponen pemanas air untuk menghasilkan air

panas yang konstan secara alami. Dalam pemanas air energi surya terdapat tiga cara

perpindahan panas yaitu perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi.

Pada penelitian pemanas air energi surya ini, perpindahan panas yang terjadi adalah

secara konveksi dan radiasi. Perpindahan panas secara konveksi merupakan proses

perpindahan panas dengan melibatkan perpindahan massa molekul-molekul fluida dari

satu tempat ke tempat yang lain. Perpindahan panas secara konveksi dibagi menjadi

dua, yaitu konveksi paksa dan konveksi alamiah. Dikatakan konveksi secara paksa

apabila perpindahan panas tersebut disebabkan oleh bantuan dorongan sebuah blower

atau alat lainnya. Sedangkan dikatakan konveksi alamiah, jika perpindahan panas

tersebut disebabkan oleh perbedaan massa jenis. Pada umumnya, perpindahan panas

secara konveksi (q, watt) ini dapat dinyatakan dengan persamaan hukum pendinginan

Newton sebagai berikut :

𝑞 = ℎ . 𝐴 (𝑇𝑤 − 𝑇) (1)

dengan h adalah koefisien konveksi (W/(m2.K)), A adalah luas permukaan (m2), Tw

adalah temperatur dinding (K), T adalah temperatur fluida (K). Pada umumnya

koefisien koveksi h dinyatakan menggunakan parameter tanpa dimensi yang disebut

bilangan Nusselt. Adapun bilangan Nusselt (Nu) dapat dicari dengan menggunakan

persamaan :


10

𝑁𝑢 =ℎ . 𝑑𝑖

𝑘 (2)

dengan k adalah konduktivitas panas (W/(m.K)), dan di adalah diameter dalam pipa

(m). Karena aliran dalam pemanas air energi surya laminer dan tabung-tabungnya

adalah relatif pendek, maka bilangan Nusselt rata-rata dan harga rata-rata h dalam

tabung dapat dicari menggunakan grafik seperti yang dianjurkan oleh Duffie dan

Beckman. Untuk menggunakan grafik dalam gambar tersebut haruslah menghitung

sebuah bilangan tidak berdimensi yang disebut dengan bilangan Reynolds. Adapun

bilangan Reynolds (Re) dapat dihitung menggunakan persamaan :

𝑅𝑒 = 4 . �̇�

𝜋 . 𝑑𝑖 . 𝜇 (3)

dengan ṁ adalah laju aliran massa fluida (kg/s), dan μ adalah viskositas dinamik

(kg/m.s). Selain itu untuk menggunakan grafik dalam gambar tersebut haruslah

menghitung sebuah bilangan tanpa dimensi lain yang disebut dengan bilangan Prandtl.

Adapun bilangan Prandtl (Pr) dapat dihitung menggunakan persamaan :

𝑃𝑟 = 𝑐𝑃 . 𝜇

𝑘 (4)

dengan cp adalah panas jenis spesifik pada tekanan konstan (kJ/kg.°C). Maka dengan

menggunakan bilangan-bilangan diatas dapat diperoleh persamaan yang selanjutnya

digunakan dalam menentukan bilangan Nusselt rata-rata. Apabila pemanas air energi

surya bekerja dalam daerah bilangan Reynolds antara 2000 sampai 10000, menurut

Shewen dan Hollands menganjurkan bilangan Nusselt dapat dihitung menggunakan

persamaan :


11

𝑁𝑢 = 0,00269 . 𝑅𝑒 (5)

Efisiensi sirip merupakan suatu ukuran untuk mengetahui besarnya radiasi yang

dapat diserap dan diubah menjadi panas yang dikonduksikan ke bagian dasar sirip

(Arismunandar, W., 1995). Efisiensi sirip merupakan salah satu parameter penting

dalam perancangan kolektor surya jenis cairan. Sehingga dapat disimpulkan bahwa

efisiensi sirip adalah perbandingan panas yang dipindahkan kedalam sirip dibagi

dengan panas yang dipindahkan apabila seluruh sirip berada pada temperatur dasar.

Efisiensi sirip (F) dapat dihitung menggunakan persamaan :

𝐹 =

tanh [√ 𝑈𝐿

𝑘 . 𝛿 . (

𝑠 − 𝑑2 )]

√ 𝑈𝐿

𝑘 . 𝛿 . (

𝑠 − 𝑑2 )

(6)

dengan UL adalah koefisien kerugian panas total (W/(m2.K)), k adalah konduktivitas

termal (W/(m.K)), δ adalah tebal pelat (m), s adalah jarak antar pipa (m), dan d adalah

diameter luar pipa (m). Untuk mendapatkan efisiensi sirip, maka harus diperhatikan

koefisien kerugian total yang terjadi pada alat pemanas air energi surya. Hal ini

dikarenakan besarnya koefisien kerugian total yang didapatkan akan sangat berkaitan

dengan efisiensi sirip yang diperoleh. Hal ini dapat dideskripsikan bahwa semakin

tinggi koefisien kerugian total yang didapatkan dari alat pemanas air energi surya maka

efisiensi sirip yang diperoleh akan semakin rendah. Begitu pula sebaliknya, semakin

rendah koefisien kerugian total yang didapatkan dari alat pemanas air energi surya

maka efisiensi sirip yang diperoleh akan semakin tinggi. Untuk menghitung koefisien


12

kerugian total (UL, (W/(m2.K))) dari alat pemanas air energi surya, maka dapat

dilakukan menggunakan persamaan :

𝑈𝐿 = 𝑈𝑏 + 𝑈𝑡 (7)

dengan Ub adalah koefisien kerugian bawah (W/(m2.K)), dan Ut adalah koefisien

kerugian atas (W/(m2.K)). Koefisien kerugian total merupakan hasil penjumlahan

antara koefisien kerugian bawah dengan koefisien kerugian atas. Panas hilang dari

bagian atas pelat penyerap dikarenakan konveksi alam dan dikarenakan radiasi ke

permukaan dalam dari pelat penutup kaca. Panas tersebut dikonduksikan oleh pelat

kaca ke permukaan luarnya, kemudian dipindahkan ke atmosfer luar secara konveksi

dan radiasi. Koefisien kerugian atas (Ut, (W/(m2.K))) ini dapat dihitung menggunakan

persamaan :

1

𝑈𝑡=

1

ℎ𝑖 + ℎ𝑟𝑖+

𝑡

𝑘 +

1

ℎ𝑜 + ℎ𝑟𝑜 (8)

dengan, hi adalah koefisien konveksi alam dalam (W/(m2.K)), hri adalah koefisien

radiasi ekivalen dalam (W/(m2.K)), 𝑡

𝑘 atau R (kaca) adalah harga tahanan termal dari

kaca (m.K/W), ho adalah koefisien konveksi luar (W/(m2.K)), dan hro adalah koefisien

radiasi ekivalen luar (W/(m2.K)). Dimana sirkuit-sirkuit pada tahanan diatas dapat

dijabarkan dan dihitung menggunakan persamaan-persamaan :

menghitung koefisien konveksi alam dalam (hi, (W/(m2.K))) menggunakan persamaan:

ℎ𝑖 = ℎ𝑖

∅1 . ∅2 . ∅1 . ∅2 (9)


13

untuk mencari hi maka perlu menghitung fungsi-fungsi dari Φ1, Φ2, dan Φ3

menggunakan persamaan :

∅1 = 137

(𝑇𝑚 + 200)13 . 𝑇𝑚

12

(10)

∅2 = 𝑇𝑃 − 𝑇𝐶

50 (11)

∅3 =1428 . (𝑇𝑚 + 200)

23

𝑇𝑚2

(12)

dengan Tp adalah temperatur pelat (K) dan Tc adalah temperatur kaca (K). Dengan (Tm,

(K)), dapat dihitung menggunakan persamaan :

𝑇𝑚 = (𝑇𝑝 + 𝑇𝑐

2) (13)

dengan diketahuinya nilai Φ1, Φ2, dan Φ3, maka dapat diperoleh nilai dari zΦ2Φ3.

Dengan menarik garis lurus nilai zΦ2Φ3 (cm) keatas memotong sudut kemiringan

kolektor 30° maka dapat diperoleh nilai dari hi/Φ1Φ2.

menghitung koefisien radiasi ekivalen dalam (hri, W/(m2.K)) menggunakan persamaan:

ℎ𝑟𝑖 = 𝜎 . (𝑇𝑝

4 − 𝑇𝑐4)

(1휀𝑝

+ 1휀𝑐

− 1). (𝑇𝑝 − 𝑇𝑐) (14)

menghitung tahanan termal kaca (R, m.K/W) menggunakan persamaan :

𝑅 (𝑘𝑎𝑐𝑎) = 𝑡

𝑘 (15)

menghitung koefisien konveksi luar (ho, W/(m2.K)) menggunakan persamaan :


14

ℎ𝑜 = 5,7 + 3,8 . 𝑉 (16)

menghitung koefisien radiasi luar ekivalen (hro, W/(m2.K)) menggunakan persamaan :

ℎ𝑟𝑜 = 휀𝑐 . 𝜎 (𝑇𝑐

4 − 𝑇𝑙𝑎𝑛𝑔𝑖𝑡4 )

𝑇𝐶 − 𝑇𝑙𝑎𝑛𝑔𝑖𝑡 (17)

dengan σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann 5,67 x 10-8 (W/(m2.K4)), Ɛp adalah

emisivitas penyerap, Ɛg adalah emisivitas kaca, t adalah tebal kaca (m), k adalah

konduktivitas termal (W/(m.K)), V adalah kecepatan angin (m/s), Ta adalah temperatur

luar (K), dan Tlangit adalah temperatur langit (K). Dimana temperatur langit (Tlangit, K)

dapat dihitung menggunakan persamaan :

𝑇𝑙𝑎𝑛𝑔𝑖𝑡 = 0,0552 . (𝑇𝑎

32) (18)

menghitung koefisien kerugian bawah (Ub, W/(m2.K)) menggunakan persamaan :

𝑈𝑏 = 1

𝑅 (19)

Karena temperatur Tp dari pelat penyerap berubah-ubah sepanjang dan

melintang pelat tersebut, maka persamaan perolehan panas kolektor dan persamaan

efisiensi biasanya dinyatakan sebagai fungsi dari temperatur fluida masuk, yang

relative mudah dikontrol dan diukur selama pengujian dan operasionalnya. Hal ini

memungkinkan penggunaan temperatur fluida rata-rata yang selanjutnya disebut

dengan faktor efisiensi. Adapun faktor efisiensi (F’) dapat dihitung menggunakan

persamaan :


15

𝐹′ =

1𝑈𝐿

𝑠 . {1

𝑈𝐿 . [(𝑠 − 𝑑) . 𝐹 + 𝑑]+

1𝐶𝑏

+1

ℎ . 𝜋 . 𝑑𝑖} (20)

dengan UL adalah koefisien kerugian total (W/(m2.K)), s adalah jarak antar pipa (m), d

adalah diameter luar pipa (m), Cb adalah konduktansi perekat (W/(m.K)), h adalah

koefisien konveksi fluida (W/(m2.K)), dan di adalah diameter dalam pipa (m).

menghitung konduktansi perekat (Cb, W/(m.K)) menggunakan persamaan :

𝐶𝑏 = 𝑘 . 𝑏

𝑙 (21)

dengan b adalah panjang perekat (m) dan l adalah tebal perekat (m).

menghitung tahanan koefisien konveksi fluida (h, W/(m2.K)) menggunakan

persamaan:

ℎ = 𝑁𝑢

𝑘

𝑑𝑖 (22)

Perolehan panas sebuah kolektor surya lebih baik dinyatakan sebagai fungsi

dari temperatur masuk fluida (Ti). Dimana Ti selalu lebih kecil daripada temperatur

pelat yang menjadi dasar dari UL. Maka kerugian yang dihitung adalah terlalu rendah

dan perolehan panas terlalu besar. Faktor pelepasan panas adalah perbandingan antara

energi berguna yang dikumpulkan terhadap energi yang mungkin dikumpulkan,

apabila temperatur fluida sepanjang pipa adalah sama dengan temperatur masuk (lebih

dingin). Adapun faktor pelepasan panas (FR) dapat dihitung menggunakan persamaan:

𝐹𝑅

𝐹′=

𝑚 .̇ 𝐶𝑝

𝑈𝐿 . 𝐹′[1 − 𝑒𝑘𝑠𝑝 − (

𝑈𝐿 . 𝐹′

𝑚 .̇ 𝐶𝑝)] (23)


16

dengan ṁ adalah laju aliran massa (kg/s), CP adalah panas jenis spesifik pada tekanan

konstan (kJ/kg.°C), UL adalah koefisien kerugian total (W/(m2.K)), F’ adalah faktor

efisiensi, dan eksp adalah fungsi eksponensial.

Efisiensi kolektor merupakan perbandingan antara energi bermanfaat yang

dihasilkan oleh kolektor melalui pemanasan air terhadap energi matahari yang diterima

oleh kolektor tersebut. Adapun efisiensi kolektor (Ƞ) dapat dihitung menggunakan

persamaan :

Ƞ = 𝐹𝑅 . (𝜏𝛼) − 𝐹𝑅 . 𝑈𝐿 . (𝑇𝑖 . 𝑇𝑎

𝐺𝑇) (24)

dengan FR adalah faktor pelepasan panas, τα adalah 0,80, UL adalah koefisien kerugian

total (W/(m2.K)), Ti adalah temperatur air masuk (°C), Ta adalah temperatur sekitar

(°C), dan GT adalah panas matahari yang diterima kolektor (W/m2). Efisiensi kolektor

dari kolektor surya bukanlah sebuah konstanta melainkan karakteristik dengan variabel

tinggi yang tergantung dari temperatur sekitar, tingkat panas matahari yang diterima

kolektor, dan temperatur air masuk.

Untuk menghasilkan model eksperimental dengan hasil yang lebih baik, maka

diperlukan sebuah simulasi matemastis. Simulasi ini dilakukan dengan cara membuat

persamaan matematis dan selanjutnya dibandingkan dengan hasil model eksperimental

yang telah dibuat sebelumnya. Adapun persamaan matematis untuk simulasi yaitu

sebagai berikut :

𝑚𝑠𝑐𝑠

𝑑𝑇𝑠

𝑑𝜃= 𝐴𝑐𝐹′[ (𝜏𝛼)𝐺𝑇(𝑚𝑎𝑘𝑠) sin 𝜔𝜃 − 𝑈𝐿(𝑇𝑠 − 𝑇𝑎)] − 𝑈𝑠𝐴𝑠(𝑇𝑠 − 𝑇𝑟) (25)


17

dengan ms adalah volume air (kg.air), cs adalah Cp (kJ/(kg.K)), TS adalah temperatur

tangki (°C), ϴ adalah jam setelah matahari terbit, Ac adalah luas permukaan kolektor

(m2), F’ adalah faktor efisiensi, τα adalah 0,80, GT adalah panas matahari yang diterima

kolektor (W/m2), UL adalah koefisien kerugian total (W/(m2.K)), Ta adalah temperatur

sekitar sekitar (°C), As adalah luas permukaan bak (m2), dan Tr adalah temperatur

lingkungan dalam ruangan (°C).

2.3 Hipotesis

Hipotesis pada penelitian ini adalah :

1. Reflektor akan mempengaruhi unjuk kerja alat pemanas air energi surya.

2. Sudut reflektor akan mempengaruhi unjuk kerja alat pemanas air energi

surya.


18

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Metode Penelitian

Metode yang digunakan pada penelitian ini menggunakan dua tahap yaitu (1)

pemodelan dan (2) simulasi. Metode penelitian ini diawali dengan studi literatur dari

jurnal pemanas air energi surya yang pernah dilakukan sebelumnya. Selain itu juga

dilakukan studi literatur tentang pemodelan dan simulasi pemanas air serta perpindahan

panas pada kolektor yang pernah dilakukan sebelumnya. Pada pemodelan ini, dibuat

sebuah alat pemanas air energi surya menggunakan kolektor tipe pipa paralel dengan

posisi tangki horizontal (Gambar 3.3). Setelah alat pemanas air energi surya selesai

dibuat, maka dilakukan sebuah pengujian. Pengujian yang dilakukan diantaranya yaitu

pengujian kebocoran bak penampung air dan pengujian kebocoran sirkulasi air dalam

pipa. Tujuan dari pengujian ini adalah untuk memastikan bahwa tidak ada kebocoran

pada alat yang dibuat, sehingga debit aliran air dalam pipa tetap sama dan tidak adanya

pengaruh perubahan temperatur pada kolektor dan bak penampung air. Setelah

dilakukan pengujian kebocoran, maka langkah selanjutnya yaitu dilakukan uji coba

pengambilan data alat pemanas air. Tujuan dari uji coba pengambilan data ini yaitu

untuk mengecek seluruh sensor yang digunakan dalam parameter yang diukur apakah

terdapat error, mengecek aliran sirkulasi air dalam pipa dan mengecek kebocoran air

dalam sirkulasi aliran. Kemudian langkah selanjutnya yang dilakukan adalah proses

pengambilan data alat pemanas air energi surya dengan kolektor pipa paralel dan


19

menganalisis data. Pada pengambilan data alat pemanas air energi surya dengan

kolektor pipa paralel ini dilakukan setiap 10 detik selama delapan jam dalam satu hari

yang dimulai dari pukul 08.00 WIB sampai dengan pukul 16.00 WIB dengan

menggunakan sensor yang sudah dipasang pada alat sebelumnya. Pengambilan data ini

dilakukan secara berurutan mulai dari variasi pertama sampai dengan variasi kelima

dengan satu variasi dilakukan selama delapan jam dalam satu hari. Setelah

pengambilan data, langkah selanjutnya adalah pengolahan data dan penyusunan artikel

ilmiah. Data yang telah diolah sebelumnya selanjutnya dimasukkan kedalam artikel

seminar, yang kemudian dilakukan diseminasi seminar dari alat pemanas air energi

surya dengan kolektor pipa paralel. Artikel ilmiah tersebut selanjutnya diperbaiki dan

disempurnakan untuk kemudian disusun menjadi naskah tugas akhir. Langkah-langkah

dalam metode penelitian ini dapat dilihat lebih ringkas selanjutnya pada diagram alir

dibawah ini (Gambar 3.1).


20

Gambar 3.1 Langkah-langkah penelitian

Penelitian dimulai

Pengadaan bahan penelitian dan pembuatan alat pemanas air

Lokasi : Lab. Perpindahan panas Teknik Mesin USD

Pengujian dan perbaikan alat pemanas air


Uji coba pengambilan data alat pemanas air


Pengambilan data dan analisis data hasil penelitian

Lokasi : Lapangan Politeknik Mekatronika Sanata Dharma

Simulasi alat pemanas air


Variasi luasan reflektor dan

sudut reflektor

Lokasi : Lapangan PMSD

Penyusunan tugas akhir atau skripsi


Luaran : Artikel ilmiah dalam prosiding seminar dan

naskah tugas akhir

Penelitian selesai

Variasi belum selesai


21

3.2 Langkah Penelitian

Penelitian ini akan dimulai dengan pembuatan alat dan berakhir dengan analisis

data. Secara terinci langkah-langkah penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Membuat alat pemanas air energi surya dengan kolektor pipa paralel dan

reflektor.

2. Menyiapkan alat pemanas air energi surya dan reflektor.

3. Mengatur alat pemanas air energi surya tanpa penambahan reflektor.

4. Mengatur kemiringan reflektor dengan sudut sebesar 45° dan mengatur

variasi luasan reflektor 0,95 m2.







8. Melakukan analisis data menggunakan persamaan (1) sampai dengan (34).


22

3.3 Skema dan Spesifikasi Alat

Gambar 3.2 Skema Alat Pemanas Air Energi Surya

Dinding dan alas kolektor alat pemanas air energi surya terbuat dari bahan

multiplek dengan ketebalan 0,024 m. Adapun kolektor tersebut memiliki panjang 0,8

m x 0,6 m dengan luasan kolektor (Ac) sebesar 0,48 m. Dinding kolektor dilapisi karet

dengan ketebalan 0,005 m. Sirip pada kolektor menggunakan pelat tembaga dengan

ketebalan 0,2 mm. Pipa tembaga yang terdapat pada kolektor mempunyai diameter luar

pipa sebesar 0,0127 m dengan jumlah 10. Jarak antar pipa (s) tembaga tersebut adalah


23

sebesar 0,04 m. Kemudian kolektor tersebut ditutup dengan kaca yang mempunyai

ketebalan sebesar 0,005 m. Kolektor tersebut memiliki kemiringan sebesar 30°.

Gambar 3.3 Alat Pemanas Air Energi Surya

Bak penampungan air pada alat pemanas air energi surya terbuat dari bahan

multiplek dengan ketebalan 0,024 m. Bak penampungan air memiliki panjang 0,65 m,

lebar 0,40 m, dan tinggi 0,41 m. Bak penampungan air tersebut bagian dalamnya

dilapisi karet dengan ketebalan 0,005 m. Dengan luasan bak penampungan air (As)

sebesar 1,4 m2 , bak tersebut mempunyai daya tampung air sebesar 89 liter. Pada bagian


24

sisi kiri bak penampungan air tersebut diberi lubang sebanyak tiga buah. Dimana

lubang bagian bawah digunakan sebagai suplai air dingin, pada bagian tengah berisi

sensor temperatur bak, dan pada bagian atas digunakan sebagai lubang untuk

mengalirkan hasil air panas. Lubang bagian bawah bak penampungan air

disambungkan dengan lubang bagian bawah kolektor menggunakan pipa saluran air.

Sedangkan lubang bagian atas dari bak penampungan air disambungkan dengan lubang

bagian atas kolektor menggunakan pipa saluran air.

Gambar 3.4 Alat Pemanas Air Energi Surya Menggunakan Reflektor


25

3.4 Variabel yang Divariasikan

Variabel yang digunakan pada penelitian ini adalah bukaan luasan reflektor pada

sudut 45° (tanpa reflektor, dengan luasan reflektor 0,95 m2, dan dengan luasan reflektor

1,35 m2) dan sudut reflektor (30° dengan luasan reflektor 1,5 m2 , 45° dengan luasan

reflektor 1,35 m2, dan 60° dengan luasan reflektor 1,1 m2).

Untuk mengetahui pengaruh luasan reflektor terhadap efisiensi kolektor,

dilakukan penelitian dengan variasi sebagai berikut :

1. Variasi 1 adalah variasi tanpa menggunakan reflektor.

2. Variasi 2 adalah variasi menggunakan reflektor dengan luasan reflektor

0,95 m2 pada sudut 45°.



Untuk mengetahui pengaruh sudut reflektor terhadap efisiensi kolektor,

dilakukan penelitian dengan variasi sebagai berikut :





3.5 Parameter yang Diukur

Parameter yang diukur pada penelitian ini antara lain :

1. Temperatur air masuk kolektor (Tin1)


26

2. Temperatur air keluar kolektor (Tout1)

3. Temperatur air masuk bak (Tin2)

4. Temperatur air keluar bak (Tout2)

5. Temperatur air tengah bak (Tbak)

6. Temperatur sekitar (Ta)

7. Temperatur kolektor (Tp)

8. Temperatur kaca (Tc)

9. Energi matahari yang diterima (G)

3.6 Alat Ukur yang Digunakan

Alat pendukung yang digunakan dalam pengambilan data pada penelitian ini

antara lain sebagai berikut :

1. Microcontroller Arduino merupakan salah satu alat yang digunakan selama

proses pengambilan data pada penelitian ini. Microcontroller Arduino

berfungsi untuk menangkap sinyal yang berasal dari sensor yang telah

dipasang pada alat pemanas air.

2. Sensor temperatur merupakan alat yang berfungsi untuk mengukur seluruh

temperatur parameter yang diukur pada penelitian.

3. Solar meter merupakan alat yang digunakan untuk mengukur besarnya radiasi

surya yang diterima dalam satuan Watt/m2.

4. Busur derajat merupakan alat yang digunakan untuk mengukur sudut dari

variasi penggunaan tambahan reflektor.


27

3.7 Langkah Analisis Data

Langkah analisis data pada penelitian ini dibagi menjadi 3 yaitu :

1. Analisis pengaruh luas kolektor terhadap efisiensi kolektor pada variasi 1,

variasi 2, dan variasi 3.

2. Analisa pengaruh sudut reflektor terhadap efisiensi kolektor pada variasi 3,


3. Perbandingan simulasi dengan eksperimen pada variasi 1, variasi 2, variasi 3,



28

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Penelitian

Berikut ini merupakan data yang diperoleh selama penelitian. Data hasil

penelitian ini selanjutnya ditampilkan dalam rata-rata tiap jam dalam masing-masing

variasi.

Tabel 4.1 Data rata-rata tiap jam alat pemanas air energi surya pada variasi 1

Jam Tin1 Tout1 Tin2 Tout2 Tbak Ta Tp Tc RH G

°C °C °C °C °C °C °C °C % W/m2

8 32.44 42.03 40.65 27.72 28.51 33.29 43.00 42.48 89.16 358.14

9 30.66 43.34 43.76 27.90 29.97 36.62 49.03 49.31 82.51 483.60

10 30.70 44.99 46.03 28.80 33.03 36.42 55.34 49.43 76.24 566.89

11 32.28 48.12 49.40 30.32 36.79 37.02 51.27 47.23 68.90 664.64

12 32.30 43.31 44.07 31.62 39.70 34.09 43.46 42.23 69.83 298.86

13 32.97 40.68 41.40 32.68 41.24 32.51 41.40 37.23 73.30 242.66

14 34.54 42.57 43.42 34.42 43.57 33.54 43.02 39.32 68.94 250.21

15 32.28 36.79 37.19 33.96 41.78 30.54 37.96 32.92 80.47 64.83

16 30.57 31.49 39.14 31.09 40.88 29.41 36.57 31.21 82.82 39.19

Rata-

rata 32.08 41.48 42.78 30.95 37.28 33.72 44.56 41.26 76.91 329.89


29



°C °C °C °C °C °C °C °C % W/m2

8 27.03 38.94 39.95 26.61 28.08 35.04 40.92 40.66 94.40 344.28

9 28.01 43.23 44.89 27.49 29.76 37.77 46.28 46.16 86.86 474.29

10 29.31 46.01 47.87 28.69 33.33 36.79 49.70 48.43 80.84 575.97

11 30.11 43.43 44.64 29.75 36.18 35.56 44.68 44.43 75.11 387.99

12 31.27 43.49 44.56 31.20 39.10 36.17 44.37 43.14 71.27 365.56

13 32.82 41.95 42.71 32.79 41.52 34.52 41.51 39.34 71.07 261.91

14 32.57 38.65 38.92 33.16 41.40 31.84 38.96 35.06 77.41 125.34

15 29.64 30.62 37.12 30.01 39.89 28.74 35.35 29.72 94.16 49.92

16 29.77 29.25 37.88 29.03 39.50 28.55 33.92 28.97 94.08 37.78

Rata-

rata 30.06 39.51 42.06 29.86 36.53 33.89 41.74 39.55 82.80 291.45



°C °C °C °C °C °C °C °C % W/m2

8 26.90 34.18 34.85 26.68 27.99 30.64 35.53 33.52 95.14 222.90

9 27.58 37.74 38.80 27.22 29.02 33.41 39.65 37.80 87.09 333.84

10 28.67 43.90 45.70 28.18 31.35 36.30 47.67 46.38 81.26 557.75

11 29.69 45.05 46.76 29.23 33.86 36.21 48.34 47.88 75.86 548.65

12 30.88 46.78 48.07 30.91 37.29 37.42 49.13 48.79 70.21 539.43

13 31.87 43.33 44.36 31.93 40.18 35.18 43.90 44.01 68.34 320.05

14 30.83 36.37 36.88 31.63 40.23 30.23 36.98 33.67 81.89 78.49

15 28.78 28.83 37.43 28.64 39.03 27.96 36.18 30.27 90.40 56.40

16 28.82 28.14 37.77 28.14 38.63 27.34 34.18 29.14 94.14 34.75

Rata-

rata 29.34 38.26 41.18 29.17 35.29 32.74 41.29 39.05 82.70 299.14


30



°C °C °C °C °C °C °C °C % W/m2

8 25.96 31.63 31.94 25.81 26.47 28.91 38.38 30.84 99.89 196.85

9 26.61 35.22 36.17 26.27 28.18 29.44 36.65 33.40 94.50 254.55

10 27.17 36.57 37.47 26.71 29.07 30.79 37.83 34.60 89.49 307.13

11 27.81 38.06 39.14 27.34 30.77 32.14 39.45 36.93 83.02 351.12

12 28.04 35.74 36.54 27.75 31.67 31.17 36.42 34.30 82.60 221.51

13 28.39 35.23 35.92 28.24 32.32 31.04 36.00 33.44 85.00 205.56

14 29.03 36.38 37.04 28.97 33.81 31.24 36.99 34.74 81.91 218.57

15 29.27 35.01 35.46 29.35 34.03 29.89 34.95 32.57 83.40 129.29

16 29.03 33.02 33.08 29.37 33.47 28.41 32.79 29.93 89.17 68.19

Rata-

rata 27.92 35.21 35.86 27.76 31.09 30.33 36.61 33.42 87.67 216.98



°C °C °C °C °C °C °C °C % W/m2

8 24.97 29.71 30.21 24.95 25.46 26.65 30.40 26.78 99.90 312.72

9 25.99 35.92 37.46 25.69 27.18 30.95 39.15 36.87 98.04 374.93

10 27.04 41.23 43.35 26.59 29.48 33.46 45.58 45.42 90.02 435.97

11 28.07 45.29 47.01 27.50 31.30 33.97 49.35 48.75 85.24 567.49

12 29.61 44.71 46.37 29.02 34.68 33.44 47.85 47.01 78.02 465.26

13 30.77 42.15 43.19 30.23 38.98 33.24 41.15 41.93 69.71 341.71

14 31.05 37.66 38.13 30.91 40.31 31.10 36.64 34.62 71.85 136.43

15 31.42 35.96 36.16 31.48 39.94 30.35 35.99 32.27 74.87 72.25

16 31.63 33.79 36.19 31.56 39.91 29.30 34.71 30.09 74.60 48.48

Rata-

rata 28.95 38.49 39.78 28.66 34.14 31.38 40.09 38.19 82.47 306.14


31

4.2 Hasil Penelitian

Berdasarkan data yang telah diperoleh, maka dapat dilakukan perhitungan untuk

mencari efisiensi sirip, faktor efisiensi, faktor pelepasan panas, dan efisiensi kolektor

alat pemanas air energi surya. Sebagai contoh perhitungan efisiensi sirip digunakan

hasil data pada Tabel 4.1 dengan menggunakan persamaan 6, maka efisiensi sirip dapat

dihitung menggunakan langkah-langkah sebagai berikut :

Menghitung temperatur rata-rata (Tm), dengan Tp adalah temperatur pelat dan Tc

adalah temperature kolektor dalam satuan kelvin menggunakan persamaan (13).

𝑇𝑚 = 316,00 + 315,48

2= 315,74 K

Menghitung Φ1 menggunakan persamaan (10).

Φ1 = 137

(315,74 + 200)13 𝑥 315,74

12

= 0,98


Φ2 = 316,00 − 315,48

50= 0,01


Φ3 = 1428 (315,74 + 200)

23

315,742= 0.94


32

Menghitung nilai zΦ2Φ3, dengan z merupakan jarak antara pelat penyerap dengan

penutup kaca diperoleh hasil zΦ2Φ3 = 3 x 0,01 x 0.94 = 0,03

Menentukan nilai hi/Φ1Φ2, dengan sudut β = 30° menggunakan grafik koefisien

konveksi alam hi dalam celah udara sebagai fungsi jarak celah z, dengan sudut

kemiringan β sebagai parameter didapatkan nilai hi/Φ1Φ2 sebesar 7

Menghitung koefisien konveksi (alam) dalam (hi), dengan nilai h1/Φ1Φ2 = 7

menggunakan persamaan (9).

hi = 7 x 0,98 x 0,01 = 0,07 W/(m2.K)

Menghitung koefisien radiasi (ekivalen) dalam (hri), dengan nilai εp = 0,1 dan nilai εc =

0,88 menggunakan persamaan (14).

ℎ𝑟𝑖 = 5,67𝑥10−8(316,004 − 315,484)

(1

0,1 +1

0,88 − 1) (316,00 − 315,48)= 50,50 W/(m2. K)

Menghitung tahanan termal dari kaca menggunakan persamaan (15).

𝑅 = 0,005

1,05= 0,00476 m. K/W

Menghitung koefisien konveksi luar (ho) menggunakan persamaan (16).

ℎ𝑜 = 5,7 + 3,8 x 5 = 24,37 W/(m2.K)


33

Menghitung Tlangit menggunakan persamaan (18).

𝑇𝑙𝑎𝑛𝑔𝑖𝑡 = 0,0552 (33,2932) = 295,89 K

Menghitung koefisien radiasi (ekivalen) luar (hro) menggunakan persamaan (17).

ℎ𝑟𝑜 = 0,88 𝑥 0,2 (315,484 − 295,894)

315,48 − 295,89= 5,71 W/(m2. K)

Menghitung koefisien kerugian atas (Ut) menggunakan persamaan (8).

1

𝑈𝑡=

1

0,07 + 50,50+ 0,00476 +

1

24,37 + 5,71= 70,42

𝑈𝑡 =1

70,42= 0,01 W/(m2. K)

Menghitung harga R untuk isolasi menggunakan persamaan (15).

𝑅𝑖𝑠𝑜𝑙𝑎𝑠𝑖 =0,024

0,16= 0,15

Menghitung koefisien kerugian bawah (Ub) menggunakan persamaan (19).

𝑈𝑏 =1

0,15= 6,67 W/(m2. K)

Menghitung koefisien kerugian total (UL) menggunakan persamaan (7).

𝑈𝐿 = 6,67 + 0,01 = 6,68 W/(m2.K)


34

Menghitung efisiensi sirip (F)

Maka dari perhitungan-perhitungan diatas, selanjutnya menggunakan persamaan (6)

dapat dihitung efisiensi sirip (F) sebagai berikut :

𝐹 =

tanh [√6,68

1,05 . 0,2(

0,041 − 0,01172 )]

√6,68

1,05 . 0,2(

0,041 − 0,01172 )

= 0,998

Untuk selanjutnya perhitungan efisiensi sirip (F) keempat variasi yang lain

digunakan cara perhitungan yang sama seperti pada contoh diatas. Maka, hasil

perhitungan keseluruhan dari kelima variasi dapat dilihat pada Tabel 4.6 sampai

dengan Tabel 4.20 dibawah ini.

Tabel 4.6 Hasil perhitungan Φ1, Φ2, Φ3, dan zΦ2Φ3 pada variasi 1

Jam Tp Tc Tm

Φ1 Φ2 Φ3 zΦ2Φ3 hi/Φ1Φ2 K K K

8 316.00 315.48 315.74 0.98 0.01 0.94 0.03 7.0

9 322.03 322.31 322.17 0.97 -0.01 0.91 -0.02 7.0

10 328.34 322.43 325.38 0.96 0.12 0.90 0.32 6.0

11 324.27 320.23 322.25 0.97 0.08 0.91 0.22 6.6

12 316.46 315.23 315.84 0.98 0.02 0.94 0.07 7.0

13 314.40 310.23 312.31 0.99 0.08 0.96 0.24 6.5

14 316.02 312.32 314.17 0.99 0.07 0.95 0.21 6.6

15 310.96 305.92 308.44 1.00 0.10 0.98 0.30 6.2

16 309.57 304.21 306.89 1.00 0.11 0.98 0.32 6.0


35

Tabel 4.7 Hasil perhitungan hi, hri, R, ho, dan hro pada variasi 1

Jam hi hri R ho Tlangit hro

W/(m2.K) W/(m2.K) m.K/W W/(m2.K) K W/(m2.K)

8 0.07 50.50 0.00476 24.37 295.89 5.71

9 -0.04 137.89 0.00476 24.37 300.74 6.04

10 0.68 1.55 0.00476 24.37 300.44 6.04

11 0.52 0.17 0.00476 24.37 301.31 6.00

12 0.17 0.14 0.00476 24.37 297.05 5.73

13 0.54 0.63 0.00476 24.37 294.76 5.53

14 0.48 -8.79 0.00476 24.37 296.26 5.63

15 0.62 -6.66 0.00476 24.37 291.92 5.33

16 0.64 -6.56 0.00476 24.37 290.30 5.24

Tabel 4.8 Hasil perhitungan efisiensi sirip pada variasi 1

Jam 1/Ut Ut

R Ub UL

F W/(m2.K) W/(m2.K) W/(m2.K)

8 70.42 0.01 0.15 6.67 6.68 0.998

9 117.23 0.01 0.15 6.67 6.68 0.998

10 9.10 0.11 0.15 6.67 6.78 0.998

11 8.15 0.12 0.15 6.67 6.79 0.998

12 11.80 0.08 0.15 6.67 6.75 0.998

13 8.07 0.12 0.15 6.67 6.79 0.998

14 -1.04 -0.96 0.15 6.67 5.71 0.998

15 0.33 3.06 0.15 6.67 9.72 0.997

16 0.29 3.47 0.15 6.67 10.13 0.997


36


Jam Tp Tc Tm


8 313.92 313.66 313.79 0.99 0.01 0.95 0.01 7,0

9 319.28 319.16 319.22 0.97 0.00 0.92 0.01 7,0

10 322.70 321.43 322.07 0.97 0.03 0.91 0.07 7,0

11 317.68 317.43 317.56 0.98 0.01 0.93 0.01 7,0

12 317.37 316.14 316.75 0.98 0.02 0.94 0.07 7,0

13 314.51 312.34 313.43 0.99 0.04 0.95 0.12 6.9

14 311.96 308.06 310.01 0.99 0.08 0.97 0.23 6.8

15 308.35 302.72 305.53 1.00 0.11 0.99 0.33 6,0

16 306.92 301.97 304.45 1.01 0.10 1.00 0.30 6.2




8 0.04 49.57 0.00476 24.37 298.44 5.72

9 0.02 134.14 0.00476 24.37 302.41 6.00

10 0.17 1.50 0.00476 24.37 300.99 6.02

11 0.03 0.16 0.00476 24.37 299.20 5.85

12 0.17 0.14 0.00476 24.37 300.07 5.84

13 0.30 0.64 0.00476 24.37 297.67 5.67

14 0.53 -8.45 0.00476 24.37 293.80 5.44

15 0.68 -6.47 0.00476 24.37 289.33 5.18

16 0.62 -6.40 0.00476 24.37 289.05 5.15


37


Jam 1/Ut Ut

R Ub UL

F W/(m2.K) W/(m2.K) W/(m2.K)

8 83.14 0.01 0.15 6.67 6.68 0.998

9 199.56 0.01 0.15 6.67 6.67 0.998

10 13.40 0.07 0.15 6.67 6.74 0.998

11 35.29 0.03 0.15 6.67 6.70 0.998

12 11.95 0.08 0.15 6.67 6.75 0.998

13 9.74 0.10 0.15 6.67 6.77 0.998

14 -1.06 -0.94 0.15 6.67 5.72 0.998

15 0.23 4.35 0.15 6.67 11.02 0.996

16 0.42 2.40 0.15 6.67 9.07 0.997


Jam Tp Tc Tm


8 308.53 306.52 307.53 1.00 0.04 0.98 0.12 6.9

9 312.65 310.80 311.73 0.99 0.04 0.96 0.11 6.9

10 320.67 319.38 320.03 0.97 0.03 0.92 0.07 7,0

11 321.34 320.88 321.11 0.97 0.01 0.92 0.03 7,0

12 322.13 321.79 321.96 0.97 0.01 0.91 0.02 7,0

13 316.90 317.01 316.95 0.98 0.00 0.93 -0.01 7,0

14 309.98 306.67 308.32 1.00 0.07 0.98 0.19 6.5

15 309.18 303.27 306.22 1.00 0.12 0.99 0.35 5.8

16 307.18 302.14 304.66 1.01 0.10 1.00 0.30 6.2


38




8 0.28 46.66 0.00476 24.37 292.06 5.35

9 0.25 124.91 0.00476 24.37 296.08 5.58

10 0.18 1.47 0.00476 24.37 300.26 5.94

11 0.06 0.17 0.00476 24.37 300.13 5.98

12 0.05 0.15 0.00476 24.37 301.90 6.06

13 -0.01 0.66 0.00476 24.37 298.64 5.83

14 0.43 -8.31 0.00476 24.37 291.47 5.34

15 0.69 -6.51 0.00476 24.37 288.20 5.17

16 0.63 -6.41 0.00476 24.37 287.31 5.11


Jam 1/Ut Ut

R Ub UL

F W/(m2.K) W/(m2.K) W/(m2.K)

8 55.67 0.02 0.15 6.67 6.68 0.998

9 134.48 0.01 0.15 6.67 6.67 0.998

10 13.16 0.08 0.15 6.67 6.74 0.998

11 22.31 0.04 0.15 6.67 6.71 0.998

12 27.70 0.04 0.15 6.67 6.70 0.998

13 -62.26 -0.02 0.15 6.67 6.65 0.998

14 -0.59 -1.68 0.15 6.67 4.99 0.998

15 0.15 6.65 0.15 6.67 13.31 0.995

16 0.33 3.01 0.15 6.67 9.67 0.997


39


Jam Tp Tc Tm


8 311.38 303.84 307.61 1.00 0.15 0.98 0.44 5.3

9 309.65 306.40 308.02 1.00 0.06 0.98 0.19 6.5

10 310.83 307.60 309.21 1.00 0.06 0.97 0.19 6.5

11 312.45 309.93 311.19 0.99 0.05 0.96 0.15 6.8

12 309.42 307.30 308.36 1.00 0.04 0.98 0.12 6.9

13 309.00 306.44 307.72 1.00 0.05 0.98 0.15 6.8

14 309.99 307.74 308.86 1.00 0.04 0.97 0.13 6.9

15 307.95 305.57 306.76 1.00 0.05 0.98 0.14 6.9

16 305.79 302.93 304.36 1.01 0.06 1.00 0.17 6.7




8 0.80 46.71 0.00476 24.37 289.57 5.22

9 0.42 120.52 0.00476 24.37 290.33 5.31

10 0.42 1.33 0.00476 24.37 292.28 5.39

11 0.34 0.15 0.00476 24.37 294.23 5.51

12 0.29 0.13 0.00476 24.37 292.83 5.40

13 0.35 0.61 0.00476 24.37 292.64 5.37

14 0.31 -8.35 0.00476 24.37 292.93 5.41

15 0.33 -6.55 0.00476 24.37 290.98 5.30

16 0.39 -6.39 0.00476 24.37 288.85 5.17


40


Jam 1/Ut Ut

R Ub UL

F W/(m2.K) W/(m2.K) W/(m2.K)

8 53.22 0.02 0.15 6.67 6.69 0.998

9 128.24 0.01 0.15 6.67 6.67 0.998

10 9.15 0.11 0.15 6.67 6.78 0.998

11 8.65 0.12 0.15 6.67 6.78 0.998

12 8.99 0.11 0.15 6.67 6.78 0.998

13 8.90 0.11 0.15 6.67 6.78 0.998

14 0.34 2.91 0.15 6.67 9.58 0.997

15 1.85 0.54 0.15 6.67 7.21 0.998

16 1.42 0.71 0.15 6.67 7.37 0.997


Jam Tp Tc Tm


8 303.40 299.78 301.59 1.01 0.07 1.01 0.22 6.6

9 312.15 309.87 311.01 0.99 0.05 0.96 0.13 6.9

10 318.58 318.42 318.50 0.98 0.00 0.93 0.01 7,0

11 322.35 321.75 322.05 0.97 0.01 0.91 0.03 7,0

12 320.85 320.01 320.43 0.97 0.02 0.92 0.05 7,0

13 314.15 314.93 314.54 0.98 -0.02 0.95 -0.04 7,0

14 309.64 307.62 308.63 1.00 0.04 0.98 0.12 6.9

15 308.99 305.27 307.13 1.00 0.07 0.98 0.22 6.6

16 307.71 303.09 305.40 1.00 0.09 0.99 0.28 6.3


41




8 0.49 44.01 0.00476 24.37 286.33 5.03

9 0.31 124.06 0.00476 24.37 292.51 5.46

10 0.02 1.45 0.00476 24.37 296.14 5.80

11 0.08 0.17 0.00476 24.37 296.88 5.92

12 0.11 0.14 0.00476 24.37 296.12 5.84

13 -0.11 0.65 0.00476 24.37 295.83 5.69

14 0.28 -8.33 0.00476 24.37 292.72 5.40

15 0.49 -6.57 0.00476 24.37 291.64 5.31

16 0.59 -6.46 0.00476 24.37 290.14 5.21


Jam 1/Ut Ut

R Ub UL

F W/(m2.K) W/(m2.K) W/(m2.K)

8 51.14 0.02 0.15 6.67 6.69 0.998

9 132.76 0.01 0.15 6.67 6.67 0.998

10 53.31 0.02 0.15 6.67 6.69 0.998

11 18.40 0.05 0.15 6.67 6.72 0.998

12 14.79 0.07 0.15 6.67 6.73 0.998

13 -2.93 -0.34 0.15 6.67 6.32 0.998

14 0.71 1.41 0.15 6.67 8.08 0.997

15 0.82 1.22 0.15 6.67 7.89 0.997

16 0.50 1.99 0.15 6.67 8.65 0.997


42

Kemudian setelah didapatkan hasil dari efisiensi sirip (F), maka langkah

selanjutnya adalah menghitung faktor efisiensi dari alat pemanas air energi surya.

Sebagai contoh perhitungan faktor efisiensi digunakan hasil data pada Tabel 4.1 dan

menggunakan efisiensi sirip pada Tabel 4.8. Dengan menggunakan persamaan (23),

maka selanjutnya faktor efisiensi dapat dihitung menggunakan langkah-langkah

sebagai berikut :

Menghitung konduktansi perekat (Cb) menggunakan persamaan (25).

𝐶𝑏 = 385 𝑥 12,7

0,10= 48895 W/(m2. K)

Menghitung bilangan Reynolds (Re) menggunakan persamaan (3).

𝑅𝑒 =4 𝑥 0,0000139

𝜋 𝑥 0,0127 𝑥 0,000616= 2,26

Menghitung bilangan Prandtl (Pr) menggunakan persamaan (4).

𝑃𝑟 =4174 𝑥 0,000616

0,637= 4,04

Menentukan bilangan Nusselt, dengan melihat grafik bilangan Nusselt rata-rata dalam

pipa pendek untuk berbagai bilangan Prandtl dalam lampiran maka ditentukanlah nilai

dari bilangan Nusselt sebesar 3,7.


43

Menghitung koefisien konveksi fluida (h) menggunakan persamaan (26).

ℎ = 3,7 𝑥0,637

0,0127= 185,58 W/m2. K

Menghitung Faktor Efisiensi (F’)

Selanjutnya faktor efisiensi (F’) dapat dihitung menggunakan persamaan (23).

𝐹′ =0,150

0,041{3,657 + 0,00002 + 0,1350001}= 0,96

Untuk selanjutnya perhitungan faktor efisiensi (F’) keempat variasi yang lain




Tabel 4.21 Hasil perhitungan 1/UL[F(s-d)+d], Cb, Re, Pr dan RePrdi/L pada variasi 1

Jam 1/UL[F(s-d)+d] Cb 1/Cb

Re Pr RePrdi/L m.K/W W/(m2.K) m.K/W

8 3.66 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

9 3.66 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

10 3.61 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

11 3.60 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

12 3.62 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

13 3.60 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

14 4.28 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

15 2.51 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

16 2.41 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15


44

Tabel 4.22 Hasil perhitungan faktor efisiensi pada variasi 1

Jam h 1/hπdi

1/UL F' W/(m2.K) m.K/W

8 185.58 0.14 0.15 0.96

9 185.58 0.14 0.15 0.96

10 185.58 0.14 0.15 0.96

11 185.58 0.14 0.15 0.96

12 185.58 0.14 0.15 0.96

13 185.58 0.14 0.15 0.96

14 185.58 0.14 0.18 0.97

15 185.58 0.14 0.10 0.95

16 185.58 0.14 0.10 0.94




8 3.66 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

9 3.66 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

10 3.62 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

11 3.65 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

12 3.62 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

13 3.61 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

14 4.27 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

15 2.22 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

16 2.70 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15


45


Jam h 1/hπdi


8 185.58 0.14 0.15 0.96

9 185.58 0.14 0.15 0.96

10 185.58 0.14 0.15 0.96

11 185.58 0.14 0.15 0.96

12 185.58 0.14 0.15 0.96

13 185.58 0.14 0.15 0.96

14 185.58 0.14 0.17 0.97

15 185.58 0.14 0.09 0.94

16 185.58 0.14 0.11 0.95




8 3.65 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

9 3.66 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

10 3.62 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

11 3.64 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

12 3.64 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

13 3.67 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

14 4.90 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

15 1.84 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

16 2.53 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15


46


Jam h 1/hπdi


8 185.58 0.14 0.15 0.96

9 185.58 0.14 0.15 0.96

10 185.58 0.14 0.15 0.96

11 185.58 0.14 0.15 0.96

12 185.58 0.14 0.15 0.96

13 185.58 0.14 0.15 0.96

14 185.58 0.14 0.20 0.97

15 185.58 0.14 0.08 0.93

16 185.58 0.14 0.10 0.95




8 3.65 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

9 3.66 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

10 3.61 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

11 3.60 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

12 3.60 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

13 3.60 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

14 2.55 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

15 3.39 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

16 3.31 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15


47


Jam h 1/hπdi


8 185.58 0.14 0.15 0.96

9 185.58 0.14 0.15 0.96

10 185.58 0.14 0.15 0.96

11 185.58 0.14 0.15 0.96

12 185.58 0.14 0.15 0.96

13 185.58 0.14 0.15 0.96

14 185.58 0.14 0.10 0.95

15 185.58 0.14 0.14 0.96

16 185.58 0.14 0.14 0.96




8 3.65 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

9 3.66 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

10 3.65 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

11 3.63 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

12 3.63 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

13 3.86 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

14 3.02 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

15 3.10 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15

16 2.83 48895 0.00002 2.26 4.04 0.15


48


Jam h 1/hπdi


8 185.58 0.14 0.15 0.96

9 185.58 0.14 0.15 0.96

10 185.58 0.14 0.15 0.96

11 185.58 0.14 0.15 0.96

12 185.58 0.14 0.15 0.96

13 185.58 0.14 0.16 0.96

14 185.58 0.14 0.12 0.96

15 185.58 0.14 0.13 0.96

16 185.58 0.14 0.12 0.95

Kemudian setelah didapatkan hasil dari faktor efisiensi (F’), maka langkah

selanjutnya adalah menghitung faktor pelepasan panas dari alat pemanas air energi

surya. Sebagai contoh perhitungan faktor pelepasan panas digunakan hasil data pada

Tabel 4.1, efisiensi sirip pada Tabel 4.8 dan menggunakan faktor efisiensi pada Tabel

4.22. Dengan menggunakan persamaan (30), maka selanjutnya faktor pelepasan panas

dapat dihitung menggunakan langkah-langkah sebagai berikut :

Menghitung 𝐹𝑅

𝐹′ menggunakan persamaan (29)

𝐹𝑅

𝐹′=

0,05 𝑥 4174

6,68 𝑥 0,96 [1 − 𝑒𝑘𝑠𝑝 − (

6,68 𝑥 0,96

0,05 𝑥 4174)] = 0,98

𝐹𝑅 = 0,96 𝑥 0,98 = 0,95


49

Untuk selanjutnya perhitungan faktor pelepasan panas (FR) keempat variasi

yang lain digunakan cara perhitungan yang sama seperti pada contoh diatas. Maka,

hasil perhitungan keseluruhan dari kelima variasi dapat dilihat pada Tabel 4.31 sampai


Tabel 4.31 Hasil perhitungan faktor pelepasan panas pada variasi 1

Jam ṁ Cp UL

F' FR/F' FR Liter/Jam J/(Kg.°C) W/(m2.K)

8 0.05 4174 6.68 0.96 0.98 0.95

9 0.05 4174 6.68 0.96 0.98 0.95

10 0.05 4174 6.78 0.96 0.98 0.95

11 0.05 4174 6.79 0.96 0.98 0.95

12 0.05 4174 6.75 0.96 0.98 0.95

13 0.05 4174 6.79 0.96 0.98 0.95

14 0.05 4174 5.71 0.97 0.99 0.96

15 0.05 4174 9.72 0.95 0.98 0.93

16 0.05 4174 10.13 0.94 0.98 0.92


Jam ṁ Cp UL

F' FR/F' FR Liter/Jam J/(kg.°C) W/(m2.K)

8 0.05 4174 6.68 0.96 0.98 0.95

9 0.05 4174 6.67 0.96 0.98 0.95

10 0.05 4174 6.74 0.96 0.98 0.95

11 0.05 4174 6.70 0.96 0.98 0.95

12 0.05 4174 6.75 0.96 0.98 0.95

13 0.05 4174 6.77 0.96 0.98 0.95

14 0.05 4174 5.72 0.97 0.99 0.96

15 0.05 4174 11.02 0.94 0.98 0.92

16 0.05 4174 9.07 0.95 0.98 0.93


50


Jam ṁ Cp UL


8 0.05 4174 6.68 0.96 0.98 0.95

9 0.05 4174 6.67 0.96 0.98 0.95

10 0.05 4174 6.74 0.96 0.98 0.95

11 0.05 4174 6.71 0.96 0.98 0.95

12 0.05 4174 6.70 0.96 0.98 0.95

13 0.05 4174 6.65 0.96 0.98 0.95

14 0.05 4174 4.99 0.97 0.99 0.96

15 0.05 4174 13.31 0.93 0.97 0.90

16 0.05 4174 9.67 0.95 0.98 0.93


Jam ṁ Cp UL


8 0.05 4174 6.69 0.96 0.98 0.95

9 0.05 4174 6.67 0.96 0.98 0.95

10 0.05 4174 6.78 0.96 0.98 0.95

11 0.05 4174 6.78 0.96 0.98 0.95

12 0.05 4174 6.78 0.96 0.98 0.95

13 0.05 4174 6.78 0.96 0.98 0.95

14 0.05 4174 9.58 0.95 0.98 0.93

15 0.05 4174 7.21 0.96 0.98 0.94

16 0.05 4174 7.37 0.96 0.98 0.94


51


Jam ṁ Cp UL


8 0.05 4174 6.69 0.96 0.98 0.95

9 0.05 4174 6.67 0.96 0.98 0.95

10 0.05 4174 6.69 0.96 0.98 0.95

11 0.05 4174 6.72 0.96 0.98 0.95

12 0.05 4174 6.73 0.96 0.98 0.95

13 0.05 4174 6.32 0.96 0.99 0.95

14 0.05 4174 8.08 0.96 0.98 0.94

15 0.05 4174 7.89 0.96 0.98 0.94

16 0.05 4174 8.65 0.95 0.98 0.93

Kemudian setelah didapatkan hasil dari faktor pelepasan panas (FR), maka

langkah selanjutnya adalah menghitung efisiensi kolektor dari alat pemanas air energi

surya. Sebagai contoh perhitungan efisiensi kolektor digunakan hasil data pada Tabel

4.1, efisiensi sirip pada Tabel 4.8, faktor efisiensi pada Tabel 4.22, dan menggunakan

faktor pelepasan panas pada Tabel 4.31. Dengan menggunakan persamaan (31), maka

selanjutnya efisiensi kolektor dapat dihitung menggunakan langkah-langkah sebagai

berikut :

Ƞ = 0,95 𝑥 (0,8) − 0,95 𝑥 6,68 (32,44 − 33,29

165,68) = 79 %

Untuk selanjutnya perhitungan efisiensi kolektor (Ƞ) keempat variasi yang lain





52

Tabel 4.36 Hasil efisiensi kolektor pada variasi 1

Jam Tin1 Ta GT UL

τα FR Ti-

Ta/GT Ƞ

°C °C W/m2 W/(m2.K)

8 32.44 33.29 165.68 6.68 0.8 0.95 -0.01 79%

9 30.66 36.62 474.64 6.68 0.8 0.95 -0.01 84%

10 30.70 36.42 365.28 6.78 0.8 0.95 -0.02 86%

11 32.28 37.02 570.41 6.79 0.8 0.95 -0.01 81%

12 32.30 34.09 417.24 6.75 0.8 0.95 0.00 79%

13 32.97 32.51 379.76 6.79 0.8 0.95 0.00 75%

14 34.54 33.54 262.66 5.71 0.8 0.96 0.00 74%

15 32.28 30.54 160.94 9.72 0.8 0.93 0.01 64%

16 30.57 29.41 57.08 10.13 0.8 0.92 0.02 55%


Jam Tin1 Ta GT UL

τα FR Ti-

Ta/GT Ƞ

°C °C W/m2 W/(m2.K)

8 27.03 35.04 358.14 6.68 0.8 0.95 -0.02 90%

9 28.01 37.77 483.60 6.67 0.8 0.95 -0.02 89%

10 29.31 36.79 566.89 6.74 0.8 0.95 -0.01 84%

11 30.11 35.56 664.64 6.70 0.8 0.95 -0.01 81%

12 31.27 36.17 298.86 6.75 0.8 0.95 -0.02 86%

13 32.82 34.52 242.66 6.77 0.8 0.95 -0.01 80%

14 32.57 31.84 250.21 5.72 0.8 0.96 0.00 75%

15 29.64 28.74 64.83 11.02 0.8 0.92 0.01 59%

16 29.77 28.55 39.19 9.07 0.8 0.93 0.03 48%


53


Jam Tin1 Ta GT UL

τα FR Ti-

Ta/Gt Ƞ

°C °C W/m2 W/(m2.K)

8 26.90 30.64 344.28 6.68 0.8 0.95 -0.01 83%

9 27.58 33.41 474.29 6.67 0.8 0.95 -0.01 84%

10 28.67 36.30 575.97 6.74 0.8 0.95 -0.01 84%

11 29.69 36.21 387.99 6.71 0.8 0.95 -0.02 87%

12 30.88 37.42 365.56 6.70 0.8 0.95 -0.02 87%

13 31.87 35.18 261.91 6.65 0.8 0.95 -0.01 84%

14 30.83 30.23 125.34 4.99 0.8 0.96 0.00 75%

15 28.78 27.96 49.92 13.31 0.8 0.90 0.02 52%

16 28.82 27.34 37.78 9.67 0.8 0.93 0.04 39%


Jam Tin1 Ta GT UL

τα FR Ti-

Ta/GT Ƞ

°C °C W/m2 W/(m2.K)

8 25.96 28.91 222.90 6.69 0.8 0.95 -0.01 84%

9 26.61 29.44 333.84 6.67 0.8 0.95 -0.01 81%

10 27.17 30.79 557.75 6.78 0.8 0.95 -0.01 80%

11 27.81 32.14 548.65 6.78 0.8 0.95 -0.01 81%

12 28.04 31.17 539.43 6.78 0.8 0.95 -0.01 80%

13 28.39 31.04 320.05 6.78 0.8 0.95 -0.01 81%

14 29.03 31.24 78.49 9.58 0.8 0.93 -0.03 99%

15 29.27 29.89 56.40 7.21 0.8 0.94 -0.01 83%

16 29.03 28.41 34.75 7.37 0.8 0.94 0.02 63%


54


Jam Tin1 Ta GT UL

τα FR Ti-

Ta/GT Ƞ

°C °C W/m2 W/(m2.K)

8 24.97 26.65 196.85 6.69 0.8 0.95 -0.01 81%

9 25.99 30.95 254.55 6.67 0.8 0.95 -0.02 88%

10 27.04 33.46 307.13 6.69 0.8 0.95 -0.02 89%

11 28.07 33.97 351.12 6.72 0.8 0.95 -0.02 87%

12 29.61 33.44 221.51 6.73 0.8 0.95 -0.02 87%

13 30.77 33.24 205.56 6.32 0.8 0.95 -0.01 83%

14 31.05 31.10 218.57 8.08 0.8 0.94 0.00 75%

15 31.42 30.35 129.29 7.89 0.8 0.94 0.01 69%

16 31.63 29.30 68.19 8.65 0.8 0.93 0.03 47%

4.3 Pembahasan

4.3.1 Analisis Pengaruh Luas Kolektor Terhadap Efisiensi Kolektor Pada

Variasi 1, 2, dan 3

Berdasarkan Tabel 4.36, Tabel 4.37, dan Tabel 4.38 maka dapat dibuat grafik

hubungan antara luas kolektor alat pemanas air dengan efisiensi kolektor pada variasi

1, 2, dan 3.


55

Gambar 4.1 Grafik perbandingan luas kolektor dengan efisiensi kolektor

Pada gambar 4.1 diatas diperoleh hasil bahwa pada variasi pertama dimana alat

pemanas air tanpa penambahan reflektor mengalami efisiensi paling tinggi sebesar

86%. Dilihat dari Tabel 4.36 efisiensi kolektor paling tinggi ini diperoleh pada pukul

10.00 WIB. Hal ini dapat terjadi dikarenakan pada pukul 10.00 WIB mengalami

perbedaan antara temperatur sekitar, temperatur masuk fluida dan tingkat radiasi surya

yang tinggi jika dibandingkan dengan waktu yang lain. Dari gambar 4.1 diatas kita

dapat melihat bahwa perbedaan ketiga komponen antara temperatur sekitar, temperatur

fluida masuk dan tingkat radiasi matahari adalah sebesar -0,02. Sehingga hal ini akan

berpengaruh pada kemampuan dari kolektor dalam menyerap panas matahari menjadi

lebih maksimal. Pada variasi pertama ini menghasilkan efisiensi kolektor rata-rata

dalam satu hari sebesar 75%.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

-0.03 -0.02 -0.01 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

EF

ISIE

NS

I K

OL

EK

TO

R

(Ti-Ta)/GTVariasi 1 Variasi 2 Variasi 3


56

Selanjutnya pada variasai kedua menggunakan penambahan reflektor dengan

luasan sebesar 0,95 m2 pada sudut 45° diperoleh efisiensi paling tinggi sebesar 90%.

Pada variasi kedua ini, efisiensi dari kolektor secara rata-rata mengalami kenaikan dari

variasi pertama. Dimana pada variasi pertama mendapatkan efisiensi kolektor rata-rata

dalam satu hari sebesar 75%, sedangkan pada variasi kedua mendapatkan efisiensi

kolektor rata-rata satu hari sebesar 77%. Hal ini dapat terjadi demikian dikarenakan

pada hari kedua penelitian ini dilakukan, berada pada cuaca yang baik. Sehingga panas

matahari yang dapat diterima oleh kolektor dapat maksimal dan panas yang diterima

tersebut adalah panas matahari langsung (direct).

Selanjutnya pada variasai ketiga menggunakan penambahan reflektor dengan

luasan sebesar 1,35 m2 pada sudut 45° diperoleh efisiensi paling tinggi sebesar 87%.

Pada penelitian dalam variasi ini didapatkan hasil efisiensi kolektor rata-rata satu hari

sebesar 75%, hal ini mengalami penurunan efisiensi kolektor jika dibandingkan dengan

variasi kedua menggunakan penambahan reflektor dengan luasan sebesar 0,95 m2. Hal

ini dapat terjadi dikarenakan adanya perbedaan besarnya panas matahari yang dapat

diserap oleh kolektor pada variasi ketiga ini lebih kecil. Fenomena ini dipengaruhi oleh

panas yang diterima oleh matahari adalah panas matahari sebaran dimana panas

matahari tersebut tidak secara langsung mengenai kolektor akan tetapi tertutup oleh

awan , sehingga panas yang diterima menjadi tidak maksimal.


57

4.3.2 Analisis Pengaruh Sudut Datang Terhadap Efisiensi Kolektor Pada

Variasi 3, 4, dan 5

Berdasarkan Tabel 4.38, Tabel 4.39, dan Tabel 4.40 maka dapat dibuat grafik

hubungan antara sudut reflektor alat pemanas air dengan efisiensi kolektor pada variasi

3, 4, dan 5.

Gambar 4.2 Grafik perbandingan sudut reflektor dengan efisiensi kolektor

Pada gambar 4.2 diatas merupakan hasil efisiensi kolektor dengan pengaruh

sudut relektor. Pada variasi ketiga menghasilkan efisiensi kolektor paling rendah jika

dibandingkan dengan variasi yang lain. Hal ini dikarenakan dengan adanya

penambahan reflektor mengakibatkan semakin bertambah luas permukaan kolektor,

dan akan tetapi dengan sudut reflektor sebesar 45° mengakibatkan panas matahari yang

diterima menjadi kurang maksimal dikarenakan sudut yang diperoleh dari reflektor

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

-0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

EF

ISIE

NS

I K

OL

EK

TO

R

(Ti-Ta)/GTVariasi 3 Variasi 4 Variasi 5


58

tidak dapat menjadikan panas yang dipantulkan oleh reflektor dapat ditangkap oleh

reflektor dan dikembalikan ke kolektor sepenuhnya. Pada variasi ketiga ini

menghasilkan efisiensi kolektor rata-rata satu hari sebesar 75%.

Pada variasi keempat menghasilkan efisiensi kolektor paling tinggi jika

dibandingkan dengan variasi yang lain. Hal ini dikarenakan dengan adanya

penambahan reflektor mengakibatkan semakin bertambah luas permukaan kolektor,

dan dengan sudut reflektor sebesar 30° mengakibatkan panas matahari yang diterima

menjadi lebih maksimal dikarenakan panas sebagian yang dipantulkan oleh reflektor

dapat ditangkap oleh reflektor dan dikembalikan ke kolektor. Pada variasi keempat ini

menghasilkan efisiensi kolektor rata-rata satu hari sebesar 81%.

Pada variasi kelima menghasilkan efisiensi kolektor yang lebih rendah dari

variasi keempat. Pada variasi kelima ini menghasilkan efisiensi kolektor rata-rata satu

hari sebesar 79%. Hal ini tentunya lebih rendah dari variasi keempat yang dapat

menghasilkan efisiensi kolektor rata-rata satu hari mencapai 81%. Hal ini dapat terjadi

karena pengaruh sudut reflektor yang terlalu tinggi, sehingga panas matahari yang

dipantulkan oleh kolektor tidak dapat dimanfaatkan dengan maksimal oleh reflektor.

4.3.3 Perbandingan Simulasi Dengan Eksperimen Pada Variasi 1, 2, 3, 4, dan 5

Berdasarkan data yang diperoleh dan hasil perhitungan yang telah dilakukan,

maka dapat dilakukan pembahasan mengenai data dan perhitungan yang telah

dilakukan sebelumnya. Pada pembahasan berikut, akan dibuat grafik perbandingan


59

antara waktu dan temperatur bak penampung dengan hasil simulasi dan data alat yang

telah dibuat. Maka dari grafik tersebut selanjutnya akan dilakukan pembahasan

mengenai hasil yang didapatkan. Pengujian ini dilakukan di lapangan Politeknik

Mekatronika Sanata Dharma, dengan panas matahari sebagai sumber panasnya secara

langsung. Pengujian ini dilakukan selama delapan jam dalam satu hari, dengan lima

variasi yang berbeda. Parameter yang divariasikan dalam penelitian ini adalah sudut

reflektor dan bukaan reflektor. Variasi sudut reflektor yang digunakan dalam penelitian

ini adalah 30°, 45° dan 60°. Kemudian untuk variasi luasan reflektor yang digunakan

dalam penelitian ini adalah tanpa reflektor, 0,95 m2 dan 1,35 m2 dengan sudut reflektor

sebesar 45°. Berikut ini pembahasan mengenai hasil penelitian dari kelima variasi yang

telah dilakukan.


air energi surya variasi 1

0

100

200

300

400

500

600

2 3 4 5 6 7 8 9 10

G

ƟSimulasi Alat Variasi 1


60


surya variasi 1

Gambar 4.3 merupakan persamaan matahari pada simulasi dan pemodelan alat

pemanas air energi surya variasi 1 dengan rata-rata G simulasi sebesar 318,85 W/m2

dan rata-rata G alat variasi 1 sebesar 317, 08 W/m2. Gambar 4.4 memperlihatkan beda

temperatur air yang dihasilkan didalam bak antara hasil simulasi dengan alat pemanas

air yang dibuat. Pada grafik diatas dapat dilihat bahwa temperatur air hasil simulasi

lebih baik dari temperatur air hasil alat pemanas air yang dibuat. Pada simulasi

temperatur air yang dihasilkan mengalami kenaikan temperatur yang lebih baik

daripada temperatur air alat pemanas air. Akan tetapi pada variasi pertama, dimana alat

pemanas air energi surya tanpa reflektor menghasilkan kenaikan temperatur yang

menyerupai hasil simulasi. Alat pemanas air menghasilkan temperatur paling tinggi

sebesar 40,47°C pada pukul 14.00 WIB. Dari hasil pengamatan tersebut, didapatkan

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12

Ts



61

analisa bahwa terjadi perbedaan fenomena antara simulasi dengan alat pemanas air.

Dimana pada simulasi didapatkan perbandingan waktu dengan temperatur yang selalu

meningkat, sedangkan pada alat pemanas air energi surya didapatkan waktu temperatur

paling tinggi berada pada pukul 14.00 WIB. Hal ini mengindikasikan bahwa isolasi

pada alat kurang baik, sehingga mengakibatkan panas dapat keluar dari tangki

penyimpanan yang dapat menyebabkan kerugian panas. Lalu faktor lain yang

mempengaruhi adalah bahan yang digunakan pada pembuatan alat pemanas air tidak

lebih baik dari bahan yang semestinya digunakan pada simulasi. Hal ini mempengaruhi

kerja dari kolektor dalam menangkap panas dari matahari, sehingga panas matahari

yang dapat diterima ataupun diserap oleh kolektor tidak dapat maksimal.



0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12

G



62


surya variasi 2



dan rata-rata G alat variasi 2 sebesar 329,89 W/m2. Gambar 4.6 memperlihatkan beda





daripada temperatur air alat pemanas air. Pada variasi kedua, dimana alat pemanas air

energi suya dengan reflektor luasan sebesar 0,95 m2 pada sudut 45°C mengalami

perbedaan kenaikan temperatur air yang cukup jauh jika dibandingkan dengan

temperatur air hasil simulasi. Pada alat pemanas air menghasilkan temperatur paling

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12

Ts



63

tinggi sebesar 39,00°C pada pukul 13.00 WIB. Dari hasil pengamatan tersebut,

didapatkan analisa bahwa terjadi perbedaan yang cukup jauh antara hasil simulasi

dengan hasil alat pemanas air. Hal ini mengindikasikan bahwa isolasi pada alat kurang

baik, sehingga mengakibatkan panas dapat keluar dari tangki penyimpanan yang dapat

menyebabkan kerugian panas. Dari hasil analisa, faktor lain yang mempengaruhi

adalah bahan yang digunakan pada pembuatan alat pemanas air tidak lebih baik dari

bahan yang semestinya digunakan pada simulasi. Hal ini mempengaruhi kerja dari

kolektor dalam menangkap panas dari matahari, sehingga panas matahari yang dapat

diterima ataupun diserap oleh kolektor tidak dapat maksimal.



0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12

G



64


surya variasi 3








daripada temperatur air alat pemanas air. Pada variasi ketiga, dimana alat pemanas air

energi suya dengan reflektor luasan sebesar 1,35 m2 pada sudut 45°C mengalami

perbedaan temperatur air yang sangat jauh jika dibandingkan dengan temperatur air

hasil simulasi. Pada alat pemanas air menghasilkan temperatur paling tinggi sebesar

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12

Ts



65

38,83°C pada pukul 13.00 WIB. Dari hasil pengamatan tersebut, didapatkan analisa

bahwa terjadi perbedaan yang cukup jauh antara hasil simulasi dengan hasil alat

pemanas air. Hal ini mengindikasikan bahwa isolasi pada alat kurang baik, sehingga

mengakibatkan panas dapat keluar dari tangki penyimpanan yang dapat menyebabkan

kerugian panas. Pada simulasi terjadi perubahan temperatur yang dinamis, akan tetapi

pada alat pemanas air terjadi perubahan temperatur yang sangat fluktuatif jika

dibandingkan dengan simulasi. Dari hasil analisa, faktor yang mempengaruhi adalah

bahan yang digunakan pada pembuatan alat pemanas air tidak lebih baik dari bahan

yang semestinya digunakan pada simulasi. Hal ini mempengaruhi kerja dari kolektor

dalam menangkap panas dari matahari, sehingga panas matahari yang dapat diterima

ataupun diserap oleh kolektor tidak dapat maksimal. Selain itu, faktor cuaca juga sangat

berpengaruh pada hasil yang didapatkan pada alat pemanas air dimana saat

pengambilan data hari ketiga terjadi pada kondisi cuaca yang mendung. Sehingga

faktor ini mempengaruhi panas yang dapat diserap oleh kolektor dan mengakibatkan

ketidakmaksimalan temperatur yang dapat dihasilkan oleh alat pemanas air.


66




surya variasi 4

0

100

200

300

400

500

600

700

0 2 4 6 8 10 12

G


0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12

Ts



67








daripada temperatur air alat pemanas air. Pada variasi keempat, dimana alat pemanas

air energi suya dengan reflektor luasan sebesar 1,5 m2 pada sudut 30°mengalami

perbedaan kenaikan temperatur air yang sangat jauh jika dibandingkan dengan


tinggi sebesar 33,27°C pada pukul 14.00 WIB. Sedangkan pada simulasi diperoleh

hasil yang selalu meningkat setiap jam, sehingga didapatkan hasil yang lebih baik. Pada

simulasi terjadi perubahan temperatur yang dinamis, akan tetapi pada alat pemanas air

tidak terjadi perubahan temperatur yang tidak signifikan jika dibandingkan dengan

simulasi. Hal ini mengindikasikan bahwa isolasi pada alat kurang baik, sehingga


kerugian panas. Dari hasil analisa, faktor yang mempengaruhi adalah bahan yang

digunakan pada pembuatan alat pemanas air tidak lebih baik dari bahan yang

semestinya digunakan pada simulasi. Hal ini mempengaruhi kerja dari kolektor dalam

menangkap panas dari matahari, sehingga panas matahari yang dapat diterima ataupun

diserap oleh kolektor tidak dapat maksimal. Selain itu, faktor cuaca juga sangat


68


pengambilan data hari keempat terjadi pada kondisi cuaca yang mendung sepanjang

hari. Sehingga faktor ini mempengaruhi panas yang dapat diserap oleh kolektor dan

mengakibatkan ketidakmaksimalan temperatur yang dapat dihasilkan oleh alat

pemanas air.



0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10 12

G



69


surya variasi 5








daripada temperatur air alat pemanas air. Pada variasi kelima, dimana alat pemanas air

energi suya dengan reflektor luasan sebesar 1,1 m2 pada sudut 60° mengalami

perbedaan kenaikan temperatur air yang sangat jauh jika dibandingkan dengan


15

20

25

30

35

40

45

0 2 4 6 8 10 12

Ts



70

tinggi sebesar 37,47°C pada pukul 13.00 WIB. Dari hasil pengamatan tersebut,

didapatkan analisa bahwa terjadi perbedaan yang cukup jauh antara hasil simulasi

dengan hasil alat pemanas air. Dimana pada simulasi dan alat pemanas air didapatkan

waktu dengan temperatur paling tinggi yang sama pada pukul 13.00 WIB. Pada

simulasi terjadi perubahan temperatur yang dinamis, akan tetapi pada alat pemanas air

tidak terjadi perubahan temperatur yang tidak signifikan jika dibandingkan dengan

simulasi. Hal ini mengindikasikan bahwa isolasi pada alat kurang baik, sehingga


kerugian panas. Dari hasil analisa, faktor yang mempengaruhi adalah bahan yang

digunakan pada pembuatan alat pemanas air tidak lebih baik dari bahan yang

semestinya digunakan pada simulasi. Hal ini mempengaruhi kerja dari kolektor dalam

menangkap panas dari matahari, sehingga panas matahari yang dapat diterima ataupun

diserap oleh kolektor tidak dapat maksimal. Selain itu, faktor cuaca juga sangat


pengambilan data hari kelima terjadi pada kondisi cuaca yang mendung. Sehingga

faktor ini mempengaruhi panas yang dapat diserap oleh kolektor dan mengakibatkan

ketidakmaksimalan temperatur yang dapat dihasilkan oleh alat pemanas air.


71

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Dari analisis yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Dari hasil penelitian diketahui bahwa alat pemanas air energi surya dengan

penambahan reflektor dapat mempengaruhi efisiensi dari kolektor tersebut.

Hal ini diketahui dari hasil rata-rata efisiensi yang lebih baik dari tanpa

penambahan reflektor. Pada alat pemanas air energi surya tanpa

menggunakan reflektor diperoleh hasil rata-rata efisiensi kolektor sebesar

75% dengan temperatur air paling tinggi yang dihasilkan sebesar 40,47°C,

pada alat pemanas air energi surya menggunakan reflektor dengan luasan

reflektor 0,95 m2 pada sudut 45° diperoleh rata-rata efisiensi kolektor sebesar

77% dengan temperatur air paling tinggi yang dihasilkan sebesar 39,00°C,

dan pada alat pemanas air energi surya menggunakan reflektor dengan luasan

reflektor 1,35 m2 pada sudut 45° diperoleh rata-rata efisiensi kolektor sebesar

75% dengan temperatur air paling tinggi yang dihasilkan sebesar 38,83°C.

Sehingga diperoleh hasil bahwa alat pemanas air energi surya menggunakan

reflektor dengan luasan sebesar 0,95 m2 pada sudut 45° memiliki efisiensi

kolektor paling tinggi diantara variasi yang lain sebesar 77% dengan

temperatur air paling tinggi yang dihasilkan sebesar 39,00°C.


72

2. Dari hasil penelitian diketahui bahwa alat pemanas air energi surya dengan

penempatan sudut reflektor dapat mempengaruhi efisiensi dari kolektor

tersebut. Hal ini diketahui dari hasil rata-rata efisiensi yang lebih baik dari

yang didapatkan. Pada alat pemanas air energi surya menggunakan reflektor

dengan luasan reflektor 1,35 m2 pada sudut 45° diperoleh hasil rata-rata

efisiensi kolektor sebesar 75% dengan temperatur air paling tinggi yang

dihasilkan sebesar 38,83°C, pada alat pemanas air energi surya menggunakan

reflektor dengan luasan reflektor 1,5 m2 pada sudut 30° diperoleh rata-rata

efisiensi kolektor sebesar 81% dengan temperatur air paling tinggi yang

dihasilkan sebesar 33,27°C, dan pada alat pemanas air energi surya

menggunakan reflektor dengan luasan reflektor 1,1 m2 pada sudut 60°

diperoleh rata-rata efisiensi kolektor sebesar 79% dengan temperatur air

paling tinggi yang dihasilkan sebesar 37,47°C. Sehingga diperoleh hasil

bahwa alat pemanas air energi surya menggunakan reflektor dengan luasan

reflektor sebesar 1,5 m2 pada sudut reflektor sebesar 30° memiliki efisiensi

kolektor paling tinggi diantara variasi yang lain sebesar 81% dengan

temperatur air paling tinggi yang dihasilkan sebesar 33,27°C.

3. Dengan perbandingan antara model eksperimental dengan simulasi diperoleh

hasil bahwa model eksperimental yang dilakukan dalam penelitian masih

belum sebaik hasil simulasi, hal ini dikarenakan adanya masalah pada isolasi

bagian tangki yang masih kurang baik.


73

5.2 Saran

1. Penelitian selanjutnya disarankan dilakukan pada kondisi cuaca yang cerah

sepenuhnya setiap kali pengambilan data penelitian sehingga dapat diperoleh

hasil yang lebih akurat dan maksimal.

2. Disarankan dalam pembuatan alat penelitian selanjutnya untuk lebih dapat

teliti dan maksimal sehingga tidak terjadi kebocoran alat pada saat

pengambilan data berlangsung.


74

DAFTAR PUSTAKA

Amir, F., Syuhada, A., & Hamdani. (2013). Pemodelan Dan Simulasi Perpindahan

Panas Pada Kolektor Surya Pelat Datar. Jurnal Ilmu Hukum, vol. 1, pp. 32-38.

Arismunandar, W. (1995). Teknologi Rekayasa Surya. Jakarta: Pradnya Paramita.

Subarkah, R., & Belyamin. (2011). Pemanas Air Energi Surya Dengan Sel Surya

Sebagai Absorber. Politeknologi, vol. 10, pp. 225-231.

Jalaluddin, Arief, E., & Tarakka, R. (2015). Analisis Performansi Kolektor Surya

Pemanas Air Dengan Pelat Kolektor Bentuk-V. Seminar Nasional Tahunan

Teknik Mesin XIV.

N.R., I. (2006). Pengaruh Pelat Penyerap Ganda Model Gelombang Dengan

Penambahan Reflector Terhadap Kinerja Solar Water Heater Sederhana. Dosen

Teknik Mesin Universitas Widyagama Malang.

Rahman, S., Kahar, & Rusdi, M. (2014). Analisis Kinerja Pemanas Air Tenaga Surya

Dengan Reflector Linear Parabolic Concentrating. Jurnal Pertanian Terpadu,

vol. 3, pp. 66-74.

Sumarsono, M. (2005). Optimasi Jumlah Pipa Pemanas Terhadap Kinerja Kolektor

Surya Pemanas Air. Jurnal Ilmiah Teknologi Energi, vol. 1, pp. 46-55.

Susanto, H., & Irawan, D. (2017). Pengaruh Jarak Antar Pipa Pada Kolektor Terhadap

Panas Yang Dihasilkan Solar Water Heater (SWH). Turbo, vol. 6, pp. 84-91.

Retrieved from http://ojs.ummetro.ac.id/index.php/turbo


75

Sutrisno, & Mustafa. (2014). Analisis Kolektor Sederhana Bergelombang Dengan

Penambahan Reflektor Terhadap Kinerja Solar Water Heater. Agri-tek, vol. 15,

pp. 86-93.

Tirtoatmodjo, R., & Handoyo, E. A. (1999). Unjuk Kerja Pemanas Air Jenis Kolektor

Surya Plat Datar Dengan Satu dan Dua Kaca Penutup. Jurnal Teknik Mesin,

vol. 1, pp. 116-121.

Zulfa, Amrizal, & Amrul. (2017). Unjuk Kerja Kolektor Surya Pelat Datar Aliran

Paralel. Jurnal Mechanical, vol. 8, pp. 46-51.


76

LAMPIRAN

Lampiran 1. Gambar Alat Pemanas Air Energi Surya

Pemanas Air Energi Surya Tampak Samping Kiri

Pemanas Air Energi Surya Dengan Variasi Bukaan Reflektor Setengah


77

Pemanas Air Energi Surya Tampak Depan

Pemanas Air Energi Surya Dengan Variasi Bukaan Reflektor Penuh


78

Lampiran 2. Gambar Alat Ukur Yang Digunakan

Microcontroller Arduino

Sensor TDS


79

Solar Meter

Busur Derajat


80

Lampiran 3. Grafik Bilangan Nusselt Rata-rata Dalam Berbagai Bilangan Prandtl


81

Lampiran 4. Grafik Koefisien Konveksi Alam hi Dengan Sudut β Sebagai Parameter


82

Lampiran 5. Tabel Sifat Air


PEMODELAN DAN SIMULASI PEMANAS AIR ENERGI SURYA ...

Documents

Transcript of PEMODELAN DAN SIMULASI PEMANAS AIR ENERGI SURYA ...