PERANCANGAN THERMAL ENERGY STORAGE PADA KOLEKTOR SURYA BERBENTUK TABUNG SILINDER

Abstract

Solar water heater ternyata masih memiliki kelemahan yaitu masih menggunakan pemanas listrik pada tangki untuk menjaga temperatur air supaya tetap konstan ketika intensitas radiasi matahari tidak ada sehingga mengakibatkan biaya operasional peralatan bertambah. Salah satu solusi terhadap permasalahan ketiadaan energi panas matahari adalah dengan penambahan sistem thermal energy storage menggunakan material berubah fasa yang ditambahkan pada kolektor surya. Tujuan penelitian ini secara umum adalah untuk mengetahui kemampuan thermal energy storage yang terintegrasi dalam kolektor surya. Kolektor surya telah dirancang, dibuat dan diuji dengan luas 1 m2 yang terdiri dari kaca penutup, wadah TES berbentuk silinder bercat hitam kusam, isolasi dan rangka. Hasil pengujian awal yang telah dilakukan menggunakan air sebagai TES diperoleh kenaikan temperatur tertinggi sekitar 26oC dari temperatur awal 29oC dan akhir 55oC. Temperatur air ini diperoleh pada intensitas radiasi matahari rata-rata 18,80 MJ/m2 dan temperatur lingkungan 34,44oC.

Full text

BUKU 1
tsBN
978602-9U73-2-7
PROSIDING
SEMINAR
NASIONAL
PEMBANGUNAN
BERKELANJUTAN
BANGSA
BERBASIS
IPTEK
(P83l-lrM)
Keynote Speaker:
Prof.
Dian Armanto,
M,pd, MA,
M.Sc, Ph,D
Prof,
Dr, lr. Lili Warly,
M.Sc
Prof. Dr.
Alesyanti, M.Pd.,
M.H
Prof. Dr.
lr. llmi Abdullah.
M.Sc
Medah,
18 Oktober
2014
Aula
Kampus
Institut
TeknologiMedan
Penerbit:
BIRO
PUBLIKASI DAN
DOKUMENTASI
_
ITM
Jln.Gedung
Arca No.52
Medan
- 2A2I7
Telp. 061 736377
I, F ax. 061
7347913



PERANCANGAN THERMAL ENERGY STORAGE PADA KOLEKTOR
SURYA BERBENTUK TABUNG SILINDER
Ilmi Abdullah
1)
, Jufrizal
1)
, Zulkifli
1)
, Rikson M. Sianturi
2)
Arun Paulus
2)
1)
Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin-Institut Teknologi Medan
2)
Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin-Institut Teknologi Medan
Jln. Gedung Arca No.52 Medan 20217 Telp.061-7363771, Fax. 061-7347954
E-mail: atjehb@gmail.com
Abstrak
Solar water heater ternyata masih memiliki kelemahan yaitu masih menggunakan pemanas listrik
pada tangki untuk menjaga temperatur air supaya tetap konstan ketika intensitas radiasi matahari
tidak ada sehingga mengakibatkan biaya operasional peralatan bertambah.Salah satu solusi
terhadap permasalahan ketiadaan energi panas matahari adalah dengan penambahan sistem
thermal energy storage menggunakan material berubah fasa yang ditambahkan pada kolektor
surya.Tujuan penelitian ini secara umum adalah untuk mengetahui kemampuan thermal energy
storage yang terintegrasi dalam kolektor surya. Kolektor surya telah dirancang, dibuat dan diuji
dengan luas 1 m
2
yang terdiri dari kacapenutup, wadah TES berbentuk silinder bercat hitam
kusam, isolasi dan rangka.Hasil pengujian awal yang telah dilakukan menggunakan air sebagai
TES diperoleh kenaikan temperatur tertinggi sekitar 26
o
C dari temperatur awal 29
o
C dan akhir
55
o
C. Temperatur air ini diperoleh pada intensitas radiasi matahari rata-rata 18,80MJ/m
2
dan
temperatur lingkungan 34,44
o
C.
Kata Kunci :Kolektor Surya, Tabung Silinder, Thermal Energy Storage
PENDAHULUAN
Kotamadya Medan secara geografis
terletak antara 3”30’-3”43’ LU dan
98”35’-98”44’ BT. Topografi Kota
Medan cenderung miring ke utara dan
berada pada ketinggian 2,5-37,5 meter
diatas permukaan laut (Ciptakarya,2001).
Potensi radiasi energi surya harian di
kotamadya Medan dari hasil
pengukuranyang telah dilakukan oleh
Himsar (2012) adalah bervariasi mulai
dari yang terendah 0,53 kWh/m
2
/hari dan
yangtertinggi 5,64 kWh/m
2
/hari dan nilai
rata-ratanya adalah 3,54 kWh/m
2
/hari dan
lama penyinaran rata-rata adalah 11,99
jam perhari.Dengan kondisi energi seperti
ini memungkinkan untuk bisa
dimanfaatkan terutama sekali secara
termal.
Peralatan-peralatan untuk kebutuhan
rumah tangga dan industri dengan
memanfaatkan energi panas surya terus
dikembangkan.Salah satunya adalah
solar water heater (SWH) yang
merupakan salah satu solusi yang efektif
sebagai penghasil air panas untuk rumah
tangga dan komersial.Teknologi SWH
ternyata masih memiliki kelemahan yaitu
masih menggunakan pemanas listrik pada
tangki untuk menjaga temperatur air
supaya tetap konstan ketika intensitas
radiasi matahari tidak adasehingga



mengakibatkan biaya operasional
peralatan bertambah.
Sebenarnya pemerintah telah
mengeluarkan kebijakan tentang
konservasi energi terutama bagi
pengusaha/produsen yang membuat
peralatan yang mengkonsumsi energi.
Seperti dalam peraturan pemerintah (PP)
No. 70 Tahun 2009 pada bagian keempat
pasal 7 mengenai tanggung jawab
pengusaha sebagaimana dimaksud dalam
pasal 2 bertanggung jawab:
a. Melaksanakan konservasi energi
dalam setiap tahap pelaksanaan
usaha; dan
b. Menggunakan teknologi yang efisien
energi; dan/atau
c. Menghasilkan produk dan/atau jasa
yang hemat energi.
Berdasarkan pertimbangan diatas maka
seharusnya para produsen peralatan yang
mengkonsumsi energi terus berinovasi
agar peralatan-peralatan yang diproduksi
dapat menghemat pemakaian energi yang
bersumber dari fosil dan kalau perlu
mengganti dengan sumber energi
alternatif.
Metode yang sudah dikembangkan dan
diteliti untuk memperbaiki kelemahan
yang dimiliki oleh SWH yaitu dengan
mengintegrasi sistem penyimpanan panas
pada kolektor menggunakan garam hidrat
sebagai material berubah fasa
(Rabin,1995).Penambahan sistem
penyimpanan energi panas laten pada
tangki SWH menggunakan parafin wax
juga telah diuji (Vikram,2006) dan
(Nallusamy,2006) serta dianalisa secara
numerik (Felix,2009), (Talmatsky,2008)
dan (Kousksou,2011). Sedangkan sistem
penyimpanan energi panas laten dan alat
penukar kalor yang ditambahkanpada
sistem pemanas air matahari domestik
telah dipelajari secara numerik dan
eksperimental menggunakan lauric acid
(Murray,2011).
Berdasarkan latar belakang potensi energi
surya dan penghematan pemakaian energi
yang bersumber dari fosil serta
permasalahan pada SWHmaka dalam
penelitian ini, penulis merancang sistem
thermal energy storage (TES) pada
kolektor surya berbentuk tabung silinder.
Dalam penelitian ini, kajian hanya pada
perancangan, pembuatan dan pengujian
awal.Hasil yang diharapkan pada
penelitian ini adalah memberikan
masukan untuk tahap-tahap berikutnya
sehingga dapat dihasilkan sebuah SWH
berbasis sistem TES yang mempunyai
efisiensi tinggi.
METODE
Model dan Dimensi Kolektor Surya
Model kolektor surya yang dirancang
dalam penelitian ini adalah jenis



Batch.Komponen utama dan dimensi dari
kolektor surya dalam penelitian ini adalah
kaca penutup, TES, isolasidan rangka
seperti pada Gambar 1.Bahan isolasi
yang digunakan adalah glasswool.
Ukuran dalam satuan cm
Gambar 1.Komponen dan
dimensikolektor surya
Pemilihan Kaca Penutup
Berdasarkan pertimbangan dari referensi
dan hasil penelitianHandoyo(2001) maka
jenis kaca dan tebal kaca penutup yang
dipilih adalah jenis kaca bening dengan
tebal 3 mm. Jenis kaca ini memiliki nilai
konduktivitas termal adalah 1,3 W/m.K.
Ukuran kaca yang digunakan adalah 1,3 x
0,7 (m).
PerancanganWadah TES
Berdasarkan pertimbangan konduktivitas
material dan faktor korosif maka jenis
bahan yang sesuai untuk digunakan
adalah bahan aluminium dan tebal 1 mm
dan wadah berbentuk tabungsilinder
dengan volume 0,03m
3
. Dengan
pertimbangan, supaya kolektor jangan
terlalu tinggi maka diameter tabung
ditentukan 22 cm sehingga tinggi tabung
dapat dihitung dan diperoleh 0,8 m.
Perancangan Isolasi dan Rangka
Sesuai dengan fungsinya dan berdasarkan
sifat-sifat fisik material maka bahan
isolasi yang dipilih adalah
glasswool.Isolasi dan rangka kolektor
terdiri dari 3 lapisan yaitu, lapisan
aluminium, glasswool dan aluminium
seperti pada Gambar 2. Dimana T
R
dan T
L
adalah laju perpindahan panas dari ruang
kolektor ke lingkungan.
Gambar 2. Lapisan isolasi
Isolasi dan rangka kolektor dibagi
menjadi 2 bagian, yaitu bagian samping
dan bagian bawah.Masing-masing ukuran
dan konduktivitas termal bahan dapat
dilihat pada Tabel 1.
Hasil perancangan dan pembuatan TES
pada kolektor surya berbentuk tabung
silinder seperti pada Gambar 3.dan4.



Tabel 1. Bahan dan sifat isolasi
No.
Bahan
k
(W/m.K)
Tebal
(m)
1
Aluminium
240
0,0008
2
Glasswool
0,04
0,07
Gambar3. Tampak depan kolektor surya
Gambar4. Tampak samping kolektor
surya
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian Kolektor Surya
Pengujian awal terhadap kolektor surya
masih menggunakan air sebagai material
TES. Jumlah air yang digunakan adalah
30 liter.Pengambilandata dilakukan
dalam interval waktu 10 menit. Pengujian
awal dimaksudkan untuk mengetahui laju
perpindahan panas dan kemampuan
kolektor surya. Pada pengujian
tersebutdilakukan pengukuran temperatur
pada beberapa titik yaitu temperatur air
(T
A
), permukaan antara tangki dengan
kaca(T
G
), permukaan tangki (T
Pt
),
kaca(T
K
), dinding (T
D
), ruangan (T
R
), dan
lingkungan (T
L
).
Pengujian dilakukan selama 3 hari mulai
tanggal 02 sampai dengan 04 Juni
2014.
Pengujian pertama tanggal 02 juni
2014dilakukan mulai pukul 08:00 sampai
dengan 17:00 WIB. Data hasil pengujian
secara grafik dapat dilihat pada
Gambar
5.
Energi panas radiasi matahari rata-rata
pada hari ini adalah
18,80
.Temperatur maksimum air
yang diperoleh adalah 55
O
C dari
temperatur awal 29
O
C, sehingga terjadi
kenaikan temperatur air sekitar 26
O
C.
Sedangkan temperatur rata-rata dari
masing-masing komponen T
Pt
= 48,20
o
C,
T
K
= 42,56
o
C, T
D
= 46,62
o
C, T
R
=
51,55
o
C dan T
L
= 34,44
o
C.
Gambar 5. Grafik temperatur kolektor
dan air tanggal 02 Juni 2014



Pengujian hari ke-2 dilakukan pada
tanggal 03 juni 2014 dimulai pada pukul
08:00 sampai dengan pukul 17:00 WIB,
untuk setiap data pengujian yang terjadi
pada saat ini dapat dilihat secara grafik
pada Gambar 6. Nilai
rata–rata radiasi
matahari yang bisa dimanfaatkan menjadi
panas adalah 11,55
.Temperatur air
maksimum yang didapat adalah 52
O
C
dari temperatur 31
O
C. Sehingga kenaikan
temperatur air lebih rendah dari hari
pertama pengujian yaitu 20
O
C.
Temperatur rata-rata komponen
kolektorpada hari ini yaitu
T
Pt
= 47,51
o
C,
T
K
= 40,89
o
C, T
D
= 43,05
o
C, T
R
=
50,75
o
C dan T
L
= 34,43
o
C.
Gambar 6. Grafik temperatur kolektor
dan air tanggal 03 Juni 2014
Pengujian ketiga dilakukan pada tanggal
04 Juni 2014 dimulai dari pukul 08:00
sampai dengan pukul 17:00 WIB. Data
hasil pengujian yang diperoleh dapat
dilihat secara grafik pada gambar 7. Pada
hari ini, rata-rata radiasi matahari pada
setiap jamnya yang dimanfaatkan
menjadi energi panas adalah
19,33
. Temperatur akhir air
didapat 51
O
C dari temperatur awal 33
O
C,
sehingga terjadi kenaikan temperatur air
sekitar 18
O
C. Nilai rata-rata pengujian
yang diperoleh pada saat pengujian
untuk komponen lain yaitu T
Pt
= 51,87
o
C,
T
K
= 44,27
o
C, T
D
= 38,85
o
C, T
R
=
55,74
o
C dan T
L
= 35
o
C.
Gambar 7. Grafik temperatur kolektor
dan air tanggal 04 Juni 2014
Dari hasil pengujian yang telah dilakukan
pada kolektor surya jenis batchdengan
sudut kolektor
untuk menyimpan
panas ke air selama 3 hari pengujian bisa
disimpulkan bahwa temperatur air
tertinggi diperoleh adalah pada pengujian
pertama, dimana temperatur akhir dari air
yaitu adalah
yang artinya pada hari
ini paling banyak panas yang bisa
disimpan ke air. Sedangkan pada dua hari
yang lain lebih rendah dimungkinkan
karena potensi radiasi matahari rendah
seperti pada hari ke-2 pengujian. Pada
hari ke-3 potensi radiasi matahari lebih
tinggi dari hari pertama tetapi temperatur



air lebih rendah dari hari pertama ini
mungkin disebabkan karena kehilangan
panas besar terutama oleh konveksi
angin.
KESIMPULAN
Kesimpulan dari hasil pengujian yang
telah dilakukan adalah kolektor surya
jenis batch mampu menyimpan panas ke
air. Dari beberapa kali pengujian yang
telah dilakukan menunujukkan bahwa:
1. Potensi panas radiasi matahari yang
bisa dimanfaatkan dari hasil
pengukuran yaitu
18,80MJ/m
2
,11,55
MJ/m
2
dan 19,33 MJ/m
2
. Sedangkan
temperatur lingkungan rata-rata
selama tiga hari pengujian berturut-
turut adalah 34,44
o
C, 34,43
o
C dan
35
o
C.
2. Temperatur tertinggi air sebagai
material uji TES diperoleh pada
pengujian pertama yaitu 55
o
C dari
temperatur awal 29
o
C, sehingga
kenaikan temperatur air sekitar 26
o
C.
Pada hari ini temperatur ruangan dan
permukaan wadah TES rata-rata
adalah T
Pt
= 48,2
o
C dan T
R
= 52,13
o
C.
DAFTAR PUSTAKA
Ciptakarya (2001). Profil Kabupaten/
Kota Medan.
ciptakarya.pu.go.id/profil/profil/
barat/ sumut/medan.pdf. (Diakses
tanggal 5 Agustus 2013)
Felix RA, Solanki SC, and Saini JS
(2009). An analysis of a packed bed
latent heat thermal energy storage
system using PCM capsules:
Numerical investigation. Elsevier;
ScienceDirect; Renewable Energy
34 (2009) 1765–1773.
Himsar A (2012). Karakteristik Energi
Surya Kota Medan Sebagai Sumber
Energi Siklus Refrigerasi Untuk
Pengkondisian Udara (AC).
Prosiding Seminar Nasional Sains
& Teknologi dan Pameran
Mendukung MP3EI, Aula FT.
USU, 23 Nopember 2012.
Handoyo EA(2001). Pengaruh Jarak
Kaca Ke Plat Terhadap Panas Yang
Diterima Suatu Kolektor Surya Plat
Datar. Jurnal Teknik Mesin
Universitas Kristen Petra Vol. 3,
No. 2, Oktober 2001; 52-56.
Kousksou T, Bruel P, Cherreau G,
Leoussoff V, and El Rhafiki T.
(2011). PCM storage for solar
DHW: From an unfulfilled promise
to a real benefit. Elsevier;
ScienceDirect; Solar Energy 85
(2011) 2033–2040.
Murray R, Desgrosseilliers L, Stewart J,
Osbourne N, Marin G, Safatli A,
Groulx D, and White MA. (2011).
Design of a Latent Heat Energy
Storage System Coupled with a
Domestic Hot Water Solar Thermal
System. World Renewable Energy
Congress, Linkoping Sweden.
Nallusamy N, Sampath S, and Velraj R.
(2006). Study on performance of a
packed bed latent heat thermal
energy storage unit integrated with
solar water heating system. Journal
of Zhejiang University SCIENCE
A; ISSN 1009-3095 (Print); ISSN
1862-1775 (Online).
Peraturan Pemerintah Republik
Indonesia.(2009). Peraturan
Pemerintah Tentang Konservasi
Energi.Lembaran Negara Republik
Indonesia Nomor 5083.



Rabin Y, Bar-Niv I, Korin E, and Mikic
B. 1995. Integrated solar collector
storage system based on a salt-
hydrate phase change material.
Elsevier Science Ltd; Solar Energy
Vol. 55, No. 6, pp. 435–444, 1995.
Talmatsky E and Kribus A. 2008. PCM
storage for solar DHW: An
unfulfilled promise?. Elsevier;
ScienceDirect; Solar Energy 82
(2008) 861–869.
Vikram D, Kaushik S, Prashanth V, and
Nallusamy N. 2006.An
Improvement in the Solar Water
Heating Systems using Phase
Change Materials.Proceedings of
the International Conference on
Renewable Energy for Developing
Countries, India.