Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya Menjadi Energi Mekanik

  • Published on
    14-Oct-2015

  • View
    27

  • Download
    1

Embed Size (px)

Transcript

  • RANCANG BANGUN ALAT KONVERSI ENERGISURYA MENJADI ENERGI MEKANIK

    Yazmendra Rosa(1), Rino Sukma, (1)

    (1)Laboratorium Refrigerasi & Pengkondisian Udara, Jurusan Teknik MesinPoliteknik Negeri Padang

    ABSTRACT

    A solar collector chimney model has been studied. The appliance of convert solar energybecome mechanic energy by heated the air at collector resulting the forming of air streamnaturally, which able to turn around turbine in the chimney. Solar energy is the naturesource of energy with character: unpollutant, free of charge and also continuous all daylong. The change of air density because of temperature changes will result air emit astream naturally to the lower temperature place and hot weather will ride on to chimney.Examination have conducted in air-gap broadly, the surface of collector 1 m2, high ofchimney 1 m and diameter 7,5cm (PVC 3"). The result showed that turbine which isattached by a chimney at output of collector could rotate. Its means that solar energy canturn into mechanic energy with rotation equal to mean 110 rpm. With this wide of collectorwas obtained the increase of secretory air temperature of collector equal to mean 15oC.

    Keywords: heat transfer, Solar Energy & Solar Power Chimney

    1. PENDAHULUAN

    1.1. Latar Belakang

    Indonesia merupakan salah satu negara yang beradapada lintasan sumber energi yaitu pada gariskhatulistiwa 6oLU sampai 11oLS. Posisi yang sangatstrategis ini membawa negara ini menjadi negarayang sangat kaya sumber energi, tentunyapemanfaatan energi yang terorganisasi dan efisienakan dapat dipertahankan untuk anak cucu dimasamendatang.

    sumber energi masih dimanfaatkan denganmengandalkan sumber minyak bumi, dimana padasuatu saat akan habis jika tidak memperhitungkansiklusnya yang beribu tahun. Untuk memutus rantaisumber energi minyak bumi, maka perlu mencarialternatif energi dengan jalan memanfaatkanlangsung sumber dari segala sumber energi yaituenergi surya.

    Kolektor surya menangkap radiasi dengan absorbersehingga udara yang mengalir dipermukaannya akanpanas, sehingga dapat digunakan untuk prosespemanasan dan pengeringan. Kondisi udara panas iniakan secara alamiah akan mengalirkan udara tersebutke tempat udara yang mempunyai temperatur yangrendah, sehingga aliran udara jika kita rencanakansebuah alat transfer energi misalkan fan yangberputar tentu dapat merubahnya ke energi putaran.

    Solar konstan yang sampai ke permukaan bumiberkisar antara 1350 Watt/m2. Posisi kota padangdapat radiasi surya antara 700 s/d 1000 Watt/m2 [1,3,4].Jika kolektor pelat datar surya digunakan mempunyaiefisiensi 55% [1,3,4] untuk menghasilkan udara panassehingga diperoleh energi 400 Watt/m2. Energi

    sebesar ini dilakukan transfer energi ke energimekanik dengan menghasilan putaran fan, jikadiasumsikan saja efisiensi 10% maka diperolehenergi 40 watt/m2 radiasi surya.

    Issu krisis energi memerlukan energi alternatifdengan memanfaatkan kondisi wilayah Indonesiayang berada di khatulistiwa. Posisi inimemungkinkan akan menerima secara maksimalenergi surya secara berkelanjutan selama setahunperjalanan surya menyinari bumi. Negara Eropaseperti Spayol telah membuat dengan kapasitas 50kW, kolektor surya ber-radius 126 m, panjang suduturbin 5 m dan 1500 rpm[2].

    Bangunan gedung dan rumah menghasilkan panasradiasi surya yang terbuang dan menjadipermasalahan dalam pendinginan ruangan.Konstruksi bangunan ini jika dimanfaatkan dengankondisi alam Indonesia tentunya bisa memanfaatkanenergi panas dari surya ini untuk pemanfaatan yanglebih baik.

    1.2 Tujuan dan Manfaat

    Pemanfaatan sumber energi surya menjadi energimekanik putaran dengan menggunakan kolektor pelatdatar yang dapat menghasilkan aliran fluida. Aliranfluida karena perbedaan temperatur oleh kolektordialiarkan melewati turbin sehinga menghasilkanenergi mekanik.

    Penelitian ini bermanfaat sebagai alternatif energibaru dalam membudayakan hemat energi danpemanfaatan sumber energi ramah lingkungandengan keuntungan Indonesia berada di khatulistiwayang menerima surya sepanjang hari dan kontiniyu.

  • Rancang Bangun Alat Konversi Energi Surya menjadi Energi Mekanik (Yazmendra Rosa)

    55

    1.3 Batasan Masalah

    Alat konversi energi surya ke energi mekanikdirancang skala kecil untuk tahap pengujianlaboratorium. Kolektor pelat datar dengan fluidakerja udara dirancang dalam penelitian ini sertadilakukan pengujian dengan mengasumsikankecepatan udara lingkungan, penyebaran intensitasradiasi pada permukaan absorber merata dan lajualiran massa udara tetap

    2. TINJAUAN PUSTAKA

    2.1. Energi Surya

    Energi surya adalah sumber energi yang terdapatdialam, dimana tidak bersifat polutif, tidak habis dangratis. Energi ini tersedia dalam jumlah yang besardan bersifat kontinue bagi kehidupan makhluk dibumi. Untuk memanfaatkan energi surya diperlukanpengetahuan dan teknologi yang tinggi agar dapatefisiensi yang lebih baik serta ekonomis.

    2.1.1 Radiasi Surya

    Radiasi surya yang diterima oleh permukaan bumitergantung pada hal-hal berikut:

    Posisi surya Lokasi permukaan. Hari dalam tahun. Keadaan cuaca dan kemiringan

    permukaan.

    Besarnya radiasi langsung yang diterima darimatahari yaitu:[14]

    IABDN

    (sin

    )

    ... (1)

    dengan,- A = iradiasi nyata surya, W/m2.

    - B = koefisien pemandangan atmosfir, takberdimensi.

    Radiasi yang diterima langsung dari surya disebutradiasi langsung, sedangkan yang diterima setelahmelewati rintangan disebut dengan radiasi diffusi.Intensitas radiasi surya total pada sebuah kolektoradalah:[14]

    I I I Iio DN DS r cos ... (2)dimana Iio, IDN, IDS dan Ir berturut-turut adalah totalradiasi matahari pada suatu permukaan, komponenradiasi langsung , radiasi diffusi dan radiasigelombang pendek yang dipantulkan oleh permukaanlain. Semua variabel dalam satuan W/m2.

    Harga dari komponen radiasi diffusi[11],

    I C I FDS DN ss ... (3)

    dimana C dan Fss adalah masing-masing angkaperbandingan antara radiasi surya difussi denganradiasi surya langsung yang jatuh pada permukaanhorizontal dan faktor sudut antara permukaan danlangit

    Untuk mencari harga Fss dirumuskan:[14]

    Fss 1

    22cos ... (4)

    dimana 2 adalah sudut kemiringan permukaanterhadap bidang datar di bumi. Dalam perhitunganbiasanya komponen Ir bukanlah komponen utama.

    Radiasi yang mengenai suatu material akanmengalami tiga proses yaitu:

    1. Absorbsivitas yaitu kemampuan suatu materialuntuk menyerap beberapa bagian dari totalradiasi yang terjadi pada permukaan material,

    I

    Iabsorb

    tot

    ,

    ,

    2. Koefisien Reflektivitas adalah ratio antararadiasi yang dipantulkan dengan radiasi yang

    terjadi.

    II

    ref

    tot

    ,

    ,

    3. Koefisien Transmissivitas adalah ratio antarakemampuan suatu material untuk meneruskanradiasi matahari yang terjadi dengan total yang

    terjadi,

    II

    trans

    tot

    ,

    ,

    2.1.2 Geometri Surya

    Gerakan dan posisi surya sangat menentukanbesarnya energi yang dapat diterima oleh kolektor.Untuk mengamati posisi surya terhadap bumi dapatdi gambarkan dalam dua sudut:

    Sudut Zenit yaitu sudut yang diukur dari sumbuvertikal dengan bidang sinar datang matahari.

    Sudut Azimuth yaitu sudut antara sumbuhorizontal dengan proyeksi sinar datangmatahari arah selatan posisi pengamatan.

    2.1.3 Deklinasi Matahari

    Deklinasi matahari adalah sudut yang terbentukantara sinar datang matahari dengan garis tegak lurusterhadap sumbu polar dalam bidang matahari.Dengan mengetahui deklinasi matahari maka posisiorbit bumi dapat ditentukan.

    The American Epherimes and Naval Almanacmerumuskan:[13]

    23 45 360365

    284, ( ( ))Sin n ... (5)

    dimana:n = hari ke berapa dihitung dari tanggal 1 Januari

  • Jurnal Teknik Mesin Vol. 5, No.2,Desember 2008 ISSN 1829-8958

    56

    Polar axis

    Equatorial planeSurya

    Collector site at latitude

    Gambar 1. Deklinasi matahari

    Pada gambar dapat ditentukan sudut jam siangmatahari:

    Cos s tan .tan ... (6)Untuk matahari terbit berharga positif dan terbenamberharag negatif.

    2.1.4 Sudut Insiden Surya

    Sudut Insiden Surya adalah hubungan antara luassebuah kolektor dengan radiasi langsung dari suryaditentukan oleh besar sudut antara sinar datangdengan vektor garis normal dari permukaan kolektor.

    Cos s ss s

    sin (sin cos cos sin cos )cos (cos cos sin sin cos cos sin sin sin )

    ... (7)

    2.2 Kolektor Energi Surya

    Kolektor surya adalah suatu alat yang dapatmengumpulkan atau menyerap radiasi surya danmengkonversikan menjadi panas. Panjang gelombangradiasi surya yang dapat diserap adalah 0, 29 sampai2, 5 m. Besarnya panas dari kolektor yang akandapat dimanfaatkan adalah:

    Q m c Tu p

    ... (8)maka temperatur udara keluaran dapat dihitungdengan persamaan:

    T Q

    m cTko u

    p

    kin ... (9)

    Komponen kolektor pelat datar adalah:

    1. Absorber dari bahan yang berwarna hitam untukmemaksimalkan penyerapan radiasi surya.

    2. Penutup berupa bahan transparan, mempunyaitransmisi yang besar untuk gelombang pendekdan menghalangi perpindahan panas konveksidan radiasi.

    3. Isolasi untuk menghindari kehilangan panas kelingkungan.

    4. Rangka yang kokoh, mudah dibentuk dan tahanlama.

    EreffEglob

    Tin Tout

    QLGambar 2 Kesetimbangan energi pada kolektor

    Persamaan kesetimbangan energi pada kolektor:

    Q Q Q Qa u l s ... (10)

    Prinsip kerja kolektor adalah pelat absorbermenyerap radiasi surya yang jatuh ke permukaan dandikonversikan dalam bentuk panas, sehinggatemperatur pelat tersebut menjadi naik. Panasdipindahkan ke fluida kerja yang mengalir pada pelatabsorber. Perpindahan panas akan terjadi secarakonduksi, konveksi dan radiasi.

    2.3 Prinsip Solar Chimney

    Gambar