DISAIN KOLEKTOR SURYA Dr. Damawidjaya Biksono, MT.
Energi Surya & Pemanfaatannya
Energi surya adalah energi terbersih dan tidak menimbulkan gas buang (polusi). (polusi). Radiasi surya surya berupa berupa panas, cahaya dan radiasi lain yang mengandung sejumlah besar energi yang hampair seluruhnya menyebabkan berbagai proses di bumi. Pemanfaatan energi surya dapat digolongkan dalam dua kategori, yaitu panas dan cahaya. Pemanfaatan surya dan energi terbarukan lainnya dapat mengurangi penggunaan energi fosil (konvensional) dalam berbagai proses, dan juga jug a dapat dap at mengura men gurangi ngi emisi emi si CO 2 yang menyebabkan pemanasan global (menjadi issu lingkungan yang perlu mendapat perhatian) Kolektor surya plat datar telah digunakan pada beberapa dekade, meskipun dalam jumlah yang sangat kecil. Kolektor dengan tabung terevakusi juga menjadi pilihan lain dari disain kolektor surya. Aplikasi Aplik asi:: SWH (solar (sol ar water wate r heater)m heat er)mengga enggantika ntikan n energi listrik/L list rik/LPG, PG, kolektor pemanas pemanas udara. Desain kolektor kolektor surya dapat dipasang di atap bangunan sehingga dapat menghemat tempat.
Emisi CO2
Pada tahun 2003 terasa adanya perubahan kondisi iklim yang ektrim. Bumi semakin panas, efek rumah kaca (global warming). Emisi gas CO2 sebagai hasil dari pembakaran energi fosil (BBM) mencemari atmosfir & berdampak pada pemanasan lingkungan. Dengan memanfaatkan energi terbarukan seperti pemanas surya, PV, angin, air dan Geothermal, secara nyata telah mengurangi emisi gas CO2. Rata-rata setiap 1 kWh energi yang diproduksi dari industri bertenaga batu bara, 1kg (2.2 pon CO2 diproduksi. Pembakaran LPG untuk produksi listrik menghasilkan 450 g CO 2 untuk setiap kWh energi yang diproduksi.
Sebagai perbandingan : Solar Water Heater: Tingkat radiasi 4 kWh/m2 /hari Jumlah tabung: 10 (panjang 1.8 m), Pengurangan CO 2 = 701 th Natural Gas Water Heater: Tingkat radiasi ra diasi 4 kWh/m2 /hari Jumlah tabung:(panjang 1.8 m), Pengurangan CO2 = = 315 kg/th
TIPE-TIPE KOLEKTOR SURYA 1. Kolektor Surya Plat Datar: Sistem Datar: Sistem ini berupa kotak terinsulasi dan tahan air, terdiri dari plat absorber berwarna hitam pekat yang terletak di bawah penutup transparan (bisa 1 atau 2 lapis penutup transparan). transparan). Air atau fliuda pengkonduksi dialirkan di dalam pipa yang berada di bawah plat absorber, untuk dipanaskan dan akan dimanfaatkan untuk berbagai keperluan. 2. Konsentrator : Konsentrator : Biasanya berupa logam parabola (cermin parabola) untuk mengkonsentrasikan radiasi surya ke dalam absorber (receiver) yang berada di pusatnya. Absorber berupa pipa yang didalamnya terdapat terdapat air yang dipanaskan. Kekuatan panas terletak pada posisi absorber harus selalu berada di fokus parabola.
3. Kolektor Surya Tabung Hampa: Untuk pemanas air terdiri dari jajaran tabung kaca (seperti tabung lampu neon). Ada 3 tipe, yaitu:
Tipe 1 (Glass-Glass) tubes: terdiri dari dua tabung kaca yang disatukan pada bagian ujung-ujungnya. Di dalam tabung dilapisi dengan lapisan tertentu berwarna hitam berfungsi sebagai absorber sekaligus dapat menahan kehilangan energi radiasi. Tabung dibuat vakum untuk mengurangi kehilangan panas akibat konduksi dan konveksi. Tidak sefisien tipe 2, tetapi sangat kuat terhadap kebocoran. Tipe 2 (Glass-Metal) tubes: terdiri dari tabung tunggal. Di dalam tabung terdapat aluminium berbentuk plat atau lengkung yang berhubungan dengan pipa berisi air untuk dipanaskan. Plat aluminium biasanya dilapis dengan lapisan tertentu. Tipe ini sangat efisien tetapi rawan dengan kebocoran, akibat sambungan antara kaca dan logam, karena tingkat pemuaian kaca dan logam tidak sama, sehingga setelah beberapa lama terkena panas dan dingin akan terjadi penyusutan dan pengembangan material yang menyebabkan kebocoran. Tipe 3 (Glass-glass - water flow path) tubes: Air berada di dalam tabung. Permasalahan muncul jika tabung pecah, maka air panas tumpah kemana-mana (atap rumah).
Sifat kolektor surya (SWH)
Tahan karat Pressure drop seminimal mungkin Air bersih (tidak terkontaminasi) Mudah dibersihkan Ukuran sesuai dengan kondisi tempat Mudah disambungkan dengan pipa air rumah tangga Mudah dipasang
Kolektor Surya Plat Datar Pemanas Air
Struktur and Prinsip Kerja
Q = Ac {I (τ)c – UL (tp – ta)}
Matahari mengenai permukaan kolektor, terjadi pemerangkapan panas. Plat hitam menyerap panas dan mengkonduksikan ke pipa berisi air.
Penutup transparan
Plat absorber Sambungan insulasi Pipa berisi fluida Irisan penampang kolektor
Penutup transparan: transmisivitas tinggi Abrsorber: absorbsivitas tinggi, reflektivitas rendah, konduktivitas panas tinggi Pipa: konduktivitas panas tinggi, tidak korosif Sambungan: konduktivitas panas tinggi
Penutup transparan Sifat kaca: Transmisivitas tinggi ( 1) Mudah dibersihkan Mudah pecah (Mahal) Sifat polikarbonat: Transmisivitas tinggi (0.7 < < 0.9) Mudah dibersihkan Tahan lama (Mahal) Sifat polietilen: Transmisivitas rendah (0.4 < < 0.8) Mudah dibersihkan Mudah rusak (Murah) -
Absorber & pipa Sifat besi dicat hitam pekat: Konduktivitas besar (77 W/mK) Absorbsivitas besar (0.98) Mudah berkarat Sifat tembaga dicat hitam pekat: Konduktivitas besar (387.6 W/mK) Absorbsivitas besar (0.98) Tidak berkarat
Insulasi Kelebihan Glass wool : Tidak mudah terbakar Tahan panas (300oC) Mudah dibentuk Konduktivitas panas = 0.043W/mK Terbuat dari 90% recycled glass Sangat ringan (densitas ~70kg/m3)
PERSAMAAN ENERGI PADA KOLEKTOR PLAT DATAR (Dasar: Tp) Q = A c {I (τ)c – UL (tp – ta)} Q Ac I (τ)c UL tp ta
= = = = = = =
energi berguna Luas kolektor Radiasi surya Sifat optik kolektor Koef. kehilangan panas suhu plat absorber suhu udara lingkungan
Koefisien kehilangan panas UL UL = UB + UE + UT UB = k B /b
te
UE = k e /te A e /A c KETERANGAN: UB UE UT k b k e te A e A c
= Koefisien kehilangan panas bagian bawah (W/m2K) = Koefisien kehilangan panas bagian samping (W/m2K) = Koefisien kehilangan panas bagian atas (W/m2K) = konduktivitas panas insulasi bawah(W/mK) = konduktivitas panas samping (W/mK) = tebal insulasi samping (m) = Luas insulasi di bagian tepi (m 2) = Keliling X tebal kolektor = Luas kolektor (m2)
Koefisien kehilangan panas bagian atas (UT) N 1 U T A E hw C T p T a T N f p A
T
B
p
p
1
T a T p2 T a2
0.00591 Nhw B N 1
2 N f 1 0.133 p g
KETERANGAN: N = jumlah penutup transparan p = emisivitas plat g = emisivitas penutup transparan Tp = suhu plat absorber (K) Ta = suhu lingkungan (K) hw = koefisen pindah panas krn angin C, E, f = koefisien
Koefisien lain: = sudut kemiringan kolektor
f
= (1+ 0.089hw – 0.1166hw p) (1+0.07866N)
C = 520(1-0.000051 2)
untuk 0o < < 70o
Untuk 70o < < 90o gunakan = 70o E = 0.43(1-100/Tp) hw = 5.7 + 3.8 v
(v= kecepatan angin, m/dt)
PERSAMAAN ENERGI PADA KOLEKTOR PLAT DATAR (Dasar: Tfi) Q = Fr A c {I (τ)c – UL (tfi – ta)} Q Fr Ac I (τ)c UL tfi ta
= = = = = = = =
energi berguna Faktor pelepasan panas Luas kolektor Radiasi surya Sifat optik kolektor Koef. kehilangan panas suhu fluida masuk suhu udara lingkungan
FAKTOR PELEPASAN PANAS (Fr)
U L F ' mCp Fr 1 exp U L mCp m Cp F’
= laju aliran massa (kg/dt) = Panas jenis fluida = Faktor efisiensi
d t b
(W-D)/2
D
W
W = jarak antar pipa
t = tebal sambungan
D = diameter luar pipa
b = tebal insulasi
d = tebal plat absorber
FAKTOR EFISIENSI (F’) 1 F'
F k h Di
UL
1 L 1 W U L W D F D kt h D i = Efisiensi sirip = konduktivitas sambungan (W/mK) = koefisien pindah panas konveksi fluida (W/m2K) = diameter dalam pipa (m2)
EFISIENSI SIRIP (F) U L W D tanh kd 2 F U L W D kd
tanh
2
e x e x e x e x
EFISIENSI KOLEKTOR Efisiensi () = energi berguna/energi sumber = tidak konstan, tgt pd suhu fluida masuk dan suhu lingkungan serta radiasi surya = Fr ()c – Fr UL (tfi –ta)/I
(tfi –ta)/I
Rangka penyangga kolektor
KOLEKTOR PEMANAS UDARA
Absorber berfungsi sebagai pipa udara
PERSAMAAN ENERGI PADA KOLEKTOR PLAT DATAR PEMANAS UDARA (Dasar: Tfi) Q = Fr A c {I (τ)c – UL (tfi – ta) Q Fr Ac I (τ)c UL tfi ta
= = = = = = = =
energi berguna Faktor pelepasan panas Luas kolektor Radiasi surya Sifat optik kolektor Koef. kehilangan panas suhu fluida masuk suhu udara lingkungan
Faktor efisiensi 1 U L
F ' 1
h f A Ac
hr
1 hr
4 T p3 1
p
1
g
1
1 h f
F = Efisiensi sirip K = konduktivitas sambungan (W/mK) H = koefisien pindah panas konveksi fluida (W/m2K) Di = diameter dalam pipa (m2) A = Luas penampang plat absober (m2) = konstanta Stefan-Boltzman = 5.67 x 10-8 hf = Nu k/2a Nu = 000269 Re (untuk 200010000)
TAKE HOME Kolektor Surya untuk Pengering
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Buat perhitungan dari rumus yang ada di Power point tersebut dengan menggunakan Exle antara lain : Luas Kolektor Kehilangan Panas Energi Berguna Efisiensi kalor Pengumpulk Surya Hasil Pengukuran.
KOSENTRATOR SURYA
Reflektor, Aa Absorber/receiver, Ar
Ar = Luas bidang penyerap Aa = Luas bidang tangkap Konsentrator 3D : Aa/Ar = R 2/r2 = 46200 Konsentrator 2D : Aa/Ar = R 2 /r2 = 215
lensa
cermin
Konsentrator
Refraktor
PERSAMAAN ENERGI PADA KONSENTRATOR (Dasar: Tfi) Q = Fr A a {I (τ)c – (A /A r a) UL (tfi – ta)} Q Fr I (τ)c UL tfi ta
= = = = = = =
energi berguna Faktor pelepasan panas Radiasi surya (W/m2) Sifat optik kolektor Koef. kehilangan panas suhu fluida masuk suhu udara lingkungan
Faktor Efisiensi 1 F '
1 U L
Do Di h K
= = = =
Do hDi
U L Do ln Do / Di
2k
diameter luar pipa diameter dalam pipa koef. pp konveksi fluida konduktivitas panas pipa
FAKTOR PELEPASAN PANAS (Fr)
ArU L F ' mCp Fr 1 exp ArU L mCp m Cp F’ Ar
= = = =
laju aliran massa (kg/dt) Panas jenis fluida Faktor efisiensi Luas permukaan absorber (m2)
Suhu fluida keluar (tfo)
Q = m Cp (tfo – tfi)
Kolektor Surya Tabung Hampa
Kolektor Surya Tabung Hampa
Prinsip kerja 1.
2.
3.
Absorpsi: radiasi surya diserap tabung hampa lalu diubah mjd panas Pindah Panas: Pipa panas mengkonduksikan panas dari tabung hampa ke header pipe . Energy Storage: Air disirkulasikan melalui header , via intermittent pump cycling. Setiap air bersirkulasi melalui header , suhu naik 5-10oC. Sehingga setelah satu hari air di dalam tanki penyimpan secara bertahap terpanaskan.
