## RANCANG BANGUN PEMANAS AIR ENERGI SURYA MENGGUNAKAN TABUNG VAKUM

## Abdurrakhman Alvarizi, Muhammad Faqih, Isman Harianda
Program Studi Teknik Konversi Energi1, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan Email: Abdurrakhmanalvarizi@students.polmed.ac.id, muhammadfaqih@students.polmed.ac.id, ismanharianda@polmed.ac.id

## ABSTRAK
Air  hangat  diperlukan  untuk  keperluan  mandi  karena  berguna  untuk  melancarkan metabolisme  tubuh.  Dengan  adanya  Pemanas  Air  Tenaga  Surya  menggunakan  Tabung Vakum, energi dari sinar matahari dapat dimanfaatkan untuk sistem pemanas air yang dapat memenuhi  kebutuhan  mandi  air  hangat.  Pemanas  Air  Tenaga  Surya  menggunakan  Tabung Vakum adalah teknologi pemanas air yang menggunakan energi surya. Tugas Akhir Rancang Bangun  Pemanas  Air  Tenaga  Surya  menggunakan  Tabung  Vakum  ini  menggunakan  tangki berkapasitas 100 L. Sebuah tabung vakum digunakan  untuk menyerap energi panas matahari dan kemudian diteruskan ke tangki penyimpanan air. Tabung Vakum terbuat dari bahan kaca borosillicate  dengan  diameter  58  mm  dan  panjang  1800  mm.  Perancangan  tangki penyimpanan  air  dimulai  dengan  pemilihan  bahan  dan  menentukan  dimensi  tangki. Perancangan  dudukan  tangki  penyimpanan  air  menggunakan  bahan  besi  siku  40x40  mm. Dimensi ukuran perancangan alat jari-jari tangki 180 mm, panjang tangki 1000 mm, panjang dudukan tangki 2500 mm.
Kata kunci: Perancangan, Pemanas air, Tenaga Surya, Tabung Vakum

## PENDAHULUAN Latar Belakang
Energi merupakan kebutuhan utama dalam kehidupan. Peran energi dalam pembangunan telah lama dikenal manusia. Sumber energi konvensional yang kita miliki seperti halnya minyak, batu bara  dan  gas  bumi,  merupakan  kekayaan  alam  yang  tidak  dapat  diperbaharui  sehingga  suatu saat akan  habis. Di  negara-negara berkembang  seperti indonesia,  kayu bakar, minyak dan  gas bumi merupakan sumber energi yang banyak digunakan untuk memanaskan air.
Air  panas  sangat  dibutuhkan  dalam  kehidupan  sehari-hari,mulai  dari  kebutuhan  rumah tangga hingga untuk proses-proses industri. Air panas dapat disediakan dengan berbagai macam cara atau proses,salah satu yang sangat umum adalah dengan panas api yang menggunakan bahan bakar gas, minyak tanah,atau kayu bakar. Akan tetapi ada cara lain yang lebih murah dan mudah yaitu  melalui  peralatan  pemanas  air  dengan  sistem  tenaga  surya  ( Solar  Water  Heater  System ). Seiring  dengan  perkembangan  zaman  pemanfaatan  energi  surya  terus  berkembang  mengikuti kebutuhan  manusia  yang  semakin  beragam.  Melalui  pancaran  tenaga  surya/sinar  matahari langsung,  kita  dapat memperoleh  air  panas  tanpa  harus  menggunakan  panas  api  ataupun  energi listrik.Pemanas air tenaga surya telah banyak di guanakan di negara-negara maju seperti; Jepang, Amerika  dan  negara  maju  lainnya.  Tipe  pemanas  air  menggunakan  tabung  vakum  merupakan jenis yang banyak digunakan dikarnakan teknologi ini tetap efektif bekerja dalam segala kondisi cuaca, bahkan pada saat tempratur rendah dan berawan.
Pertimbangan di atas menjadi landasan dalam penelitian ini dengan harapan dapat memenuhi kebutuhan  masyarakat  dalam  memanaskan  air  dengan  mudah  sehingga  mempermudah kegiatan sehari-hari

## Alvarizi, Faqih, Harianda, Rancang Bangun Pemanas Air Energi Surya Menggunakan Tabung Vakum

## Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian tugas akhir ini adalah: 1.  Bertujuan untuk mendapatkan efisiensi pemnasan
2.  Mengetahui  cara  kerja  pemanas  air  tenaga  surya  menggunakan  tabung  vakum  dengan metode thermosipon
3.  Mendapatkan data untuk analisis

## TINJAUAN PUSTAKA Kajian Pustaka
Penelitian  mengenai  pemanas  air  tenaga  surya  sudah  pernah  dilakukan  dengan  berbagai sistem/metode  percobaan  yang  berbeda-beda,  berikut  ini  adalah  beberapa  penelitian  yang menjadi refrensi penulis:
1.  Sebastian  elkano  sitepu  (2018)  rancang  bangun  pemanas  air  tenaga  surya  sistem  pipa panas  menggunakan  refrigeran  r-718  dengan  tekanan  vakum  50  CmHg  dengan  sudut kemiringan kolektor 30o untuk memanaskan 120 liter air
2.  Heryanto  rusmayadi,  Rita  maria  veronika,  Edy  purwanto  (2018)  rancang  bangun  alat pemanas air tenaga surya dengan konfigurasi tube serpentine berkapasitas 100 liter

## Landasan Teori Energi surya
Energi  surya  adalah  salah  satu  sumber  energi  terbarukan  yang  sangat  melimpah ketersediaannya,  energi  surya  mencapai  permukaan  bumi  dengan  menggunakan  prinsip perpindahan  panas  radiasi,  proses  pemanasan  secara  langsung  diantaranya  adalah  melalui proses  absorpsi  dimana  penyerapan  panas  matahari  oleh  unsur-unsur  di  atmosfer  yang menyerap  radiasi  tersebut  seperti  oksigen,  nitrogen,  ozon,  hidrogen  dan  debu.  Kemudian mealui  proses  refleksi  dimana  pemanasan  matahari  oleh  udara/atmosfer  kemudian dipantulkan  kembali  ke  angkasa  oleh  butir-butir  air  di  atmosfer.  Terakhir  adalah  prosesn difusi  dimana  proses  penyebaran  sinar/panas  matahari  ke  segala  arah  oleh  atmosfer.  Sinar gelombang  pendek  warna  biru  merupakan  gelombang  yang  dihamburkan  paling  baik  oleh lapisan udara sehingga langit akan berwarna biru pada siang hari.

## METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat pelaksanaan
Waktu dan tempat penelitian dilaksanakan pada tanggal 13  Agustus 2020 sampai dengan 15 Agustus 2020, bertempat di Jl. Sipirok kos A2, Padang bulan, Selayang 1.

## Laju aliran air
Permukaan  tabung  vakum  yang  terpapar  langsung  akan  menerima  cahaya  matahari,  udara panas  yang  masuk  kedalam  tabung  vakum  akan  vakum  sehingga  udara  panasnya  tidak  bisa keluar, udara panas tersebiut akan memanaskan tabung kaca bagian dalam, pada bagian dalam ada  tabung  logam  yg  berisi  air,  tabung  kaca  pada  bagian  dalam  akan  memanas  kan  logam yang  berisi  air,  dengan  menggunakan  metode  thermosipon  air  panas  yang  berada  di  dalam tabung akan bergerak keatas menuju tangki, secara bersamaan air dingin yang berada didalam tangki  akan  turun  kedalam  tabung  vakum  oleh  dorongan  air  panas  karna  perbedaan  massa jenis. Jadi sirkulasi pergantian air yang terjadi secara terus menerus akan menyatukan selur air di dalam tangki sampai suhunya panas.

## Gambar 1 Gambar pemanas air

## Perancangan Alat Perancangan Tabung Vakum
Tabung  vakum  berfungsi  sebagai  penerima  energi  surya,  kemudian  mengkonversikannya menjadi  uap  panas  yg  akan  di  bawa  ke  dalam  tangki  melalui  fluida  kerja  yaitu  air  yang terdapat  di  dalam  tabung.  Kemudian  air  yang  berada  di  dalam  tabung  vakum  mengalirkan energi  ke  air  yang  berada  di  dalam  tangki  air,  sehingga  air  yang  berada  di  dalam  tangki menjadi panas karna adanya uap panas yg dibawa oleh air dari tabung vakum. Bahan tabung vakum adalah kaca borosillicate.

## Perancangan Tangki
Tangki berfungsi sebagai penampung air panas, kapasitas tangki yang digunakan adalah 100 liter.  Bahan  yang  digunakan  adalah  stainlees  stil  karna  tidak  mudah  mengalami  korosi  dan mudah di bentuk.

## Perancangan Dudukan
Dudukan berfungsi sebagai penopang tangki dan tabung  vakum, dudukan ini dirancang agar tabung  vakum  memiliki  kemiringan  200  karna  dengan  kemiringan  tersebut  tabung  vakum dapat  menerima energi  surya  dengan  baik,  dengan  menggunakan  dudukan  tabung  juga  akan terhindar  dari  bentturan  yang  tidak  diinginkan.  Bahan  dudukan  ini  terbuat  dari  baja  pelat  L yang lebih mudah di bentuk dan disesuaikan dengan keinginan.

## Perancangan Isolasi
Isolasi  digunakan  sebagai  pembungkus  tangki.  Fungsinya  adalah  agar  tangki  dapat menyimpan  panas  lebih  lama  juga  untuk  menghindari  sentuhan  secara  langsung  dengan manusia,  karna  tangki  tyang  panas  dapat  melukai  kulit.  Bahan  isolasi  ini  terbuat  dari poliuretan dan alumunium foil.

## Perancangan Roda
Roda di pasangkan pada dudukan, yang berfungsi untuk memindahkan dudukan sesuai posisi yang diinginkan.

## Alvarizi, Faqih, Harianda, Rancang Bangun Pemanas Air Energi Surya Menggunakan Tabung Vakum

## Peralatan Pengujian
Adapun alat pengujian yang digunakan untuk mengambil data adalah sebagai berikut: 1.  Solarimeter
Solarimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur sinar radiasi matahari langsung maupun difus.
Gambar 2 Solarimeter (Sumber: sitoho.com)
2.  Termometer Air Raksa
Termometer  air  raksa  adalah  termometer  yang  terbuat  dari  air  raksa  yang  ditempatkan didalam  tabung  kaca,  tanda  yang  dikalibrasi  pada  tabung  membuat  tempratur  dapat dibaca sesuai panjang air raksa didalam gelas, di luar tabung kaca sudah ada angka untuk membaca temperatur tersebut.
Gambar 3 Termometer air raksa (Sumber: alkes-marinno.com )

## Prosedur Percobaan
1.  Persiapkan alat dan bahan yang telah dibuat
2.  Rancang pemanas air tenaga surya menggunakan tabung vakum
3.  Isi air kedalam tangki sebanyak 100 L
4.  Pasang alat ukur untuk pengambilan data
5.  Setelah semua sistem bekerja data siap diambil

## Alvarizi, Faqih, Harianda, Rancang Bangun Pemanas Air Energi Surya Menggunakan Tabung Vakum
Diagram Alir Percobaan
Alvarizi, Faqih, Harianda, Rancang Bangun Pemanas Air Energi Surya Menggunakan Tabung Vakum

## HASIL DAN PEMBAHASAN Percobaan Pertama
Tabel 1 Analisis data hari pertama No Waktu (s) Irr (W/m 2 ) E (KWH/m 2 ) Tair (˚C) Qin (W) Qout (W) Η (%) 1. 08 : 00 186 0 39 0 0 0 2. 09 : 00 190,5 0,20 43 540 181 33,51% 3. 10 : 00 230 0,47 46 460 423 91,95% 4. 11 : 00 265 0,70 53 660 240 36,3% 5. 12 : 00 247 1,03 57 720 240 33,33% 6. 13 : 00 303 1,39 61 720 239 33,19% 7. 14 : 00 491 1,75 65 660 240 36,36% 8. 15 : 00 365 2,08 69 460 119 25,8% 9. 16 : 00 334 2,31 71 560 179 31,96% 10.  17 : 00 244 2,59 74 560 179 31,96% Rata - rata 285,5 1,25 57,8 544 204 35,43% Perhitungan data 1 Dik: T1 = 43˚ C
T2  = 46˚ C l = 2m x 10 (jumlah tabung) = 20 m d = 0.058 m cp = 4,174 (dari tabel sifat – sifat air) ρ = 990,9 (dari tabel sifat – sifat air) interpolasi
Dit: a. η Penyelesaian: Qin = E3 – E2 = 0,47-0,20 = 0.27 x 2 = 0,54 = 0.54: 1 = 0.54 KW = 540 W
m = vρ 𝜋𝑑 2=  l ρ 4 = 3.14 (0.058)2 x 20.990,9 4 = 52.33 kg
m = 𝑚 𝑡
= 52.33 3600 = 0.0145 kg/s Qout = m cp ∆t = 0.0145. 4,174. (46 - 43) = 181 W
Alvarizi, Faqih, Harianda, Rancang Bangun Pemanas Air Energi Surya Menggunakan Tabung Vakum
η = Qout x 100%
Qin =  181 x 100% 540 = 33,51 %
(Note: Dengan cara yang sama untuk data selanjutnya)
Pada  pengujian  pemanasan  air  pada  hari  kamis,  10  September  2020  diperoleh  rata–rata efisiensi  dari  pukuk  08:00  WIB–17:00  WIB  sebesar  35,43%  dengan  suhu  tertinggi  74˚  C dengan energy matahari yang didapat sebesar 2,59 KWH/m 2 . Sedangkan efisiensi alat selama lima jam adalah sebesar 40,35 %
Gambar 4 Grafik hubungan efisiensi dengan energi matahari

## Percobaan kedua
Tabel 2 Analisis data hari kedua No Waktu (s) Irr (W/m 2 ) E (KWH/m 2 ) Tair (˚C) Qin (W) Qout (W) Η (%) 1. 08 : 30 78 0 38 0 0 0 2. 09 : 30 259 0,27 41 540 242 44,8% 3. 10 : 30 205 0,54 45 540 302 55,92% 4. 11 : 30 315 0,81 50 580 240 41,37% 5. 12 : 30 244 1,10 54 500 240 48% 6. 13 : 30 497 1,35 58 500 240 48% 7. 14 : 30 355 1,60 62 580 239 41,2% 8. 15 : 30 226 1,89 66 540 350 64,81% 9. 16 : 30 319 2,16 72 540 238 44,07% 10. 17 : 30 254 2,43 76 540 238 44,07% Rata – rata 275,2 1,21 56,2 486 233 47,24% Perhitungan data (2)
hari ke-2 Dik :T1 =41˚ C T2 = 45˚ C l = 2m x 10 (jumlah tabung) = 20 m
Alvarizi, Faqih, Harianda, Rancang Bangun Pemanas Air Energi Surya Menggunakan Tabung Vakum
d = 0.058 m cp = 4,174 (dari table sifat – sifat air) ρ = 991,9 (dari table sifat – sifat air) interpolasi
Dit: a. η Penyelesaian: Qin = E3 – E2 = 0,54 – 0,27 = 0.27 x 2 = 0.54 = 0.54 : 1 = 0.54 KW = 540 W
m = vρ 𝜋𝑑 2= l ρ 4 = 3.14 (0.058)2 x 20. 991,9 4 = 52.38 kg
m  = 𝑚 𝑡 = 52.38 3600 = 0.0145 kg/s
out = m  cp ∆t = 0.0145 . 4,174 . (45 – 41) = 242 W
η = Qout x 100%
Qin = 242 x 100% 540 = 44,8 %
(Note: Dengan cara yang sama untuk data selanjutnya)
Pada  pengujian  pemanasan  air  pada  hari  kamis,  13  September  2020  diperoleh  rata–rata efisiensi  dari  pukuk  08:30  WIB  –  17:30  WIB  sebesar  47,24%  dengan  suhu  tertinggi  76˚  C dengan energi matahari yang didapat sebesar 2,43 KWH/m2. Sedangkan efisiensi alat selama lima jam adalah sebesar 78,60 %

## Gambar 5 Grafik hubungan efisiensi dengan energi matahari

## SIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan
1.  Peningkatan  suhu  yang  diperoleh  per-setengah  jam  dapat  mencapai  suhu  1-4˚  C tergantung pada sinar matahari yang diperoleh
2.  Semakin  besar  energi  matahari  yang  diterima  tabung  vakum  maka  semakin  cepat tempratur meningkat.
3.  Peningkatan tempratur selam lima jam dapat menccapai suhu 24 derajad dari suhu awal.

## Saran
1.   Untuk memudahkan pengisian air kedalam tangki maka dapat ditambahkan pompa;
2.  Mengingat  begitu  besarnya  manfaat  tenaga  matahari  bagi  kelangsungan  hidup  makhluk hidup  di  Bumi  ini,  maka  Rancang  bangun  ini  dapat  dijadikan  referensi  dan  kontribusi dalam memecahkan permasalahan pemanfaatan energi untuk kesejahteraan masyarakat;

## DAFTAR PUSTAKA
Repositori  USU,  2017,  Pemanas  Air  Tenaga  Surya  System  Pipa  Panas  Menggunakan Refrigran, Online http://repositori.usu.ac.id,  Repositori USU, di akses  2 September 2020.
Jurnal Teknik Mesin, 2018, Rancang Bangun Pemanas Air Tenaga Surya dengan Konfigurasi Tube Serpentine Berkapasitas 100 Liter, Online www.univ- tridinanti.ac.id/ejournal/,  Journal  Universtitas  Tridinanti  Palembang,  di  akses  2 September 2020
Wikipedia,
2011,  Solar  Water Heating, Online en.wikipedia.org/wiki/solar_water_heating, Online Wikipedia, di akses  2
september 2020 J.P. Holman, 1986, Terjemahan Ir. E. Jasfi, Perpindahan Kalor. Jakarta:Erlangga.