Analisa Efisiensi Prototype Solar Collector Jenis Parabolic Trough dengan Menggunakan Cover Glass Tube pada Pipa Absorber
Hartamas Ridho Prasetyo
Program Studi Teknik Mesin,Fakultas Teknik, Universita Mercu Buana Jakarta
ABSTRAK-- Energi  tidak  dapat  diciptakan  maupun  dimusnahkan,  hanya  dapat  dikonversikan  dari satu bentuk ke bentuk lainnya (Hukum Kekekalan Energi). Energi sangat penting dalam kehidupan sehari – hari khususnya energi listrik yang kebutuhan terhadap energi ini sangat besar sedangkan sebagian  besar  energi  listrik  dihasilkan  dari  sumber  daya  fosil  yang  mulai  menipis  jumlahnya. Ketergantungan akan minyak bumi untuk jangka panjang tidak dapat di pertahankan lebih lama jika pemakaian  melebihi  batas  wajar.  Dalam  Tugas  Akhir  ini  penulis  melakukan  analisa  alat  Parabolic Trough Solar  Collector dengan  memanfaatkan  energi  radiasi  matahari,  yang  di  awali  adanya perancangan  desain  alat  PTSC  dengan  material  yang  sudah  di  tentukan  sebelumnya.  Prototype tersebut  hanya  bisa  dilakukan  pengujian  dengan  posisi  steady  state  atau  diam  antara  jam  11.30 sampai dengan 12.30 siang. Dengan adanya penelitian tentang analisa performa pada alat tersebut, telah di dapatkan beberapa hasil nilai variabel yang signifikan dan berpengaruh besar dengan nilai performa alat tersebut.
Kata Kunci: Sumber energi, parabolic trough sollar collector, parabola

## 1. PENDAHULUAN
Kebutuhan  manusia  akan  energi  semakin meningkat setiap tahun seiring dengan kemajuan  teknologi.  Hal  ini  karena  semakin banyak diciptakan mesin-mesin yang membutuhkan  lebih  banyak  energi  dan  mulai menggantikan  pekerjaan-pekerjaan  manusia yang  manual  dan  konvensional.  Sumber  energi terbagi  menjadi  dua  yaitu  sumber  energi  yang dapat  diperbarui  dan  tidak  dapat  diperbarui. Bahan  bakar  fosil  adalah  salah  satu  yang  tidak dapat  diperbarui  yang  tetap  menjadi  prioritas utama digunakan sampai saat ini.
Perkembangan  teknologi  dan  energi  yang terus diperbarui sampai saat ini telah memanfaatkan  energi  dari  matahari.  Matahari merupakan sumber energi bagi seluruh kehidupan  di  planet  Bumi.  Jika  energi  yang tersimpan dalam cahaya matahari di kumpulkan dengan  mengkonsentrasi  pada  suatu  titik/garis fokus,  maka  cahaya  yang  dipusatkan  tersebut akan  menghasilkan  panas  dengan  temperatur yang lebih tinggi.
Penganalisaan  alat parabolic  trough  solar collector ini secara umum terdiri dari perancangan reflektor  dan  perancangan  pipa  kolektor  surya. Perancangan  reflektor  meliputi  lempengan  yang di  tekuk  berbentuk  parabola  dan  pemilihan material  pemantul  atau  konsentrator  berupa material  alumnium  foil.  Sebagai  pipa  kolektor digunakan pipa tembaga  yang telah di cat hitam dan  diberikan  pelapis  pipa  kaca    berbahan material borosilicate.
Permasalahannya adalah menganalisa secara  teoritis  efisiensi  pada  prototype  PTSC dengan  beberapa  faktor  berupa  nilai  temperatur
lingkungan  dan  fluida,  hingga    performa. Kemudian membandingkan secara langsung nilai penghitungan  saat  ini  dengan  nilai  efisiensi sebelumnya yang telah di rancang sebelumnya.

## 2. METODOLOGI
Langkah–langkah yang digunakan dalam mempelajari  proses  analisa  atau  penelitian efisiensi  prototype solar  collector  type  parabolic trough dengan  penambahan  cover  pipa  kaca pada pipa absorber sebagai berikut:
a. Mengetahui Sumber Daya
Sumber  daya  dasar  untuk  semua  sistem  energi surya  adalah  matahari.  Pengetahuan  tentang kuantitas dan kualitas energi surya yang tersedia di  lokasi  tertentu  adalah  sangat  penting  untuk desain  sistem  energi  surya.  Meskipun    radiasi matahari (insolation) relatif  konstan  di  luar atmosfer  bumi.  Pengaruh  iklim  lokal  dapat menyebabkan  variasi  luas  dalam  insolation tersedia di permukaan bumi.

## b. Persiapan Pemilihan Bahan Material pada Receiver
Persiapan  pemilihan  bahan  material  yaitu memfokuskan  masalah  penelitian  secara  umum dan  terperinci.  Langkah  ini  bertujuan  untuk mengetahui  bahan  material  pipa  absorber  pada prototype  solar  collector bisa  menyerap  panas dengan  baik,  yang  akan    di  analisa  dan  di  teliti lebih lanjut, serta mengasumsikan berapa ukuran yang dibutuhkan hingga bisa menyesuaikan untuk memenuhi kebutuhan listrik yang akan dihasilkan bagi umat manusia setiap harinya.
c. Input Data
Perancangan  kolektor  surya  dilakukan  dengan cara    menggunakan  software  yaitu  parabola kalkulator.
 Jenis kolektor surya,
 Ukuran penampang / reflektor solar collector,
 Ukuran receiver,
 Jenis  material  yang  digunakan  sesuai dengan jenis fluida yang dipakai.

## 3. PERHITUNGAN EFISIENSI PROTOTYPE SOLAR COLLECTOR
3.1 Perhitungan Akibat Gerakan Semu Harian Matahari
a.  Perhitungan Sudut Deklinasi
δ = 23,45 sin ( )
= 22,74 o

## b.  Perhitungan Persamaan Waktu
B = ( )
B = 154,85 o
Maka : E = 229,2{0,000075 + 0,001868 cos ( 154,85 o ) – 0,032077 sin  ( 154,85 o )  - 0,014615 cos (2 x 154,85 o ) - 0,04089 sin (2 x 154,85 o )} =1,576 menit
c.  Perhitungan Waktu Surya Standart Time = 12:00:00 AM Solar Time = Standart Time + [4 (255 – 253) + 1,576] =12:09:57
d.  Perhitungan Sudut Jam
= 15° (ST – 12:00:00) = 15° (12:09:57 – 12:00:00) = 2,48°
e.  Perhitungan Sudut Zenith cos  z = cos   cos ∅ cos   + sin   sin ∅ z       = 29,04°
f.  Perhitungan Sudut Altitute Matahari αs = 90° -  z = 60,96°
g.  Perhitungan Sudut Azimuth Matahari
Dengan =
= 4,715 o
3.2 Komponen Radiasi Masukan a.  Perhitungan  Radiasi Ekstraterrestrial
G o = Gsc (1 + 0.033 cos °. ° . )
= 1149,12 (W/m 2 )
b.  Perhitungan Indeks Kecerahan Langit
K T = = 0,585
c.  Perhitungan Radiasi Hambur ( Diffuse ) Untuk : 0,22 ≤ K T ≥ 0,80 = G (0,9511 –  0,1604 KT +  4,388 KT 2 –  16,638 KT 3 +  12,336 KT 4) = 317,92  (W/m 2 )
d.  Perhitungan Radiasi Langsung ( Beam ) = − = 354,56 (W/m 2 )
e.  Perhitungan Radiasi Masukan
G T = G b .R b + G d ( ) + G. g ( ) = 670,480 (W/m 2 )

## 3.3 Perhitungan pada Sistem Parabolic Trough

## a.  Menentukan Dimensi Parabolic Trough
Untuk  menentukan  ukuran  parabola  kita  bisa menggunakan  parabola  kalkulator  agar  kita  bisa mengetahui garis fokal. Program excel digunakan untuk mencari grafik/posisi titik-titik pada parabola dengan  menggunakan  persamaan  parabola  y  = 4px 2 dengan x dan y sebagai posisi titik-titik pada sumbu-x dan sumbu-y.

## b.  Perhitungan Luas Arperture Area (Aa)
=   × = 0,64 ( ) c.  Perhitungan Luas Pipa Absorber (Ar) = . . = 0,0367 ( )
d.  Rasio Konsentrasi (Cr)
Cr = = 17,4
e.  Perhitungan Sudut Rim ( r ) r = 2 tan -1
= 106 o
f.  Perhitungan Faktor Geometri (A f )
A f = ( ) = 0,497 3.4 Perhitungan Nilai Energi Netto (q) 0 200 -500 0 500 y(mm)
Untuk  mencari  nilai  energi  radiasi  refleksi konsentrator  bersih  total  yang  akan  di  terima parabola  danakan  di  pantulkan  dengan  faktor reflektifitas  yang  di  pengaruhi  oleh  nilai  emitansi material yang di gunakan pada alat PTSC.

## a.  Energi Berguna
. = 5.669 × 8318169616 = 471,577 ( )
b.  Reflektifitas = 1 −   = 1 − = 1 − 0,05 = 0,95 c.  Radiositas
=  . +  (1 − )
= 660,535
d.  Energi  Radiasi  Bersih  dari  Refleksi Parabola
= −
.
= 310,781  w m
3.5 Perhitungan  Efisiensi  Optik  Konsentrator ( o )
o =  0,95  x  0,96  x  0,87  x  0,81[(1-  0,497  tan (0 o )) cos (0 o ))] = 0,657 q
A total  = A × ×
= 310,781 Energi bersih x 0,657 x 0,64 = 130,677 3.6 Luas Area Terkensontrasi Kalor (Ac)
a.  Area Selimut Tabung
2 ( + )
= 32165
= 32,165 b.  Area Parabola
2
= 1,0048
3.7  Perhitungan  Nilai  Absorbsivitas  Material ( ∝ ) a.  Suhu Parabola
. ∝ ℎ
= ∝ ℎ ℎ .  ( − ) = (31 0,781)(0,15) = (0,04)(5,669 )( − 302 ) =   322,21 =   49,06
b.  Suhu Pipa Tembaga Telah di Cat Hitam
. ∝ ℎ = ∝ ℎ ℎ .  ( − ) = (130,677) = (0,87)(5,669 )( − 302 )
=   323,61 =  50,5℃ 3.8 Desain Thermal / Heat Transfer Collector a.  Perhitungan Overall Heat Transfer Coefficient Terhadap Pipa Absorber Re = = 882,9 = (1,86) ( )( )( ) × ( 35 ) ( 40,3 ) ,
= 7,753 ħ = .
= 382,16
b.  Perhitungan  Mencari  Nilai  Laju  Aliran Massa  dan  Temperatur  Suhu  Air  yang Keluar dari Dalam Pipa
m = .
= 6,293 × 10 ( ) q = ħ. − = ( 1 − 2)
= 1399,302 − 266,7 32,223 = 41,97℃
rata-rata = ,
= 38,5 ° c.  Perhitungan Overall Heat Loss Coefficient / Koefisien Kerugian Panas  ( ) Re = = 3312 = 0,3( ) ,
= 154,6  Untuk mengetahui h w kita bisa menggunakan:
h = N k
d
= 322,6  w m C
 Untuk mengetahui h r kita bisa menggunakan
h   = σ( Tα1 + Tα2)(Tα1 + Tα2)
1 ϵ1 + Ac Ap 1 ϵ2 − 1 = 4,28  ×   10 w m C
 Untuk mengetahui U L kita bisa menggunakan:
U = h × h = 322,604 ( ⁄ ℃)

## 3.9 Perhitungan Efisiensi Collector (F’)
= q a  total
= 0,405 F r = [1 – e -( A U F /mC )]
= 0,152
= . q a  total . ɳ ( − ) = 0,0973 85,855 , , (6) = 926,43 = −
= 91,93 − = = 509,17 ( ) =
= 0,75
Maka  energi  yang  terpakai  q u adalah  509,17 (Watt).
Dan efisiensinya   adalah 0,75 x 100 % = 75 %.

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  dari  hasil  analisa  secara  teoritis maka  dapat  diambil  berberapa  kesimpulan sebagai berikut:
1.  Lebar  parabola  0,8  meter  dan  panjang parabola adalah 0,8 meter maka titik fokusnya adalah  0.2667  meter  dengan  bahan reflector sputtered alumunium foil tape optikal reflektor yang memiliki tingkat pantulan sebesar  0,95. Sedangkan  diameter  luar  pipa  absorber adalah    0,0127  meter  dan  diameter  dalam pipa absorber adalah  0,0127 meter. Dengan bahan  pipa  absorber    tembaga  yang  dilapisi cat  hitam  yang  memiliki  tingkat  penyerapan sebesar 0,87 - 0,89.
2.  Pipa absorber memiliki cover glass tube atau pipa  kaca  berbahan  material  borosilicate  dan memiliki  spesifikasi  anti-reflektif  dengan  nilai transmisivitas  sebesar  0,96.    Efisiensi  energi yang  berguna  yang  diperoleh  dari  hasil perhitungan  secara  teoritis solar  collector parabolic  trough yaitu  sebesar  509,17  (Watt) dan efisiensi yang didapat adalah 75%.
3.  Memperkecil  ukuran  pipa  absorber  lebih memungkinkan    memperbesar  efisiensi  alat PTSC menjadi lebih baik di karenakan adanya ruang  konsentrasi  perpindahan  panas  lebih kecil  dan  menjadikan  suhu  fuida  lebih  cepat panas.
4.  Penentuan  ukuran  parabola  menjadi  lebih lebar  di  bandingkan  dengan  pipa  absorber yang semakin mengecil dan dapat memperluas  ukuran  pipa  absorber  yang tekonsentrasi panas dari sumber kalor. Sangat mempengaruhi nilai energi menjadi lebih baik dan kehilangan panas menjadi lebih sedikit.
5.  Semakin  luas  parabola  yang  terkonsentrasi semakin  baiklah  yang  akan    memberikan jumlah    refleksi  cahaya  dan  menjadikan perpindahan    kalor  radiasi  ke  arah    pipa penerima  dan  absorber  semakin  jauh  lebih besar.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Beckman,  William  A.  dan  John  A.  Duftie. “ Solar  Engineering  of  Thermal  Processes”.
(1980). Second Edition, Inc. United States of America.
[2].  Febriyan, Ridho. “ Perancangan Solar Thermal  Collector  Tipe  Parabolic  Trough” ,
Tugas  Akhir ,  (2013).  Jurusan  Teknik  Mesin
Universitas Mercu Buana.
[3].  Holman, J.P., Perpindahan Kalor, diterjemahkan oleh Jasfi E.,  (1995). Penerbit Erlangga, Jakarta.
[4].  ASHRAE  Standard. Methods  of  Testing  to Determine  the  Thermal  Performace  of  Solar Collector, (1980-1989). American Society of Heating,  Refrigeration,  And  Air  Conditioning Engineers.