## Pengaruh Jarak antar Pipa Absorber terhadap Unjuk Kerja Kolektor Surya PV/T Pelat Datar
Menggunakan Metode CFD
Amrizal*, Amrul, Muhammad Irsyad,  Angelia E. Salsabillah Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Lampung Jln. Soemantri Brojonegoro, No.1 Gedongmeneng, Bandar Lampung, Indonesia, 35145
*E-mail: amrizal@eng.unila.ac.id.
Diajukan: 30-05-2022; Diterima: 08-12-2022; Diterbitkan: 23-12-2022

## Abstrak
Karakteristik dari kolektor PV mengindikasikan bahwa kenaikan suhu operasi dapat menurunkan efisiensi listrik. Dengan demikian  penggunaan  kolektor  jenis PV/T perlu  diimplementasikan  untuk  mengatasi  permasalahan  ini.    Tujuan  dari penelitian ini adalah untuk mengetahui unjuk kerja dari kolektor jenis hybrid Photovoltaic/Thermal (PV/T) baik secara termal maupun pressure drop berdasarkan variasi jarak antar pipa dari 43,5 mm hingga 170 mm. Parameter pengujian yang diteliti adalah temperatur keluar (T out )  fluida kerja, temperatur permukaan kolektor dan pressure drop aliran yang terjadi. Intensitas radiasi yang digunakan adalah sebesar 960,9 W/m2 dengan laju aliran massa 0,01 kg/s. Penelitian ini dilakukan melalui metode simulasi CFD .  Lebih lanjut, hasil pengembangan simulasi menunjukkan bahwa perubahan jarak  antar  pipa  hanya  mampu  menurunkan  temperatur  fluida  keluar  kolektor  maksimum  1 o C,  sebaliknya  kenaikan tekanan fluida keluar ( pressure drop ) hampir tiga kali lipat.  Sementara itu kolektor dengan jarak antar pipa 43,5 mm memiliki temperatur permukaan lebih rendah dan distribusi temperatur permukaan lebih merata dibandingkan dengan dua kolektor lainnya.
Kata kunci: kolektor; pressure drop; termal; unjuk kerja

## Abstract
The  characteristic  of  the  PV  collector  indicates  that  the  increase  in  operating temperature  can  reduce  the  electrical efficiency. Thus, the use of PV/T type collectors needs to be implemented to overcome this problem. The purpose of this study is to determine the performance of the hybrid Photovoltaic/Thermal (PV/T) collector both thermally and pressure drop based on variations in the tube spacing from 43.5 mm to 170 mm. The parameters studied in the present work are the fluid outlet temperature (T out ), the collector surface temperature and the pressure drop. The radiation intensity used is 960.9 W/m 2 with a mass flow rate of 0.01 kg/s. This research was conducted through the CFD simulation  method. Furthermore, the results of the simulation development show that the change in the tube spacing is only able to reduce the temperature of the fluid outlet temperature to a maximum of 1 o C, on the other hand, the increase in pressure drop is almost three times. Meanwhile, the collector with a tube spacing of 43.5 mm has a lower surface temperature and a more homogeneous distribution of surface temperature compared to the other two collectors.
Keywords: collector; pressure drop; thermal; performance

## 1. Pendahuluan
Meningkatnya  kebutuhan  energi  saat  ini  berdampak  pada  menipisnya  cadangan  bahan  bakar  fosil  yang  tersedia. Peningkatan  ini  berpengaruh  pada  tingginya  laju pemanasan  global  yang  terjadi  di  Indonesia  akibat  penggunaan  energi yang  berlebih  dari  bahan  bakar  fosil.  Hal  ini mendorong  para  peneliti  untuk  terus  mengembangkan  penggunaan  energi pilihan lainnya. Salah satu diantaranya yang memiliki potensi cukup besar di Indonesia adalah energi matahari.
Teknologi baru yang dapat menunjang untuk pemanfaatan energi surya adalah panel surya yang mampu  menangkap radiasi cahaya matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik. Namun panel surya yang terpapar panas matahari secara langsung  memicu  terjadinya  peningkatan  temperature  pada  permukaan  panel  surya  sehingga  mempergaruhi  efisiensi elektrikalnya. Menurut  Chow dkk panel surya yang terpapar matahari secara terus-menerus dapat menurunkan efesiensi elektrikal sebesar 0,45% setiap kenaikan temperatur kerja 1 o C [1].
Upaya untuk  mengatasi permasalahan tersebut  diantaranya dengan menggunakan Photovoltaic Thermal (PV/T) yang menggabungkan dua sistem dalam satu rangka, sehingga paparan panas yang disebabkan oleh radiasi cahaya matahari dapat dikurangi. Kolektor termal surya yang banyak dikembangkan yaitu kolektor pelat datar yang memiliki desain sederhana dan lebih mudah untuk diaplikasikan. Allan dkk  menguji unjuk kerja Photovoltaic/Thermal (PV/T) dengan susunan pipa tipe serpertine yang memiliki nilai koefisien kehilangan panas yang lebih baik 2,9% dibandingkan tipe paralel[2].
Selanjutnya pada kolektor termal dapat digunakan air dan udara sebagai fluida kerja. Penggunaan fluida air dianggap lebih  efisien  dibandingkan  dengan  fluida  udara  namun  terdapat  kelemahan  dimana  seringkali  terjadi  kebocoran  pada lintasan  pipa.  Beberapa  penelitian  pendahuluan  tentang  kolektor  PV/T  dengan  air  sebagai  fluida  sudah  dilakukan  oleh Amrizal dkk. Penelitian ini mengembangkan metode pengujian dengan penggunaan metode aliran fluida piston dan filtering data  [3-4].  Hasil  penelitian  menunjukkan  adanya  kesesuaian  model  dengan  hasil  eksperimen.  Penelitian  lain  adalah karaktersasi  dinamik  kolektor  PV/T  baik  secara  termal  maupun  elektrikal  dengan  air  sebagai  fluida  kerja  dimana  hasil simulasi juga menunjukkan kesesuaian antara model dengan hasil eksperimen [5]. Amrizal dkk juga melakukan penelitian tentang simulasi  penggunaan absorber dengan bentuk  penampang pipa absorber berbeda. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan saluran persegi mampu meningkatkan efisiensi termal kolektor PV/T dibandingkan dengan penggunaan pipa  bundar  [6].  Selanjutnya  pemodelan  secara  numerik  juga  dilakukan  untuk  mengevaluasi  kinerja  sistem  kolektor PV/T[7]  dimana  dengan  meningkatkan  laju  aliran  massa  fluida  kerja  akan  menurunkan  suhu  panel  PV  sehingga  dapat meningkatkan  efisiensinya.  Dua  model  sistem  PV/T  dengan  air  sebagai  fluida  kerja  diteliti  secara  eksperimental  dan teoritis[8].    Amrizal  dkk  [9]  juga  melakukan  simulasi  penggunaan  temperatur fluida  kerja  rata-rata  pada  kolektor  surya mewakili temperatur permukaan absorber
Pengembangan penelitian kolektor pelat datar terus dilakukan seperti penelitian Wahyono [10] memodifikasi material serta desain dari sistem hybrid dengan bentuk saluran pipa persegi berbahan alumunium yang menghasilkan unjuk kerja termal sebesar 65,03% pada rata-rata temperatur permukaan panel 43,82 o C. Dalam upaya untuk meningkatkan perpindahan panas,    berbagai  jenis  sirip yang  digunakan    dapat  memperluas  daerah  perpindahan  panas  [11-13]. Perubahan  dari  luas daerah  perpindahan  panas  dan  penambahan  gangguan  aliran  fluida  akan  mempengaruhi  jenis  aliran  sehingga  mampu memberikan perbedaan efek turbulensi pada masing-masing geometri[14-15].
Berbagai hasil kajian dan penelitian yang berkaitan dengan unjuk kerja kolektor PV/T sudah dilakukan oleh beberapa peneliti sebelumnya namun belum tersedia referensi yang cukup diantaranya tentang pengaruh jarak antar pipa absorber dari kolektor jenis PV/T dimana penggunaan temperatur fluida kerja bagian masuk (T in ) berdasarkan kondisi iklim di daerah Khatulistiwa. Karakteristik kolektor jenis ini kemudian diuji berdasarkaan perbedaan jarak absorber dengan menggunakan data fluida kerja dan intensitas radiasi sesuai dengan iklim daerah Lampung. Selanjutnya, karakteristik unjuk kerja yang dihasilkan dari kolektor PV/T adalah berdasarkan kemampuan perpindahan panas dan pressure drop yang terjadi akibat perbedaan  jarak  antar  pipa.  Jenis  penampang  pipa  yang  digunakan  berbentuk  persegi  karena  memiliki  area  kontak perpindahan panas yang lebih luas dengan permukaan kolektor PV/T[6].  Pengaruh jarak pipa ini  memberikan informasi terhadap kemampuan kolektor PV/T untuk merespon kondisi kerja yang diberikan. Penelitian ini menggunakan perangkat lunak Computing  Fluid  Dynamic  (CFD) yang  merupakan  salah  satu  cabang  ilmu  dinamika  fluida  dengan  distribusi temperatur dan tekanan yang terjadi[16] serta menggunakan Program Ansys Student Version [17].

## 2. Material dan metodologi
Desain benda uji kolektor PV/T dengan variasi geometri pipa persegi berdasarkan jarak antar pipa dapat dilihat pada Gambar 1 berikut ini.
Gambar 1. Variasi  geometri benda uji berdasarkan jarak antar pipa
Sementara itu proses simulasi meliputi beberapa tahap seperti pre-processing, solution dan post-processing yang dapat dilihat  pada  Gambar  2.  Pada  tahap pre-processing dilakukan  proses  input  geometri  yang  telah  dirancang  pada software Autodesk  Inventor .  Langkah  utama  yang  dilakukan  adalah  memberikan  penamaan  serta  penentuan  material  pada  setiap geometri dimulai dari air sebagai fluida kerja, pipa alumunium, pelat absorber hingga panel surya. Kemudian dalam proses ini  juga mengimplementasikan jenis meshing tetrahedron dengan ukuran meshing 2,5 mm.
Selanjutnya proses solution yang merupakan proses penting diantaranya melakukan input inlet dengan nilai temperatur 27 o C serta mass flow rate 0,01 kg/s. Kemudian menentukan permukaan heat flux dan menginput nilai  960,6 W/m 2 serta melakukan  isolasi  termal  ( insulated )  pada  bagian  pipa  alumunium.  Simulasi  yang  dilakukan  menggunakan  batasan konvergen dengan iterasi sebanyak 100 kali serta penyajian data hasil simulasi yang memiliki keteliatan sebesar 0,0001.
Tahap post-processing adalah  menyajikan  hasil  akhir  dari  proses  simulasi  dengan  menampilkan  kontur  warna  yang menggambarkan  karakteristik  atau  unjuk  kerja  benda  uji.  Seluruh  proses  simulasi  dalam  penelitian  ini  menggunakan Program Ansyst .
Sementara itu kesetimbangan energi yang digunakan dalam penelitian ini terdapat pada persamaan 1[18]:
𝑸 𝒖 = 𝑨𝑭 ´ [(𝝉𝜶)𝑮 − 𝑼 𝑳 (𝑻 𝒎 − 𝑻 𝒂 )] (1)
dimana 𝑸 𝒖 adalah daya (W), A merupakan area perpindahan panas permukaan kolektor (m 2 ), τα adalah efisiensi termal kolektor PV/T, G adalah irradiasi (W/m 2 ), F’ adalah faktor efisiensi, U L adalah koefisien rugi-rugi termal menyeluruh (W/m 2 o C), T a adalah temperatur fluida lingkungan, T m adalah temperatur fluida kerja rata-rata ( o C).

## 3. Hasil dan pembahasan
Proses validasi perlu dilakukan terhadap program Ansys yang digunakan dalam penelitian ini dengan  membandingkan antara hasil simulasi dan hasil eksperimen[10] seperti terlihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Perbandingan antara hasil simulasi dengan eksperimen
Dari Gambar 3 dapat diketahui bahwa perbedaan hasil simulasi dengan eksperimen  adalah ( 5%). Dengan demikian kondisi ini menunjukkan bahwa Program simulasi yang digunakan dapat mewakili proses eksperimen. Selanjutnya simulasi dengan Ansys Student Version dapat digunakan dalam pengembangan karakteristik kolektor PV/T dalam penelitian ini.
Untuk mengetahui karakteristik unjuk kerja kolektor PV/T dalam penelitian ini, jarak antar pipa divariasikan mulai dari 40 mm hingga 175 mm  dengan laju aliran massa  0,01 kg/s. Hasil simulasi  adalah berupa perbandingan dari  temperatur keluar fluida berdasarkan jarak antar pipa dengan temperatur inlet fluida sebesar 27 o C seperti dijelaskan dalam Gambar 4. Berdasarkan  data  hasil  simulasi  dimana  semakin  tinggi  jarak  antar  pipa  maka  temperatur  fluida  kerja  yang  keluar  dari kolektor (T out )  semakin rendah. Berdasarkan hasil referensi [15] untuk kolektor termal pelat datar dimana terjadi penurunan karakteristik unjuk kerja termal yang diwakili oleh F ’ terjadi ketika adanya peningkatan jarak antar pipa dan peningkatan parameter U L yang  diberikan  oleh  persamaan (1).  Kondisi  ini  disebabkan  oleh  semakin  berkurangnya  area  perpindahan panas  dari  pipa  yang  menyerap  panas  dari  permukaan  kolektor.  Sementara  itu  dalam  penelitian  ini  dimana  dengan meningkatkan jarak antar pipa kolektor jenis PV/T dari  43,5 mm hingga 170 mm dapat menghasilakn penurunan temperatur fluida kerja sekitar 1 o C.
37.2 41.4 44.9 49.2 37.737 42.325 46.83 51.319 30 35 40 45 50 55 25 30 35 40 45 T o u t ( o C) T in ( o C) Eksperimen Simulasi
Gambar 4. Variasi  temperatur fluida keluar berdasarkan jarak antar pipa
(a) 43,5 mm (b)    130,5 mm
(c)  174 mm
Gambar 5. Variasi  temperatur permukaan kolektor PV/T berdasarkan jarak antar pipa
38.12 37.41 37.347 35 37 39 27 T ou t ( o C) T in ( o C) 43,5 mm 130,5 mm 174 mm
Sementara itu variasi jarak 43,5 mm pada Gambar 5  menampilkan kontur warna permukaan kolektor PV/T yang didominasi oleh warna biru gelap menuju biru terang. Warna biru ini menandakan bahwa panas pada permukaan kolektor PV/T  telah  diserap  secara  maksimal  oleh  fluida. Area  warna  biru  ini  lebih  dominan  dibandingkan dengan  dua  kolektor PV/T  lainnya  (130,5  mm  dan174  mm).  Kondisi  ini  disebabkan  oleh  pengurangan  jarak  antar  pipa  maka  membuat peningkatan  panjang  lintasan  fluida  kerja  sehingga    penyerapan  panas  dapat  lebih  maksimal.  Kondisi  ini  menyebabkan temperatur  pada  permukaan  kolektor  PV/T  akan turun  dibandingkan  dengan  dua  kolektor  lainnya.  Sebaliknya  kolektor dengan  jarak  antar  pipa  174  mm  memiliki  kontur  warna  merah  yang  lebih  dominan  yang  mengindikasikan  temperatur permukaan kolektor lebih tinggi dibandingkan dengan kolektor lainnya.
Berkaitan dengan tekanan fluida yang melewati ketiga jenis kolektor, nilai tekanan fluida keluar yang dihasilkan oleh jarak antar pipa 43,5 mm memiliki nilai lebih besar dibandingkan dengan dua kolektor lainnya. Hal ini disebabkan oleh belokan pipa yang lebih banyak untuk kolektor dengan jarak antar pipa 43,5 sehingga meningkatkan gesekan yang terjadi antara fluida kerja dengan belokan pipa. Pada jarak 43,5 mm menampilkan hasil kontur tekanan fluida yang cukup tinggi dan grafik perbandingan hasil kontur tekanan fluida berdasarkan variasi jarak antar pipa dapat dilihat pada Gambar 6. Dengan perubahan jarak antar pipa dari 174 mm ke 43.5 mm dapat meningkatkan perubahan tekanan hingga 278 % atau hampir tiga kali lipat. Perubahan tekanan yang tinggi ini  menghasilkan perubahan kontur temperature pada permukaan PV. Namun distribusi suhu permukaan PV pada jarak pipa rapat terlihat lebih merata dibandingkan dengan kontur temperatur permukaan PV lainnya seperti diilustrasikan pada Gambar 5.  Ini mengindikasikan proses pendinginan permukaan PV pada pipa absorber yang rapat menjadi lebih baik untuk dapat meningkatkan efisiensi listrik sesuai referensi[1]. Namun biaya pemompaan untuk mengalirkan fluida kerja akibat adanya peningkatan pressure drop terjadi kenaikan dengan demikian sekaligus akan menaikkan biaya operasi.

## Gambar 6. Variasi  tekanan fluida kerja berdasarkan jarak antar pipa

## 4. Kesimpulan
Data yang berkaitan dengan unjuk kerja termal dan pressure drop kolektor PV/T didapatkan dari hasil simulasi yang dilakukan  dengan  Program Ansys. Jarak  antar  pipa  pada  kolektor  PV/T  divariasikan  untuk  mengetahui  pengaruhnya terhadap nilai temperatur keluar (T out ) fluida kerja, temperatur permukaan kolektor dan pressure drop aliran yang terjadi.
Perubahan  jarak antar pipa dari 174 mm hingga 43,5 mm hanya mampu menurunkan temperatur fluida keluar kolektor 1 o C, sebaliknya menaikkan tekanan fluida keluar ( pressure drop ) hampir tiga kali lipat.  Sementara itu kolektor dengan jarak
antar  pipa  43,5  mm  memiliki  temperatur  permukaan  lebih  rendah  dan  distribusi  temperatur  permukaan  lebih  merata dibandingkan  dengan  dua  kolektor  lainnya.    Hasil  ini menginformasikan  bahwa  jarak  antar  pipa  memberikan  pengaruh yang signifikan terhadap distribusi dan penurunan temperatur permukaan kolektor PV/T serta presure drop yang terjadi.
Namun,  semakin  tinggi  nilai  tekanan  fluida  keluar  dari  kolektor  maka  akan  terjadi  pemborosan  energi  pompa  dalam mendistribusikan fluida kerja.

## Daftar Pustaka
[1]  Chow T.T., Hand J.W., Strachan P.A., Building-integrated PV and thermal applicationsin a subtropical hotel building. 2003.
[2]   Allan,  James.  D.  Zahir,  Mauricette,.  Performance  Testing  of  Thermal  and  Photovoltaic  Thermal  Solar  Collectors. School of Engineering and Design Brunel University; 2015.
[3]  N. Amrizal, D. Chemisana, J.I. Rosell, J. Barrau,. A dynamic model based on the piston flow concept for the thermal characterization of solar collectors. Applied Energy. 2012; 94: pp. 244-250.
[4]  Amrizal Nalis, Daniel Chemisana, J. I. Rosell, The Use of Filtering for the Dynamic Characterization of PV/T Flat- Plate  Collectors.    International  Conference  on  Solar  Heating,  Cooling  and  Buildings  EuroSun,  Graz  University, Austria. 2010.
[5]  N. Amrizal, D. Chemisana, J. I. Rosell,. Hybrid Photovoltaic-Thermal Solar Collector Dynamic Modelling. Applied Energy. 2013;101: pp. 797-807.
[6]  Amrizal, Amrul, Ahmad Yonanda,. Simulasi unjuk kerja kolektor surya PV/T berdasarkan bentuk penampang pipa absorber. Journal of Science and Applicative Technology. 2021; 5 (1): pp. 245-252
[7]  M. Boubekri, A. Chaker, A. Cheknane., Numerical approach for performance study of hybrid PV/Thermal collector. Revue des Energies Renouvelables. 2008;12: pp. 388-315
[8]   S. Dubey, A.A. Tay.,Testing of two different types of photovoltaic–thermal (PV/T) modules with heat flow pattern under tropical climatic conditions.Energy for Sustainable Development. 2013;17: pp. 1-12.
[9]  Amrizal, Simulasi unjuk kerja termal kolektor surya pelat datar dengan pendekatan temperature fluida kerja. Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin, (SNTTM) XIII, Teknik Mesin Universitas Indonesia; 2014. ISBN 978-602-9841- 23-7.
[10]  Wahyono, Danar Sri., Peningkatan Unjuk Kerja Kolektor Surya Photovoltaic/Termal (PV/T) Menggunakan Saluran Pipa Persegi. Skripsi Teknik Mesin Universitas Lampung; 2020.
[11]  Moustafa  A.D.,  Darron  W.D.H.,  CFD  Analysis  of  a  One  Pass  Photovoltaic/Thermal  Air  System  with  and  without Offset Stip Fins. EDP Sciences: United Kingdom; 2018.
[12]  Elsafi A., Gandhidasan P., Performance of a Photovoltaic Thermal Double Pass Solar Air Heater with Different Fin Configuration. Journal of Clean Energi Technologies; 2015.
[13]  Rosen, M.A., Kumar, R., Performance of a Photovoltaic/Thermal Solar Air Heater: Effect of Vertical Fin on a Double Pass System. International Journal of Energi and Enviromental Engineering; 2011.
[14]  Vinoth, R., Enhancement of Heat Transfer Rate in a Solar Flat Plate Collector Using Twisted Tapes and Wire Coiled Turbulators. World Academy of Science; 2014.
[15]  Duffie, J.A.,W.A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes. New York: John Wiley and Sons; 2020.
[16]  Mahdi,  M.A.,  A.  Smaili,  Numerical  investigations  of  thermal  behaviour  of  a  HAWT  using  Ansys  Fluent.  Berlin: Elsevier Ltd; 2017.
[17]  Ansys Fluent Tutorial Guide, Ansys Inc; 2021.
[18]  Incropera, F.P., Fundamental of Heat and Mass Transfer. Sixth Edition. New York: Jhon Wiley and Sons; 2020.