## CAKRAM
Jurnal Teknik Mesin:

## RANCANG BANGUN DAN STUDI EKSPERIMEN PEMANAS AIR TENAGA MATAHARI DENGAN REFLEKTOR BUSUR SEPEREMPAT LINGKARAN Nailul ’Atifah 1
1 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Pamulang, Jl. Surya Kencana No. 1, Tangerang Selatan, Indonesia

## E-mail : dosen00410@unpam.ac.id
Masuk : 21 Juni  2018 Direvisi : 27 September 2018             Disetujui : 2 Oktober 2018
Abstrak: Penelitian  mengenai  rancang  bangun  dan  studi  eksperimen  pemanas  air  tenaga  matahari  dengan  reflektor  busur seperempat  lingkaran  telah  dilaksanakan.  Reflektor  busur  seperempat  lingkaran  pada  penelitian  ini  memiliki  ukuran  jari-jari sebesar 60 cm, panjang  60 cm,  terbuat dari potongan cermin dengan lebar  3 cm dan panjang 30 cm. Sistem pemanas air tenaga matahari ini memiliki nilai fraksi radiasi dari reflektor parabola ke pipa absorber sebesar 5,2 %. Pipa absorber terbuat dari pipa besi  yang  dicat  hitam  dengan  diameter  1,5  inchi.  Hasil  percobaan  menunjukkan  bahwa  pemanas  air  tenaga  matahari  ini  dapat memanaskan  air  sebanyak  684  ml  dengan  suhu  maksimal  mencapai  71 0 C  pada  kondisi  cerah  dan  tidak  berangin.  Pemanas  air tenaga matahari ini menghasilkan nilai energi termal output tertinggi sebesar 98,73 kJ. Energi termal ouput rata-rata pada sistem ini adalah sebesar 55,08 kJ dengan efisiensi termal rata-rata  sebesar  31,64%.
Kata kunci : pemanas air tenaga matahari,  busur seperempat lingkaran, reflektor, temperatur, energi termal, efisiensi termal
Abstract: The research on design and experimental studies of solar water heater with a quarter circular arc reflector has been done. The quarter circle arc reflector in this research has radius of 60 cm, and length of 60 cm. This reflector is made of cut-off mirrors 3 cm width and 30 cm length. The radiation fraction value from the parabolic reflector to the absorber pipe is 5.2 %. The absorber  pipe  is  made  of  black  painted  iron  pipe  with  1.5  inch  diameter.  The  experimental  results  show  that  this  solar  water heater is able to heat 684 ml of water with a maximum temperature of 71 0 C in bright and windless conditions. This solar energy heater has the highest thermal energy output of 98.73 kJ. The average output thermal energy in this system  is 55.08 kJ with an average thermal efficiency of 31.64%.
Keywords : solar water heater, quarter circular arc, reflector, temperature, thermal energy, thermal efficiency

## PENDAHULUAN
Indonesia  merupakan  negara  yang  memiliki  sumber  energi  matahari  yang  cukup  potensial  dikarenakan terletak  pada  garis  khatulistiwa.  Intensitas  rata-rata  radiasi  matahari  untuk  wilayah  Jabodetabek  adalah  sekitar 4,98334-5,02111  kWh/m 2 /hari  [1].  Teknologi  pemanfaatan  energi  matahari  melalui  sitem  termal  salah  satunya adalah dengan sistem parabolic trough . Sistem ini  menggunakan reflektor berbentuk terusan palung dengan kurva berbentuk parabola dan pipa absorber yang ditempatkan di sepanjang garis fokusnya.
Prastika,  dkk  [2]  dalam  penelitiannya  mengenai  sistem  Mini PTC  (Parabolic  Trough  Collector) menggunakan bahan plat seng mengkilat sebagai reflector dan pipa alumunium sebagai absorber. Desain aperture reflektor 50 cm dan panjang 105 cm yang dirancang sanggup memanaskan air sebanyak 63,2 ml dengan temperatur maksimal sebesar 54 0 C.  Tayade et al. [3] dalam penelitiannya melakukan perancangan PTC dengan menggunakan alumunium  sebagai  bahan  reflektornya  dan  bahan  pipa  absorbernya,  serta  pipa  gelas  untuk  mengungkung  pipa absrobernya.    Kenaikan  suhu  pada  sistem  yang  dirancangnya  mencapai  suhu  32 0 C-55C  selama  bulan  November- Desember 2015 di daerah Chandrapur, India (19.95° LU, 79.3° BT).  Berikutnya, hasil penelitian Valan Arasu dan
Sornakumar [4] menunjukkan PTC yang dirancang dengan bahan reflector berupa solarflex foil dan absorber dengan bahan tembaga yang diselubungi dengan pipa gelas dapat menaikan suhu air dalam pipa sebesar 42 0 C-55 0 C.
Penelitian  kali  ini  mengadopsi  sistem  yang  mirip  dengan parabolic  trough dari  penelitian-penelitian sebelumnya. Namun,  perbedaannya terletak pada bentuk geometri pada bagian reflektornya. Bagian reflektor pada penelitian ini berupa kurva yang berbentuk busur seperempat lingkaran. Hal ini dilatarbelakani karena lebih mudah dalam pembuatannya. Selain itu, material reflektor yang digunakan adalah cermin yang dipotong-potong. Meskipun formasi  reflektor  akhirnya  bukanlah  berbentuk  kurva  yang  halus,  namun  dengan  nilai  reflektansi  yang  tinggi  dari material cermin diharapkan dapat memantulkan radiasi yang cukup tinggi.

## PERANCANGAN
Radiasi  matahari  yang  mengenai  reflektor  cermin  busur  lingkaran  akan  dipantulkan  pada  titik  fokusnya. Letak fokus pada cermin cekung adalah setengah dari jari-jarinya. Daya radiasi yang dipantulkan cermin pada pipa absorber dapat dinyatakan dalam  persamaan berikut [5]:
r in
A I r F P . . . 12 
(1)
dengan:
P in : Daya input yang diterima pipa absorber dari pantulan reflektor (Watt) F 12 : Fraksi radiasi dari reflektor parabola ke pipa absorber
 : reflektansi cermin reflektor I
: Intensitas matahari (Watt/m 2 )
A r : Luas reflektor cermin (m 2 )
Reflektansi  reflektor  yang  terbuat  dari  cermin  adalah  sekitar  80%  s/d  97%  [3].  Jika  intensitas  rata-rata radiasi  matahari  untuk  wilayah  Jabodetabek  adalah  sekitar  4,98334-5,02111  kWh/m 2 /hari  [1]  dengan  hari  yang dimaksud adalah lama penyinaran  matahari dari pagi sampai sore yakni sekitar 12 jam, maka dapat dikonversikan nilainya menjadi 415,278-418,426 W/m 2 .
Sedangkan luas reflektor yang merupakan busur seperempat lingkaran dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut:
L r
A r . . 2  
(2)
dengan:
r : jari-jari reflektor (m) L : panjang reflektor (m)
Reflektor yang digunakan dalam penelitian ini memiliki radius 60 cm dan panjang 60 cm. Dengan demikian nilai A r dapat dihitung sebagai berikut:
2
565 , 0 6 , 0 . 6 , 0 . 2 m m m A r   
Gambar  1.  berikut  menunjukkan  sketsa  pemanas  air  tenaga  matahari  dengan  reflektor  terusan  busur seperempat lingkaran yang akan diuji:
Gambar 1. Sketsa Pemanas Air Tenaga Matahari dengan Busur Seperempat Lingkaran
Jika  reflektor  cermin  dianggap  sebagai  permukaan  1  dan  pipa  absorber  dianggap  sebagai  permukaan  2, maka berdasarkan relasi reciprocity dapat dinyatakan dengan persamaan berikut [5]:
21 1 2
12 . F A A F  (3)
dengan:
A 1 : Luas permukaan reflektor parabola persatuan panjang (m) F 12 : Fraksi radiasi dari reflektor parabola ke pipa absorber A 2 : Luas permukaan pipa absorber persatuan panjang (m) F 21 : Fraksi radiasi dari pipa absorber ke reflektor parabola
Gambar  2.  berikut menunjukkan penampang reflektor busur parabola dan pipa absorber
Gambar 2. Penampang Reflektor Busur Parabola dan Pipa Absorber
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2018 Nailul ‘Atifah, Rancang Bangun dan Studi Eksperimen Pemanas Air Tenaga Matahari dengan Reflektor Busur Seperempat Lingkaran
y ,  ,  merupakan besaran geometri yang terdapat pada Gambar 2.  di atas.
Nilai F 12 dapat diperoleh dengan analisis geometri sebagai berikut:
  1 2 2 2 2     R R R y =0,207.R   0 1 1 1 32 , 16 293 , 0 tan . 707 , 0 207 , 0 tan 2 tan                          R R R y  0 0 0 0 68 , 73 32 , 16 90 90       
Nilai F 21 dapat diperoleh dengan rumus berikut:
409 , 0 180 68 , 73 180 360 2 0 0 0 0 21      

## F
Diameter pipa absorber  yang  digunakan adalah 1,5 inchi=  3,81 cm dan radius cermin reflektor adalah 60 cm. Maka nilai A 1 dan  A 2 dapat dihitung dengan penjabaran sebagai berikut:
m m R A 942 , 0 6 , 0 . 2 . 2 1      m m d A
120 , 0 00381 , 0 . . 2
    
Dengan mensubstitusikan nilai F 21 , A 1 dan  A 2 ke dalam persamaan (3), maka:
052 . 0 409 , 0 . 942 , 0 120 , 0 . 21 1 2 12    m m F A A F
Tidak  semua  radiasi  yang  dipantulkan  oleh  reflektor  cermin  diterima  oleh  pipa  absorber.  Faktor  radiasi yang diterima oleh pipa berdasarkan perhitungan di atas adalah 0,052. Jika Intensitas rata-rata radiasi matahari untuk wilayah  Jabodetabek  adalah  sekitar  4,98334-5,02111  kWh/m 2 /hari  [1]  dengan  hari  yang  dimaksud  adalah  lama penyinaran matahari dari pagi sampai sore yakni sekitar 12 jam, maka dapat disetarakan nilainya dengan 415,278- 418,426  W/m 2 .  Dengan  demikian  daya  input  pada  sistem  ini  jika  menggunakan  nilai  intensitas  matahari  terendah yaitu 415 W/m 2 adalah sebagai berikut:
r in A I F
P . . . 12   (4) 2 2 565 , 0 . 415 . 8 , 0 . 052 , 0 m m W P in 
W P in 76 , 9 
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2018 Nailul ‘Atifah, Rancang Bangun dan Studi Eksperimen Pemanas Air Tenaga Matahari dengan Reflektor Busur Seperempat Lingkaran
Dalam hal ini nilai intensitas matahari yang digunakan dalam perhitungan adalah nilai terendah yaitu 415 W/m 2 .  Nilai  reflektansi  cermin  yang  digunakan  adalah  80%  yang  merupakan  nilai  minimum  data  reflektasi cermin yang ada di pasaran yakni 80%-97% [6].
Tidak  semua  daya  input  dikonversi  seluruhnya  menjadi  panas.  Akan  tetapi  terjadi heat  loss (kerugian panas)  ke  lingkungan  baik  berupa  konveksi  maupun  radiasi  akibat  adanya  perbedaan  temperatur  antara  pipa absorber dengan lingkungan.
Heat loss dengan mekanisme konveksi dijabarkan dengan persamaan berikut [7] :
) .( . s p p conv T T A h q   (5)
dengan:
q conv : Laju perpindahan panas konveksi (W) h : Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2 .K)
A p : Luas pipa absorber (m 2 ) T p : Temperatur pipa absorber (K) T s : Temperatur lingkungan sekitar (K) Sedangkan heat loss dengan mekanisme perpindahan panas radiasi dari pipa absorber ke lingkungan dapat dijabarkan dengan persamaan berikut [7]:
) ( . . 4 4 s p p rad T T A q    
(6)
dengan:
q rad : Laju perpindahan panas radiasi (W)  : Emisivitas pipa absorber  : Konstanta Stefan Boltzman (5,67.10 -8 W/m 2 .K 4 ) Total kerugian panas total konveksi dan radiasi adalah:
rad conv loss q q q   (7)
dengan:
q loss : Total laju kerugian perpindahan panas (W)
Dengan demikian daya yang  berguna untuk memanaskan air di dalam pipa absorber adalah:
loss in out q P
P   (8)
dengan:
out P : Daya output yang berguna untuk memanaskan air (W)
Dengan  demikian  efisiensi  thermal  dari  sistem  pemanas  air  tenaga  matahari  dapat  ditentukan  dengan  persamaan berikut [8]:
% 100 x P P in out   (9)
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2018 Nailul ‘Atifah, Rancang Bangun dan Studi Eksperimen Pemanas Air Tenaga Matahari dengan Reflektor Busur Seperempat Lingkaran

## Dengan:

## 
: Efisensi termal pemanas air tenaga matahari
Nilai  juga dapat dihitung dengan perbandingan energi input dan energi output secara total selama rentang waktu operasi. Maka efisiensi juga dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
% 100 x E E in out   (10)
dengan:
E in : Energi input (Joule) Eout : Energi output (Joule) Energi input dapat ditentukan berdasarkan persamaan berikut:
t P E in in . 
(11)
dengan:
t : Waktu operasi (sekon)
Sedangkan energi output dapat ditentukan dari pengukuran temperatur air pada pipa absorber. Dari data pengukuran temperatur air akan didapatkan grafik dinamik temperatur air terhadap waktu.
Energi termal output ini merupakan panas sensibel yang menyebabkan kenaikan temperatur air dan dapat dinyatakan dengan persamaan berikut [8]:
T c m E p out   . . (12)
dengan:
m : Massa air yang dipanaskan (kg) c p
: Kapasitas panas air ( 4,186 kJ/kg. 0 C) T  : Kenaikan temperatur air ( 0 C) Perhitungan m yang merupakan massa air  dijabarkan sebagai berikut:
L D m . 4 . 2    (13)
dengan:
 : Massa jenis air (kg/m3)
D : Diameter pipa absorber (m) L : Panjang pipa absorber (m)
Sistem  pemanas  air  ini  memiliki  pipa  absorber  dengan  diameter  3,81  cm  dan  panjang  60  cm.  Air  yang dipanaskan  dalam  pipa  absorber  ini  terisi  penuh.  Dengan  demikian  dari  perhitungan  geometri  volume  air  yang dipanaskan pada pengujian ini adalah sebesar:
mL m m L D V 684 10 . 84 , 6 6 , 0 . 4 ) 0381 , 0 .( . 4 3 4 3 2 2       
Jika dikonversi menjadi satuan massa air dengan densitas air sekitar 997 kg/m 3 [7], maka massa air yang dipanaskan adalah sebesar:
kg m m kg L D m 682 , 0 10 . 84 , 6 . 997 . 4 . 3 4 3 2    

##  
Penelitian  ini dilaksanakan  melalui  studi eksperimen dimana sistem pemanas air ini adalah berupa sistem batch ,  dimana  air  yang  ditempatkan  di  dalam  pipa  dalam  kondisi  tidak  mengalir.  Pengujian  dilakukan  dengan mengukur  kenaikan  temperatur  air  dalam  pipa  dari  jam  efektif  matahari  terbit  yaitu  pada  pukul  10.00  s/d  pukul 15.00. Temperatur air diukur  setiap 15  menit sekali. Dari  hasil pengukuran akan diperoleh besarnya energi output yakni panas sensibel yang berguna untuk menaikkan temperatur air.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pemanas  air  tenaga  matahari  dengan  reflektor  berbentuk  busur  seperempat  lingkaran  yang  dirancang  dan diuji di penelitian ini ditunjukkan pada foto pada  Gambar 3. berikut:
Gambar 3. Pemanas Air Tenaga Matahari dengan Reflektor Busur Seperempat Lingkaran
Gambar  4.  menyajikan  grafik  hasil  pengukuran  temperatur  air  di  dalam  pipa  absorber  pada  pemanas  air tenaga  matahari  dengan  reflektor  busur  seperempat  lingkaran  dimana  pengujian  dilakukan  dengan  temperatur  air dalam pipa dari jam efektif matahari terbit yaitu pada pukul 10.00 s/d pukul 15.00. Temperatur air diukur setiap 15 menit sekali. Pengujian dilaksanakan sebanyak 3 kali  pada cuaca cerah  tanpa angin.
Dari  hasil  pengukuran  tersebut  dapat  dilihat  bahwa  temperatur  air  tertinggi dicapai pada temperatur 71 0 C pada menit ke 225 yakni pada pukul 13.45 WIB. Dan setelah menit ke 225 tersebut, temperatur air kembali turun. Temperatur  air  tertinggi  di  dalam  pipa  absorber  justru  tidak  terjadi  pada  waktu  puncak  intensitas  radiasi  matahari yakni  sekitar  pukul  12.00.  Hal  ini  disebabkan  adanya  efek heat  loss (kerugian  panas)  dari  pipa  absorber  ke lingkungan. Pada pukul 12.00 temperatur lingkungan sekitar juga relatif tinggi, sehingga selisih temperatur dari pipa absorber  dan  lingkungan  juga  rendah.  Dengan  demikian  laju  perpindahan  panas  dari  pipa  absorber  ke  lingkungan tidak terlalu tinggi.
Gambar 4. Grafik Hasil Pengukuran Temperatur Air di Dalam Pipa Absorber pada Pemanas Air Tenaga Matahari dengan Reflektor Busur Seperempat
Temperatur air meningkat pada saat mendekati waktu tersebut (pukul 13.45 WIB). Hal ini juga disebabkan oleh  adanya  akumulasi  panas  air  di  dalam  pipa  absorber.  Namun  setelah  melewati  waktu  tersebut  temperatur  air mengalami  penurunan.  Hal  ini  disebabkan  karena  adanya  penurunan  temperatur  lingkungan  sekitar  sehingga menyebabkan selisih temperatur air dengan lingkungan meningkat. Dengan demikian laju heat loss (kerugian panas) dari pipa absorber ke lingkungan juga  meningkat. Jika dibandingkan dengan hasil penelitian sebelumnya  [2]  yang menggunakan  sistem PTC  (Parabolic  Trough  Collector) berbahan  plat  seng  mengkilat  dengan  desain aperture reflektor 50 cm dan panjang 105 cm yang memanaskan air sebanyak 63,2 ml dengan temperatur maksimal sebesar 54 0 C, maka desain pada penelitian ini memiliki performa yang lebih baik. Desain pemanas air tenaga matahari pada peneltian  ini  sanggup  memanaskan  air  lebih  banyak  yakni  684  ml  dengan  suhu  yang  lebih  tinggi  mencapai  71 0 C. Meskipun  demikian  sistem  pemanas  air  yang  dirancang  pada  penelitian  ini  belum  sanggup  untuk  mendidihkan  air dan menghasilkan uap air.
Berdasarkan perhitungan dari persamaan (4), daya input P in diperoleh sebesar 9,67 W dan  waktu operasi dalam  rentang  5  jam.  Dengan  demikian  energi  input  dapat  dihitung    berdasarkan  persamaan  (11)  adalah  sebagai berikut:
kJ s W t P E in in 06 , 174 3600 . 5 . 67 , 9 .
  
Hasil  perhitungan  energi  output  termal  berdasarkan  persamaan  (11),  (12)  dan  temperatur  air  rata-rata  disajikan melalui grafik pada Gambar 5. berikut:
Gambar 5. Grafik Energi Termal Output Pemanas Air Tenaga Matahari dengan Reflektor Busur Seperempat Lingkaran terhadap Waktu
Dari  hasil  perhitungan  energi  termal  output  tersebut,  diperoleh  nilai  energi  output  tertinggi  sebesar  98,73 kJ. Sedangkan energi termal ouput rata-rata dalam rentang waktu pengujian selama 5 jam dari pukul 10.00 sampai dengan pukul 15.00 adalah sebesar 55,08 kJ. Dengan demikian dapat ditentukan besarnya efisensi termal rata-rata dari  sistem  pemanas  air  tenaga  matahari  dengan  reflektor  busur  seperempat  lingkaran  ini  dengan  perhitungan sebagai berikut:
% 64 , 31 % 100 06 , 174 08 , 55 % 100    x kJ kJ x E E in out 
Efisiensi termal pada sistem pemanas air matahari ini  kurang dari 50% atau dapat dikatakan masih relatif rendah. Hal ini disebabkan karena desain pada pipa absorber belum dilengkapi dengan mekanisme cover perangkap panas  transparan  yang  dapat  menahan  panas  yang  telah  diterima  absorber  sehingga  mengurangi  laju  perpindahan panas dari pipa absorber ke lingkungan. Selain itu desain reflektor yang disusun dari cermin yang dipotong-potong memang  tidak  menghasilkan  kurva  busur  seperempat  lingkaran  yang  halus,  meskipun  memiliki  nilai  reflektansi yang  relatif  tinggi.  Sehingga  untuk  kedapannya  perlu  dipertimbangkan  mengenai  pemilihan  bahan  reflektor  yang melengkung  halus  namun  memiliki  reflektansi  yang  reltif  tinggi  seperti  dari  bahan stainless  steel  mirror .  Dengan pengembangan desain selanjutnya diharapkan dapat meningkatkan efisiensi termalnya sehingga dapat mendidihkan air dan menghasilkan uap air.

## KESIMPULAN
Dari hasil penelitian ini dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Pemanas  air  tenaga  matahari  dengan  reflektor  busur  seperempat  lingkaran  berjari-jari  60  cm,  panjang  60  cm dengan  pipa  absorber  berdiamater  1,5  inchi  ini  memiliki  nilai  fraksi  radiasi  dari  reflektor  parabola  ke  pipa absorber sebesar 5,2 %
2. Pemanas  air  tenaga  matahari  dengan  reflektor  busur  seperempat  lingkaran  pada  penelitian  ini  dapat memanaskan air sebanyak 684 ml dengan suhu maksimal sebesar 71 0 C pada kondisi cerah tidak berangin dan dicapai pada waktu sekitar pukul 13.45 WIB.
3. Desain  pemanas  air  tenaga  matahari  dengan  reflektor  busur  seperempat  lingkaran  pada  penelitian  ini  yang relatif  lebih  mudah  dirakit  dan  dengan  ukuran  yang  tidak  jauh  berbeda  dengan  penelitian  terdahulu  yang menggunakan kurva parabola,  menunjukkan performa termal  yang jauh lebih  tinggi  meskipun belum  sanggup menghasilkan uap air.
4. Pemanas  air  tenaga  matahari  dengan  reflektor  busur  seperempat  lingkaran  pada  penelitian  ini  menghasilkan nilai  energi  termal  output  tertinggi  sebesar  98,73  kJ,  energi  termal  ouput  rata-rata  sebesar  55,08  kJ  serta efisiensi termal rata-rata sebesar 31,64%
.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Vetri  Nurliyanti,  Marlina  Pandin,  Bono  Pranoto, ”Pembuatan  Peta  Potensi  Energi  Matahari” .  M&E, Vol.10, No.4,Desember 2012
2. Lintang  Ratri  Prastika,  dkk,  2015, Desain,  Perakitan  dan  Uji  Coba  Mini  Parabolic  Trough  Collector (PTC) Sederhana . Prosiding SKF, Institut Teknologi Bandung, Bandung .
3. M.G. Tayade, R. E. Thombre, S. Dutt, 2015. Int. Journal of Scientific and Research Publications 5 (1), 1-5
4. A. Valan Arasu and S. T. Sornakumar, 2006. Thermal Science 10 (2), 167-174
5. J.P. Holman, Heat Transfer , Mc Graw-Hill,  New York, U.S.A, 1986.
6. Stephanie  Meyan,  Eckhard  Lupfert “Standardization  of  Solar  Mirror  Reflectance  Robin  Test” .  National Renewable Energy Laboratory. SolarPACES, France, 2010.
7. Incropera, Frank.P, 1985, Fundamentals of Heat Transfer and Mass Tansfer, Second Edition, John Willey &Sons, New York
8. Arora, C.P., 1998, Thermodynamics, Mc Graw-Hill Publishing Company, New York