## CAKRAM
Jurnal Teknik Mesin:
STUDI EKSPERIMEN PEMANAS AIR TENAGA SURYA TIPE CONCENTRATED PARABOLIC
Nailul ‘Atifah 1
1 Teknik Mesin Universitas Pamulang, Jl Surya Kencana No.1, Tangerang Selatan, Indonesia
E-mail : dosen00410@unpam.ac.id
Masuk : 24 Mei 2021 Direvisi :  27 Agustus 2021          Disetujui : 16 September 2021
Abstract: Indonesia memiliki sumber energi terbarukan yang melimpah  dan salah  satunya  adalah energi matahari. Pemanfaatan  energi  matahari  dengan  sistem  termal  bekerja  dengan  mengkonversi  radiasi  matahari  menjadi  energi panas. Salah satu tipe sistem pemanfaatan energi matahari dengan sistem termal untuk pemanas adalah reflector yang berbentuk concentrated  parabolic .  Tipe  ini  memantulkan  radiasi  matahari  menuju  ke  satu  titik  fokus.  Di  titik  fokus inilah  kemudian  diletakkan  objek  yang  akan  dipanaskan.  Penelitian  ini  mengkaji    sistem    pemanas  air  dengan  tipe concentrated parabolic dengan  reflektor parabola dengan diameter 56 cm dan kedalaman 6 cm. Absorber penampung air berbentuk silinder memiliki ukuran  diameter 15 cm dan ketinggian 16 cm. Tujuan pada penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik perubahan suhu air, energi output termal dan efisiensi termal pada sistem pemanas air tenaga surya tipe concentrated parabolic .  Dari hasil penelitian diperoleh bahwa sistem ini mampu memanaskan air dengan volume  2,12  L  dengan  suhu  tertinggi  yang  dicapai  adalah  82 o C  di  menit  ke  195  yakni  pada  pukul  14.15  WIB. Sedangkan temperatur rata-rata tertinggi dicapai pada 74 o C. Energi output rata-rata dari sistem pemanas air surya tipe concentrated parabolic ini adalah 184,418 kJoule dengan efisiensi termal rata-rata adalah 35,23 %.
Kata kunci: pemanas air tenaga surya, reflektor, absorber, concentrated parabolic, temperatur air, energi output termal, efisiensi termal
Abstract: Indonesia  has  potential  renewable  energy  sources  and  one  of  them  is  solar  energy.  Solar  thermal  system works  by  converting  solar  radiation  into  heat  energy.  One  type  of  solar  thermal  system  is  a  concentrated  parabolic reflector. This type reflects solar radiation to a focal point. At this focal point, the object to be heated is placed. This study  examines  a  concentrated  solar  parabolic  water  heater  with  a  diameter  of  56  cm  and  a  depth  of  6  cm.  The cylindrical water reservoir absorber has a diameter of 15 cm and a height of 16 cm. The purpose of this study are to determine  the  characteristics  of  changes  in  water  temperature,  thermal  output  power  and  thermal  efficiency  in  the system of concentrated solar parabolic water heater. From the results of the study, it is found that this system is able to heat water with a volume of 2.12 L, with the highest temperature is achieved at 82 o C in the 195th minute at 02.15 PM. While, the highest average temperature is reached at 74 o C. The system of concentrated solar parabolic water heater has the average thermal energy output of 184,418 kJoule and average thermal efficiency of 35.23%.
Keywords:  solar  water  heater,  reflector,  absorber,  concentrated  parabolic,  water  temperature,  thermal  energy  output,  thermal efficiency
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2021 Nailul ‘ Atifah, Studi Eksperimen Pemanas Air Tenaga Surya Tipe Concentrated Parabolic

## PENDAHULUAN
Indonesia  memiliki  sumber  energi    terbarukan  yang  melimpah.  Salah  satu  sumber  energi  terbarukan  yang  melimpah adalah  energi  matahari.  Hal  ini  dikarenakan  Indonesia  terletak  pada  garis  khatulistiwa.  Intensitas  rata-rata  radiasi  matahari untuk  wilayah  Jabodetabek  adalah  sekitar  4,98334-5,02111  kWh/m 2 /hari[1,  2].  Panas  matahari  dapat  dimanfaatkan  dengan teknologi solar  collector . Solar  collector dapat  dikelompokan  ke  dalam  tiga  kelompok  utama  berdasarkan  temperatur operasi[3].  Tiga  kelompok  tersebut  yaitu:  kelompok  temperatur  rendah(T<100 o C)  misalnya  kolektor  plat  datar,  kelompok temperatur sedang (T<400 o C) misalnya kolektor parabola[4, 5],  dan kelompok temperatur tinggi (T>400 o C) misalnya kolektor disk dan reflektor Freshnel[6]. Penelitian ini akan mengkaji pemanas air dengan tipe concentrated parabolic . Pada penelitian ini, pemanas air dengan tipe concentrated parabolic yang dirancang termasuk dalam kategori  teknologi kerakyatan.  Hal  ini  dikarenakan,  rancangan  sistem  ini  tergolong  relatif  mudah  untuk  dirakit  dan  dipraktekkan  di  kalangan masyarakat. Selain itu bahan yang digunakan lebih mudah untuk didapatkan dan membutuhkan biaya yang relatif lebih murah dari segi operasionalnya karena tidak membutuhkan listrik dan bahan bakar.
Kinerja  dari  sistem  pemanas  air  tipe concentrated  parabolic reflector tergantung  pada  parameter  dimensi  reflektor, absorber  penampung  air,  dan  fluida  kerja    serta  sifat  termal  dan  optik  dari  komponen-komponen  tersebut  yang  meliputi reflektansi  parabola,  emisivitas  absorber,  serta  isolasi  termal  pada  absorber  penampung  airnya[7,  8].  Parameter-parameter tersebut sangat berpengaruh  terhadap  kinerja sistem ini yang meliputi peningkatan kecepatan pemanasan, temperatur air, daya output termal dan efisiensi termalnya[9, 10]. Penelitian ini bertujuan untuk  mengetahui karakteristik perubahan temperatur air pada bagian absorber,  daya output termal sistem dan efisiensi termal sistem.

## METODOLOGI
Penelitian ini menggunakan pemanas air surya tipe  concentrated parabolic  menggunakan reflektor parabola dengan diameter 56 cm dan kedalaman 6 cm yang terbuat dari parabola bekas sebagai konstruksinya. Materi reflektor yang digunakan terbuat dari potongan-potongan cermin berukuran 3cm x 3cm.  Absorber penampung air yang digunakan berdiameter 15  cm dan tinggi 16  cm.  Pengujian dilakukan  dengan mengukur suhu air terhadap waktu dari pukul 11.00 sampai dengan 16.00. Gambar 3. berikut menunjukkan rancangan alat pemanas air tenaga surya tipe concentrated parabolic.
Gambar 1.Desain Alat Pemanas Air Tenaga Surya Tipe Concentrated Parabolic
Metodologi penelitian yang digunakan adalah metode empiris. Flowchart ditunjukkan pada Gambar 2.
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2021 Nailul ‘ Atifah, Studi Eksperimen Pemanas Air Tenaga Surya Tipe Concentrated Parabolic
Gambar 2. Flowchart penelitian

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada Gambar 3. menyajikan grafik hasil pengukuran temperatur air di dalam absorber silinder.  Pengujian dilakukan dari jam 11.00 s/d pukul 16.00. Pengukuran temperatur air diukur setiap 15 menit sekali. Pengujian dilakukan sebanyak 3 kali pada cuaca cerah tanpa angin.  Dari tiga kali pengukuran kemudian dihitung rata-ratanya.
Mulai Persiapan Alat dan Bahan Perancangan dan Perakitan Pengujian Kinerja Alat Pengukuran Volume dan Suhu Air Awal Pengukuran Suhu Air setiap 15 Menit sekali Analisis Hasil Perhitungan Daya Input, Daya Output dan Efisiensi Termal
Kesimpulan SELESAI
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2021 Nailul ‘ Atifah, Studi Eksperimen Pemanas Air Tenaga Surya Tipe Concentrated Parabolic

## Hasil Pengukuran Suhu Air pada Absorber Silinder dengan Termometer
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 Waktu Pengukuran (menit ke-) T e m p e ra tu r A ir ( C e lc iu s) TI (Celcius) T2 (Celcius)
T3 (Celcius) T avg (Celcius)
Gambar 3. Grafik Hasil Pengukuran Temperatur Air pada Absorber Silinder dengan Termometer
Temperatur lingkungan awal pengukuran adalah 35 o C. Kenaikan temperatur air mulai terjadi ketika cahaya matahari dipantulkan  fokus  ke  bagian  bawah  absorber.  Pada  menit  ke  0  sampai  menit  ke  120  atau  jam    13.00  WIB,  temperatur  air mengalami kenaikan dengan gradien kemiringan yang landai. Selanjutnya mulai menit ke 120 sampai menit ke 195 atau jam 14.15 WIB kenaikan temperatur air terjadi dengan gradien kemiringan lebih besar daripada periode sebelumnya. Pengukuran menunjukkan bahwa temperatur  air tertinggi adalah 82 o C yang dicapai pada menit ke 195 atau jam 14.15 WIB. Pengulangan pengukuran pada waktu yang berbeda dengan kondisi cuaca cerah tanpa angin menunjukkan bahwa pada pengukuran pertama masih  terjadi  kenaikan  temperatur  air  pada  menit  ke  195  sampai  menit  ke  225,  pada  pengukuran  kedua  terjadi  penurunan temperatur air mulai menit ke 195 sampai menit 225, pada pengukuran ketiga terjadi fluktuasi pada menit ke 195 sampai menit ke  225.  Tiga  kali  pengukuran  menunjukkan  tren  yang  berbeda-beda  sehingga  menyebabkan  temperatur  rata-rata  tertinggi nilainya jauh lebih rendah daripada temperatur tertinggi yang pernah dicapai dan pada waktu yang berbeda juga. Temperatur rata-rata adalah 74 o C yang dicapai pada menit ke 225 atau jam 14.45 WIB. Daerah  puncak  pengukuran  temperatur  terjadi  mulai  menit  ke  180  sampai  menit  ke  240.  Pada  menit  tersebut, temperatur lingkungan mencapai puncaknya dan demikian juga temperatur air, sehingga perbedaan antara temperatur air  dan  temperatur  lingkungan  berada  pada  nilai  yang  paling  kecil.  Kondisi  tersebut  menyebabkan heat  loss dari absorber ke udara lingkungan juga paling kecil.
Selanjutnya, setelah menit ke 240 sampai menit ke 300, temperatur lingkungan jauh lebih rendah dibanding periode sebelumnya sehingga perbedaan antara temperatur air dan temperatur lingkungan berada pada nilai yang lebih besar daripada  periode  sebelumnya.  Kondisi  tersebut  menyebabkan heat  loss dari  absorber  ke  udara  lingkungan  juga semakin besar. Dengan heat loss yang lebih besar daripada periode sebelumnya maka temperatur air juga semakin menurun seiring turunnya temperatur lingkungan.
Perhitungan luas area reflektor cermin A1 dapat dihitung dengan persamaan berikut[11, 12]:
Jika posisi tabung absorber diletakkan di titik fokus reflektor y adalah 56 cm dan kedalaman reflektor p adalah 6 cm, maka luasan reflektor dapat dihitung dengan uraian sebagai berikut:
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2021 Nailul ‘ Atifah, Studi Eksperimen Pemanas Air Tenaga Surya Tipe Concentrated Parabolic
Perhitungan luas absorber A 2 adalah sebagai berikut
Dengan:
D : Diameter Absorber (cm) L : Ketinggian Absorber (cm)
Maka perhitungan luas absorber A2 yang memiliki diameter D 15 cm dan tinggi L 16 cm dapat diuraikan sebagai berikut:
Fraksi radiasi dari dari reflektor parabola ke tabung absorber F 21 dapat dihitung dengan persamaan berikut[13, 14]:
Reflektansi  reflektor yang terbuat dari cermin adalah  sekitar 80%  - 97%[15]. Nilai reflektansi dari cermin yang dipotong- potong diasumsikan paling maksimum adalah 75% dikarenakan pantulannya yang tidak sempurna.  Jika intensitas rata-rata radiasi matahari untuk wilayah Jabodetabek adalah sekitar 5 kWh/m2 /hari, dengan jam bersinarnya matahari rata-rata sehari diasumsikan adalah 12 jam, maka dapat dikonversikan nilainya menjadi 416,67 Watt/m2. Dengan demikian daya input dari sistem pemanas air tenaga surya dengan reflektor tipe  concentrated parabolic  pada penelitian ini dapat  dihitung berdasarkan persamaan berikut:
Waktu  operasi  proses    pemanasan air pada  sistem pemanas air tipe  concentrated parabolic adalah selama 5 jam.  Dengan demikian energi input termal dapat ditentukan berdasarkan persamaan berikut:
t P E in in . =
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2021 Nailul ‘ Atifah, Studi Eksperimen Pemanas Air Tenaga Surya Tipe Concentrated Parabolic
kJ
E in 517 , 523 =
Panas yang dipantulkan dari reflektor yang kemudian mengenai absorber silinder wadah air melalui mekanisme perpindahan panas radiasi sebesar energi input yang tekah dihitung pada bagian sebelumnya kemudian mengalami mekanisme perpindahan panas konduksi pada dinding absorber dan dilanjutkan dengan konveksi pada air sebagai fluida  kerjanya. Volume air yang menempati wadah absorber diisi sebanyak 75%. Dengan demikian massa air yang dipanaskan dapat dihitung dengan uraian rumus sebagai berikut:
Perpindahan panas yang diterima oleh fluida kerja air ini mengalami kenaikan suhu atau yang dinamakan dengan kalor sensibel. Kalor sensibel ini dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut[11]:
Gambar 4. menyajikan dinamika energi output yang berupa kalor sensibel terhadap waktu.
Energi Output Pemanas Air Surya Tipe Concentrated Parabolic
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 waktu (menit ke-) E n e r g i O u tp u t (k J o u le ) Qout1 (kJ) Qout2 (kJ)
Qout3 (kJ) Qout avg (kJ)
Gambar 4. Energi Output Pemanas Air Surya Tipe Concentrated Parabolic
Grafik  energi  output  memiliki  tren  yang  sama  dengan  tren  temperatur  air  karena  energi  output  sebanding  dengan  delta temperatur. Nilai energi output puncak terjadi mulai menit ke 180 sampai menit ke 240. Pada menit tersebut, energi output mencapai puncaknya karena nilai heat loss dari absorber ke udara lingkungan paling kecil. Selanjutnya, setelah menit ke 240
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2021 Nailul ‘ Atifah, Studi Eksperimen Pemanas Air Tenaga Surya Tipe Concentrated Parabolic
sampai menit ke 300, nilai energi output semakin menurun karena nilai heat loss dari absorber ke udara lingkungan lebih besar daripada periode sebelumnya. Dengan heat loss yang lebih besar daripada periode sebelumnya maka energi output semakin menurun seiring turunnya temperatur lingkungan.
Energi output rata-rata dari sistem pemanas air surya tipe concentrated parabolic ini adalah 184,418 kJoule. Dengan demikian efisiensi termal rata-rata dari sistem pemanas air ini dapat diuraikan berdasarkan persamaan berikut:

## KESIMPULAN
Dari hasil penelitian ini dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
1. Pemanas air surya tipe concentrated parabolic pada penelitian kali ini menggunakan reflektor parabola dengan diameter 56 cm dan kedalaman 6 cm. Absorber penampung air berbentuk silinder dengan diameter 15 cm dan ketinggian 16 cm.
2. Sistem pemanas air surya tipe   concentrated parabolic mampu  memanaskan air dengan volume 2,12 L dengan suhu tertinggi yang dicapai adalah 82 o C di menit ke 195 yakni pada pukul 14.15 WIB. Sedangkan temperatur rata-rata tertinggi yang dicapai adalah 74 o C di menit ke 225 yakni pada pukul 14.45 WIB.
3. Energi output rata-rata dari sistem pemanas air surya tipe concentrated parabolic adalah 184,418 kJoule  dengan efisiensi thermal rata-rata adalah 35,23 %.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Nurliyanti,  V.,  M.  Pandin,  and  B.  Pranoto, Pembuatan  peta  potensi  energi  surya. Majalah  M&E,  2012. 10(4).
2. Rumbayan, M., A. Abudureyimu, and K. Nagasaka, Mapping of solar energy potential in Indonesia using artificial  neural  network  and  geographical  information  system. Renewable  and  Sustainable  Energy Reviews, 2012. 16(3): p. 1437-1449.
3. Reddy, K., N.R. Kamnapure, and S. Srivastava, Nanofluid and nanocomposite applications in solar energy conversion  systems  for  performance  enhancement:  a  review. International  Journal  of  Low-Carbon Technologies, 2017. 12(1): p. 1-23.
4. Kasaeian,  A.,  et  al., Performance  evaluation  and  nanofluid  using  capability  study  of  a  solar  parabolic trough collector. Energy conversion and management, 2015. 89: p. 368-375.
5. Sokhansefat,  T.,  A.  Kasaeian,  and  F.  Kowsary, Heat  transfer  enhancement  in  parabolic  trough  collector tube  using  Al2O3/synthetic  oil  nanofluid. Renewable  and  Sustainable  Energy  Reviews,  2014.  33:  p.  636- 644.
6. Hatami, M., J. Geng, and D. Jing, Enhanced efficiency in Concentrated Parabolic Solar Collector (CPSC) with  a  porous  absorber  tube  filled  with  metal  nanoparticle  suspension. Green  Energy  &  Environment, 2018. 3(2): p. 129-137.
7. Soteris,  A.K., Chapter  3. Solar  energy  collectors.  Solar  Energy  Engineering.  Second  Edition.  Limassol, Cyprus. AP editorial. doi, 2014. 10.
8. Khullar, V., et al., Solar energy harvesting using nanofluids-based concentrating solar collector. Journal of Nanotechnology in Engineering and Medicine, 2012. 3(3).
9. Yang, H., et al., Potential of performance improvement of concentrated solar power plants by optimizing the parabolic trough receiver. Frontiers in Energy, 2020. 14(4): p. 867-881.
10. Akhter,  J.,  et  al., Performance  Evaluation  of  a  Modified  Compound  Parabolic  Concentrating  Collector with Varying Concentration Ratio. Heat Transfer Engineering, 2021. 42(13-14): p. 1117-1131. 11. Arora, C.P., Thermodynamics. Book, 1998.
Jurnal Teknik Mesin: CAKRAM 2021 Nailul ‘ Atifah, Studi Eksperimen Pemanas Air Tenaga Surya Tipe Concentrated Parabolic
12. Atifah,  N.  and  D.  Wulandari, Pengaruh  Diameter  Pipa  Absorber  dan  Jarak  Fokus  Reflektor  Terhadap Fraksi Radiasi pada Parabolic Trough Solar Power Plants. Proceedings Universitas Pamulang, 2017. 1(1). 13. Atifah, N., Rancang Bangun dan Studi Eksperimen Pemanas Air Tenaga Matahari dengan Reflektor Busur Seperempat Lingkaran. Cakram, 2018. 2 (Oktober).
14. Incropera, F.P., et al., Fundamentals of heat and mass transfer. 2007. Hoboken, NJ: John Wiley, 1985: p. 939-40.
15. Meyen,  S.,  et  al., Standardization  of  solar  mirror  reflectance  measurements-round  robin  test .  2010, National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States).