ISSN  0216-7492

## KAJIAN PENGARUH SUDUT PENYINARAN PADA ALAT PEMANAS AIR TENAGA SURYA SISTEM PIPA PANAS
Manuel J. H. Purba 1 , Farel H.Napitupulu 2 , Syahril Gultom 3 , Pramio G. Sembiring 4 1,2,3,4 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara E-mail : manueljhonhamonanganpurba@yahoo.com

## ABSTRAK
Energi  surya  yang  sampai  kepermukaan  bumi,  dapat  dikumpulkan  dan  diubah  menjadi  energi  panas yang  berguna  melalui  bantuan  suatu  alat  yang  disebut  kolektor  surya.    Kolektor  termal  surya merupakan  suatu  peralatan    yang    digunakan  untuk  menyerap  energi  surya,    yang    kemudian mengubah energi surya menjadi energi termal,  dan mentransfer energi tersebut ke fluida kerja untuk kemudian  digunakan  secara  langsung  atau  disimpan  terlebih  dahulu  pada  suatu  unit  penyimpanan panas.  Dalam  aplikasinya  kolektor  termal  surya  banyak  digunakan  sebagai  alat  pemanas    air    pada rumah-rumah. Air panas dibutuhkan oleh masyarakat luas, misalnya untuk air mandi ataupun mencuci barang  yang  berlemak  dimana  lebih  mudah  melarutkannya  dalam  sabun  dengan  menggunakan  air hangat dibandingkan dengan air dingin. Pada umumnya air panas diperoleh dengan cara memasak air dengan  menggunakan  bahan  bakar.  Perlu  diketahui penggunaan  bahan bakar,  yang  umumnya adalah bahan bakar fosil akan menimbulkan polusi udara, yaitu terbentuknya CO, CO 2 dan lain-lain.Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan kolektor surya dengan ukuran 1,16 m x 0,80 m x 0,21 m. Kolektor surya  terdiri  dari  lapisan  kayu  (Triplek),  sterofoam  dan  rockwoll  sebagai  isolator,  plat  alumunium sebagai  penyerap  panas  dan  kaca  sebagai  penutup.  Selain  kolektor,  dirancang  juga  ruang penampungan sebagai tempat pemanas air dengan ukuran 0,80 m x 0,45 m x 0,23 m dengan volume tampungan  5  liter.  Pengujian  dilakukan  selama  12  hari  pada  kondisi  cuaca  cerah.Pengujian  pertama dilakukan pada posisi sudut horizontal, Pengujian kedua pada sudut 45 0 ,pengujian ketiga pada sudut 60 0 .Pengujian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  efisiensi  terbesar  kolektor  dari  tiga  pariasi  sudut  yang dilakukan.Hasil  dari  penelitian  ini  didapatkan  sudut  terbaik  yaitu  pada  sudut  45 0 dengan  suhu  air mencapai 59,60 0 C
Kata Kunci: Pemanas Air, Kolektor Surya, Pindahan Panas

## 1. PENDAHULUAN
Sekitar setengah energi matahari masuk mencapai permukaan bumi. Bumi menerima 174 peta  watt  (PW)  radiasi  matahari  masuk  di  bagian  atas  atmosfer.  Sekitar  30%  tercermin kembali  ke  ruang  sementara  sisanya  diserap  oleh  awan,  samudra,  dan  tanah.  Total  energi matahari yang diserap oleh awan, samudra, dan tanah adalah sekitar 3,850,000 exa joules (EJ) per  tahun.  Jumlah  energi  surya  mencapai  permukaan  bumi  begitu  luas.  Bila  dibandingkan, energi surya dua kali lebih banyak daripada semua sumber non-terbarukan seperti batu bara, minyak, gas alam, dll.
Energi    surya    adalah    energi    yang    didapat    dengan    mengubah    energi    panas    surya (matahari) melalui  peralatan  tertentu  menjadi  sumber  daya dalam bentuk lain. Energi surya menjadi salah satu sumber  pembangkit  daya  selain  air,  uap,  angin, biogas,  batu  bara,  dan minyak    bumi.  Energi    surya  sangat    luar    biasa    karena    tidak    bersifat    polutif,  bersifat kontinyu, dan tak dapat habis.
Energi  surya  yang  sampai  ke  permukaan  bumi,  dapat    dikumpulkan    dan    diubah menjadi  energi panas yang berguna melalui  bantuan suatu alat yang disebut  kolektor  surya. Kolektor    termal    surya  merupakan    suatu    peralatan    yang    digunakan    untuk  menyerap energi    surya,    yang    kemudian  mengubah  energi    surya    menjadi    energi    termal,    dan mentransfer    energi    tersebut    ke    fluida    kerja    untuk  kemudian  digunakan  secara  langsung atau  disimpan  terlebih  dahulu  pada  suatu  unit  penyimpanan  panas.  Dalam    aplikasinya kolektor  termal  surya  banyak digunakan  sebagai  alat  pemanas  air  pada  rumah-rumah.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Energi  adalah  sesuatu  yang  bersifat  abstrak  yang  sukar  dibuktikan,  tetapi  dapat dirasakan.Energi  tidak  dapat  pula  diciptakan  dan  dimusnahkan.  Namun,semua  energi  dapat diubah  dari  bentuk  yang  satu  ke  bentuk  yang  lain  [1]  Oleh  karena  itu,  hukum  kekekalan energi menyatakan energi total sistem tetap konstan, meskipun energi dapat berubah menjadi bentuk lain.
Secara  umum  energi  dapat  dikategorikan  menjadi  beberapa  macam,yaitu  energi mekanis,listrik, elektromagnetik,kimia,nuklir,dan surya.
Energi  surya  merupakan  energi  yang  bersumber  dari  matahari  dan  merupakan  energi terbesar  yang  diterima  bumi.  Energi  matahari  mempengaruhi  pola  cuaca,  arah  angin, gelombang  laut,  dan  iklim.  Energi  surya  sampai  ke  bumi  dalam  bentuk  radiasi  matahari. Energi matahari juga mempengaruhi terbentuknya energi lain seperti energi angin dan energi gelombang laut.
Pemanas  air  tenaga  surya  (PATS)  merupakan  produk  teknologi  yang  memanfaatkan energi  termal  surya  yang  cukup  populer  dan  banyak  digunakan,  terutama  di  hotel,  villa peristirahatan  hingga  perumahan.  Seiring  dengan  itu,  mulai  beredar  beberapa  merek  PATS domestik maupun impor yang banyak dipasarkan di masyarakat. Untuk perlindungan terhadap konsumen,  telah  dikeluarkan  Standar  Nasional  Indonesia  (SNI)  yaitu SNI  04-3020-1992 , berupa uji mutu sistem PATS yang diharapkan memberikan gambaran pada masyarakat akan mutu PATS yang dipasarkan [2].

## Cara Kerja Alat PATS
Cara  kerja  alat  pemanas  air  tenaga  surya  sistem  pipa-panas  dengan  media  pemanas refirgeran, Dengan didasari oleh teori efek rumah kaca, maka efektifitas pengumpulan panas bisa  ditingkatkan.Sehingga  energi  panas  yang  dipancarkan  oleh  matahari  diserap  dan dikumpulkan  untuk  ditingkatkan  temperaturnya  oleh  kolektor.  Panas  tersebut  dialirkan terhadap pipa tembaga yang berisi refrigeran, kemudian refrigeran akan menjadi panas [4] .
Dengan  memanfaatkan  efek  termosiphon  dari  refrigeran,  maka  refrigeran  yang  panas akan  mengalami  penurunan  berat  jenis  atau  perubahan  fasa  dari  cair  menjadi  gas.  Akibat perubahan berat jenis dan perubahan wujud maka refrigeran tersebut akan naik ke bagian atas dan akan memanasi air yang ada pada tangki penyimpan air.
Refrigeran  pada  tangki  akan  mengalami  pendinginan  oleh  air  dengan  kata  lain  panas diserap oleh air. Oleh karena itu, air akan mengalami peningkatan berat jenis dan perubahan wujud  dari  gas  menjadi  cair.  Hal  itu  akan  mengakibatkan  refrigeran  akan  turun  kembali menuju  kolektor.  Kemudian  dipanaskan  oleh  matahari  kembali.  Hal  itu  akan  terjadi  secara terus – menurus hingga air menjadi panas.
Cara  kerja  alat  pemanas  air  tenaga  surya  sistem  thermosiphon . Pada  saat  matahari bersinar, kolektor menangkap sinar matahari dan secara mekanis mengalirkan panas ke pipa-
pipa tembaga yang berisi refrigeran , sehingga suhu air di dalamnya perlahan meningkat. Air yang  lebih  panas  akan  bergerak  ke  atas  memasuki  tangki  penyimpanan  dan  air  yang  lebih dingin akan turun memasuki rangkaian pipa tembaga untuk dipanaskan. Begitu seterusnya air bergerak  sendiri  sampai  seluruh  air  dalam  tangki  penyimpanan  mencapai  suhu  yang diinginkan. Ketika suhu air panas di tangki penyimpanan sama dengan suhu air panas di panel kolektor, dengan sendirinya air berhenti mengalir.

## Energi Berguna Kolektor
Untuk  menghitung  energi  yang  diserap  atau  energi  yang  berguna  untuk  kolektor  alat pemanas  air  tenaga  surya  terlebih  dahulu  diketahui  bagaimana  proses  distribusi  energy matahari yang dialami oleh kolektor itu sendiri. Hal itu dapat dilihat sebagai berikut:
Gambar 2.3. Ilustrasi Panas yang Diserap oleh Absorber Alat Pemanas Tenaga Surya
Pada  gambar  di  atas  dapat  kita  lihat  bahwa  panas  matahari    (Q incident )  sebagian dipantulkan  ke  atmosfir  dan  sebagian  lagi  diserap  oleh  kolektor.  Panas  yang  diserap  oleh kolektor  (Q abs )  inilah  yang  akan  digunakan  untuk  memanaskan  refrigeran.  Besarnya  Q incident dapat dihitung dengan menggunakan rumus di bawah ini [3]:
𝑄 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡 = ∫ 𝐼 2 1 𝑑 𝑡 ...............(2.2)
Dimana : A = luas penampang dari pelat absorber (m 2 ) I  = intensitas cahaya matahari  (W/m 2 )
Sedangkan  panas  yang  diserap  oleh  absorber  dapat  ditentukan  dengan  menggunakan rumus sebagai berikut [3]:
Q abs =αQ incident ..................(2.3)
Dan panas yang dipantulkan kembali ke atmosfir adalah [3]
Q ref =(1–α)Q incident ............(2.4)
Dimana α    =  difusifitas bahan

## Energi berguna yang diberikan Kolektor ke air
Energi panas  yang sudah diterima oleh kolektor akan diberikan terhadap air. Besarnya energi tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan rumus:
Q u =m w C p,w (T w2 –T w1 )......(2.30) Dimana :
Q abs = α Q incident
Q ref = (1- α) Q incident
Q incident
m w : massa air (kg) C p,w : Panas jenis dari air (kJ/kg. 0 C) T w1 : Temperatur awal air sebelum        dipanaskan kolektor ( 0 C) T w2 : Temperatur actual setelah dipanaskan oleh kolektor ( 0 C)

## Efisiensi dari kolektor
Efisiensi  dari  kolektor  dapat  didefinisikan  sebagai  perbandingan  antara  energy berguna  yang  diberikan  Kolektor  ke  air  dengan  panas  incident.  Hal  itu  dapat  dirumuskan sebagai berikut:
Ƞ=m w C p,w (T w2 –T w1 )Q incident .......(2.6)

## Sifat Refrigeran R-718
Tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau pada kondisi standar, yaitu pada tekanan 100 kPa (1 bar) dan temperatur 273,15 K (0 °C).

## 3. METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Tempat Penelitian
Penelitian  ini  dilaksanakan  di  Lantai  4  gedung  Magister  Teknik  Mesin  Fakultas Teknik  Universitas  Sumatera  Utara.  Adapun  letak  penelitian  ini  seperti  ditunjukkan  pada gambar berikut

## Waktu Penelitian
Penelitian  ini    dilaksanakan  selama  3  bulan,  yaitu  mulai  bulan  Juni  2014  sampai Agustus  2014.    Hal  itu  sudah  termasuk  penyediaan  bahan  dan  pengolahan  data  hasil penelitian.

## Alat dan Bahan Pengujian yang Digunakan
Peralatan Pengujian Adapun beberapa alat pengujian yang digunakan adalah: 1. AlatPemanas air, terdiri dari:
Kolektor
Tanki penampungan air
2. Pressure gauge
Digunakan  untuk  mengukur  tekanan  refrigeran  yang  ada  pada  pipa  sirkulasi refrigeran.
3. Pompa Vacum Digunakan untuk memeriksa apakah ada kebocoran pada pipa sirkulasi refrigeran.
4. Agilient 34972 A
Alat  ini  dihubungkan  dengan  termokopel  yang  dipasang  pada  titik-titik  yang  akan diukur  temperaturnya.  Pencatatan  data  pengukuran  disimpan  pada flashdisk yang dihubungkan pada bagian belakang alat ini.
5. Hobo Microstation Data Logger
Alat  ini  di  hubungkan  kedata  logger  untuk  kemudian  dihubungkan  kekomputer  untu diolah datanya.
6. Laptop Digunakan untuk  menyimpan dan mengolah data  yang telah didapatkan dari Agilient 34972 A .

## Metode Pengumpulan Data
Prosedur pengujian dapat diuraikan sebagai berikut ini:
1. Prosesassembling/  penyambungan  semua  komponen  alat  pemanas  air  tenaga  surya. Dipastikan semua komponen terpasang dengan baik, terutama pada kaca. Agar panas tidak hilang dari kolektor.
2. Kemudian  dipasang  termokopel  agilent.  Pada  kolektor  3  titik,  yaitu  pada  tekanan  0 CmHg,  20  CmHg,  dan  30  CmHg.  Pada  tangki  air  3  titik,yaitupadatangki penampungan air.penelitian ini dilakukan pada tiga susut penyinaran yaitu pada tahap petama pada sudut 0 0 , tahap keduan pada sudut 45 0 ,tahap ketiga pada sudut 60 0
3. Setiap  tangki  air  diisi  air  sebanyak  5liter.Kemudian  Agilent  dihidupkan,  kemudian flashdisc dihubungan ke agilent.
4. Pengujian dilakukan mulai pukul 8:00 hingga 17:00.
5. Sebelum  melakukan  penelitian  dilakukan  pemeriksaan  peralatan  untuk  mengetahui apakah peralatan pengujian berfungsi dengan baik.
6. Setelah  penelitian,flasdisc  dicabut  dari  agilent.Kemudian  data  hasil  pengujian  diolah menggunakan microsof excel. Sehingga didapat data.Data yang diperoleh berupa nilai intensitas  matahari  yang  diserap  tiap  kolektor  dan  panas  yang  diserap  air  da\ri  tiap kolektor.

## 4. HASIL PENGUJIAN
Pengujian Pada tanggal 20 Juni 2014

## Gambar 4.1 Grafik temperatur vs waktu tanggal 11 Juni 2014
Temperatur  tertinggi  absorber  adalah  80°C  berada  pada  chanel  9,  pada  pukul  10.47. Temperatur terendah mencapai 30,50 °C pada chanel 1, yaitu pada pukul 08.00 WIB.
Pada  kolektor  dengan  tekanan  0  CmHg,  temperatur  tertinggi  adalah  64,90  °C  pada pukul  12.16  WIB,  temperatur  terendah  adalah  30,50  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata temperaturnya  53,13  °C,  dengan  temperatur  air  maksimun  38,90°C  pada  pukul  14.35  WIB, dan  temperatur  terendah  adalah  27,50  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata  temperatur  air adalah 36.20°C.
Pada  kolektor  dengan  tekanan  20  CmHg,  temperatur  tertinggi  adalah  55,80  °C  pada pukul  11.55  WIB,  temperatur  terendah  adalah  34,70  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata temperaturnya 47,26 °C, dengan temperatur air maksimun 38°C pada pukul 15.06 WIB, dan temperatur  terendah  adalah  28  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata  temperatur  air  adalah 35,00 °C.
Pada  kolektor  dengan  tekanan  30  CmHg,  temperatur  tertinggi  adalah  100  °C  pada pukul  10.47  WIB,  temperatur  terendah  adalah  31  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata temperaturnya  71,36  °C,  dengan  temperatur  air  maksimun  37,70°C  pada  pukul  14.39  WIB, dan  temperatur  terendah  adalah  27,90  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata  temperatur  air adalah 27 °C.

## Data Hasil Pengujian Tanggal 24 Juni 2014
Gambar 4.2 Grafik temperatur vs waktu tanggal 24 Juni 2014
Temperatur tertinggi absorber adalah 100 °C berada pada chanel 9, pada pukul 12.30 Temperatur terendah mencapai 26 °C pada chanel 1, yaitu pada pukul 08.00 WIB.
Pada  kolektor  dengan  tekanan  30  CmHg,  temperatur  tertinggi  adalah  88,10  °C  pada pukul  12.45  WIB,  temperatur  terendah  adalah  26  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata temperaturnya  51,23  °C,  dengan  temperatur  air  maksimun  59,90°C  pada  pukul  14.26  WIB, dan  temperatur  terendah  adalah  26,70  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata  temperatur  air adalah 52,30°C.
Pada  kolektor  dengan  tekanan  20  CmHg,  temperatur  tertinggi  adalah  79,80  °C  pada pukul  12.49  WIB,  temperatur  terendah  adalah  30  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata temperaturnya  41,25  °C,  dengan  temperatur  air  maksimun  56,30°C  pada  pukul  14.20  WIB, dan  temperatur  terendah  adalah  27,50  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata  temperatur  air adalah 50 °C.
Pada  kolektor  dengan  tekanan  0  CmHg,  temperatur  tertinggi  adalah  56,70  °C  pada pukul  10.05  WIB,  temperatur  terendah  adalah  28,10  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata temperaturnya  66,41°WIB,  dengan  temperatur  air  maksimun  41°C  pada  pukul  13.06  WIB, dan temperatur terendah adalah 27 °C pada pukul 08.00 WIB. Rata-rata temperatur air adalah 42,63 °C
Data Hasil Pengujian Pada sudut Penyinaran 60 0 Tanggal 04 Juli 2014
Gambar 4.3 Grafik temperatur vs waktu tanggal 04 Juli 2014
Temperatur tertinggi absorber adalah 100 °C berada pada chanel 9, pada pukul 11.17. Temperatur terendah mencapai 31,00 °C pada chanel 9, yaitu pada pukul 08.00 WIB.
Pada kolektor dengan tekanan 30 CmHg, temperatur tertinggi adalah 90 °C pada pukul 14,35  WIB,  temperatur  terendah  adalah  28  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata temperaturnya  47,29  °C,  dengan  temperatur  air  maksimun  56,70°C  pada  pukul  14,25  WIB, dan  temperatur  terendah  adalah  26,70  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata  temperatur  air adalah 36,32°C.
Pada kolektor dengan tekanan 20 CmHg, temperatur tertinggi adalah 80 °C pada pukul 12.38  WIB,  temperatur  terendah  adalah  33,40  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata temperaturnya  47,48  °C,  dengan  temperatur  air  maksimun  52,50°C  pada  pukul  14.35  WIB, dan  temperatur  terendah  adalah  27,50  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata  temperatur  air adalah 35,75 °C.
Pada kolektor dengan tekanan 0 CmHg, temperatur tertinggi adalah 70 °C pada pukul 11,17  WIB,  temperatur  terendah  adalah  31  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata temperaturnya  46,50°C,  dengan  temperatur  air  maksimun  48,80°C  pada  pukul  12.43  WIB, dan  temperatur  terendah  adalah  26,80  °C  pada  pukul  08.00  WIB.  Rata-rata  temperatur  air adalah 34,50 °C

## KESIMPULAN
Adapun kesimpulan dari penelitian ini adalah :
1. Efisiensi  terbesar  kolektor  pada  temperatur  air  maksimum  alat  pemanas  air  tenaga surya sistem pipa panas pada sudut penyinaran 0 0 (horizontal) dengan fluida sekunder R-718 yaitu pada tekanan 30 cmHg sebesar 9 %.
2. Efisiensi  terbesar  kolektor  pada  temperatur  air  maksimum  alat  pemanas  air  tenaga surya  sistem  pipa  panas  pada  sudut  penyinaran  45 0 dengan  fluida  sekunder  R-718 yaitu pada tekanan 30 cmHg sebesar 27 %.
3. Efisiensi  terbesar  kolektor  pada  temperatur  air  maksimum  alat  pemanas  air  tenaga surya  sistem  pipa  panas  pada  sudut  penyinaran  45 0 dengan  fluida  sekunder  R-718 yaitu pada tekanan 30 cmHg sebesar 24 %.
4. Dari tiga variasi sudut yang dilakukan efisiensi kolektor terbesar yaitu pada sudut 45 0 dengan tekanan 30 cmHg adalah sebesar 27 %.

## Saran
Untuk keberhasilan penelitian selanjutnya maka penulis menyarankan :
1. Kotak  isolasi  tangki  sebaiknya  dilapisi  dengan  isolasi  yang  lebih  baik  lagi  sehingga bisa seperti thermos yang bisa dipakai untuk menyimpan air panas lebih lama.
2. Penelitian  sebaiknya  dilakukan  pada  waktu  yang  tepat  yaitu  pada  waktu  yang  cerah agar didapat hasil yang maksimal.
3. Perlu ketelitian dan ketepatan dalam meletakkan thermokopel pada kolektor.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Watt, Franklin.2004. 21 st Century Science Energy . Australia
[2] Tulus B. Sitorus, Farel H. Napitupulu, Himsar Ambarita. 2017. J. Eng. Technol. Sci., Vol. 49, No. 5, 657-670.
[3] Jansen,TedJ. Arismundar,Wiranto. Teknologi Rekayasa Surya . Pradya Paramita,1995
[4] Lumban Toruan, Heri. 2012. Pengujian Proses Charging Sebuah Pemanas Air Energi Surya tipe Kotak.Departemen Teknik Mesin Usu.
[5] Sitorus  T.B.,  Napitupulu  F.H.  &  Ambarita  H.  2016.  International  Journal  of Technology, IJTech Journal, Vol. 7 Issue 5, pp. 910-920.