## Performansi kolektor surya pelat datar unglazed pemanas air
Rustam Efendi 1
1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sulawesi Tenggara, Indonesia Jalan Kapten Piere Tendean No. 109A, Baruga, Kendari, Sulawesi Tenggara 93563
Email korespondensi: rustamefenditm@un-sultra.ac.id

## Abstrak
Energi surya merupakan energi yang tersedia sepanjang  tahun di Indonesia. Pemanen energi surya dapat dilakukan dengan menggunakan kolektor surya. Kajian ini menguji kinerja kolektor surya pelat datar unglazed untuk mengetahui kemampuan kinerja kolektor surya dalam proses pemanasan air. Metode kajian menggunakan metode  eksperimental,  di  mana  air  dialirkan  melalui  kolektor  surya  menggunakan  pompa  dan  suhu  diukur menggunakan  termokopel  yang  terhubung  dengan  DAQ  NI-9178  serta  pengukuran  iradiasi  menggunakan pyranometer  EKO  MS-040.  Hasil  pengujian  menunjukkan  bahwa  kolektor  surya  unglazed  dengan  sistem resirlukasi dapat terus meningkatkan suhu pada tangki air secara kontinyu hingga diperoleh suhu maksimal air 65.42 °C pada siang hari. Performansi kolektor tipe unglazed selalu menghasilkan ΔT yang positif yang artinya suhu air berapapun yang melewati kolektor surya selalu meningkat selama terdapat iradiasi matahari.
Kata kunci : energi surya, energi berguna, iradiasi, kolektor surya pelat datar unglazed.

## Abstract
Solar energy is energy that is available all year round in Indonesia. Harvesting solar energy can be done using a solar collector. This study tested the performance of the unglazed flat plate solar collector to determine the performance  of  the  solar  collector  in  the  water  heating  process.  The  research  method  uses  an  experimental method,  where  water  is  flowed  through a  solar  collector  using  a  pump  and  temperature  is  measured  using  a thermocouple connected to the DAQ NI-9178 and irradiation measurements using a pyranometer EKO MS-040. The test results showed that the unglazed solar collector with a recirculation system could continue to increase the temperature in the water tank continuously until the maximum water temperature was reached with the value of 65.42 °C during the day. The performance of the unglazed collector always produced a positive ΔT, which means that any water temperature that passes through the solar collector always increased as long as there was solar irradiation.
Keywords : irradiation, solar energy, useful energy, unglazed flat plate solar collector.

## 1. Pendahuluan
Energi surya merupakan salah satu energi terbarukan dan memiliki ketersediaan yang melimpah sepanjang tahun  di  Indonesia  serta  bisa  dimanfaatkan  sebagai sumber  utama  dalam proses pemanasan  air.  Metode pemanasan  air  dengan  prinsip  pindah  panas  dengan sistem  asas  black  yang  memiliki  kemampuan menyerap  panas.  Proses  pindah  panas  yang  terjadi adalah radiasi, konveksi, dan konduksi [1]. Salah satu usaha pemanfaatan energi surya sebagai pemanas air yakni dengan menggunakan sistem kolektor surya [2].
Kolektor  surya  merupakan  salah  satu  alat  yang mampu  mengkoversi  energi  surya  menjadi  energi panas dalam hal ini menyerap panas  dengan prinsip pindah  panas  [3].  Kolektor  surya  dapat  digunakan untuk  pemanas  air  atau water  heater [2].  Kolektor surya dengan konstruksi yang  mudah dirancang dan dari  segi  biaya  relatif  murah  adalah  kolektor  surya pelat datar [4]. Selain itu penggunaan kolektor surya pelat  datar unglazed memiliki  kemampuan  secara langsung  menyerap  energi  panas  dari  iradiasi matahari  tanpa  penghalang  dibandingkan  dengan kolektor  surya  menggunakan  penutup  ( glazed )
terhalangi oleh kaca atau penutup transparan sehingga penyerapan  energi  panas  lebih  lambat  [2,  5]. Penggunaan  kolektor  surya  pelat  datar  sangat mungkin  digunakan  dengan  pertimbangan  cuaca  di suatu tempat [6]. Berbagai kajian kolektor surya pelat datar  menunjukkan  bahwa  kolektor  surya  memiliki kemampuan  yang  baik  dalam  proses  pemanasan  air dan udara [5, 7, 8].
Berdasarkan  informasi  tersebut,  kajian  ini  menguji kinerja  kolektor  surya  pelat  datar  untuk  pemanasan air. Tujuan kajian ini adalah menguji kinerja kolektor surya  pelat  datar unglazed untuk  pemanas  air  pada kondisi cuaca yang cerah. Manfaat kajian ini adalah mengetahui  proses  pemanenan  energi  surya  untuk menghasilkan  energi  panas  dalam  hal  ini  adalah pemanasan air.

## 2. Metode

## Bahan dan Metode
Kajian ini menggunakan peralatan pengujian kinerja kolektor. Peralatan untuk pengujian kinerja kolektor surya antara lain: (1) Modul National Instrument (NI cDAQ-9178) digunakan untuk pembacaan data pada
saat pengukuran suhu, (2) termokopel tipe-K sebagai sensor untuk pengukuran suhu yang dihubungkan ke Modul  National  Instrument  (NI  cDAQ-9178)  dan terunduh ke komputer, (3) pyranometer EKO MS-040 untuk mengukur iradiasi surya,(4) flowmeter sebagai alat  untuk  mengukur  laju  aliran  debit  air,  (5) gate valve berfungsi  untuk  mengatur  debit  air,  (6)
anemometer merek Kanomax-6501 untuk mengukur kecepatan  angin  dan  (7)  tiga  buah water  heater berfungsi  untuk  memanaskan  air  di  dalam  tangki. Bahan yang digunakan pada kajian ini adalah (1) satu buah  kolektor  surya  pelat  datar unglazed dengan dimensi  3  x  1  m,  (2)  satu  buah  tangki  kapasitas  20 liter.
Gambar 1 . Sistem kolektor surya pelat datar: (a) tangki air, (b) pompa air, (c) kolektor surya, (d) modul National Instrument (NI cDAQ-9178).

## Prosedur Pengujian
Pengujian kinerja kolektor surya pelat datar unglazed dilakukan  dengan  melakukan  pengaturan  awal instalasi  kolektor  surya  pelat  datar unglazed yang terhubung  dengan  satu  buah  pompa  dan  satu  buah tangki berkapasitas 20 liter. Pompa dinyalakan untuk memompa air menuju inlet kolektor, debit air diatur menggunakan gate  valve dan by pass . Pengujian ini berlangsung selama 8 jam, yakni dari pukul 08:00 – 16:00  WIB.  Sistem  sirkulasi  yang  digunakan  pada pengujian  ini  adalah  resirkulasi  dengan  laju  aliran debit  6  LPM. Setup pengujian  kolektor  surya  pelat datar unglazed dapat  dilihat  pada  Gambar  2. Setup pengujian terdiri atas (Gambar 2), tangki berkapasitas 20  liter  (1), stop  valve berfungsi  sebagai  pengatur debit air (2), pompa air (3), by pass berfungsi sebagai saluran  pembalik  sisa  air  yang  tidak  diteruskan  ke kolektor (4), gate valve pengatur debit menuju by pass (5), gate valve mengatur debit air menuju flowmeter (6),  termokopel  mengukur  suhu  air inlet dan outlet kolektor (7), flowmeter mengukur laju aliran air (8), unit  kolektor  surya  pelat  datar unglazed sebagai pemanas  air  (9),  anemometer  mengukur  kecepatan
angin  di  atas  kolektor  (10),  dan  pyranometer mengukur iradiasi surya (11).
Kolektor surya pelat datar unglazed diuji pada kondisi cuaca  cerah  dan  sudut  kemiringan  6  derajat. Parameter  yang  diukur  meliputi:  suhu inlet ,  suhu outlet, suhu lingkungan, iradiasi surya, diukur setiap detik  dan  laju  aliran  air  diatur  sejak  pengujian dimulai.
Energi berguna ( Qu ) yang berasal dari kolektor surya pelat  datar  merupakan  energi  yang  dapat dimanfaatkan  dalam  proses  pemanasan  fluida  kerja. Energi  berguna  yang  diterima  oleh  kolektor  surya dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (1).
Q u =m ̇ c p (T fi -T fo ) (1)
ṁ  = laju aliran massa air (kg/s)
Cp  = panas jenis (kj/kg °C)
T fi = Suhu inlet (°C)
T fo = Suhu oulet (°C)
(a) (b) (c) (d)
Laju  aliran  massa  dihitung  dengan  menggunakan persamaan (2):
ṁ=Vair. ρair (2) V  = laju aliran debit (m³/s) ρ = massa jenis air (kg/m³)
Perhitungan konveksi kehilangan panas karena angin ( hw ) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (3) [3].
ℎ𝑤 = 5,7 + 3,8 𝑣
(3)
v = kecepatan angin (W/m 2 . ° C) KSPDU Stop valve Pump V1 By pass Tank V alve by pass F1 anemometer pyranometer (1) (2) (3) (5) (6) (4) (7) (7) (8) (9) (10) (11)
Gambar 2 . Skema setup pengujian kolektor surya pelat datar unglazed .

## 3. Hasil Dan Pembahasan

## Beda Suhu Inlet dan Outlet
Suatu  sistem  pindah  panas  dapat  dikatakan menghasilkan  energi  panas  apabila  suhu outlet memiliki  suhu  yang  lebih  tinggi  dibandingkan  suhu inlet .  Pada  Gambar  3  menunjukkan  bahwa ΔT mengalami  peningkatan  sesuai  dengan  waktu  dan iradiasi  yang  didapatkan  pada  saat  proses  pengujian berlangsung.  Pada  proses  pengujian  ini  pun menunjukkan ΔT yang  didapatkan  positif  karena pengujian berlangsung pada kondisi cuaca yang cerah artinya  kolektor  surya  tetap  bekerja  dengan  baik meskipun  tetap  terjadi  pelepasan  panas  baik  secara konduksi maupun konveksi.
Gambar 3 . Perbedaan suhu inlet dan suhu outlet ( ΔT ) terhadap waktu.

## Energi Berguna Kolektor Surya Pelat Datar
Energi  berguna  kolektor  surya  terus  mengalami peningkatan  seiring  dengan  meningkatnya  iradiasi surya  yang  sedang  terjadi.  Hal  ini  memperlihatkan bahwa sistem kolektor surya bekerja dengan baik, di mana Qu kolektor tetap dalam posisi positif (Gambar 4).
Gambar 4 . Energi berguna kolektor surya.
Suhu  (Inlet,  Lingkungan,  Outlet,  dan  Pelat Absorber)
Peningkatan suhu ( inlet , lingkungan, outlet , dan pelat absorber) sangat bergantung pada kondisi cuaca saat pengujian. Gambar 5 menunjukkan grafik peningkatan  suhu  yang  berbentuk  seperti  parabola, hal ini dikarenakan pengujian dilakukan pada kondisi
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 8:0 0 9:0 0
10 :0 0 11 :0 0 12 :0 0 13 :0 0 14 :0 0 15 :0 0 16 :0 0 Δ T ( ℃ ) Waktu (jam) 0 200 400 600 800 1000 8:0 0 9:0 0 10 :0 0 11 :0 0 12 :0 0 13 :0 0 14 :0 0 15 :0 0 16 :0 0 Q u K ol ek to r (W /m ²)
Waktu (jam)
cuaca yang cerah. Pengujian ini berlangsung selama 8 jam  dan  tangki  air  tidak  diinsulasi  sehingga  suhu outlet terlihat  tidak  begitu  tinggi  karena  panas sensibel yang dimiliki oleh air dilepaskan begitu saja. Peningkatan  dan  penurun  suhu  sangat  bergantung pada tinggi rendahnya iradiasi. Suhu akan mengalami peningkatan  apabila  iradiasi  yang  didapatkan  terus mengalami  peningkatan  begitupun  sebaliknya. Konveksi kehilangan panas karena angin ( hw ) selama pengujian berlangsung adalah 10,06 W/m 2 .°C.
Gambar 5 . Variasi suhu inlet , lingkungan, oulet , pelat absorber kolektor surya.

## Tangki Penyimpanan Air
Selama  proses  pengujian  berlangsung  air  di  dalam tangki  mengalami  peningkatan  suhu  seiring  dengan iradiasi  yang  didapatkan  (Gambar  6).  Peningkatan suhu  terjadi  apabila  iradiasi  meningkat  begitu  juga ketika iradiasi mengalami penurunan maka suhu air di dalam tangki juga akan mengalami penurunan. Tren grafik pada kajian  ini  membentuk  seperti parabolik. Hal ini sesuai dengan kondisi cuaca pengujian yang cerah. Range suhu air di dalam tangki adalah 30-65℃.
Gambar 6 . Suhu air di dalam tangki.

## 4. Kesimpulan
Pengujian kolektor surya pelat datar unglazed dengan sistem  resirkulasi  dan  tangki  tanpa  diinsulasi  telah dilakukan.  Hasil  pengujian  menunjukkan  bahwa
kolektor  surya unglazed dengan  sistem  resirlukasi dapat terus meningkatkan suhu pada tangki pemanas air  secara  kontinu  hingga  diperoleh  suhu  maksimal 65,42°C  pada  siang  hari.  Performansi  kolektor  tipe unglazed selalu  menghasilkan ΔT yang  positif  yang artinya  suhu  air  berapapun  yang  melewati  kolektor surya  selalu  meningkat.  Besarnya  peningkatan  suhu berkisar antara 0,27 °C – 1,91 °C dimana peningkatan terbesar  terjadi  pada  siang  hari.  Untuk  keperluan pemanfaatan air panas dalam tangki, direkomendasikan untuk menggunakan insulasi pada tangki  agar  kehilangan  panas  pada  tangki  bisa seminimal  mungkin  sehingga  air  panas  dapat digunakan untuk keperluan air mandi atau kebutuhan yang lainnya pada waktu kapan saja.

## Daftar Pustaka
[1] Cengel  YA,  Ghajar  AJ.  Heat  and  Mass Transfer : Fundamentals & Applications. New York  McGraw-Hill Education; 2003.
[2] Syahruddin AS, Jalaluddin J, Hayat AJEIJoE. Performance Analysis Of Solar Water Heating System  With  Plate  Collector  Integrated  Pcm Storage. 2020;3(2):143-9.
[3] Duffie  JA,  Beckman  WA.  Solar  Engineering Of  Thermal  Processes.  4  ed.  New  York  J Wiley; 1980. Medium: X; Size: Pages: 772 p.
[4] Ji X, Li M, Lin W, Zheng T, Wang Y. Effect of  Installation  of  Solar  Collector  on Performance  of  Balcony  Split  Type  Solar Water Heaters. Int J Photoenergy. 2015;2015:865041.
[5] Efendi  R.  Kajian  Kombinasi  Kolektor  Surya Pelat  Datar  Glazed  dan  Unglazed  Untuk Pemanasan  Udara  [Tesis].  Bogor:  Institut Pertanian Bogor; 2019.
[6] Alghurabe  MJ,  Al-Shamkhee  DM,  Alsahlani AA,  editors.  Experimental  and  Numerical Study of Thermal Performance for Flat Plate Solar Water Heater in Najaf. IOP Conference Series:  Earth  and  Environmental  Science; 2021: IOP Publishing.
[7] Efendi R, Nelwan LO, Wulandani D. Analisis Teknis  Kolektor  Surya  Tipe  Pelat  Datar Glazed  dan  Unglazed  pada  Berbagai  Laju Aliran  Debit  dan  Suhu  Inlet.  JTEP. 2019;7(1):113-20.
[8] Nelwan  LO,  Wulandani  D,  Subrata  IDM, Effendi  R.  Steady  state  simulation  on combination of glazed and unglazed flat plate solar  collectors  for  air  heating.  IOP Conference  Series:  Earth  and  Environmental Science. 2020;542:1-10.
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 8 :0 0 9 :0 0 1 0 :0 0 1 1 :0 0 1 2 :0 0 1 3 :0 0 1 4 :0 0 1 5 :0 0 1 6 :0 0 S uh u (° C ) Waktu (WIB) Suhu Inlet Suhu Outlet Suhu Lingkungan Suhu Pelat Absorber 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 8:0 0 9:0 0
10 :0 0 11 :0 0 12 :0 0 13 :0 0 14 :0 0 15 :0 0 16 :0 0
S uh u T an gk i ( ℃ )
Waktu (WIB)