Journal Renewable Energy & Mechanics (REM ) E-ISSN: 2614-8315
Vol. 05 No.02 2022
P-ISSN: 2714-621X

## EXPERIMENTAL STUDY OF THE EFFECT OF ADDITION GLASS WOOL AS INSULATION MATERIAL ON THE PERFORMANCE OF FLAT PLATE TYPE SOLAR COLLECTORS

## ( STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH PENAMBAHAN GLASS WOOL SEBAGAI BAHAN INSULASI TERHADAP KINERJA KOLEKTOR SURYA TIPE PELAT DATAR )
Risse Entikaria Rachmanita 1* , Moh. Yusuf Syafi’i 1 , Haerul Ahmadi 2
1 Teknik Energi Terbarukan, Jurusan Teknik, Politeknik Negeri Jember, Indonesia
2 Jurusan Fisika, Universitas Negeri Gorontalo, Indonesia *Corresponding author: risse_rachmanita@polije.aci.d

## ABSTRACT
Clean energy sources are becoming more and more common, and the use of solar thermal  energy  is  also  increasing.  Indonesia  gets  sunlight  all  year  round  with  a radiation radiation of 4.80 kWh/m 2 . The potential of solar energy can be utilized by converting solar radiation into new energy. The flat plate solar water collector is a simple solar energy conversion system for hot water production. This study aims to determine the amount of heat energy received by the solar collector, determine the temperature of the water that comes out (T out ) on the solar collector and determine the thermal efficiency (η) on the flat plate solar collector with the addition of glass wool as an insulation material. The results showed that the highest thermal energy that  enters  the  solar  collector  is  832.58  W  and  produces  an  output  water temperature of 320.7 K or 47.7 °C. The efficiency that can be achieved by the solar collector is quite efficient, which is 47.92%.
Keyword: flat solar collector; glass wool; insulation

## ABSTRAK
Sumber  energi  bersih  menjadi  semakin  umum,  dan  penggunaan  energi  panas matahari juga meningkat. Indonesia mendapatkan sinar matahari sepanjang tahun dengan  radiasi  penyinaran  4,80  kWh/m 2 .  Potensi  energi  matahari  bisa dimanfaatkan dengan cara merubah radiasi sinar matahari menjadi energi baru. Kolektor air surya plat datar adalah sistem konversi energi surya sederhana untuk produksi  air  panas.      Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  jumlah  energi panas yang diterima oleh kolektor surya, mengetahui suhu air yang keluar (T out ) pada kolektor surya dan mengetahui efisiensi termal (η) pada kolektor surya pelat datar  dengan  penambahan  glass  wool  sebagai  bahan  insulasi.  Hasil  penelitian menunjukkan bahwa energi panas tertinggi yang masuk ke kolektor surya adalah sebesar 832,58 W dan menghasilkan output suhu air sebesar 320,7 K atau 47,7 °C. Efisiensi  yang  mampu  dicapai  oleh  kolektor  surya  cukup  efisien,  yaitu  sebesar 47,92 %.
Kata Kunci: glass wool; insulasi; kolektor surya datar

## PENDAHULUAN
Energi  matahari  dapat  secara  efektif mengurangi emisi gas rumah kaca dan mengurangi  polusi  udara  dalam ruangan yang disebabkan oleh penggunaan bahan bakar konvensional.  Ketersedian  sumber energi baru terbarukan ini bergantung pada  kondisi  iklim  serta  letak geografis masing-masing daerah (Nasruddin, 2018). Indonesia merupakan  salah  satu  negara  yang memiliki  potensi  energi  matahari besar  karena  terletak  pada  garis khatulistiwa  sehingga  mendapatkan sinar  matahari  sepanjang  tahun dengan radiasi penyinaran 400 – 1400 W/m 2 (Budiyanto, 2020).
Dalam  skala  rumah  tangga, kolektor  surya  digunakan  untuk keperluan  sehari-hari  seperti  mandi, memasak,  mencuci  peralatan  masak dan lain-lain. Tetapi dalam penggunaannya, kolektor surya belum  sepenuhnya  termanfaatkan oleh  masyarakat  karena  adanya anggapan  bahwa  kolektor  surya sebagai  alat  untuk  mengkonversi energi  surya  merupakan  barang berteknologi  tinggi  yang  harganya cukup  mahal.  Tentu  pernyataan tersebut  tidak  sepenuhnya  benar karena masih banyak faktor lain yang perlu  dipertimbangkan  khususnya untuk  jangka  waktu  yang  panjang. Hal  ini  penting  untuk  dikaji  lebih mendalam,  bagaimana  mendapatkan kolektor  surya  sebagai  heater  skala rumah  tangga  dengan  biaya  yang terjangkau untuk mereduksi penggunaan  bahan  bakar  minyak yang semakin terbatas. Kekurangan  energi  merupakan masalah  penting  yang  dihadapi semua negara, dan cara termudah dan paling efektif untuk mengatasi
masalah ini adalah dengan menghemat energi dengan mengurangi kerugian. Exergy Losses maksimum pada kolektor surya panel datar  adalah  72%,  karena  perbedaan suhu  antara    penyerap  dan  matahari (Heydari, 2018).
Kehilangan  panas  meningkat ketika  perbedaan  suhu  antara  Heat transfer  fluid  (HTF)  dan  lingkungan tinggi.  Oleh  karena  itu,  kehilangan panas  memainkan  peran  yang  cukup besar  dalam  meningkatkan  efisiensi termal secara keseluruhan dari teknologi  panas  matahari.  Teknik paling  sederhana  untuk  mengatasi masalah ini adalah dengan mengidentifikasi  dan  menggunakan bahan  isolasi  yang  baik  untuk mengurangi  kehilangan  energi  panas selama  radiasi  tinggi  jatuh  pada kolektor (Zhou, 2013).
Salah  satu  tipe  kolektor  yang paling  sering  digunakan  adalah kolektor    surya  pelat  datar.  Selain mudah dalam pembuatannya, komponen  yang  digunakan    juga mudah  untuk  didapatkan  dan  sangat efisien  untuk  pemakaian  pada  skala rumah tangga (Hidayati, 2020).
Kolektor  yang  didesain  pada penelitian ini akan dilengkapi dengan penambahan  kaca  berlapis  sebagai peredam  panas  serta  penambahan bahan  insulasi  berupa  kayu  triplek dan  glass  wool  agar  panas  dapat terisolasi  serta  mencegah  terjadinya kebocoran pada kolektor. Isolasi glass wool  memiliki  peran  penting  dalam konservasi energi kolektor pelat datar, pemanas udara tenaga surya, kompor, dan  bangunan  hemat  energi.  Hasil eksperimen menunjukkan bahwa porositas  bahan  insulasi  meningkat dan  konduktivitas  termal  menurun (Kumar, 2019).
Pada Penelitian ini dilakukan pengecatan  absorber  dengan  cat berwarna  hitam  serta  pipe  tube, sehingga membantu komponen tersebut  dalam  menyerap  panas sehingga  dapat  meningkatkan  nilai konduktivitas  termal  pada  bahan tersebut.  Kolektor  akan  dilengkapi dengan  kerangka  penyangga  yang bisa  diatur  derajat  kemiringannya sehingga dapat menyesuaikan dengan sudut datang dari radiasi matahari.

## METODE
Penelitian dilakukan dengan mengumpulkan  data  primer  dan sekunder.  Pengukuran  data  primer diperoleh  melalui  data  harian  yang diambil  selama  3  hari  berturut-turut dengan  interval  waktu  selama  10 menit  pada  setiap  data  dan  waktu penelitian dilakukan pada pukul 09.00 WIB sampai pukul 14.00 WIB. Data yang diambil meliputi data temperatur  udara  dalam  kolektor, temperatur absorber, temperatur
lingkungan,  temperatur  air  yang keluar  dan  iradiasi  pada  kolektor surya.  Variabel  data  yang  diambil melalui  data  sekunder  meliputi  nilai koefisien  kehilangan  kalor  bagian luar,  koefisien  kehilangan  kalor bagian dalam dan
koefisien
kehilangan  kalor  bagian  atas  pada kolektor surya. Alat  dan  bahan  yang  diperlukan untuk  penelitian  ini  adalah  gerinda potong, mesin bor, gunting, termometer  digital,  solar  power meter,  termokopel  type  K,  triplek kayu 9 mm, kaca bening 5 mm, kaca bening  3  mm,  lembaran  aluminium, glass  wool,  mur  &  baut,  pipa aluminium 1/2 inch, pipa pvc ¼ inch, elbow dan lem.
Peletakan glass wool pada kolektor  surya  diletakkan  di  antara triplek bawah kolektor dengan triplek yang  menjadi  dasar  dari  pelat absorber.  Secara  detail,  gambar peletakan  glass  wool  dapat  dilihat pada gambar 1 dan gambar 2
(a)
(b)
Gambar  1.  Sketsa  peletakan  glass woll  pada  kolektor  surya  (a)  dari samping, (b) dari depan.
Gambar  2.  Susunan  glass  wool  pada kolektor surya.
Pengukuran  dilakukan  untuk mendapatkan data harian yang diambil  dengan  interval  setiap  10 menit.  Data  yang  diambil  meliputi data temperatur udara dalam kolektor, temperatur absorber, temperatur lingkungan,  temperatur  air  yang keluar  dan  iradiasi  pada  kolektor surya (Rachmanita, 2020).

## Gambar 3. Skema Penelitian

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Analisis Perubahan Suhu Air
Pelaksanaan pengukuran berdasarkan waktu  efektif  sinar  matahari  yaitu pada  pukul  09.00-14.00  WIB.  Hasil yang  diperoleh  adalah  suhu  tertinggi yang  mampu  dicapai  oleh  kolektor surya  adalah  sebesar  320,7  K  atau 47,7  °C  pada  hari  ke-3  menit  250 (pukul 12.10  WIB). Perubahan temperature  lingkungan  lebih  cepat mengikuti perubahanin tensitas
radiasi  matahari  yang  diterimanya (Caturwati, 2020). Perubahan suhu air yang keluar dipengaruhi oleh kondisi cuaca  yang  terjadi.  Kondisi  tersebut diakibatkan  oleh    nilai  radiasi matahari ( I ) berbanding lurus dengan nilai kalor yang masuk pada kolektor ( Q in,rad ).  Sehingga,  semakin  panas cuaca  (radiasi  matahari  tinggi)  yang terjadi, maka akan semakin cepat laju perpindahan  kalor  yang  terjadi  pada kolektor  surya.  Sebaliknya,  jika radiasi matahari rendah, laju perpindahan  kalor  pada  kolektor
surya  akan  lambat  seperti  pada Gambar 4.
Gambar 4. Grafik perubahan suhu air selama tiga hari
Berdasarkan  Gambar  5,  radiasi matahari  tertinggi  terjadi  pada  hari ke-3  menit  50  (pukul  08.50  WIB) yaitu  sebesar  1126  W/m 2 .  Intensitas radiasi  matahari  yang  terjadi  saat kondisi T out tinggi  (hari  ke-3  menit 250)  adalah  sebesar  991  W/m 2 . Pengaruh  radiasi  matahari  yang terjadi  terhadap  temperatur  air  yang keluar  (pada  menit  yang  sama)  tidak terlalu  berpengaruh.  Pengaruh  utama terhadap nilai T out yang keluar adalah kestabilan  nilai  intensitas  radiasi matahari  terhadap  waktu  dalam pengambilan  data.  Jika  intensitas radiasi  matahari  stabil  pada  kondisi yang  tinggi,  maka  laju  perpindahan panas  yang  terjadi  pada  fluida  akan semakin  cepat,  sehingga  mampu menigkatkan  nilai T out pada  fluida. Sebaliknya,  jika  intensitas  radiasi matahari  tidak  stabil  (naik/turun), maka akan menyebabkan ketidakstabilan    laju  perpindahan panas yang terjadi pada fluida.
Gambar  5.  Grafik  intensitas  cahaya matahari selama tiga hari
Seperti  yang  ditunjukkan  Gambar  4 dan  5,  hubungan  yang  terjadi  ketika suhu  maksimal  yang  dicapai  sebesar 320,7 K (hari ke-3 menit 250), radiasi yang  diterima  oleh  kolektor  surya lebih  rendah  (991  W/m 2 )  dibanding dengan kondisi – kondisi sebelumnya. Hal ini terjadi karena selama 10 menit pengambilan data, besar radiasi yang diterima  bisa  berubah  sewaktu  – waktu (tidak stabil). Oleh karena itu, kinerja tandon dalam menahan panas air  yang  ditampung  juga  sangat berpengaruh  terhadap  suhu  air  yang keluar (Duffie, 1991).

## Nilai Kerugian Kalor (Heat Losses)
Kerugian  kalor  yang  terjadi  pada kolektor  surya  meliputi  kerugian bagian bawah, samping (dinding) dan bagian atas pada kolektor surya. Total kerugian  kalor  yang  terjadi  pada kolektor  surya  dapat  dirumuskan seperti  pada  persamaan  1(Kalogioru, 2009).
𝑄 𝑙𝑜𝑠𝑒𝑠𝑠 = 𝑄 𝑎 + 𝑄 𝑑 +   𝑄 𝑏 (1)
Kerugian  kalor  pada  bagian  atas kolektor  surya  ( 𝑄 𝑎 )  terjadi  karena adanya  perbedaan  temperatur  antara kolektor
dengan lingkungan.
Kerugian  pada  bagian  atas  bisa
diminimalisir dengan melakukan penambahan kaca. Tetapi, penambahan  kaca  tidak  sepenuhnya bisa  menghilangkan  kerugian  kalor atau panas secara keseluruhan. Kerugian  kalor  pada  bagian  atas dipengaruhi  oleh  beberapa  faktor diantaranya nilai U a yang merupakan koefisien  kerugian  panas  pada  sisi atas  terhadap  luasan  absorber  ( A c ) pada  kolektor  surya.  Nilai U a ditentukan  (diambil)  dari  penelitian yang  dilakukan  oleh  Liberty  (2016) karena  menggunakan  ketebalan  kaca yang  sama,  sehingga  nilai U a yang didapat adalah sebesar 5,13 W/m 2 . K. Besarnya  kehilangan  panas  melalui permukaan kaca penutup dengan luas A g =  0,9  m 2 dapat  dihitung  dengan persamaan 2 (Kalogioru, 2009).
𝑄 𝑎 = 𝑈 𝑎 × 𝐴 𝑐 × (𝑇 𝑎 − 𝑇 𝑙 )       (2)
Kerugian kalor pada sisi dinding (𝑄 𝑑 ) terjadi  pada  bagian  dinding samping  (kanan  dan  kiri),  dinding atas  dan  dinding  bawah.  Untuk mempermudah  perhitungan,  dapat dilakukan  dengan  menjumlahkan perhitungan pada bagian sisi dinding samping dan dinding bagian atas yang kemudian  hasil  akhirnya  dikalikan dua.
Kerugian  kalor  pada  bagian dinding  juga  dipengaruhi  oleh  besar kecilnya  nilai  konveksi  permukaan luar ( h 1 ) yang terjadi antara udara luar kolektor  dengan  sisi  dinding  pada kolektor dan nilai koefisien konveksi permukaan  dalam  ( h 2 )  yang  terjadi antara  udaradalam  kolektor  terhadap permukaan pelat absorber.
Dimana  nilai h 1 dan h 2 diasumsikan  sama  dari  penelitian yang  dilakukan  oleh  Liberty  (2016). Sehingga  rumus 𝑄 𝑑 dapat  dicari
dengan  menggunakan  persamaan 3(Kalogioru, 2009).
𝑄 𝑑 = 𝑇𝑢−𝑇𝑙 1 ℎ1.𝐴1 + 𝑡𝑘𝑎𝑦𝑢 𝑘𝑘𝑦.𝐴1 + 𝑡𝑔𝑤 𝑘𝑔𝑤.𝐴2 + 𝑡𝑎𝑏𝑠 𝑘𝑎𝑏𝑠.𝐴3 + 1 ℎ2.𝐴3 (3)
Kerugian kalor yang terjadi pada bagian  bawah  dipengaruhi  oleh perbedaan  temperatur  antara  pelat absorber dengan lingkungan. Kerugian  kalor  pada  bagian  bawah kolektor diminimalisir dengan menambahkan bahan isolator sebagai peredam  panas  berupa  glass  wooll dan kayu triplek.
Kerugian  kalor  pada  bagian bawah  juga  dipengaruhi  oleh  besar kecilnya  nilai  konveksi  permukaan luar ( h 1 ) yang terjadi antara udara luar kolektor dengan sisi  bawah  pada  kolektor  dan  nilai koefisien konveksi permukaan dalam ( h 2 )  yang  terjadi  antara  udaradalam kolektor  terhadap  permukaan  pelat absorber.  Dimana  nilai h 1 dan h 2 diasumsikan  sama  dari  penelitian yang  dilakukan  oleh  Liberty  (2016). Nilai 𝑄 𝑏 menggunakan  persamaan  4 (Kalogioru, 2009).
𝑄 𝑏 = 𝑇𝑢−𝑇𝑙 1 ℎ1.𝐴4 + 𝑡𝑘𝑎𝑦𝑢 𝑘𝑘𝑦.𝐴4 + 𝑡𝑔𝑤 𝑘𝑔𝑤.𝐴5 + 𝑡𝑎𝑏𝑠 𝑘𝑎𝑏𝑠.𝐴5 + 1 ℎ2.𝐴6 (4)
Gambar  6.  Grafik Q losses selama  tiga hari
Dengan menggunakan persamaan  (1)  –  (4)  didapatkan  nilai Q losses total  seperti  pada  Gambar  6. Perhitungan Q losses terbesar  terjadi pada  hari  ke-3  menit    280  (pukul 12.40)  yaitu  sebesar  261,03  W.  Hal ini disebabkan karena beberapa faktor diantaranya, kurangnya daya tahanan termal  pada  sisi  kolektor  surya  yang menyebabkan  kalor  mudah  untuk keluar  ke  lingkungan.  Heat  losses pada hari ke-3 menit 280 paling besar terjadi  pada  sisi  atas  kolektor  yaitu sebesar  258,55  W  yang  disebabkan karena  adanya  celah  udara  yang kurang rapat antara kaca dengan kayu triplek  serta  rendahnya  daya  isolator pada  kaca.  Berbeda  dengan  sisi samping  dengan  heat  losses  sebesar 10,44  W  dan  bagian  bawah  sebesar 40,93  W,  kedua  bagian  tersebut dilapisi dengan bahan isolator berupa glass  wool  dan  kayu  triplek  yang merupakan bahan isolator yang cukup baik,  sedangkan  pada  sisi  atas kolektor surya hanya dilapisi dengan cover  berupa  kaca  bening  yang merupakan  bahan  isolator  lemah dengan  konduktivitas  termal  sebesar 0,78 W/m.K. Sehingga memungkinkan kaca untuk mentransfer kalor ke lingkungan lebih besar  dibandingkan  bahan  isolator yang  berada  pada  sisi  samping  dan bawah kolektor surya (Duffie, 1991).

## Efisiensi Termal Kolektor Surya
Nilai  efisiensi  kolektor  surya  yang diambil  adalah  saat  kolektor  surya mampu  bekerja  menghasilkan  nilai derajat suhu tertinggi. Karena efisiensi  merupakan tolak  ukur capaian  kinerja  dari  kolektor  surya. Sehingga pada penelitian yang dilakukan,  efisiensi  yang  diambil adalah efisiensi ketika derajat suhu air
yang keluar mencapai titik maksimal. Niai  efisiensi  yang  terjadi  pada kondisi tersebut adalah pada hari ke-3 menit  250.    Seperti  pada  Gambar  7, efisiensi  kolektor  surya  semakin menurun karena  besar kecilnya kalor yang  masuk  mempengaruhi  nilai efisiensi pada kolektor surya. Seperti pada persamaan  (4), nilai  kalor yang masuk  ke  kolektor  ( Q u )  berbanding lurus  dengan  niai  efisiensi  kolektor surya dan berbanding terbalik dengan ( Q in, radiasi ). Nilai Q u bergantung pada nilai  faktor koreksi,  nilai panas yang diserap oleh kolektor dan heat losses . 𝜂 = 𝑄 𝑢 𝑄 𝑖𝑛,𝑟𝑎𝑑 = 𝐹′(𝑄 𝑖𝑛 −𝑄 𝑙𝑜𝑠𝑒𝑠𝑠 ) 𝑄 𝑖𝑛,𝑟𝑎𝑑 (4)
Gambar  7.  Grafik  efisiensi  termal kolektor surya plat datar Nilai heat losses sangat berpengaruh  terhadap  besar  kecilnya efisiensi,  mengingat  semakin  lama waktu  penyinaran  matahari,  maka semakin  bertambah  juga  nilai  heat losses.  Nilai heat  losses berbanding terbalik  dengan  efisiensi  karena semakin  besar  nilai heat  losses akan berdampak  pada  pengurangan  nilai Q in .  Meskipun  intensitas  radiasi matahari  yang  terjadi  kurang  stabil, pengaruh  radiasi  matahari  terhadap nilai heat losses tidak  terlalu signifikan.  semakin  lama  waktu penyinaran matahari
(dengan intensitas  radiasi  matahari  yang
tinggi),  akan  semakin  rendah  nilai efisiensi pada kolektor surya.

## KESIMPULAN
Energi panas tertinggi yang masuk ke kolektor surya pelat datar ( Q in ) adalah sebesar  832,58  W  yang  terjadi  pada hari ke-3 menit 30.  Nilai T out tertinggi yang  mampu  dicapai  oleh  kolektor surya pelat datar adalah sebesar 319,3 K atau 46,3 °C pada hari  ke-1 menit 230. 316,3 K atau 43,3  °C pada hari ke-2 menit 170. 320,7 K atau 47,7 °C pada  hari  ke-3  menit  250.  Efisiensi termal  yang  mampu  dicapai  oleh kolektor surya pada nilai T out tertinggi adalah sebesar 47,92 %.

## REFERENSI
Budiyanto,  M. A. & Lubis, M. H., (2020). Physical reviews of solar radiation models for estimating global solar radiation  in  Indonesia, Energy Rep., vol. 6, pp. 1206–1211.
Caturwati,  N.  K.  (2020).  Perbandingan Efektivitas  Sudut  Penutup  450 Dan  600  Pada  Double  Slope Solar Destilasi Sebagai Penyedia Air Bersih. Journal of Renewable Energy  and  Mechanics , 3 (02),
59–69.
Duffie, J. A. & Beckmann, W. A. (1991).
Solar  Engineering  of  Thermal Processes . John Wiley & Sons, Inc, New York.
Hayati, N., Wibowo, M. J., Rachmanita,
R. E. & Rudiyanto, B. (2020). Studi Penggunaan Bahan Reflektor Terhadap Kinerja Parabolic Through Collector (PTC). Prosiding Seminar Nasional NCIET . 1 (1), 36-47. Heydari,  A.  &  Mesgarpour,  M.  (2018). Experimental analysis and
numerical  modeling  of  solar  air heater  with helical  flow path, Sol. Energy , vol 162, pp. 278–288.
Kalogirou, Soteris. (2009). Solar Energy Engineering: Processes and Systems 1st Edition , British Library, USA Kumar,  P.  G.,  Balaji,  K.,  Sakthivadivel, D., Vigneswaran, V. S., Meikandan,  M.  &  Velraj,  R. (2019).  Effect  of  using  low-cost thermal  insulation  material  in  a solar air heating system with a shot blasted  V-corrugated  absorber plate, Therm. Sci. Eng. Prog. , vol. 14, p. 100403.
Liberty, A.E. (2016). Kajian Eksperimental  Kolektor  Surya Pelat  Datar  Untuk  Pemanas  Air Laut Menggunakan Kaca Berlapis
Ketebalan 3mm (skripsi). Sumatera Utara  (ID):  Universitas  Sumatera Utara.
Nasruddin,  M.  A.  &  Budiyanto,    R. Nawara,  (2018).  Comparative study  of  the  monthly  global  solar radiation estimation data in Jakarta. IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., vol . 105, p. 012111.
Rachmanita,  R.  E.,  Amri,  A.A.  & Nuruddin, M. (2020). Uji Performa Kompor  Surya  Tipe  Parabola Silinder  Menggunakan  Reflektor
Cermin  dengan  Variasi  Bahan
Absorber. Jurnal  Energi  dan Manufaktur. 13 (1), 8-14.
Zhou,  F.  ,  Gu,  H.-Z.  &Wang,  C.-F.
(2013). Preparation and microstructure  of  in-situ  gel modified  expanded  vermiculite,
Ceram.  Int., vol.  39,  no.  4,  pp. 4075–4079.