Jurnal “FLYWHEEL”, Volume 9 Nomor 2, September 2018

## Analisa Pemanas Air Tenaga Surya Sistem Hybrid
Dengan Variasi  Sudut Kemiringan Kolektor 15 o dan 30 o Untuk Memanaskan 80 Liter Air
Isra Hutauruk 1 , Himsar Ambarita 2 , Eko Yohanes Setyawan 3*
1, 2 Universitas Sumatera Utara ; Jl. Dr. T. Mansur No.9, Padang Bulan, Medan, Telp; (061) 8214033
Jurusan Teknik Mesin, FT USU, Medan, Sumatera Utara
3 Institut Teknologi Nasional Malang; Jl. Sigura-gura N0. 2 Malang, Telp; (0341) 551431 Jurusan Teknik Mesin, FT ITN Malang, Malang e-mail : 3* yohanes@lecturer.itn.ac.id

## Abstrak
Energi surya merupakan salah satu sumber daya energi terbarukan yang potensial untuk dimanfaatkan terutama di daerah yang beriklim tropis. Pemanfaatan energi surya yang paling umum adalah untuk memanaskan air baik sistem aktif maupun sistem thermosifon. Tipe paling umum sistem pemanas air ini menggunakan pelat datar sebagai absorbernya. Pada  kebanyakan pemanas  air  sistem  aktif  masih  menggunakan  sumber  energi  cadangan  untuk  memompa  air. Menggunakan sel photovoltaic sebagai sumber energi listrik untuk memompa air merupakan satu terobosan yang menjanjikan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui efisiensi alat Pemanas Air Tenaga Surya (PATS) yang diuji pada kondisi cerah. Satu buah kolektor pelat datar dengan ukuran  1,5  m  x  1  m  dengan  double  glazing  dari  bahan  acrylic  dan  kaca  telah  diuji  untuk memanaskan air dengan kapasitas 80 L. Kolektor dimiringkan15 o dan 30 0 menghadap ke Utara. Air ditampung dalam satu tangki penampungan dan dipompakan, sehingga bersirkulasi secara kontiniu dalam pipa kolektor. Adapun hasil penelitian ini adalah: 1) Rata-rata radiasi matahari secara teoritis yang sampai ke kota Medan sebesar 700 W/m 2 dan rata-rata radiasi pengukuran 376W/m 2 . 2) Temperatur air tertinggi yang dipanaskan dari pukul 08.00 WIB hingga 16.00 WIB mencapai temperatur 59,87 0 C. 3) Efisiensi pemanas air (η) mencapai = 55,94 %
Kata Kunci  : pemanas air, energi surya, kolektor plat datar, hybrid

## 1. PENDAHULUAN
Kebutuhan  akan  air  panas  saat  ini  semakin tinggi. 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.  Tidak  hanya konsumen  rumah  tangga  yang  memerlukan  air panas,  melainkan  juga  rumah  sakit,  industri, perhotelan  dan  untuk  penyediaan  air  pada  kolam renang.
Penelitian  tentang  penggunaan  kolektor surya  plat  datar  telah  banyak  dilakukan.  Chen,  Z, dkk  melakukan  penelitian  pada  dua  buah  kolektor surya  plat  datar  dengan  memvariasikan  laju  aliran
untuk  meningkatkan  efisiensinya  Setyawan et  al (2017).  Hasilnya  jika  laju  aliran  dinaikkan  maka, efisiensi solar kolektor meningkat (Chen, Z, 2012). Penelitian  plat  datar  dengan  menggunakan double glazing dan  diantara glazing diisi  dengan  argon telah  dilakukan  dan  hasilnya  meningkatkan efisiensi  termal  kolektor  (Foste,  S,  2013). Penelitian dengan menambahkan lapisan thermochromic pada plat absorber telah dilakukan, untuk  mengurangi stagnasi temperatur  pada  plat absorber (Foste, S, 2015).
Penelitian  tentang  kolektor  surya  plat  datar di  Indonesia  juga  sudah  semakin  giat  dilakukan. Ardiko dan Richard (2015) meneliti kolektor surya plat datar dengan menggunakan refrigerant sebagai
fluida  pemanas.  Hasilnya  penelitian  ini  dapat memanaskan air dengan kapasitas 3  L dengan suhu tertinggi sekitar 60 0 C.
Dalam  penelitian  ini,  kolektor  yang  diuji yaitu  kolektor  system hybrid yaitu  sistem pemanfaatan  energi  surya  dengan  menggunakan dua  teknologi  berbeda  pada  satu  alat  yang digunakan. Kedua teknologi yang digunakan yaitu kolektor yang memanfaatkan energi surya menjadi energi termal dan sel photofoltaik yang mengubah energi surya menjadi energi listrik. Energi surya ini akan  digunakan  untuk  memanaskan  air  secara langsung  dan  juga  untuk  menggerakkan  pompa yang  digunakan  untuk  mensirkulasikan  air  yang dipanasi.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Salah satu energi terbarukan yang melimpah ketersediaannya  yaitu energi radiasi  surya. Sekitar setengah  energi matahari masuk mencapai permukaan  bumi.  Jumlah  energi  surya  yang mencapai  permukaan  bumi  sangat  besar.  Bila dibandingkan,  energi  surya  dua  kali  lebih  banyak daripada semua sumber non-terbarukan seperti batu bara, minyak, gas alam, dll.
Indonesia  adalah  salah  satu  negara  yang memiliki  potensi  energi  radiasi  surya  yang  sangat besar.  Indonesia  terletak  di  daerah  khatulistiwa yang  menyebabkan  Indonesia  beriklim  tropis  dan menerima  radiasi  surya  yang  hampir  sama sepanjang tahunnya. Potensi energi surya rata-rata nasional adalah 16 MJ/hari. Potensi energi ini dapat digunakan  untuk  sebagai  sumber  energi  termal maupun  sebagai  sumber  energi  listrik  dengan menggunakan sel photofoltaik.
Sel  photofoltaik  adalah  sector  teknologi  dan penelitian yang berhubungan dengan aplikasi panel surya untuk energi dengan mengubah sinarmatahari menjadi energi listrik.  Di negara maju saat ini giat meneliti  pemanfaatan  energi  tersebut  untuk kepentingan  manusia,  misalnya  pemakaian  sel fotovoltaik  yang  menghasilkan  energi  listrik  yang dapat  digunakan  untuk  penggerak  mobil,  satelit, hubungan  komunikasi  ataupun  disimpan  di  dalam baterai.

## 2.1 Teori Dasar Radiasi
Matahari mempunyai  diameter 1,39×10 9 m. Bumi    mengelilingi  matahari    dengan    lintasan berbentuk  ellipse  dan  matahari berada  pada  salah satu    pusatnya.    Jarak    rata-rata    matahari  dari permukaan bumi adalah 1,49×10 11 m. Daya radiasi rata-rata  yang  diterima  atmosfer  bumi  yaitu  (G sc ) 1367  W/m 2 .  Gambar  1  menunjukkan  jarak  antara matahari dan bumi.
Gambar 1. Jarak antara Matahari Dan Bumi (Ambarita, H, 2011)
Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara bumi dan matahari tidak konstan.    Jarak  terdekat  adalah  1,47x10 11 m  yang terjadi pada tanggal 3 Januari dan jarak terjauh pada tanggal  3  juli  dengan  jarak  1,52x10 11 m.  Karena adanya  perbedaan  jarak  ini,  menyebabkan  radiasi yang diterima atmosfer bumi juga akan berbeda. Beberapa  Istilah  yang  biasanya  dijumpai  pada perhitungan radiasi adalah:
1. Air Mass (m)
Adalah  perbandingan  massa  udara  sampai ke permukaan  bumi  pada  posisi  tertentu dengan  massa  udara yang  dilalui  sinar  jika matahari  tepat  pada  posisi  zenit. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit = 0) nilai    m = 1 , pada sudut  zenith  60 0 ,  m = 2 .
2. Beam Radiation Radiasi  energi  dari  matahari  yang  tidak dibelokkan oleh atmosfer.
Istilah  ini  sering  juga  disebut  radiasi langsung ( direct solar radiation ).
3. Diffuse Radiation Radiasi  energi  surya  dari  matahari  yang telah dibelokkan atmosfer
4. Total Radiation Adalah jumlah beam dan diffuse radiation.
5. Irradiance (W/m 2 )
Adalah  laju  energi  radiasi  yang  diterima suatu permukaan persatuan luas permukaan tersebut Solar
irradiance biasanya disimbolkan  dengan  G.    Dalam  bahasa Indonesia  besaran  ini  biasanya  disebut dengan Intensitas radiasi.
6. Irradiation  atau  Radian  Exposure (J/m 2 )
Jumlah  energi  radiasi  (bukan  laju)  yang diterima  suatu  permukaan  dalam  interval waktu tertentu.  Besaran  ini  didapat  dengan mengintegralkan  G  pada  interval  waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasa disimbolkan  H  dan  untuk  1  jam  biasa disimbolkan I.
7. Solar Time atau Jam Matahari Adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan penunjukkan  jam  biasa  (standard time , disimbolkan STD). STD = STD ± 4 (L st – L loc ) + E           (1) Sementara  E  adalah  persaman  waktu  yang dihitung dengan:
E = 229,2 (0,000075 + 0,001868 cosB – 0,032077 sinB  −  0,014615  cos2B        −  0,04089  sin  2 (2) L st adalah  standar  meridian  untuk  waktu local,  sementara  L loc adalah  derajat  bujur  daerah yang diukur.
Dalam menghitung energi radiasi matahari yang sampai ke suatu permukaan perlu dipertimbangkan beberapa sudut, karena garis edar sumbu  matahari  yang  cukup  kompleks.  Gambar  2 Menunjukkan  beberapa  istilah  sudut  yang  sering digunakan dalam analisis energi radiasi surya.
Gambar 2. Beberapa sudut dalam perhitungan energi radiasi matahari
Beberapa sudut dalam perhitungan energi radiasi matahari antara lain:
1. Slope  β  adalah  sudut  antara  permukaan yang dianalisis dengan horizontal.
2. ϕ  adalah  sudut  lintang  dimana  posisi permukaan berada 3. Sudut deklinasi δ yaitu kemiringan sumbu matahari terhadap garis normalnya. Nilai sudut ini diperoleh dengan menggunakan  persamaan  yang  diajukan oleh Cooper (Ambarita, H, 2011)
δ = 23,45 sin ( 360 284+𝑛
365 )            (3) atau  dapat  juga  menggunakan persamaan  yang  lebih  teliti,  yang  diajukan Spencer (Himsar, 2011) δ  = 6,918x10 -3 - 3,99912cosB + 0,070251 sinB - 0,006758 cos2B + 9,07x10 -4 sin2B -  0,002679  cos3B  +  0,00148sin3B (4)
4. Sudut jam ω adalah sudut pergeseran semu matahari  dari  dari  garis  siang.  Perhitungan berdasarkan  jam  matahari  (ST),  setiap berkurang 1 jam, ω berkurang 15 0 dan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15 0 .
ω  =  15  (STD  −  12)  +  (ST  −  STD)  × 15 60 (5)
Radiasi  surya  yang  sampai  k  permukaan bumi  dapat  dihitung  secra  analitis.  Perhitungan radiasi surya secara analitis diberikan oleh Himsar, 2011. Radiasi harian yang sampai ke bumi berbeda setiap harinya, karena lintasan bumi yang berbentuk elips.
Radiasi pada hari ke-n dirumuskan oleh Duffie dan Beckman (1991) G on =   G sc (1,00011 + 0,034221 cos B + 0,00128 sin B + 0,000719 cos 2B + 0,  000077 sin 2B)               (6)
Dimana, B diperoleh dengan menggunakan rumus: B  =  (n-1) x 360/365                  (7) cos θ z =  cosφ cos δ cos ω + sinφ sin δ ........ (8)
Parameter  lain  yang  digunakan  untuk perhitungan  radiasi  secara  teoritis  yaitu,  estimasi bahwa langit dalam kondisi cerah. Maka dalam hal ini perlu diketahui τ b τ b = a o + a 1 exp ( −k cos θ z ) (9)
Dimana, nilai masing-masing parameter a o = r o (0,4237 - 0,0082 (6 – A) 2 )       (10)
a 1 = r 1 (0,5055 + 0,00595 (6.5 – A) 2 )  (11) k  = r k (0.2711 +  0.01858 (2.5 – A) 2 ) (12) Dimana, A adalah ketinggian (km) dan r 0 , r 1 , dan r k adalah koreksi akibat iklim.
Nilai  factor koreksi akibat iklim ditampilkan pada tabel 2.2 berikut ini.
Tabel 1. Faktor koreksi akibat iklim Iklim r 0 r 1 r k Tropical 0,95 0,98 1,02 Midiatude summer 0,97 0,99 1,02 Subartic summer 0,99 0,99 1,01 Midiatude winter 1,03 1,01 1,00
Radiasi beam adalah  radisi    matahari  yang  jatuh langsung ke permukaan bumi.
G beam = G on τ b cos θ z (13)
Radiasi diffuse adalah  radiasi  hasil  pantulan atmosphere G diffuse = G on cosθ z (0,271 – 0,294τ b )   (14) Maka total radiasi teoritis G total = G beam + G diffuse (15) Menurut Mehmet Esent, besarnya Qincident dapat  dihitung  dengan  menggunakan  rumus  di bawah ini:
Q inciden t = A ∫ Idt                                   (16)
Dimana :
A = luas penampang dari pelat absorber       (m 2 ) I  = intensitas cahaya matahari (W/m 2 )
Energi  panas  yang  sudah  diterima  oleh  kolektor akan  diberikan  terhadap  air.  Besarnya  energi
tersebut  dapat  ditentukan  dengan  menggunakan rumus:
Qu = m a Cp a (T 2 – T 1 )                          (17)
Dimana :
m a : massa air (kg)
Cp a : Panas jenis dari air (kJ/kg. 0 C) T 1
: Temperatur awal air sebelum dipanaskan kolektor ( 0 C) T 2 :  Temperatur  actual  setelah  dipanaskan oleh kolektor ( 0 C)
Untuk  memperoleh  nilai  efisiensi  kolektor maka digunakan persamaan (Duffie and
Beckman,1991).
n = 𝑞 𝑢𝑠𝑒 𝑞 𝑖𝑛 (18)

## 3. METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian  ini  menggunakan  Mikro  stasiun data  Logger  untuk  mengukur  radiasi  matahari  dan kabel  termokopel  yang  terhubung  langsung  ke agilent ditempelkan ke plat absorber pada kolektor dan  air  di  tangki.  Berikut  ini  adalah Experimental Set Up pada penelitian ini.
Gambar 3. Setup Eksperimental
Adapun  beberapa  parameter  yang  akan  diukur ialah:
1. Temperatur Air (T W ).
2. Temperatur absober (T p ) 3. Radiasi Solar (G rata-rata )
4. Waktu (t)
Berikut prosedur dalam pengujian, adapun langkah- langkah pengaturan agilent sebagai berikut:
1. Tentukan titik-titik yang akan diukur pada kolektor  surya,  yang  tertera  pada  tabel diatas.
2. Hubungkan termokopel yang telah dipasang  pada  kolektor  ke Agilent  data acquisition.
3. Tandai  kabel-kabel  termokopel  sesuai chanel pada agilent data acquition dengan memberi  label  supaya  data  pengukuran tidak tertukar.
4. Masukkan flasdisk ke port usb.
5. Hidupkan  alat  dengan  menekan  tombol on/off.
6. Tekan  tombol  interval  untuk  mengatur lama  pengukuran  yang  akan  dilakukan. Selanjutnya  gunakan  tombol  pemindah angka  dan switch perubah  angka  untuk mengatur waktu yang diinginkan.
7. Jika batas pengukuran telah dicapai, tekan tombol  scan  lama  sampai  muncul  scan stop pada display alat, kemudian keluarkan flasdisk . 8. Data pengukuran temperatur telah tersimpan  dalam  format Microsoft  Office Excel dan siap untuk diolah.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Radiasi matahari yang sampai ke bumi dapat diukur dengan menggunakan sensor  radiasi. Sensor radiasi yang digunakan pada penelitian ini bernama station  data  logger  HOBO  micro  station dan terdapat  di  Pusat  Riset Sustainable  Energy yang terdapat  di  Departemen  Teknik  Mesin  Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Data  radiasi  juga  bisa  dihitung  dengan mengunakan  pendekatan  analitik.  Perhitungan radiasi  untuk  tanggal  9  Juni  2017  dengan  asumsi langit cerah. Letak geografis kota Medan, Sumatera Utara adalah sebagai berikut:
 posisi lintang  :3,43 o LU (φ=3,43) dan 98,44 o BT  (L loc =98,44)
 ketinggian  dari  permukaan  laut:  37,5  m ( Altitude A = 0,0375)
 waktu  meridian  (7x(7+GMT))  :  7  x  15  =  105 o
(Lst = 105 o ) [standart meridian]
Radiasi matahari yang sampai ke bumi dapat diukur dengan  menggunakan  sensor    radiasi.  Sensor radiasi yang digunakan pada penelitian ini bernama station  data  logger  HOBO  micro  station dan terdapat  di  Pusat  Riset Sustainable  Energy yang terdapat  di  Departemen  Teknik  Mesin  Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Jurnal “FLYWHEEL”, Volume 9 Nomor 2, September 2018
Gambar 4. Grafik perbandingan radiasi teoritis vs radiasi pengukuran pada tanggal 10
Juni 2017
Gambar 5. Grafik perbandingan radiasi teoritis vs radiasi pengukuran pada tanggal 11 Juni 2017
Dari  gambar  4.1  dan  4.2  dapat  dilihat  perbedaan antara  data  radiasi  teoritis  dengan  radiasi pengukuran, dimana data radiasi teoritis lebih besar dibandingkan  dengan  data  radiasi  pengukuran  hal itu dikarenakan kondisi cuaca dan posisi awan yang bergerak menutup matahari menyebabkan jautuhnya  radiasi  pada  saat  pengukuran.  Radiasi pengukuran  akan  mendekati  radiasi  teoritis  jika kondisi  langit  cerah  dan  tidak  ada  yang menghalangi jatuhnya sinar matahari ke permukaan bumi. Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa secara teoritis  radiasi  mengalami  peningkatan  sampai pukul 12:00 s/d pukul 13:00 dan berangsur-angsur berkurang  hingga  sore  hari,  begitu  juga  dengan grafik  radiasi  pengukuran  menunjukkan  hal  yang sama. Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa radiasi matahari yang sampai ke bumi dari pukul 10:00 s/d 12:00  tidak  mengalami  perubahan,  hal  ini dikarenakan pada jam tersebut kondisi langit di kota Medan cukup cerah.
Gambar 6. Grafik Temperatur plat dan air vs waktu tanggal 11 juni 2017 Q in = 1,5 m 2 x12.654.495,62 Joule/m 2
= 18.981.743,43 Joule = 18,98 MJ
Q u = 80 kg.4,18 kJ/kg 0 C (59,32-27,95) o C = 10.490,128 kJ
= 10,49 MJ 𝑛 = 55,27 %
Gambar 7. Grafik Temperatur plat dan air vs waktu tanggal 13  juni 2017
Q in = 1,5 m 2 x  11,705,593.33 J/m 2 = 17.558.389,99  Joule = 17,56 MJ
Qu = 80 kg.4,18 kJ/kg 0 C (56,20-26,83) o C = 9.823.000 kJ
= 9,82 MJ
𝑛 = 55,92 %

## KESIMPULAN
Pada  penelitian  ini  telah  dilakukan pengujian  alat  pemanas  air  tenaga  surya,  dan pengukuran intensitas radiasi matahari yang terjadi selama  pengujian  berlangsung.  Kesimpulan  yang didapat dari penelitian ini antara lain:
1. Temperatur air maksimum dari seluruh tahap penelitian  adalah    59,87 o C  yaitu  pengujian kedua  dengan  kemiringan  kolektor  30 o pada
1000 800 600 400 200 0 Rad iasi [ W /m 2 ] 16 14 12 10 8 Waktu [WIB] Rad_Teoritis Rad_Pengukuran Minggu,11 Juni 2017 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 R adias i [ W /m 2 ] 16 15 14 13 12 11 10 9 8 Waktu [WIB] Radiasi_Pengukuran Radiasi_Teoritis Selasa, 13 Juni 2017 100 90 80 70 60 50 40 30 20 T em pe ratu r [ O C] 16 15 14 13 12 11 10 9 8 Waktu [WIB] Plat Absorber Air Minggu, 11 Juni 2017 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Te m p e ratu r [ O C] 16 15 14 13 12 11 10 9 8 Waktu [WIB] Temperatur Plat Absorber Temperatur Air Selasa, 13 Juni 2017
pukul  15:37  WIB  sedangkan  pada  sudut  15 o sebesar 58,28 pada pukul 15:56 WIB.
2. Energi yang diserap 80 liter air pada pengujian sudut  15 o adalah  9,82  MJ  dan  9,99  MJ  dan pengujian sudut 30 o adalah 9,10 MJ dan 10,49 MJ.
3. Efisiensi  maksimum  dari  seluruh  tahap penelitian adalah 55,94% yaitu pada pengujian pada sudut 15 o

## SARAN
1. Untuk  mengetahui  pengaruh  kemiringan kolektor terhadap temperatur    maksimum air dan efisiensi kolektor, perlu di lakukan penelitian  terhadap  dua  buah  kolektor yang  berbeda  sudut  kemiringannya  dan diuji  secara  bersamaan  pada  waktu  dan lokasi pengujian yang sama.
2. Untuk  meningkatkan  efisiensi  perlu dilakukan  penelitian  tentang  pengaruh diameter  pipa  sirkulasi  dan  laju  aliran volume air.
3. Dilakukan analisa pompa yang digunakan untuk mengetahui pengaruh pompa dalam pemanas air ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Ambarita,  Himsar.2011a. Energi  Surya .  Medan: Departemen Teknik Mesin FT USU. Chen, B, dkk. Long-term thermal performance of a two-phase thermosyphon solar water heater. Science  Direct.  Solar  Energy  83 (2009) 1048 – 1055 Chen,  Z,  dkk. Efficiencies  of  flat  plate  solar collector  at  different  flow  rates. Science Direct. Energy Procedia 30 (2012) 65 – 72 Duffle A John. 1991. Solar Engineering of Thermal Processes,  Second    Edition .  John  Wiley  & Sons Inc. : New York. Foste,  S,  dkk. Flat  plate  collectors  with thermochromic absorber coatings to reduce loads  during  stagnation. Science  Direct. Energy Procedia 91 (2014) 42 -48. Pardede, A . Pengujian Pemanas Air Tenaga Surya Sistem  Pipa  Panas  Menggunakan  Fluida Kerja  Refrigerant  R-178  pada  Tekanan Vakum  45  cmHg,  40  cmHg,  35  cmHg dengan Variasi Sudut Kolektor 20 0 dan 30 0 . Skripsi  Sarjana  pada  Departemen  Teknik Mesin, USU. Setyawan  Y.E.,  Djiwo  S  and  Sugiarto  T,  2017. “ Simulation  Model  Of  Fluid  Flow  And Temperature Distribution  In Porous Media
Using Cylindrical, Convergent And
Divergent Nozzles ” International Journal of Technology and Sciences (IJTS), Vol. 1, No.
1.