Abstrak - Energi surya banyak dimanfaatkan untuk pemanas air  dengan  menggunakan  kolektor  surya.  Kolektor  surya terdiri  dari  kaca  penutup,  plat  penyerap,  dan  insulasi.  Salah satu  kolektor  yang  sering  digunakan  adalah  kolektor  surya plat  datar.    Untuk  meningkatkan  efisiensi  dari  kolektor  surya adalah  dengan  menambahkan  fin  yang  bertujuan  untuk memperluas  luasan  penyerapan  panas.  Salah  satu  bentuk  fin yang  dapat  digunakan  adalah  fin  berbentuk annular . Penelitian  ini  dilakukan  dengan  memvariasikan  jumlah  kaca penutup  yaitu  satu  dan  dua  kaca  penutup.  Selain  itu  juga memvariasikan debit aliran yang mengalir yaitu 225 liter/jam, 475  liter/jam,  730  liter/jam,  dan  1000  liter/jam.  Hasil eksperimen  menunjukkan  bahwa  temperatur  air  keluar kolektor  surya  setelah  pemanasan  selama  6  jam  dengan  satu kaca penutup untuk debit 1000 liter/jam adalah 41,6ºC. Untuk debit  730  liter/jam  adalah  42,9ºC.  Untuk  debit  475  liter/jam adalah  44,2ºC.  Untuk  debit  225  liter/jam  adalah  45,3ºC. Sedangkan  untuk  dua  kaca  penutup  didapat  temperatur  air keluar  untuk  debit  1000  liter/jam,  730  liter/jam,  475  liter/jam dan  225  liter/jam  adalah  42,6ºC,  43,4ºC,  46,2ºC  dan  47,6ºC. Dengan  temperatur  air  keluar  yang  didapat  dari  hasil penelitian  dibandingkan  dengan  hasil  temperatur  air  keluar menggunakan kolektor tanpa penambahan fin dapat disimpulkan  bahwa  kolektor  dengan  penambahan  fin  lebih efisien  dari  pada  tanpa  penambahan  fin.  Variasi  debit  juga berpengaruh terhadap performansi kolektor. Untuk debit 1000 liter/jam  memiliki  efisiensi  paling  tinggi  sedangkan  debit  225 liter/jam memiliki efisiensi paling rendah.
Kata kunci - kolektor surya, annular fin , debit, kaca penutup.

## I. PENDAHULUAN
alah  satu  cara  untuk  mengurangi  lelah  dan  stress  akibat aktivitas  kerja  yang  tinggi  adalah  dengan  mandi  air hangat.  Pada  umumnya,  air  hangat  didapatkan  dengan memanfaatkan  pemanas  tenaga  listrik,  gas  atau  minyak bumi. Seperti yang kita ketahui saat ini suplai listrik sangat terbatas.  Sama  halnya  dengan  pemanas  air  yang menggunakan  energi  gas,  sebagaimana  kita  ketahui  bahwa minyak  bumi  dan  gas  merupakan  sumber  daya  alam  yang tidak  dapat  diperbaharui,  yang  tentunya  akan  habis  apabila digunakan secara terus-menerus
Indonesia  sangat  berpotensi  menjadikan  energi  surya sebagai  salah  satu  sumber  energi  masa  depan  mengingat posisi Indonesia terletak pada daerah khatulistiwa. Matahari di  Indonesia  mampu  bersinar  hingga  2.000  jam  per tahunnya.  Sayang  sekali  jika  sinar  matahari  yang  cukup melimpah  di  Indonesia  dibiarkan  begitu  saja.  Salah  satu pemanfaatan energi surya adalah penggunaan kolektor surya untuk  memanaskan  air  dengan  mengumpulkan  energi matahari yang sampai ke permukaan bumi dan mengubahnya  kembali  menjadi  energi  kalor  yang  berguna. Ada  beberapa  macam  jenis  tipe  kolektor  surya  yang
tentunya untuk berbagai keperluan sesuai dengan kebutuhan. Salah satu tipe kolektor yang paling sering digunakan adalah kolektor surya plat datar. Untuk hasil pemanasan yang lebih maksimal  plat  kolektor  tersebut  dicat  dengan  warna  hitam yang  berfungsi  untuk  menyerap  radiasi  surya  yang dipancarkan oleh matahari. Untuk menjaga agar tidak terjadi kerugian  panas  secara  radiasi  dan  konveksi  ke  lingkungan sekitar,  maka  digunakan  kaca  pelindung  dan  pada  sisi samping maupun bawah ditambahkan glass woll yang dapat mengisolasi  terjadinya  kebocoran  panas  yang  dihasilkan oleh pelat kolektor surya.
Salah satu cara meningkatkan efisiensi dari kolektor surya adalah  dengan  menambahkan  fin  pada  pipa-pipa  yang mengalirkan  fluida.  Dengan  penambahan  fin  ini  maka  akan mengakibatkan  luas  permukaan  pipa  yang  menerima  panas akan  semakin  besar  dengan  demikian  maka  air  dalam  pipa tersebut dapat lebih panas. Banyak sekali bentuk-bentuk fin yang  digunakan  dan  salah  satu  bentuk  fin  yang  dapat digunakan adalah fin berbentuk annular .

## II. URAIAN PENELITIAN
A. Penelitian Terdahulu
Berbagai  penelitian  terdahulu  mengenai  kolektor  surya plat  datar  telah  banyak  dilakukan  diantaranya  oleh  Tri wiradhani  [1].  Dia  melakukan  penelitian  tentang  rancang bangun  pemanas  air  tenaga  surya  dengan  menggunakan kolektor  surya  plat  datar.  Tri  membuat  kolektor  berbentuk box  yang  terbuat  dari  kayu  dan  dilapisi  glass  woll.  Tebal kaca  penutup  yang  digunakan  adalah  5  mm.  Uji  coba menggunakan  4  variasi  debit  dan  dilakukan  pada  pukul 09.00-15.00.  Hasil  yang  didapat  dari  penelitian  ini  adalah temperatur air keluar maksimal adalah 43,1ºC.

## B. Analisa Perpindahan Panas Pada Kolektor Surya
Perpindahan panas yang terjadi pada kolektor surya antara lain konveksi, konduksi dan radiasi. Energi radiasi matahari yang diterima plat absorber sebagian dimanfaatkan  menjadi energi berguna (Q u ) dan mengalami kerugian panas ke arah atas (U a ) dan ke arah bawah (U b ).
1) Analisa  Perpindahan  panas  Antara  Cover  dan  Udara Luar
Perhitungan  koefisien  perpindahan  panas  antara  kaca penutup dengan lingkungan sekitar dimulai dengan mencari koefisien  perpindahan  panas  konveksi  antara  kaca  penutup dengan  lingkungan  sekitar  kemudian  mencari  koefisien perpindahan  panas  radiasi  antara  kaca  penutup  dengan lingkungan.

## Studi Eksperimental Efektivitas Penambahan

## Annular Fins pada Kolektor Surya Pemanas Air dengan Satu dan Dua Kaca Penutup
Edo Wirapraja dan Bambang Arip Dwiyantoro Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : bambangads@me.its.ac.id
S
a. Konveksi
Koefisien  perpindahan  panas  konveksi  yang  disebabkan oleh angin yang berhembus diatas kaca penutup yaitu: Nilai Reynold number :
dimana : = bilangan reynold
= massa jenis udara
= kecepatan
L = panjang kaca (m)
= viskositas dinamis udara
Nilai Nusselt number :
dimana :
= bilangan nusselt Pr = bilangan prandtl
Sehingga didapat koefisien konveksi:
dimana :
= koefisien konveksi
= konduktivitas termal udara
b. Radiasi
Koefisien  perpindahan  panas  radiasi  pada  kaca  penutup ke udara luar dapat dihitung dengan persamaan:
dimana : = koefisien radiasi
= emisivitas kaca
= konstanta Stefan-Bolzman
= temperatur kaca (ºK)
= temperatur udara (ºK)
Hambatan total antara kaca penutup dengan lingkungan:
2) Analisa Perpindahan Panas Antara Kaca Penutup dengan Pipa a. Konveksi
Koefisien  perpindahan  panas  antara  kaca  penutup dengan pipa dapat dicari dengan persamaan:
Nilai Rayleigh number :
dimana :
= bilangan Rayleigh
= percepatan gravitasi
= koefisien ekspansi volumetrik
= perbedaaan temperatur
= diameter pipa
= viskositas kinematik
= thermal diffusivity
Nilai Nusselt number :
dimana :
= bilangan nusselt
= bilangan prandtl
Sehingga didapat koefisien konveksi: dimana : = koefisien konveksi
=  konduktivitas  termal  udara  didalam kolektor
b. Perpindahan Panas Melewati Fin
dimana : = efisiensi satu fin = perpindahan panas pada fin (W)
h = koefisien konveksi disekitar fin
P = tebal fin (m)
= perbedaan temperatur fin dengan udara sekitar (K)
= perpindahan panas jika seluruh fin bertemperatur sama dengan akar fin
Efisiensi total dari fin:
dimana : = efisiensi total fin N = jumlah fin = luas permukaan fin
= luas total fin
c. Radiasi
Koefisien  perpindahan  panas  radiasi  pada  kaca  penutup dengan pipa dapat dihitung dengan persamaan:
dimana : = koefisien radiasi
= emisivitas kaca
= konstanta Stefan-Bolzman
= temperatur pipa (ºK)
= temperatur udara didalam kolektor (ºK) Hambatan total antara kaca penutup dengan pipa:
3) Analisa Perpindahan Panas Antara Pipa dengan Air
a. Konduksi
Koefisien  perpindahan  panas  konduksi  dapat  dicari dengan persamaan:
dimana : = diameter luar pipa (m) = diameter dalam pipa (m)
=konduktivitas termal pipa
b. Konveksi
Koefisien  perpindahan  panas  konveksi  antara  pipa dengan air dapat dicari dengan persamaan: Nilai Reynold number :
dimana : = bilangan reynold
= massa jenis air
= kecepatan air
D = diameter pipa (m)
= viskositas dinamis air
Nilai Nusselt number: dimana : = bilangan nusselt
= bilangan prandtl
Koefisien perpindahan panas konveksi antara pipa dan air:
dimana :
= koefisien konveksi
= konduktivitas termal air
Hambatan total antara pipa dengan air:
4) Analisa Perpindahan Panas Antara Kaca Penutup dengan Plat Absorber a. Konveksi
Nilai Reynold number :
dimana :
= bilangan Rayleigh
= percepatan gravitasi
= koefisien ekspansi volumetrik
= perbedaaan temperatur
= jarak antara kaca dan plat absorber
= viskositas kinematik
= thermal diffusivity
Nilai Nusselt number :
Sehingga didapat koefisien konveksi:
dimana : = koefisien konveksi
=  konduktivitas  termal  udara  didalam
kolektor b. Radiasi
Hambatan total antara kaca penutup dengan plat absorber:
5) Analisa Perpindahan Panas Pada Bagian Bawah
dimana : = tebal plat absorber (m) = tebal glass woll (m) = tebal tripleks (m)
= konduktivitas termal plat absorber
= konduktivitas termal glass woll
= konduktivits termal tripleks
Sehingga  koefisien  kehilangan  panas  total  dari  kolektor adalah:
Untuk  menghitung  besarnya  faktor  efisiensi  kolektor dapat menggunakan persamaan berikut:
dimana : = kehilangan panas total
W = jarak antar pipa (m) D = diameter pipa (m)
F = efisiensi fin
=  koefisien  konveksi  antara  pipa  dengan
air
Sedangkan besarnya collector flow factor adalah:
dimana : = laju aliran massa air
= panas spesifik
= luasan kolektor (m 2 ) = faktor efisiensi kolektor Faktor pelepasan panas (F R ) untuk kolektor surya adalah sebagai berikut:
F R = F’ . F”                                (32) Energi  berupa  panas  yang  berguna  dari  kolektor  surya adalah sebagai berikut:
dimana : = energi berguna secara desain (W)
= faktor pelepasan panas kolektor
= intensitas radiasi  matahari yang diterima plat absorber
= temperatur air masuk kolektor (K)
= temperatur udara sekitar (K)
Sedangkan  energi  berguna  dari  kolektor  surya  secara aktual menurut hukum termodinamika adalah:
dimana : = energi berguna secara aktual (W) = temperatur air keluar kolektor (K) Sedangkan  efisiensi  kolektor  surya  adalah  sebagai berikut:
dan dimana : = efisiensi kolektor secara desain
= efisiensi kolektor secara aktual
= luas kolektor (m 2 )
=  intensitas  radiasi  matahari  yang  diterima kolektor

## III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Prinsip Pengujian
Penelitian ini dilaksanakan di lingkungan kampus jurusan Teknik  Mesin  ITS  yang  terletak  pada  posisi  7,3°LS  dan antara  112,8°BT  dengan  ketinggian  daerah  ±8  meter  diatas permukaan laut. Waktu penelitian pukul 09.00 WIB sampai 15.00 WIB dengan rentan pengambilan data 60 menit.
B. Perencanaan Alat
Gamabr  1  adalah  system  pemanas  air  tenaga  surya  yang digunakan  dalam  penelitian  ini.  Kolektor  surya  berfungsi untuk mengumpulkan energi radiasi matahari dan mengubahnya  menjadi  energi  panas  yang  selanjutnya  akan digunakan untuk memanaskan air didalam pipa tembaga.
Gambar 1. Sistem Pemanas Air Tenaga Surya

## Gambar 2. Kolektor dan Pemasangan Fin pada Pipa
Plat  penyerap  dari  kolektor  surya  ini  terbuat  dari  seng ukuran 1,5 m x 0,5 m yang dicat hitam dengan tebal 2 mm. Sedangkan pada pipa tembaga berdiameter dalam (Di=1,5cm)  dan  diameter  luar  (Do=1,54cm)  dipasang  fin berbentuk annular dengan diameter 3 cm dan tebal 0,5 mm. Gambar  2  menunjukkan  kolektor  dan  pemasangan  fin  pada pipa.  Sebagai  kaca  penutup  digunakan  kaca  bening  ukuran 1,5m  x  0,5m  dengan  tebal  5  mm.  Untuk  mengurangi kerugian  panas  kearah  samping  dan  bawah  digunakan isolator glass wool dengan tebal 5cm.

## IV. HASIL DAN ANALISA
A. Pembahasan Grafik Efektivitas Penambahan Fin dengan Variasi Debit
Gambar 3. Grafik Temperatur Air Keluar Setelah Pemanasan 6 Jam dengan Variasi Penambahan Fin, Variasi Debit dan Jumlah Kaca Penutup
Pada  gambar  3  kita  dapat  melihat  bahwa  ketika  debit divariasikan 1000 liter/jam, 730 liter/jam, 475 liter/jam dan 225  liter/jam,  serta  divariasikan  terhadap  penambahan  fin dan  jumlah  kaca  penutup.  Didapat  temperatur  air  keluar tertinggi adalah saat debit 225 liter/jam sedangkan pengaruh penambahan  fin  terhadap  temperatur  air  keluar  adalah penambahan  fin  memberikan  temperatur  air  keluar  lebih tinggi  dari  pada  tanpa  fin.  Hal  ini  terlihat  untuk  kolektor dengan penambahan fin temperatur air keluar adalah 45,3ºC sedangan  kolektor  tanpa  fin  memiliki  temperatur  air  keluar 43,1ºC.  Sedangkan  untuk  variasi  jumlah  kaca  penutup didapat  bahwa  dengan  penggunaan  dua  kaca  penutup didapat  temperatur  air  keluar  lebih  tinggi.  Hal  ini  terlihat dari  temperatur  air  keluar  untuk  debit  1000  liter/jam,  730 liter/jam,  475liter/jam  dan  225  liter/jam  untuk  dua  kaca
penutup  adalah  42,6ºC  ,  43,4ºC  ,  46,2ºC  dan  47,6ºC sedangkan untuk satu kaca penutup didapat 41,6ºC , 42,9ºC , 43,9ºC dan 45,3ºC
Hal  ini  terjadi  karena  temperatur  air  keluar  berkaitan dengan  banyaknya  energi  berguna  yang  ditransfer  ke  air melalui  pipa.  Semakin  luas  permukaan  pipa  maka  semakin banyak  energi  yang  ditransfer  ke  air.  Penambahan  fin  ini bertujuan  untuk  memperluas  luasan  penyerapan  panas  pada pipa.  Sedangkan  untuk  penambahan  jumlah  kaca  penutup mengakibatkan  kehilangan  panas  ke  bagian  atas  semakin kecil sehingga temperatur didalam kolektor semakin tinggi.
B. Pembahasan  Grafik  Temperatur  Air  Keluar  Untuk Masing-Masing Variasi Debit Aliran Fluida
Pada  gambar  4  dan  5  kita  dapat  melihat  bahwa  ketika kolektor  divariasikan  dengan  debit  1000  liter/jam  dan 225liter/jam  serta  divariasikan  terhadap  jumlah  kaca penutup. Untuk variasi jumlah kaca penutup adalah satu dan dua  kaca  penutup.  Maka  kita  dapat  temperatur  air  tertinggi didapat  pada  kolektor  dengan  dua  kaca  penutup  dan temperatur air keluar terendah didapat pada kolektor dengan satu kaca penutup. Sedangkan pengaruh perubahan debit air terhadap temperatur air keluar adalah semakin kecil debit air maka  temperatur  air  keluar  semakin  tinggi.  Hal  ini  dapat kita  lihat  ketika  kolektor  dengan  dua  kaca  penutup  diset pada debit 225 liter/jam menghasilkan temperatur air keluar paling tinggi yaitu 47,3ºC. Untuk kolektor dengan satu kaca penutup  dan  diset  pada  debit  1000  liter/jam  menghasilkan temperatur air keluar paling rendah yaitu 41,6ºC.
Gambar 4. Grafik Temperatur Air Keluar Pada Debit 1000Liter/Jam
Gambar 5. Grafik Temperatur Air Keluar Pada Debit 225Liter/Jam
Hal  ini  terjadi  karena  energi  yang  dihasilkan  untuk memanaskan  air  berkaitan  dengan  koefisien  kehilangan panas total (U L ) pada kolektor. Semakin kecil nilai U L maka
Q u semakin  besar  dimana  Q u adalah  energi  berguna  yang digunakan  untuk  memanaskan  air.  Hal  ini  sesuai  dengan rumus .  Temperatur  air  keluar juga  berkaitan  dengan  laju  aliran  massa dimana berkaitan  dengan  debit  air  yang  mengalir  didalam  kolektor. Semakin  rendah maka  temperatur  air  keluar  semakin tinggi.  Hal  ini  sesuai  dengan  rumus dimana Qu, dan Cp untuk masing-masing debit kita anggap sama  sehinga  semakin  kecil maka  temperatur  air  keluar semakin tinggi.
C. Pembahasan Grafik Energi Berguna Fungsi Intensitas
Gambar 6. Grafik Energi Berguna Aktual untuk Satu Kaca Penutup
Gambar 7. Grafik Energi Berguna Aktual Untuk Dua Kaca Penutup
Pada gambar 6 dan 7 kita dapat melihat hubungan antara energi  yang  diserap  oleh  air  (Q u )  terhadap  intensitas.  Dari grafik  diatas  terlihat  bahwa  tren  grafik  Q u berubah berdasarkan intensitas. Pada intensitas 700 W/m 2 untuk satu kaca  penutup  energi  yang  diserap  oleh  air  pada  debit  1000 liter/jam adalah  yang paling tinggi  yaitu 245 W, sedangkan debit  730  liter/jam  adalah  150  W,  Q u untuk  debit  475 liter/jam adalah 80 W dan Q u terendah adalah saat debit 225 liter/jam yaitu 70 W.
Hal  ini  terjadi  karena  Q u juga  bergantung  terhadap mass flow  rate  (ṁ) dimana  ṁ  mempengaruhi  reynold  number (Re). Semakin tinggi nilai Re maka nilai koefisien konveksi (h)  antara  pipa  dan  air  semakin  tinggi  sehingga  Qu  yang diserap semakin besar.
D. Pembahasan  Grafik  Efisiensi  Aktual  dengan  Variasi Debit
Dari gambar  8  dan  9  terlihat  bahwa  efisiensi  secara desain  untuk  satu  kaca  penutup  mempunyai  tren  grafik berkisar  antara  50%  hingga  78%  dengan  intensitas  yang
berubah. Sedangkan untuk dua kaca penutup berkisar antara 62%  hingga  80%.  Perubahan  tersebut  dikarenakan  nilai  U L yang  berubah  tergantung  pada  kondisi  saat  pengambilan data  seperti  perubahan  kecepatan  udara,  temperatur  plat, temperatur penutup, dan lain-lain. Pada grafik secara desain terlihat  bahwa  efisiensi  tertinggi  didapat  dari  debit  aliran yang  lebih  besar.  Hal  ini  disebabkan  karena  pada  debit aliran  yang  lebih  besar  mempunyai  nilai  laju  aliran  massa yang  lebih  tinggi  sehingga  memperbesar  nilai  faktor pelepasan panas (F R ).
Gambar 8. Grafik Efisiensi Untuk Debit 1000 Liter/Jam
Gambar 9. Grafik Efisiensi Untuk Debit 225 Liter/Jam
Berbeda dengan efisiensi secara aktual yang menggunakan  persamaan  termodinamika  yang  cenderung mengalami  peningkatan  terus  seiring  dengan  meningkatnya debit aliran. Dimana pada batas tertentu semakin besar nilai laju  aliran  massa  akan  meningkatkan  nilai  energi  berguna (Q u ) sehingga menyebabkan efisiensi aktual juga meningkat.

## V. KESIMPULAN/RINGKASAN
Penelitian ini menyimpulkan hal-hal sebagai berikut:
1. Temperatur air keluar untuk debit 1000 liter/jam  dengan pemanasan  air  mulai  pukul  09.00-15.00  adalah  41,3°C. Untuk  debit  730  liter/jam  adalah  42,4°C.  Untuk  debit 475  liter/jam  adalah  44,2°C.  Untuk  debit  225  liter/jam adalah 45,2°C.
2. Peformansi kolektor surya dengan penambahan fin lebih baik  dari  pada  tanpa  penambahan  fin.  Hal  ini  dapat dilihat  dari  temperatur  air  keluar  untuk  masing-masing debit  pada  kolektor  dengan  penambahan  fin  lebih  tinggi dari  pada  tanpa  penambahan  fin.  Perbedaaan  temperatur ini  dikarenakan  luasan  penyerapan  panas  pada  pipa sehingga semakin banyak energi yang ditransfer ke air.
3. Semakin besar debit  fluida  yang  mengalir didalam pipa, maka  Qu  yang  dihasilkan  akan  semakin  besar.  Hal  ini
dikarenakan  koefisien  konveksi  antara  pipa  dan  air meningkat  seiring  bertambahnya  debit  sehingga  energi yang  diserap  semakin  besar.  Peningkatan  Qu  ini  juga menyebabkan efisiensi yang didapat juga semakin besar 4. Efisiensi aktual terbesar terjadi pada pukul 12.00 dimana itensitas pada jam tersebut paling tinggi dan ketika debit air  diset  1000  liter/jam  pada  kolektor  dengan  dua  kaca penutup yaitu sebesar 52,48%
5. Nilai Qu secara desain mempunyai nilai lebih tinggi dari pada nilai Qu aktual. Hal ini dikarenakan nilai properties yang diambil pada perhitungan desain diambil dari tabel. Sedangkan  perhitungan  aktual  digunakan  pada  saat setelah pengambilan data dengan memperhatikan kondisi masuk dan keluar saja. Sehingga lebih teliti

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Wiradhani,Tri.  2011. Rancang  Bangun  Pemanas  Air  Tenaga  Surya dengan  Menggunakan Kolektor Surya  Plat  Datar .  FTI  -ITS,  Jurusan D3 Teknik Mesin.