## Studi Analitik Penambahan Reflektor Pelat Datar Sudut 60˚ pada Pemanas Air Tenaga Surya
Dedy Ashari 1) , Djatmiko Ichsani 2)
¹ Program Studi Teknik Mesin, Universitas Dayanu Ikhsanuddin, Baubau, Indonesia
2 Departemen Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia Corresponding Author : dedyashari@unidayan.ac.id

## Article Info
Available online May 29, 2023

## Abstrak
Kebutuhan energi listrik di Indonesia semakin meningkat. Penambahan reflektor pelat datar bertujuan  untuk  meningkatkan  efisiensi  kolektor  surya  sebagai  pemanas air.  Penelitian  ini dilakukan  secara  analitik  untuk  melihat  data  intensitas  radiasi  matahari  harian  pada kolektor surya dengan penambahan reflektor sudut 60˚. Hasil yang diperoleh pada kondisi tanpa  reflektor,  nilai  radiasi  matahari  rata-rata  harian  yang  dihasilkan  kolektor  surya sebesar  1136  W/m 2 .  Sedangkan  untuk  kondisi  sudut  reflektor  60˚,  nilai  radiasi  matahari rata-rata  harian  tercatat  sebesar  1386  W/m 2 .  Terdapat  selisih  sebesar  250  W/m 2 antara kedua  kondisi  tersebut.  Nilai  intensitas  radiasi  matahari  harian  juga  dihitung  dengan menggunakan metode luasan, hasilnya diperoleh nilai radiasi matahari harian sebesar 2,542 kWh/m 2 pada  kondisi  tanpa  reflektor.  Selanjutnya,  pada  kondisi  sudut  reflektor  60˚, nilai radiasi  matahari  yang  dihasilkan  meningkat  sebesar  6%  menjadi  2,712  kWh/m 2 . Penambahan  reflektor  pelat  datar  dengan  sudut  60˚  terbukti  dapat  meningkatkan  nilai intensitas radiasi matahari harian yang dapat diterima oleh kolektor surya pemanas air.
Kata kunci : Kolektor surya, reflektor, solar water heater .

## Abstract
The  condition  of  electrical  energy  in  Indonesia  is  increasing.  The  addition  of  a  flat  plate reflector is expected to increase the efficiency of the solar collector as a water heater. This research  was  carried  out  analytically  to  determine  daily  solar  radiation  intensity  data  on solar collectors with the addition of a 60˚ angle reflector. The results obtained in conditions without  reflectors,  the  daily  average  solar  radiation  value  produced  by  solar  collectors  is 1136  W/m 2 .  Then  for  the  condition  of  the  reflector  angle  of  60˚,  the  daily  average  solar radiation value is recorded at 1386 W/m 2 . There is a  difference of 250 W/m 2 between the two  conditions.  The  daily  solar  radiation  intensity  value  is  also  calculated  using  the  area method, the result is a daily solar radiation value of 2.542 kWh/m 2 in conditions without the reflectors.  Furthermore,  at  a  reflector  angle  of  60˚,  the  resulting  solar  radiation  value increases by 6% to 2.712 kWh/m 2 . The addition of a flat plate reflector at an angle of 60˚ is proven to increase the daily solar radiation  intensity value that can be received by a solar water heater.
Keywords : reflector, solar collector, solar water heater.

## 1. Pendahuluan
Kebutuhan  akan  energi  listrik  semakin meningkat  dari  tahun  ke  tahun.  Namun permasalahan  saat  ini  khususnya  di  Indonesia adalah terbatasnya pasokan listrik yang menyebabkan  krisis  energi.  Di  Indonesia,  energi baru  terbaharukan  (EBT)  belum  sepenuhnya dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik.  Letak
negara Indonesia yang berada di garis khatulistiwa memiliki  potensi  besar  untuk  penerapan  EBT khususnya Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) dengan rata-rata penyinaran matahari sebesar 4,8 kWh/m 2 /hari [1]. Teknologi energi baru terbaharukan  diharapkan  banyak  memberikan kontribusi terhadap energi global untuk mengurangi efek gas rumah kaca [2].

## ENTHALPY: Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin
Journal homepage: http://ojs.uho.ac.id/index.php/ENTHALPY
Kolektor  surya  adalah  alat  penukar  panas yang  dapat  mengubah  bentuk  energi  radiasi matahari menjadi energi panas untuk memanaskan  fluida.  Salah  satu  alat  yang memanfaatkan  sistem  konversi  ini  adalah Solar Water  Heater (SWH)  yang  menggunakan  air sebagai  fluida  kerjanya  [3].  Efisiensi  termal keseluruhan  dari  sistem  SWH  bergantung  pada kinerja  kolektor  pelat  datar  [4].  Dari  beberapa penelitian  yang telah dilakukan, berbagai  metode telah digunakan untuk meningkatkan efisiensi dari kolektor  surya,  termasuk  penggunaan  reflektor pelat datar. Reflektor digunakan untuk mendapatkan  suhu  yang  lebih  tinggi  pada permukaan penyerap [5].
Kajian analitik teoritis tentang posisi kolektor surya dan reflektor pelat datar menunjukkan hasil bahwa  kemiringan  kolektor  dan  reflektor  sangat mempengaruhi  besar  nilai  radiasi  matahari  yang diserap  oleh  kolektor  surya  sepanjang  tahun  [6]. Penelitian  tentang  penentuan  posisi  optimal kolektor  surya  di  seluruh  dunia  telah  banyak dilakukan  [7].  Penentuan  posisi  optimal  dari kolektor surya berdasarkan data matahari tersedia di beberapa lokasi seperti Surabaya, Indonesia [8], dan Spanyol [9]. Selain itu, posisi optimal kolektor surya  yang  ditentukan  berdasarkan  data  dari panel  fotovoltaik  pada  sudut  yang  berbeda tersedia  di  lokasi  seperti  Hannover,  Jerman  [10] dan Teheran, Iran [11]. [12] melakukan penelitian terhadap  posisi  kolektor  surya  yang  dipasang d engan sudut β = 45˚ terhadap energi panas total yang  dihasilkan  oleh  kolektor  surya  tersebut. Hasilnya  menunjukkan  bahwa  total  energi  panas yang dihasilkan  kolektor surya lebih  tinggi  sekitar 35  -  44%  pada  periode  musim  panas  (Juni  - September)  dengan  penambahan  reflektor  pelat datar pada posisi sudut 45˚ . Penelitian secara eksperimen tentang penambahan  reflektor  pada  SWH  juga  telah dilakukan pada bulan Januari 2015 yang berlokasi di  Bangladesh  [13].  Pada  penelitian  tersebut, sudut  kemiringan  panel  surya  diatur sebesar  45˚ , sedangkan  sudut  kemiringan  reflektor  masing- masing adalah 60˚ untuk sisi kiri dan 30˚ untuk sisi kanan  dari  kolektor  surya.  Hasilnya  diperoleh bahwa  efisiensi  maksimum  kolektor  surya  tanpa penambahan  reflektor  adalah  sekitar  51%, sedangkan dengan penambahan reflektor diperoleh efisiensi sebesar 61%.

## 2. Metode Penelitian
Kolektor  surya  ini  menggunakan  pelat absorber  berbentuk  gelombang  ( sinusoidal )  yang
memiliki  dimensi  panjang  920  mm  dan  lebar  500 mm.  Pengambilan  data  penelitian  ini  dilakukan  di Laboratorium  Energi  Surya  Departemen  Teknik Mesin  Institut  Teknologi  Sepuluh  Nopember Surabaya, Indonesia, yang terletak pada koordinat 7˚16'  LU - 112˚43'  BT  /  7,267˚  LS  – 112,717˚  BT. Kolektor  SWH  pada  penelitian  ini  ditunjukkan pada gambar 1 berikut.
Gambar 1. Kolektor Solar Water Heater
Posisi  permukaan  kolektor  surya  diatur menghadap ke arah utara. Selanjutnya perhitungan  secara  analitik  dilakukan  untuk menentukan sudut reflektor yang akan ditempatkan  pada  kedua  sisi  kolektor  surya (α 1 = α 2 ), sehingga dapat dilihat hubungan antara sudut reflektor  dan  total  radiasi  matahari  (G tot_col ). Perhitungan  analitik  pada  penelitian  ini  dilakukan pada  tanggal  15  Agustus  dengan  memasukkan data  parameter  seperti  yang  ditmpilkan  pada Tabel  1,  data  parameter  tersebut  meliputi  posisi matahari, number of day in year , dimensi kolektor dan sudut kolektor.
Data  parameter  yang  telah  diperoleh tersebut kemudian dijalankan dengan menggunakan  software  MATLAB  untuk  melihat besar  nilai  dan  mengetahui  pengaruh  sudut reflektor  pelat  datar  terhadap  total  radiasi matahari yang diterima oleh kolektor SWH.
Tabel 1. Data Parameter Perhitungan Analitik Data Parameter Nilai Latitude (φ) -7,2821 Jam (h) 9 Tanggal, Bulan 15 Agustus Number of day in year (N)
Solar Constant (G sc ) Reflectance Sudut kolektor (β) Lebar Kolektor (L total ) Lebar Reflektor 1 (R 1 ) Lebar Reflektor 2 (R 2 ) Sudut Reflektor 1 ( α 1 )
Sudut Reflektor 2 ( α 2 ) 227 1353 W/m 2 0,8 0˚ 500 mm 500 mm 500 mm 60˚ 60˚
3. Pembahasan
3.1 Total Radiasi Matahari (G tot_col )
Total  radiasi  matahari  yang  mengenai permukaan  kolektor  surya  dapat  ditentukan dengan persamaan berikut [12]:
𝐺 𝑡𝑜𝑡_𝑐𝑜𝑙 = 𝐺 𝑑𝑖𝑟_𝑐𝑜𝑙 + 𝐺 𝑟𝑒𝑓_𝑟1 + 𝐺 𝑟𝑒𝑓_𝑟2 + 𝐺 𝑑𝑖𝑓_𝑐𝑜𝑙 (1) Dimana:
G tot_col = total radiasi matahari (W/m 2 ) G dir_col = radiasi  matahari  langsung  pada kolektor surya (W/m 2 ) G ref_r1 = radiasi  matahari  yang  jatuh  pada reflektor kiri (W/m 2 ) G ref_r2 = radiasi  matahari  yang  jatuh  pada reflektor kanan (W/m 2 )
G dif_col = radiasi  matahari  yang  tersebar  pada kolektor surya (W/m 2 )
3.2 Radiasi  Matahari  Langsung  pada  Kolektor Surya (G dir_col )
Persamaan berikut digunakan untuk menentukan  jumlah  radiasi  matahari  langsung pada permukaan kolektor surya (G dir_col ) [14]:
𝐺 𝑑𝑖𝑟_𝑐𝑜𝑙 = 𝐺 𝑖𝑛 . sin(𝛼 + 𝛽) 𝐿 𝐿 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (2)
𝐺 𝑖𝑛 =   𝐺 𝑂 [0,7 𝐴𝑀 𝟎,𝟔𝟕𝟖 ] (3)
Dimana:
G in = global solar incident radiation (W/m 2 ) α
= sudut antara radiasi matahari
langsung dengan  bidang horizontal β = sudut antara kolektor surya terhadap bidang horizontal L = area permukaan kolektor yang terkena sinar matahari (m) L total
= panjang total reflektor (m) G o = solar constant = 1366 W/m 2
AM = optical air mass
3.3 Total  Radiasi  Matahari  Langsung  pada Reflektor Kiri (G ref_r1 )
Untuk  menghitung  jumlah  radiasi  matahari yang  jatuh  pada  permukaan  reflektor  di  sisi  kiri (G ref_r1 ),  dapat  menggunakan  persamaan  berikut [14]:
𝐺 𝑟𝑒𝑓_𝑟1 = 𝜌 𝑟𝑒𝑓𝑙𝑒𝑘𝑡𝑜𝑟 . 𝐺 𝑖𝑛 𝑟1 𝑚𝑎𝑥
𝑅 1 (4)
Dimana: ρ = reflectance (kemampuan reflektor untuk memantulkan sinar matahari)
3.4 Total  Radiasi  Matahari  Langsung  pada Reflektor Kanan (G ref_r2 )
Untuk  menghitung  jumlah  radiasi  matahari yang jatuh pada permukaan reflektor di sisi kanan
(G ref_r2 ),  dapat  menggunakan  persamaan  berikut [14]:
𝐺 𝑟𝑒𝑓_𝑟2 = 𝜌 𝑟𝑒𝑓𝑙𝑒𝑘𝑡𝑜𝑟 . 𝐺 𝑖𝑛 𝑟2 𝑚𝑎𝑥 𝑅 2 (5)
3.5 Radiasi  Matahari  yang  Tersebar  pada Kolektor Surya (G dif_col )
Radiasi matahari yang tersebar pada kolektor surya  adalah  hasil  dari  penjumlahan  nilai  radiasi matahari yang menyebar di udara (G dif ) dan radiasi matahari  yang  dipantulkan  dari  tanah  (G ref_gr ). Pada  keadaan  ini,  diasumsikan  bahwa  tidak  ada radiasi matahari yang dipantulkan dari permukaan tanah  G ref_gr =  0.  Hal  ini  dapat  dilihat  dari persamaan berikut [14]:
𝐺 𝑑𝑖𝑓_𝑐𝑜𝑙 =   𝐺 𝑑𝑖𝑓 1 + cos 𝛽 2 (6)
𝐺 𝑑𝑖𝑓 = 0,5 . 𝐼 𝑂 . sin 𝜙  (1 − 0,7 1 sin 𝜙 )
(1 − 1,4 ln 0,7) (7)
Dimana  untuk  mencari  nilai  Gdif,  juga diperlukan  nilai  radiasi  matahari  di  luar  atmosfer (extraterrestrial) pada bidang horizontal (I O ) [15].

## 3.6 Hasil Perhitungan
Perhitungan analitik dilakukan dengan melihat  data  intensitas  radiasi  matahari  harian antara  jam  09:00  -  15:00  dengan  sudut  reflektor sebesar 60 ˚ .
Gambar 2. Hasil perhitungan analitik nilai total intensitas radiasi matahari harian
Hasil dari perhitungan analitik total intensitas radiasi matahari harian dapat dilihat pada gambar 2 di atas. Pada kondisi tanpa reflektor, nilai radiasi matahari rata-rata harian yang dihasilkan kolektor surya  adalah  sebesar  1136  W/m 2 .  Sedangkan untuk  kondisi  sudut  reflektor  60 ˚ ,  nilai  radiasi matahari  rata-rata  harian  tercatat  sebesar  1386 W/m 2 .  Terdapat  selisih  sebesar  250  W/m 2 antara kedua kondisi tersebut.
Nilai intensitas radiasi matahari juga dihitung dengan  menggunakan  metode  luasan Multiple Simpson's  1/3  rule ,  untuk  mengetahui  nilai
intensitas  radiasi  matahari  harian  yang  dihasilkan dari  penambahan  reflektor  pelat  datar  dengan sudut 60 ˚. Hasil perhitungan dengan menggunakan  metode  luasan  pada  tanggal  15 Agustus  (N  =  227),  diperoleh  nilai  G total_col harian sebesar  2.542  kWh/m 2 pada  kondisi  tanpa reflektor.  Selanjutnya,  pada  kondisi  sudut reflektor  60˚,  nilai  G total_col yang  dihasilkan meningkat  sebesar  2.712  kWh/m 2 .  Terdapat perbedaan  nilai  sebesar  0.170  kWh/m 2 atau sebesar 6% pada kedua kondisi tersebut. Gambar 3  menampilkan  kondisi  nilai  intensitas  radiasi matahari dengan mengunakan metode luasan.
Gambar 3. Hasil perhitungan total intensitas radiasi matahari harian yang diterima kolektor surya dengan metode luasan
Grafik  pada  gambar  3  menunjukkan  bahwa kondisi  tanpa  reflektor  pada  jam  09:00  pagi  dan jam  15:00  sore  menunjukkan  nilai  intensitas matahari  yang  lebih  besar  dibandingkan  dengan kondisi penambahan  reflektor.  Hal ini disebabkan karena  pada  kondisi  tersebut,  sebagian  sinar matahari yang menuju permukaan kolektor  surya terhalang  oleh  reflektor,  sehingga  penerimaan sinar  matahari  pada  kolektor  surya  tidak maksimal.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil studi analitik, penempatan reflektor  pelat  datar  pada sudut  60˚ pada  kedua sisi  kolektor  surya  dapat  menghasilkan  intensitas radiasi  matahari  rata-rata  harian  sebesar  1386 W/m 2 .  Terjadi  peningkatan  nilai  radiasi  matahari rata-rata harian jika dibandingkan tanpa penggunaan  reflektor  yang  memiliki  nilai  sebesar 1136 W/m 2 . Nilai intensitas radiasi matahari yang dihasilkan  kolektor  surya  dipengaruhi  oleh  salah satu  reflektor  yang  menghalangi  sinar  matahari yang akan menuju permukaan kolektor surya pada
saat posisi matahari belum pada posisi tengah hari ( solar noon ).

## Daftar Pustaka
[1]   Badan  Pengkajian  dan  Penerapan  Teknologi (BPPT). https://www.bppt.go.id/dokumen/outlook- energi.
(Diakses bulan Maret 2023)
[2]  DTI.  Energy  white  paper:  our  energy  future- creating  a  low  carbon  Economy.  UK:  The Stationary Office; 2003.
[3] Chong  KK.,  Chay  KG.,  Chin  KH.  “Study  of    a solar  water  heater  using  stationary  V-trough collector”. Renewable  Energy 2012;  39,  207- 215.
[4]  Jaisankar  S,  Radhakrishnan  TK,  Sheeba  KN. Experimental  studies  on  heat  transfer  and friction  factor  characteristics  of  forced circulation  solar  water  heater  system  fitted with  helical  twisted  tapes.  Solar  Energy 2009;83:1943-52.
[5]  Smyth  M,  Eames  PC,  Norton  B.  Integrated collector  storage  solar  water  heaters. Renewable  and  Sustainable  Energy  Reviews 2006;10:503-38.
[6] Tanaka, H. “Solar thermal collector augmented  by  flat  plate  booster  reflector: optimum  in-clination  of  collector  and reflector”. Applied  Energy 2011;  88,  1395- 1404.
[7]  C. Stanciu, D. Stanciu, Optimum tilt  angle for at  plate  collectors  all  over  the  world  -  a declination dependence formula and comparisons of three solar  radiation models, Energy Convers. Manag. 81 (2014) 133-143.
[8]  E.A.  Handoyo,  D.  Ichsani,  Prabowo,  The optimal  tilt  angle  of  a  solar  collector,  Energy Proced. 32 (2013) 166-175.
[9]  J. Bilbao, A. De Miguel, A. Ayuso, J.A. Franco, Iso-radiation  maps  for  tilted  surfaces  in  the Castile  and  Leon  region,  Spain.  Energy Convers. Manag. 44 (2003) 1575-1588.
[10]  S. Beringer, H. Schilke, I. Lohse, G. Seckmeyer, Case  study  showing  that  the  tilt  angle  of photovoltaic  plants  is  nearly  irrelevant,  Sol. Energy 85 (2001) 470-476.
[11]  E. Asl-Soleimani, S. Farhangi, M.S. Zabihi, The effect  of  tilt  angle,  air  pollution  on performance  of  photovoltaic  systems  in Tehran, Renew. Energy 24 (2001) 459-468.
[12] Kostic, L. T., Pavlovic, T. M. “Optimal position of  flat  plate  reflector  of  solar  thermal  col- lector”. Energy Build 2012, 45, 161-168.
[13] Bhomwik, H., Amin, R. “Efficiency improvement  of  flat  plate  solar  collector using  reflec- tor”. Energy  Reports 2017,  3,
119-123.
[14] Pavlovic,  T.  M.,  Kostic,  L.  T.,  (2015),  “ Variation  of  Reflected  Radiation  from  All Reflectors  of  a  Flat  Palte  Solar  Collector During a Year”, Energy , Vol. 80, 75-84.
[15]  Duffie  J.A.  dan  Beckman  W.A.,  Solar Engineering  of  Thermal  Processes,  4th  edi- tion,  Jhon  A.  John  Wiley  and  Sons  Inc.,  New York, 2013.