Rancang Bangun Kolekor Surya Tipe Parabolic Trough untuk Menguapkan Air Laut berbahan Stainless dan Tembaga dengan Luas Tangkapan Cahaya 1 M 2
Kusaeri 1 , Tachli Supriyad 1 , Setya Permana Sutisna 1 ,
1 Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Ibn Khaldun Bogor Corresponding author: kusaerierik1@gmail.com
Abstrak : Kolektor surya merupakan sebuah alat yang dirancang untuk mengumpulkan panas dengan menyerap sinar matahari. Penelitian dilakukan pada kolektor surya tipe parabolic trough yang diintregasikan dengan alat desalinasi. Perancangan  dilakukan  dengan  mengubah  bahan  reflektor  dan  absorber  dan  juga  mengubah  tipe  reflector.  Bahan yang  digunakan  dalam  perancangan  adalah  belahan  pipa  stainless  berukuran  4”sebagai  reflector  dan  belahan  pipa tembaga berukuran 5/8” sebagai absorber. Cover  terbuat dari plat esser dengan  luas 1m 2 dan penutup atas terbuat dari kaca transparan  setebal 5  mm.  Reflector ditempatkan  berjajar  mengikuti  luas cover sehingga terdapat 10 buah reflector, begitu juga absorber yang berada diatasnya sebanyak 10 buah dengan jarak 18.88 mm dari dasar reflector.. Pengujian  dilakukan  dengan  mengalirkan  air  pada  belahan  pipa  tembaga  dengan  kemiringan  ±10 o yang  kemudian akan  dipanaskan  oleh  radiasi  matahari  yang  masuk  menembus  kaca  penutup.  Kolektor  surya  dengan  tipe  ini menghasilkan  laju  penguapan  71  ml/jam,  dengan  energi  berguna  kolektor  sebesar  4.353  W,  dan  Efisiensi  solar kolektor adalah 10.27 %.
Kata kunci : kolektor surya tipe parabolic trough, pipa stainless, pipa tembaga .

## 1. PENDAHULUAN
Energi  merupakan  sesuatu  yang  sangat  penting bagi  kehidupan  makhluk  hidup  khususnya  manusia. Saat  ini  sumber  energi  utama  bagi  manusia  di  dunia berasal dari  fosil,  seperti  minyak  bumi, batu bara dan gas  alam.  Namun,  sumber  energi  tersebut  jumlahnya terbatas.  Maka  diperlukan  sumber  energi  lain,  salah satunya  adalah  dengan  tenaga  matahari  [1].  Hal  ini didasari bahwa tenaga matahari merupakan renewable energy (energi  terbarukan),  aman,  gratis,  dan  bebas polusi (tanpa emisi CO2).
Salah  satu  cara  memanfaatkan  energi matahari  saat  ini  adalah  dengan  menggunakan kolektor surya. Prinsipnya, cahaya matahari difokuskan pada sebuah absorber yang kemudian akan digunakan  untuk  memanaskan  air  yang  ada  dalam absorber.  Lebih  jauh  lagi  air  tersebut  akan  terus dipanaskan  sampai  menghasilkan  uap.  Selanjutnya uap  yang dihasilkan akan digunakan proses desalinasi sehingga  menghasilkan  air  tawar.  Terdapat  berbagai jenis  kolektor  surya  yang  berkembang  saat  ini, diantaranya kolektor menggunakan plat datar, silinder, dan parabola.
Tahun  2015  Lintang  Ratri  Prastika,  dan Muhammad  Miftahul  Munir  merancang Mini Parabolic  Trough  Collector (PTC)  sederhana  dengan dimensi  bingkai  plat  reflector  berukuran  panjang  105 cm  dan  lebar  54.5  cm.  Plat  reflektor  menggunakan plat seng dengan ukuran panjang 105 cm, lebar 60 cm. Plat  seng  tersebut  dilapisi  dengan  polet  crom mengkilat  untuk    meningkatkan  kemampuan  pantul plat.  Pipa  absorber  menggunakan  bahan  alumunium berukuran  diameter  luar  1.25  cm,  diameter  dalam  1 cm,  panjang  115  cm.  Pipa  tersebut  kemudian  dicat hitam  untuk  meningkatkan  kemampuan  menyerap energi  radiasi  matahari.  Pipa  tersebut  kemudian  dicat hitam  untuk  meningkatkan  kemampuan  menyerap energi radiasi matahari. Kolektor surya tersebut hanya mampu  memanaskan  air  hingga  temperatur  54 o C dengan efisiensi 14.2 % [12].
Tujuan dari perancangan ini adalah menghasilkan rancangan kolektor surya tipe parabolic trough  berbahan  stainless  dan  tembaga  untuk menguapkan  air  laut.  Manfaat  dari  perancangan  ini
antara  lain  untuk  Memanfaatkan  sumber  energi matahari  sebagai  energi  alternatif  dan  referensi  untuk pembuatan kolektor surya pada perancangan selanjutnya.

## 2. METODOLOGI

## Waktu dan Tempat    Perancangan
Rancang  bangun  dilaksanakan  dari  bulan  Mei  - Agustus  2016,  bertempat  di  Lab  Teknik  Mesin Universitas  Ibn  Khaldun  Bogor,  dan  di  bengkel  las Sukmana Jaya, kp Kaum, Ciparigi, Bogor. Sedangkan pengujian dilakukan pada 08 Oktober 2016 pada pukul 10.00  WIB  sampai  dengan  pukul  14.00  WIB, bertempat  di  lingkungan  Fakultas  Teknik  Universitas Ibn  Khaldun  Bogor  pada  keadaan  cuaca  berawan dengan intensitas radiasi matahari 400-500 W/m 2 . Tahapan Penelitian
Tahapan yang dilakukan dalam penelitian ini dapat dilihat di gambar 1

## Metode perancangan
Proses  perancangan  kolektor  surya  dapat dilhat pada gambar 2.

## Gambar 2 Diagram alir perancangan

## Dimensi Alat
Ukuran  reflektor  parabolic  dapat  dilihat  pada tabel 2
Tabel 2 Ukuran reflektor parabolic. Besaran Nilai Panjang parabolic 1000 mm x 10 pcs Lebar aperture parabolic 87.6 mm x 10 pcs Jarak fokus 18.8 mm Perbandingan konsentrasi 4.60 Kedalaman reflektor 25.4 mm Kolektor  surya  dibagi  menjadi  beberapa  bagian utama, yaitu cover, dudukan/kaki penyangga, reflektor,  absorber,  dan  penutup  cover.  Cover  terbuat dari  plat  eser  setebal  1.2  mm  berbentuk  persegi dengan  luas  1m 2 dan  tinggi  0.4  m.  Dudukan/kaki penyangga  terbuat  dari  besi  siku  berukuran  4  cm dengan  panjang  1  m,  lebar  1m,  dan  tinggi  1m. Reflector  dibuat  dari  pipa  stainlees  diameter  4”
dengan panjang 1 m yang dibelah menjadi 3 sehingga berbetuk  parabolic  sebanyak  10  buah.  Pemilihan ukuran  4”  untuk  menyesuaikan  dengan  luas  cover. Absober  terbuat  dari  pipa  tembaga  diameter  5/8” dengan  panjang  1  m  yang  dibelah  jadi  2  bagian sebanyak 10 buah. Ukuran tersebut dipilih lebih besar dari  ukuran  pembanding  karena  penulis  ingin mengetahui  pengaruh  diameter  absorber  terhadap efektifitas.  Dan  penutup  cover  terbuat  dari  kaca transparan setebal 5 mm dengan luas 1m 2 . Fungsi kaca penutup  adalah  untuk  memerangkap  panas  yang dihasilkan oleh radiasi  matahari  yang  masuk kedalam kolektor,  sehingga  temperature  di  dalam  kolektor menjadi lebih tinggi.
Untuk data geometris dapat dilihat pada tabel 3
Tabel 3Data geometris kolektor surya Bagian kolektor Besaran Ukuran Kaki penyangga Panjang 1 m Lebar 1 m Tinggi 1 m Cover kolektor Panjang 1 m Lebar 1 m Tinggi 0.4 m Kaca penutup Panjang 1 m Lebar 1 m Tebal 0.005 m reflektor Luas 1.06 m 2 Absorber Luas 0.23 m 2
Dengan  jumlah  reflector  parabolic  dan  absorber yang  lebih  banyak    diharapkan  akan  meningkatkan efektifitas  dan  efisiensi  kolektor  surya.  Dan  dengan penutup berupa kaca transparan akan lebih mengoptimalkan radiasi matahari yang diserap, hal ini dikarenakan  radiasi  matahari  yang  masuk  dan kemudian  dikonversi  menjadi  energi  panas  akan terisolasi  didalam  kolektor  sehingga  tidak  akan kembali keluar kolektor.
Gambar 3 Bagian – bagian solar kolektor Keterangan gambar :
1. Penampungan air laut masuk
2. Selang aliran masuk
3. Kran pengatur debit
4. Cover kolektor
5. Lubang keluar uap
6. Kaki penyangga
7. Penampungan sisa air laut
8. Pipa tembaga dibelah dua
9. Pipa stainless dibelah tiga
10. Pipa tembaga pembagi aliran
11. Kaca penutup

## Proses manufaktur
Proses  manufaktur  alat  ini  dilakukan  didua tempat, yaitu di Lab Teknik Mesin UIKA Bogor, dan di bengkel las Sukmana Jaya, Ciparigi, Bogor. Adapun rangkaian prosesnya adalah sebagai berikut:
1. Membelah  pipa  stainless  berdiameter  4  inchi menjadi tiga bagian.
2. Memoles
permukaan dalam pipa
menggunakan alat poles.
3. Membelah pipa tembaga berdiameter  5/8 inchi menjadi dua bagian.
4. Memberi  warna  hitam  dove  pada  bagian belakang  belahan  pipa  tembaga  menggunakan cat semprot.
5. Membuat  cover  dan  dudukan  penyangga  dari bahan plat esser dan besi siku 4 cm.
6. Memasangkan  belahan  pipa  stainless  dan tembaga  kedalam  cover  dengan  menggunakan dudukan yang telah disiapkan.
7. Membuat lubang pada cover untuk pipa saluran air masuk, saluran air keluar, dan lubang keluar uap.
8. Membuat lubang pada pipa tembaga berdiameter 10 mm  sebagai pembagi aliran air dengan  diameter  lubang  1.5  mm  sebanyak  10 buah  dengan  jarak  tertentu  sesuai  jumlah  dan letak tembaga penyerap.
9. Memasang  pipa  tembaga  pada  lubang  saluran masuk  dan  pipa  pvc  pada  saluran  keluar, kemudian  memasang  kaca  penutup  di  bagian atas cover.
10. Menyiapkan  alat  untuk  proses  pengujian, dengan  memasang  selang,kran  dan  gelas  ukur pada  aliran  air  masuk  dan  penampungan  sisa air.

## Metode Pengujian
Pengujian  solar  kolektor  dilakukan  dengan menyimpan  alat  diruang  terbuka  dibawah  sinar matahari    langsung.  Adapun  proses  pengujiannya adalah sebagai berikut :
1. Memasang thermocouple pada  bagian-bagian yang  akan  diukur  temperaturnya,  antara  lain pada air masukan, plat penyerap tembaga, pipa stainless,  dinding  cover,  permukaan  kaca penutup,  pada  lingkungan  luar  alat  dan  pada bagian  dalam  alat.  Lalu  menyambungkanya dengan alat pengukur berupa digital thermometer
2. Menyiapkan  air  pada  gelas  ukur  yang  akan dialirkan kedalam kolektor surya. Volume awal air harus diketahui
3. Menyiapkan  gelas  ukur  tempat  penampungan sisa  air  yang  tidak  menguap.  Kondisi  awalnya harus dalam keadaan kosong
4. Mengalirkan  air  melalui  slang  dan  debitnya diatur agar air yang masuk berupa tetesan
5. Melakukan pengukuran temperatur menggunakan digital thermometer
Mengecek  dan  mencatat  temperatur  bagian bagian yang diukur setiap jamnya, dan juga volume air masuk dan volume air keluar pada penampungan

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## Menghitung jarak fokus
Sebelum menghitung jarak fokus reflector, dicari terlebih dahulu kelengkungan reflector.
Diketahui : x = 43.8 mm y = 25.4 mm maka : x 2 = 2Ry 43.8 2 = 2.R.25.4 1918.44   = 50.8 R R = 1918.44 : 50.8 = 37.764 mm
Maka jarak fokus reflector adalah
f = = = 18.88 mm
Jadi jarak fokus reflector adalah 18.88 mm Perhitungan luas bagian penting kolektor surya
-luas permukaan kaca penutup Diketahui : panjang   = 1 m dan Lebar    = 1 m
Luas
= panjang x lebar = 1 m x 1m = 1 m 2 luas permukaan pipa tembaga Diketahui : diameter pipa = 5/8 inchi = 0.015 m Panjang / tinggi  = 1 m Perhitungan luasnya menggunakan rumus luas selimut tabung, namun, karena pipanya di belah dua, maka luas nya hanya setengah.
Luas selimut
= 1/2 x   x D x t = 1/2 x 3.14 x 0.015 x 1 = 0.023 m 2
Jumlah pipa di dalam kolektor adalah 10, maka luas keseluruhannya adalah 0.023 m 2 x 10 = 0.23 m 2
-luas permukaan stainless menggunakan  perhitungan  yang  sama  dengan  luas permukann tembaga.
Diketahui :
Diameter = 4 “ x 25.4 = 101.6 mm = 0.1016 m panjang/tinggi = 1 m karena pipanya di belah tiga, maka luas nya hanya sepertiga luas selimut = 1/3 x   x D x t
= 1/3 x 3.14 x 0.1016  m x 1m = 0.106 m 2
Jumlah pipa stainless dalam kolektor adalah 10, maka luas seluruh permukaan stainless adalah 0.106 m 2 x 10 = 1.06 m 2

## Asumsi perhitungan
Dengan asumsi data sebagai berikut : Luas solar kolektor (A kolekotr )  = 1 m 2
Massa air (m) =  1 kg Massa jenis air air laut (  ) = 1030 kg/m 3
Kalor jenis air laut (cp) = 3900 J/kg o C Kalor uap laten (Lu) = 2260000 J/kg ∆T yang diharapkan = 75 o C
Efisiensi = 50% Intensitas  radiasi  matahari  (IT)  rata  -  rata  =  480.241 W/m 2 ,
 Kalor  yang diperlukan untuk  menaikkan  suhu air dengan  massa  1  kg  dari  suhu  25 o C  hingga mencapai suhu 100 o C adalah Q 1 = m x cp x ∆T = 1 kg x 3900 J/kg o C x 75 o C = 292500 J
 Kalor  yang  diperlukan  untuk  menguapkan  air tersebut adalah
Q 2 = m x hfg
= 1 kg x 2260000 J/kg
= 2260000 J
Total kalor yang dibutuhkan adalah Q 1 + Q 2 = 2552500 J/kg
 Energi radiasi matahari
Q radiasi = IT x A = 480.241 W/m 2 x 1 m 2
= 480.241 W Karena efisiensinya 50% maka Q radiasi nya hanya 240.1205 W (J/s)
 Laju penguapan
Dengan energi dan kalor tersebut maka dapat diperoleh laju penguapan
Mk =
=
= 0.000096 kg/s = 0.096 ml/s = 345.6 ml/jam
Apabila efisiensinya 100%, maka laju penguapannya adalah 691.2 ml/jam.
Hasil pengambilan data
Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian
Dari  tabel  hasil  pengujian  didapat  debit  air adalah  80  ml/jam  (0.000022  kg/s),  intensitas  radiasi matahari  rata-rata  sebesar  480.241  W/m 2 ,  jumlah  air yang  berhasil  diuapkan  adalah  355  ml/5  jam  atau  71 ml/jam. Temperatur rata-rata di dalam kolektor adalah 84.14 o C. Meskipun temperatur tidak mencapai angka titik  didih  air  laut,  namun  air  yang  dipanaskan  di dalam kolektor tetap bisa menguap karena penguapan tidak  harus  dengan    mendidih,  karena  pada  dasarnya penguapan itu terjadi pada permukaan zat cair.
Dari hasil pengujian di dapat perhitungan sebagai berikut
 Energi berguna kolektor
Q u = ṁ x cp x (T dalam -T lingkungan ) = 0.000022 kg/s x 3900 J/kg o C  x 50.74 o C = 4.353 W Dari  hasil  pengujian  didapat  laju  penguapan adalah 71 ml/jam, sedangkan dari perhitungan didapat laju penguapan 691.2 ml/jam, maka efisiensi kolektor adalah
 = x 100%
 =
x 100%
 = 10.27 %
Apabila dibandingkan dengan rancangan sebelumnya,  jumlah  energi  berguna  kolektor  masih sangat  jauh  dari  harapan.  Begitupun  dengan  efisiensi kolektor  yang  masih  lebih  rendah.  Oleh  karena  itu masih harus dilakukan pengembangan lebih lanjut.

## Tinjauan dalam Grafik

## 4. PENUTUP

## Kesimpulan
Dihasilkan  rancangan  kolektor  surya  tipe parabolic  trough,  memiliki  luas  cover  1m 2 ,  luas permukaan absorber 0.23 m 2 terbuat dari belahan pipa tembaga, dan luas permukaan reflector parabolic 1.06 m 2 terbuat  dari  belahan  pipa  stainless,  penutup kolektor dengan luas 1 m 2 terbuat dari kaca transparan setebal  1  m 2 .  Jarak  fokus  konsentrator  terhadap absorber      18.8  mm.  Energi  berguna  kolektor  yang dihasilkan sebesar 4.353 W dengan efisiensi 10.27 %. Saran
1. Proses  poles  permukaan  pipa  stainless  sebagai bidang untuk memokuskan pantulan sinar matahari harus lebih rapi dan mengkilap agar hasil pantulan sinar dan panas lebih terfokus dan optimal.
2. Pengatur  aliran  air  yang  masuk  ke  plat  penyerap tembaga  dibuat  menggunakan  kran  satu  persatu setiap  lubang  agar  debit  lebih  stabil  dan  mudah diatur.
3. Pengaturan debit yang bertujuan untuk menghasilkan laju penguapan yang maksimal.
4. DAFTAR PUSTAKA
1. N.  A.  Handayani  and  D.  Ariyanti ,  Int.  Journal  of Renewable  Energy  Development 1  (2),  33-38 (2012).
2. K.K.V.  Pradeep,  T.  Srinath,  V.  Reddy, Int. Journal  of  Research  in  Aeronautical  And Mechanical Engineering 1 (4),  37-55 (2013).
3. A.M.  Eltahir,  “ Design  And  Testing  of  a  Solar Parabolic Concentrating Collector”, in
International  Conference  on  Renewable  Energies and Power Quality 2013 (ICREPQ’13) , pp. 1-5. 4. Darwin,  Irwandi  ZA,  2015  , Pengaruh  Bentuk
Kolektor Konsentrator Terhadap Efisiensi Pemanas  Air  Surya.  Jurusan  Teknik  Mesin Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala
5. Holman, J.P., 1993, Perpindahan Kalor,
Terjemahan Jasjfi E, Erlangga Jakarta.
6. Homig,  H.  E.  1978. Seawater  and  Seawater Distilation, Vulkan-Verlag. Universitas
of
California. 202 h.
7. Captzero, 2010. Konversi lux ke W/m 2 .
8. Hadi  S.  2000.  Perhitungan  perancangan  system konversi  energi  matahari.  Jurnal  Bisnis  dan Teknologi .
9. Duffie,  J  A.,  Beckman,  William  A., Solar
Engineering  Of  Thermal  Proceses ,  New  York  :
John Willey And Sons, Inc
10. Irawan,  B.  2001.  Penyerapan  Energi  Matahari Dengan  Kolektor  Plat  Datar.  Jurnal  Bisnis  dan Teknologi.
11. Manarul,  Ahmad,  2016.  Cermin  cekung  : pengertian dan sifat.
12. Prastika,  Lintang  Ratri,  2015,  Desain,  Perakitan dan  Uji  Coba  Mini  Parabolic  Trough  Collector (PTC)  Sederhana.  Kelompok  Keilmuan  Fisika
Teoretik Energi Tinggi dan Instrumentasi,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung.