## PENGARUH CACAH KACA PENUTUP TERHADAP KENAIKAN SUHU MAKSIMUM AIR TANDON PADA KOLEKTOR SURYA PLAT DATAR

## Raden Oktova
Program Magister Pendidikan Fisika, Program Pascasarjana Universitas Ahmad Dahlan Yogyakarta Kampus II, Jl. Pramuka 42 Lt. 3, Telp. (0274) 563515 ext 2302, Yogyakarta 55161 E-mail : R.Oktova@uad.ac.id

## Singgih Santoso
SMA Negeri 1 Purwantoro Wonogiri, Jalan Raya Tegalrejo, Purwantoro, Wonogiri, Jawa Tengah

## INTISARI
Sebuah alat peraga  kolektor surya plat datar sejajar model  serpentin telah dibuat dengan  memanfaatkan bahan yang  mudah  didapat.  Dalam  uji  coba  alat  peraga  dikaji  apakah  penambahan  cacah  kaca  penutup  kolektor berpengaruh terhadap kenaikan maksimum suhu air tandon. Untuk setiap seting alat dilakukan pengamatan suhu air  tandon  sebagai  fungsi  waktu  pada  siang  hari  selama  dua  hari  cerah  dan  hasil  pengamatan  suhu  dirata-rata tersebut  pada  waktu  (jam)  yang  sama.  Dalam  uji  kontrol  terhadap  kestabilan    suhu  air  tandon  di  bawah  sinar surya tanpa kolektor surya, kenaikan maksimum suhu air tandon  (4,5 ± 0,5) o C. Jika tandon air dihubungkan ke kolektor  tanpa  kaca  penutup,  kenaikan  maksimum  suhu  air  tandon  mencapai  (16,0  ±  0,7) o C,  untuk  satu  kaca penutup kenaikan maksimum suhu air tandon mencapai  (20,0 ± 0,7) o C, dan untuk dua kaca penutup kenaikan maksimum  suhu  air  tandon  mencapai  (23,0  ±  1,6) o C.  Dapat  disimpulkan  bahwa  penambahan  cacah  kaca penutup kolektor surya hingga dua kaca penutup dapat meningkatkan kenaikan maksimum suhu air tandon.
Kata-kata kunci: kolektor surya plat datar, cacah kaca penutup, model serpentin

## I. PENDAHULUAN
Sinar  matahari  dapat  digunakan  untuk  memanaskan  air  dengan  menggunakan  suatu  kolektor  surya ( solar collector ), yang sering disebut juga sistem pemanas air bertenaga surya ( solar water heating , SWH) atau sistem air panas bertenaga surya ( solar hot water , SHW). Air panas hasil penyinaran oleh matahari digunakan dengan berbagai cara, paling digunakan untuk keperluan rumah tangga; selain itu air panas yang dihasilkan juga digunakan dalam industri, misalnya untuk membangkitkan tenaga listrik (Marken, 2009). Kolektor surya dapat digolongkan  menjadi  jenis  konsentrator  dan  jenis  plat  datar  ( flat  plate )  non-konsentrator  (Lior,  1990).  Dalam makalah  ini  untuk  selanjutnya  hanya  dibicarakan  jenis  kolektor  surya  plat  datar,  dan  kolektor  surya  jenis  ini dapat  digolongkan  lagi  ke  dalam  beberapa  jenis.  Jika  ditinjau  berdasarkan  jalur  aliran  airnya,  kolektor  surya dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu (i) sistem aliran langsung atau loop terbuka di mana air tandon dialirkan ke  seluruh  kolektor  tanpa  suatu  penukar  kalor,  dan  (ii) sistem  aliran  tak  langsung atau loop tertutup  yang memerlukan suatu penukar kalor untuk memisahkan air tandon dengan fluida penukar kalor ( heat transfer fluid , HTF).  Jenis  aliran  langsung  memerlukan  biaya  rendah  namun  mempunyai  beberapa  kelemahan,  antara  lain mudah  mengalami overheat ,  resiko  pembekuan  pada  musim  dingin  dan  penimbunan  kerak  jika  digunakan dengan  air  sadah  ( hard  water ).  Sebaliknya  jenis  aliran  tak  langsung  memerlukan  biaya  lebih  besar  namun mempunyai memberikan perlindungan terhadap overheat dan resiko pembekuan pada musim dingin.
Jika ditinjau berdasarkan sumber aliran airnya, kolektor surya dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu (i) sistem pasif di mana air mengalir secara alami dengan konvensi (efek termosifon), (ii) sistem aktif di mana air mengalir dengan kekuatan pompa. Sistem pasif tidak memerlukan banyak perawatan dan berbiaya lebih rendah, namun  efisiensi  lebih  rendah  daripada  sistem  aktif,  serta  mudah  mengalami overheat dan  resiko  pembekuan pada musim dingin. Berbagai upaya telah dikaji untuk  mengurangi overheat , di antaranya  Kearney, Davidson, dan  Mantell (2005)  mengkaji  efektivitas  ventilasi  ( venting )  pada  penggunaan  bahan  penyerap  dari  bahan polimer.      Salah  satu  perkembangan  terkini  dalam  pengembangan  lapisan  selektif  untuk  kolektor  surya  adalah pelapisan  karbon  amorf  hidrogenasi  (a-C:H)  pada  substrat  aluminium  untuk  meningkatkan  transmitansi  di daerah  inframerah  (Tinchev,  dkk.,  2008).  Bentuk  pipa  penyerap  pada  kolektor  surya  plat  datar  bermacam- macam,  yaitu  (i)  bentuk  seperti  alat  musik  harpa,  digunakan  pada  sistem  yang  menggunakan  pompa  dan

## PENGARUH CACAH KACA PENUTUP TERHADAP KENAIKAN SUHU
termosifon  tekanan  rendah,  (ii)  bentuk  ular  ( serpentine )  kontinu  seperti  huruf  S  sehingga  dapat  memperbesar suhu namun tidak memperbesar hasil tenaga total dalam sistem aliran variabel, digunakan dalam rumah tangga, (iii)  penyerap  sepenuhnya  diisi  air  dan  penyerap  terdiri  atas  dua  lembar  logam  yang  direkatkan  untuk menghasilkan  daerah  sirkulasi,  (iv)  beberapa  lapisan  penyerap  yang  terdiri  atas  lembaran  transparan  dan  opak sehingga penyerapan akan terjadi pada bidang batas dan konversi tenaga menjadi lebih efisien.
Rugi-rugi  tenaga  pada  kolektor  surya  disebabkan  konduksi,  konveksi  dan  radiasi,  dan  faktor  yang dominan adalah adanya gradient suhu antara permukaan kolektor dan suhu lingkungan. Konduksi, konveksi dan radiasi  semuanya  menjadi  lebih  cepat  jika  terdapat  gradien  suhu  yang  besar,  suatu  gejala  yang  disebut  efek delta- t (Rohsenow,    Harnett,  dan  Cho,  1998).  Salah  satu  kajian  terkini  adalah  tentang  pemanasan  berlebihan ( overheat )  pada  penggunaan  absorber  dari  bahan  polimer  dan  pencegahannya  dengan  membuat  ventilasi (Kearney,  Davidson,  dan    Mantell,  2005).  Pengembangan  tabung  pipa  kalor  hampa  ( Evacuated  Heat  Pipe Tubes ,  EHPT)  untuk  kolektor  surya  dengan  suhu  kerja  yang  tinggi  dan  rugi-rugi  radiasi  yang  amat  kecil merupakan terobosan untuk pemanas air, pemanasan ruangan, penyejuk udara, dan pemanas industri.
Kolektor surya dengan penyimpanan terpadu ( integrated collector storage , ICS) atau batch collectors mengurangi  rugi-rugi  kalor  dengan  menempatkan  tanki  air  dalam  kotak  yang  terisolasi  termal  (Schmidt  dan Goetzberger,  1990,  Marken,  2009),  yaitu  dengan  memasukkan  tanki  air  dalam  kotak  bertutup  kaca  yang meneruskan  sinar  matahari  untuk  mencapai  dasar  tanki  air  (Smyth,  Eames,  dan  Norton,  2006,  Souliotis, Kalogirou, dan Tripanagnostopoulos, 2009).
Pada  mata  pelajaran  Fisika  kelas  X  semester  2  di  SMA  terdapat  materi  suhu  dan  kalor.  Untuk  lebih memahami  materi  suhu  dan  kalor  terutama  materi  jenis-jenis  perpindahan  tenaga  (radiasi,  konduksi  dan konveksi),  kolektor  surya  jenis  pasif  dipandang  cocok  sebagai  alat  peraga  mengingat  di  dalam  cara  kerjanya terkandung  konsep radiasi, konduksi dan  konveksi, termasuk terjadinya efek rumah  kaca dan efek termosifon. Selain itu kolektor surya sudah berkembang menjadi salah satu teknologi canggih yang sekaligus tepat guna dan ramah lingkungan untuk mengatasi kelangkaan sumber energi di Indonesia sehingga cocok untuk diperkenalkan kepada  siswa  SMA.    Kolektor  plat  datar  jenis  serpentin  dipilih  karena  rancangannya  sederhana  dan  aliran  air tidak  terlalu  cepat.  Kolektor  surya  yang  sudah  jadi  dan  bersifat  komersial,  dapat  dibeli  di  toko  khusus,  tetapi dengan harga yang relatif mahal. Kolektor surya tersebut dibuat dengan alat dan bahan yang mahal. Untuk lebih menghemat  biaya  dalam  pembuatan  kolektor  surya,  maka  dibuatlah  alat  peraga  kolektor  surya  dengan memanfaatkan  barang-barang  yang  mudah  didapat.  Sebagai  bahan  kajian  dalam  uji  coba  alat  peraga,  dalam penelitian  ini  diteliti  pengaruh  cacah  kaca  penutup  pada  alat  peraga  kolektor  surya  terhadap  kenaikan  suhu maksimum  suhu  air  tandon.  Topik  penelitian  ini  tidak  sama  sekali  baru  dan  di  Indonesia  pernah  diteliti sebelumnya  oleh  Tirtoatmodjo  dan  Handoyo  (1999);  perbedaannya  adalah  dalam  penelitian  Tirtoatmodjo  dan Handoyo hanya digunakan satu dan dua kaca penutup, sedangkan dalam penelitian kami diamati juga suhu air pada kondisi kontrol tanpa kolektor.

## II. KAJIAN PUSTAKA

## a.  Teori Singkat
Gambar 1 menunjukkan kolektor surya plat datar jenis serpentin yang telah dibuat dalam penelitian ini, dan  gambar  2  menunjukkan  lebih  terinci  secara  diagramatik  bagian-bagiannya  jika  dilihat  dari  atas  dan  dari samping.
Gambar 1. Bagian-bagian kotak kolektor surya yang telah dibuat dalam penelitian ini.
1 Kaca penutup (cacah divariasi) 3 Isolator 4 Plat penyerap 5 Pipa air 2 Kotak kolektor
Gambar 2 . Bagian-bagian kotak kolektor surya pada gambar 1 diperlihatkan secara diagramatik dari atas dan dari samping.
Jika tidak ada kaca penutup,  radiasi  matahari  yang diserap plat penyerap akan ditentukan oleh  sifat plat datar, dan intensitasnya dapat dituliskan
, T I S   (1)
dengan α faktor absorbsi plat, dan I T intensitas radiasi matahari yang mengenai permukaan plat. Sebagian tenaga matahari yang sampai ke plata kan diserap, sisanya akan dipancarkan kembali melalui konduksi, konveksi dan radiasi ke udara sekitar.  Jika terdapat kaca penutup, akan terjadi penyerapan oleh  kaca penutup sehingga pers. (1) menjadi
, T I S  
(2)
dengan τ faktor transmisi kaca penutup. Akibat efek rumah kaca, adanya kaca penutup akan mengurangi bagian tenaga  matahari  yang  dilepaskan  ke  udara  sekitar  melalui  konduksi,  konveksi  dan  radiasi,  sehingga  efisiensi kolektor  akan  meningkat  (Devins,  1982:203).  Kalor    dari  plat  penyerap  akan  diteruskan  oleh  air  yang  berada dalam pipa air yang ditempelkan di bawah plat penyerap, sehingga air menjadi panas. Dengan  efek termosifon, air  panas  dari  pipa  akan  mengalir  ke  atas  menuju  tandon  air  dan  air  dingin  dari  tandon  mengalir  ke  bawah melalui saluran lain menuju pipa air di bawah plat penyerap.
Dalam  sisa  subpasal  ini  disajikan  ringkasan  kajian  teoretis  terbaru  oleh  Duffie  dan  Beckman  (lihat Duffie dan Beckman 2006, dan acuan-acuan di dalamnya).  Analisis matematis kinerja kolektor surya plat datar dilakukan pertama kali oleh Whillier (1953, 1977), serta oleh Hottel dan Whillier (1958). Kalor yang hilang dari kolektor  ke  sekitar  melalui  konduksi,  konveksi  dan  radiasi  dapat  disajikan  sebagai  hasil  kali  suatu  koefisien transfer  kalor U L dengan ) ( - T T a f ,  yaitu  selisih  antara  suhu  rata-rata  plat  dan  suhu  lingkungan  sekitar ( ambient temperature ). Dalam keadaan tunak ( steady state ), keluaran daya berguna kolektor, Q u ,  adalah sama dengan daya matahari yang diserap dikurangi daya rugi-rugi,
)], ( [ - T T S - U = A Q a f L c u (3)
dengan Q u kalor  yang  diterima, A c luas  kolektor  surya, U L koefisien  transfer  kalor, T f suhu  plat  dan T a suhu lingkungan sekitar. Daya berguna yang diberikan kolektor surya ke air dapat dihitung dari
), ( = fi fo u - T T c m Q  (4)
dengan m  massa  air  yang  mengalir  per  satuan  waktu, c kalor  jenis  air, T fo suhu  air  keluar  dan T fi suhu  air masuk.  Efisiensi  kolektor, η ,  dapat  didefinisikan  sebagai  perbandingan  antara  daya  berguna  kolektor  dengan daya radiasi matahari yang datang,
Kaca  penutup Kotak kolektor Isolator Plat penyerap Pipa air
, T c u I A Q   (5) atau   . . T c fi fo I A T T c m   
 (6)
Kolektor  surya  merupakan  sistem  fisis  yang  sangat  kompleks  sehingga  suhu  air  keluaran  tidak  dapat  dihitung secara  analitik.  Perhitungan    yang  pernah  dilakukan  menghasilkan  kombinasi  beberapa  persamaan  aljabar  dan persamaan diferensial  yang tidak  menyangkut  suhu air  keluaran,  melainkan  suhu plat atau suhu  kaca penutup. Untuk  itu,  dapat  didefinisikan  suatu  koefisien  rugi-rugi  total  sebuah  kolektor  untuk  memudahkan  perhitungan matematis.  Rugi-rugi  daya  melalui  puncak  atau  bagian  atas  kolektor  ( top )  terjadi  akibat  konveksi  dan  radiasi antara  plat-plat  datar  sejajar.  Jika  diandaikan  terdapat  dua  atau  lebih  kaca  penutup,  maka  pada  keadaan  tunak transfer tenaga antara plat bersuhu T f dan kaca penutup pertama bersuhu T fc1 adalah sama dengan transfer tenaga antara sebarang dua kaca penutup yang bersebelahan, dan juga sama dengan  tenaga yang hilang ke lingkungan sekitar dari kaca penutup puncak ( top cover ). Dengan demikian rugi-rugi tenaga melalui puncak per satuan luas sama  dengan  transfer  tenaga  dari  plat  penyerap  ke  kaca  penutup  pertama.  Secara  singkat  dapat  disampaikan bahwa koefisien rugi-rugi puncak ( top loss coefficient ), U t , secara prinsip dapat dihitung secara numeris. Mula- mula dibuat suatu tebakan awal suhu-suhu kaca penutup yang belum diketahui, dan tebakan awal ini digunakan untuk  menghitung  koefisien-koefisien  transfer  kalor  konveksi  dan  radiasi  antara  kaca-kaca  sejajar,  kemudian dihitung koefisien rugi-rugi puncak. Rugi-rugi kalor puncak ( top heat loss )  adalah koefisien rugi-rugi puncak dikalikan  dengan  selisih  suhu  total,  dan  mengingat  pertukaran  tenaga  antara  plat-plat  tentu  sama  dengan  rugi- rugi  kalor  total,  maka  dapat  dihitung  himpunan  baru  suhu-suhu  kaca  penutup.  Dimulai  dari  plat  penyerap, dihitung  suhu  baru  untuk  kaca  penutup  pertama,  yang  selanjutnya  digunakan  untuk  menghitung  suhu  kaca penutup  berikutnya,  dst.  Untuk  dua  kaca  penutup  bersebelahan,  suhu  baru  plat  atau  kaca  penutup j dapat dinyatakan dalam suhu plat atau kaca penutup i sebagai
  , , , j i r j i c a f t i j h h T T U T T       (7)
dengan
j i r j i c h h    , , adalah  jumlah  koefisien-koefisien  transfer  kalor  konveksi  dan  radiasi  antara  kaca-kaca sejajar i dan j. Suatu  persamaan  empiris  untuk  menghitung koefisien  rugi-rugi  puncak U t yang  berguna  untuk perhitungan numeris secara manual maupun dengan bantuan komputer dikembangkan oleh Klein (1979) dalam bentuk
    , 133 , 0 1 2 00591 , 0 1 1 2 2 1 N f N Nh T T T T h f N T T T C N U g p w p a fm a fm w e a fm fm t         
    

                      
(8)
dengan N cacah  kaca  penutup, p  emitansi  plat, g  emitansi  kaca  penutup,  dan w h koefisien  transfer  kalor akibat  adanya  angin.  Suhu  lingkungan  sekitar a T dan  suhu  rata-rata  plat fm T dinyatakan  dalam  satuan  kelvin.
Adapun f , e dan C berturut-turut adalah konstanta-konstanta yang dapat dihitung dengan persamaan
    , 07866 , 0 1 1166 , 0 089 , 0 1 N h h f p w w      (9) , 100 1 430 , 0           fm T e (10)
  , 70 0 untuk
000051 , 0 1 520 2         C
(11)
dengan β adalah sudut kemiringan kolektor ( tilt ), dan untuk sudut kemiringan 70 o < β < 90 o digunakan nilai β = 70 o . Persamaan (9) dapat mewakili grafik-grafik U t untuk suhu rata-rata plat  mulai  dari suhu lingkungan sekitar hingga 200 o C dengan ketelitian ± 0,3 W/m 2 o C.
Gambar 3. Contoh hasil perhitungan teoretis koefisien rugi-rugi puncak, U t , sebagai fungsi jarak plat (diambil dari Duffie, dan Beckman, 2006).
Gambar 3 menyajikan contoh hasil perhitungan teoretis koefisien rugi-rugi puncak, U t , sebagai fungsi jarak plat (diambil dari Duffie, dan Beckman, 2006) untuk kolektor surya nonselektif dengan satu dan dua kaca penutup ( N = 1 dan N = 2). Untuk jarak plat sangat kecil konveksi sangat sedikit dan mekanisme transfer kalor melalui  celah  terjadi  terutama  melalui  konduksi  dan  radiasi.  Dalam  jangkauan  data  tersebut,  jika  jarak  plat diperbesar maka koefisien rugi-rugi puncak turun dengan cepat hingga suatu nilai minimum pada jarak plat 10- 15  mm. Ketika aliran  air  mulai  memberikan kontribusi pada proses transfer  kalor, koefisien rugi-rugi puncak naik  hingga  mencapai  nilai  maksimum  pada  jarak  plat  sekitar  20  mm.  Penambahan  lebih  lanjut  jarak  plat menyebabkan pengurangan  kecil koefisien rugi-rugi puncak. Perilaku  kolektor surya  seperti ini berlaku umum pada  berbagai  kondisi  dan  berbagai  disain  kolektor.  Jelaslah  bahwa  efisiensi  kolektor  surya  dengan  dua  kaca penutup lebih tinggi daripada kolektor surya dengan satu kaca penutup.
Gambar  4  menyajikan  grafik  rugi-rugi  kalor  relatif  sebagai  fungsi  cacah  kaca  penutup  dan  kelajuan angin  (McDaniel,  1979).  Terlihat  bahwa  rugi-rugi  dipengaruhi  kelajuan  angin,  dan  ini  menunjukkan  bahwa konveksi  menjadi  mekanisme rugi-rugi kalor  yang dominan, namun demikian pengaruh  angin dapat dikurangi dengan menambahkan semakin banyak kaca penutup. Bahkan rugi-rugi kalor dapat dikurangi lebih jauh lagi jika ruang antara plat dan kaca penutup atau ruang antara kaca-kaca penutup dibuat hampa.
Gambar 4. Rugi-rugi kalor relatif sebagai fungsi cacah kaca penutup dan kelajuan angin (McDaniel, 1979).

## b.  Percobaan Terdahulu
Terkait  dengan  pendidikan,  sudah  sering  dibuat  alat  peraga  kolektor  surya  untuk  siswa  sekolah menengah  dan  mahasiswa,  misalnya  baru-baru  ini  Gallitto  dan    Fiordilino (2011)  membuat  alat  peraga (simulasi)  kolektor  surya  sederhana  untuk  siswa  sekolah  menengah.  Percobaan  dilakukan  dalam    ruangan dengan  menggunakan  lampu  listrik  sebagai  tiruan  matahari.  Suhu  plat  diukur  pada  berbagai  waktu  waktu dengan  menggunakan  sensor  suhu,  dan  model  matematis  yang  dibuat  ternyata  cukup  sesuai  dengan  data percobaan yang diperoleh.
Di Indonesia telah dilakukan beberapa penelitian tentang kolektor surya. Hasil penelitian Kristanto dan Sam misalnya (2001) menunjukkan bahwa semakin tebal plat penyerap dan semakin kecil jarak antara pipa-pipa kolektor, efisiensi sirip dari kolektor semakin tinggi.
Dalam penelitian Handoyo (Handoyo, 2001), kaca penutup kolektor surya dibuat dari kaca bening yang tebalnya 3 mm, 5 mm dan kaca es 3 mm, 5 mm.   plat penyerap  dibuat dari bahan tembaga. Jarak kaca ke  plat penyerap  divariasi, yaitu 15 cm, 20 cm, 25 cm dan 30 cm. Dari penelitian ini diperoleh hasil bahwa kaca yang paling efisien adalah kaca bening dan tebal kaca 3 mm , dan jarak kaca ke  plat penyerap  20 cm.
Dalam  penelitian  Tirtoatmodjo  dan  Handoyo  (1999),  kolektor  surya  dibuat  dengan  menggunakan bahan tembaga untuk  plat penyerap  dan pipa air. Untuk kaca penutup digunakan kaca es dengan ketebalan 5 mm. Cacah kaca penutup divariasi yaitu satu kaca dan dua kaca. Penelitian dilaksanakan pada tanggal 12 sampai dengan  18  Juni  1999  untuksatu  kaca  penutup  dan  tanggal  19  sampai  dengan  25  Juni  1999  untuk  dua  kaca penutup.  Dengan  mengamati  perbedaan  suhu  air  yang  masuk  dan  keluar  dari  kolektor,  maka  diperoleh kesimpulan bahwa penggunaan dua kaca penutup lebih baik daripada satu kaca penutup.

## III. METODE PENELITIAN

## a. Pembuatan Alat
Dalam pembuatan alat peraga kolektor surya dimanfaatkan beberapa bahan yang mudah didapat. Yang pertama  adalah  plat  seng  sebagai  plat  penyerap  kalor.  Plat  seng  tebal    0,5  mm  dicat  hitam  kusam  bagian permukaan atasnya dengan cat piloc A84 Black Dof. Kedua adalah pipa tembaga yang dibeli di pasar Triwindu Surakarta  sebagai  pipa  air.  Pipa  tembaga  ini  berdiameter  luar  10  mm  dan  diameter  dalam  8  mm.  Tembaga merupakan  bahan  konduktor  yang  konduktivitasnya  paling  tinggi  di  antara  bahan  logam  lainnya  seperti alumunium,  kuningan  dan  besi  (Fredayani,  2007:38). Pipa air  dibentuk  menjadi  model  serpentin  (seperti  ular) kemudian dilekatkan di bawah  plat penyerap  dengan cara dipatri dengan timah. Ketiga adalah kotak kolektor menggunakan kayu jati tebal 10 mm dengan ukuran panjang, lebar dan tinggi berturut-turut 72 cm, 34 cm dan 9,5  cm.  Kotak  kayu  ini  dibuat  rapat  sekali,  dengan  cara  dilem  dengan  lem  kayu  dicampur  semen  putih  pada bagian permukaan bawah dan sampingnya, sehingga diharapkan tidak ada kebocoran radiasi matahari pada saat alat dioperasikan. Keempat adalah kaca penutup menggunakan kaca bening dengan tebal 3 mm.  Kelima adalah tandon  air  digunakan  kaleng  biskuit  Khong  Guan  bekas  jenis  silinder.  Kaleng  ini  lalu  dimasukkan  ke  dalam kaleng cat plastik bekas, yang diberi bahan isolator pada bagian dalamnya. Bagian permukaan luar kaleng cat ini dilapisi kertas perak untuk memantulkan radiasi matahari yang mengenai tandon ini. Untuk pemindah kalor  dari pipa air ke tandon air digunakan pipa radiator yang tahan panas. Pemasangan alat peraga kolektor surya dapat dilihat pada gambar 5.

## b. Prosedur Percobaan
Setelah alat peraga kolektor surya disiapkan sebagaimana ditunjukkan pada gambar 5, tandon air diisi air  dingin  dengan  volume  2,5  liter.  Alat  peraga  kolektor  surya  dipasang  di  atas  kursi  duduk  dengan  sudut kemiringan  kira-kira  60 0 terhadap  arah  mendatar.  Tandon  air  diletakkan  lebih  tinggi  daripada  panel  kolektor surya agar efek termosifon dapat terjadi setelah terjadi pemanasan air. Mula-mula suhu air dalam tandon dicatat dengan  termometer  air  raksa  yang  terpasang  di  dalam  tandon  air.  Pembacaan  suhu  dilaksanakan  mulai  pukul 09.30 WIB sampai dengan pukul 15.30 WIB. Percobaan mula-mula dilaksanakan untuk memanaskan tandon air tanpa kolektor surya, sebagai kontrol terhadap kestabilan suhu air tandon di bawah pengaruh radiasi  matahari. Percobaan dilaksanakan dengan mengukur suhu air dalam tandon setiap selang waktu 1 jam. Percobaan di atas diulang lagi dengan cara yang sama untuk kolektor surya tanpa kaca,  satu kaca dan dua kaca penutup. Masing- masing percobaan dilakukan dua kali, sehingga diperoleh data 1 dan data 2.
Dalam  penelitian  ini  hanya  dibuat  sebuah  alat  peraga  sehingga  percobaan  dilakukan  pada  hari  yang berbeda-beda, pada kurun waktu tanggal 28 Oktober 2008 sampai dengan 11 November 2008 di Wonogiri, Jawa Tengah.  Percobaan  dilakukan  secara  bergantian  yaitu  tanpa  kolektor,  kolektor  tanpa  kaca  penutup,  kolektor dengan satu kaca penutup dan kolektor dengan dua kaca penutup, masing-masing dalam satu hari. Pengambilan data  suhu  dilaksanakan  mulai  pukul  09.30  WIB  sampai  dengan  pukul  15.30  WIB.  Faktor-faktor  yang mempengaruhi kinerja kolektor surya dibuat sama, yaitu kemiringan, waktu pengamatan, tinggi tandon air dan volume air dalam tandon..
Gambar 5. Pemasangan kolektor surya dalam percobaan yang dilakukan.

## IV.  HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Mengingat  percobaan  dilaksanakan  pada  musim  hujan,  pengambilan  data  menemui  sedikit  hambatan berupa cuaca yang tidak menentu.  Mengingat penelitian ini ditekankan pada berfungsinya alat peraga kolektor surya  dan  cuaca  tidak  menentu,  percobaan  hanya  dilakukan  sebanyak  2  kali.  Hasil  pembacaan  suhu  air  dalam tandon dapat dilihat pada tabel I.
Tabel I. Pembacaan suhu air tandon pada percobaan kolektor surya.
No Waktu (WIB) Suhu air tandon ( o C) Tanpa kolektor Kolektor tanpa kaca Kolektor dengan satu kaca Kolektor dengan dua kaca Data 1 Data 2 Data 1 Data 2 Data 1 Data 2 Data 1 Data 2 1 09.30 27 28 28 27 27 28 29 28 2 10.30 29 29 43 41 44 44 48 45 3 11.30 30 30 44 41 46 46 51 47 4 12.30 31 30 43 42 47 48 53 50 5 13.30 32 31 44 43 47 48 52 49 6 14.30 32 32 44 43 45 45 48 45 7 15.30 32 32 41 42 43 42 46 44
Dari  tabel  I,  terlihat  bahwa  suhu  awal  pada  masing-masing  percobaan  ternyata  tidak  sama,  ada  yang 27 o C,  28 o C  dan  29 o C.  Idealnya,  percobaan  dilakukan  pada  waktu  dan  kondisi  cuaca  yang  sama.  Untuk mengatasi  masalah  ini,  data  akhir  yang  disajikan  adalah  kenaikan  maksimum  suhu  air  tandon  terhadap  suhu awal  (suhu  air  pada  pukul  09.30  WIB),  sebagaimana  dapat  dilihat  pada  Tabel  II,  dan  dibuat  grafik  antara kenaikan suhu air tandon terhadap  waktu pemanasan yang dapat dilihat pada gambar 6.
Dari  gambar  6,  terlihat  bahwa  grafik  untuk  keempat  percobaan,  yaitu  tanpa  kolektor,  kolektor  tanpa kaca  penutup,  kolektor  dengan  satu  kaca  penutup  dan  dua  kaca  penutup,  menunjukkan  perbedaan  yang signifikan. Pada percobaan pertama tanpa kolektor surya, kenaikan maksimum suhu air tandon hanya mencapai (4,5  ±  0,5) o C,  dan  ditunjukkan  oleh  garis  merah  dengan  lambang  titik  data  bentuk  lingkaran.  Dibandingkan
Tandon air Termometer Pipa air Plat penyerap Penyangga Meja

## PENGARUH CACAH KACA PENUTUP TERHADAP KENAIKAN SUHU
dengan  tiga  jenis  percobaan  yang  lain,  kenaikan  maksimum  suhu  air  tandon  tanpa  kolektor  paling  kecil, dikarenakan  air  tandon  hanya  dipanaskan  langsung  oleh  sinar  matahari.  Bagian  luar  tandon  air  dilapisi  kertas perak agar radiasi matahari dipantulkan, namun lapisan pemantul dari kertas perak pada bagian luar tandon air yang  dibuat  tidak  cukup  efektif  dan  masih  ada  radiasi  matahari  yang  menembus  masuk  tandon  air,  walaupun kenaikan suhu air tandon hanya sedikit.
Tabel II. Rata-rata dan deviasi rata-rata kenaikan suhu air tandon.
No
Waktu (WIB)
Kenaikan suhu air tandon, Δ T ( o C) Tanpa kolektor Kolektor tanpa kaca Kolektor dengan satu kaca Kolektor dengan dua kaca 1 09.30 1,5 ± 0,5 14,5 ± 1,1 16,5 ± 0,5 18,0 ± 1,6 2 10.30 2,5 ± 0,5 15,0 ± 1,6 18,5 ± 0,5 20,5 ± 2,1 3 11.30 3,0 ± 0,7 15,0 ± 0,7 20,0 ± 0,7 23,0 ± 1,6 4 12.30 4,0 ± 0,7 16,0 ± 0,7 20,0 ± 0,7 22,0 ± 1,6 5 13.30 4,5 ± 0,5 16,0 ± 0,7 17,5 ± 0,5 18,0 ± 1,6 6 14.30 4,5 ± 0,5 14,0 ± 0,7 15,0 ± 0,7 16,5 ± 1,1
Gambar 6. Grafik kenaikan suhu air tandon terhadap lama pemanasan.
Pada  percobaan  dengan  kolektor  surya  tanpa  kaca  penutup,  kenaikan  maksimum  suhu  air  tandon mencapai (16,0 ± 0,7) o C, dan pada gambar 6 ditunjukkan  oleh garis biru dengan lambang titik data berbentuk kotak.  plat penyerap  yang dicat hitam kusam dapat menyerap lebih banyak radiasi matahari daripada jika tidak ada kolektor surya, hanya saja dalam peristiwa ini tidak terjadi efek rumah kaca.
Pada percobaan dengan kolektor surya dengan satu kaca penutup, kenaikan maksimum suhu air tandon maksimum  mencapai (20,0 ± 0,7) o C, dan pada gambar 6 ditunjukkan oleh garis ungu dengan titik data bentuk segitiga.  Hal  ini  bisa  terjadi,  karena  dalam  kotak  kolektor  surya  terjadi  efek  rumah  kaca,  di  mana    sinar  infra merah  terperangkap  dalam  kotak  kolektor.  Karena  penyerapan  sebagian  radiasi  matahari  oleh  kaca  penutup, panjang gelombang radiasi matahari yang masuk kolektor  menjadi lebih panjang, karena suhunya lebih rendah.
Radiasi  matahari  yang  masuk  dan  terperangkap  dalam  kolektor  surya  adalah  sinar  infra  merah.    plat  penyerap yang dicat hitam kusam akan menyerap sinar infra merah. Sebagian sinar infra merah ini dipantulkan oleh kaca ke  plat penyerap  lagi dan sebagian akan diteruskan keluar meninggalkan kaca penutup. Hal ini berakibat  plat penyerap  lama kelamaan menjadi panas, karena makin banyak sinar matahari yang masuk kolektor.
Untuk  percobaan  dengan  kolektor  surya  dengan  dua  kaca  penutup,  kenaikan  maksimum  suhu  air tandon  mencapai (23,0 ± 1,6) o C, dan pada gambar 6 ditunjukkan oleh garis hijau dengan titik data bentuk belah ketupat.  Kenaikan  maksimum  suhu  air  tandon  pada  percobaan  dengan  dua  kaca  penutup  lebih  besar  daripada kenaikan  maksimum  suhu  air  tandon  dengan  satu  kaca  penutup.  Hal  ini  disebabkan  mekanisme  transfer  kalor melalui konveksi menjadi semakin berkurang, dan efek rumah kaca semakin kuat.
Keempat  percobaan  yang  dilakukan  dalam  penelitian  ini,  yaitu  tanpa  kolektor,  kolektor  tanpa  kaca penutup, kolektor dengan satu kaca penutup dan dua kaca penutup, menunjukkan hasil yang sesuai dengan teori sebagaimana  ditunjukkan  oleh  pers.  (8),  gambar  3  dan  4,  serta  hasil-hasil  percobaan  terdahulu  (misalnya Tirtoatmodjo  dan  Handoyo,  1999).  Dapat  disimpulkan  bahwa  alat  peraga  kolektor  surya  yang  dibuat  dapat berfungsi dengan baik. Untuk langkah selanjutnya, alat peraga kolektor surya yang dibuat dapat diujicoba dalam pembelajaran di kelas.

## KESIMPULAN DAN SARAN
Alat peraga kolektor surya plat datar model serpentin yang dibuat menghasilkan kenaikan maksimum suhu air tandon hingga sebesar (23,0 ± 1,6) o C. Terbukti penambahan cacah kaca penutup berhasil meningkatkan kenaikan maksimum suhu air tandon.
Selanjutnya disarankan agar alat peraga diujicoba dalam pembelajaran di kelas.

## DAFTAR PUSTAKA
Devins, D. W., 1982, “Energy - Its Physical Impact on the Environment”, New York: John Wiley.
Duffie, J.A., dan Beckman, W.A., 2006, “Solar Engineering of Thermal Processes,” 3 rd Ed., Hobokem, NJ: John Wiley, hal. 238-253.
Fredayani, K., 2007, ”Pembuatan Media Pembelajaran IPA pada Pokok Bahasan Perambatan Kalor untuk Siswa Sekolah Dasar”, Eksperimen Físika, UNS Surakarta, hal. 34-36.
Gallitto, A.A., dan Fiordilino, E.,  2011, “A Didactic Experiment and Model of a Flat-Plate Solar Collector”, Phys. Educ. 46 (3), 312.
Handoyo, E.A., 2001, “Pengaruh Jarak Kaca ke Plat terhadap Panas  yang Diterima Suatu Kolektor Surya Plat Datar”, Jurnal Teknik Mesin 3 (2), 52 – 56.
Kearney M., Davidson, J., dan Mantell, S., 2005,  “Polymeric Absorbers for Flat-Plate Collectors : Can Venting Provide Adequate Overheat Protection?,” Journal of Solar Energy Engineering 127 (3), 421-424.
Kristanto, P., dan Sam, Y.K., 2001, “Pengaruh Tebal Plat Dan Jarak Antar Pipa terhadap Performansi Kolektor Surya Plat Datar”, Jurnal Teknik Mesin 3 (2), 52 – 56.
Lior, N., 1990, ”Thermal Theory and Modelling of Solar Collectors”, in de Winter, F. (ed.), ”Solar Collectors, Energy Storage, and Materials”, Cambridge MA: MIT Press, 100-182.
Marken, C. (2009), “Solar Collectors: Behind the Glass”, HomePower 133 ,70–76.
McDaniel, D., 1979, “The Sun: Our Future Energy Source”, New York: John Wiley and Sons.
Rohsenow, W.M., Harnett, J.P., dan Cho, Y.I., 1998, “Handbook of Heat Transfer”, 3rd Ed., Chicago: McGraw- Hill.
Schmidt,  C.  Goetzberger  A.,  1990,  ”Single-Tube  Integrated  Collector  Storage  Systems  with  Transparent Insulation and Involute Reflector”, Solar Energy 45 ,93–100.
Smyth, M., Eames, P.C.,  Norton, B., 2006, “Integrated Collector Storage Solar Water Heaters”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 10 , 503–38.
Souliotis, M., Kalogirou, S., Tripanagnostopoulos, Y., 2009, . Modelling of an ICS Solar Water Heater using Artificial Neural Networks and TRNSY”, Renewable Energy 34, 1333–1339.
Tinchev,    S.,  Nikolova,  P.,  Balabanov,  S.,  Georgiev,  N.,  2008, “ Amorphous  hydrogenated  carbon  coatings  for thermal solar collectors”, Journal of Physics: Conference Series 113, 012026.
Tirtoatmodjo, R.,  dan Handoyo, E.A., 1999, “Unjuk Kerja Pemanas Air Jenis Kolektor Surya Plat Datar dengan Satu dan Dua Kaca Penutup” , Jurnal Teknik Mesin 1 (2), 115 – 121.