## DAMPAK KEMIRINGAN KOLEKTOR SURYA BATU GRANIT TERHADAP UNJUK KERJA

## M. Mirmanto
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Mataram Email: m.mirmanto@unram.ac.id

## Made Wirawan
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Mataram
Imam Fahrurrozi Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Mataram

## ABSTRAK
Percobaan  untuk  mengetahui  dampak  kemiringan  kolektor  surya  telah  dilakukan.  Percobaan  ini menggunakan  kolektor  surya  dengan  batu  granit  sebagai  absorbernya.  Ukuran  kolektor  yang  digunakan adalah 100 cm x 80 cm x 10 cm dengan saluran paralel yang terbuat dari tujuh pipa tembaga. Kemiringan sudut kolektor yang divariasikan adalah 15°, 30° dan 45° dan debit aliran air yang diterapkan adalah 300, 400,  dan  500  cc/menit.  Pengambilan  data  dilakukan  tiap  30  menit,  sedangkan  pengecekan  debit  aliran dilakukan tiap 10 menit. Lama total percobaan adalah 7 jam yaitu dari jam 10.00 Wita sampai jam 17.00 Wita.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  beda  suhu  air  masuk  dan  keluar  tertinggi  didominasi  oleh kolektor  surya  dengan  kemiringan  30°  yaitu  sekitar  17,64°C  pada  debit  300  cc/menit.  Sementara  itu, untuk  kemiringan 15° dan 45°, selisih temperatur  yang diperoleh sebesar 16,11°C dan 15,91°C. Namun demikian, efisiensi rata-rata tertinggi sebesar 64,44% diperoleh pada sudut kemiringan kolektor 30° dan debit 400 cc/menit.
Kata kunci: s udut kolektor; debit aliran; beda suhu; efisiensi.

## ABSTRACT
Experiments to know the effect of the solar collector angle on the collector performance have been done.  The  experiments  used  three  identical  flat  plate  solar  collectors  with  granite  stones  as  their absorbers. The overall collector size was 100 cm x 80 cm x 10 cm with a parallel channel made of seven copper pipes. The variation of the collector angles was 15°, 30° and 45° and the water discharges used were  300,  400,  and 500  cc/min.  The  data  were  collected  at  every  30  minutes,  while  the  flow  discharge was checked at every 10 minutes. The total time of the experiment was 7 hours, from 10.00 Wita to 17.00 Wita.  The  results  showed  that  the  highest  temperature  difference  of  water  at  the  inlet  and  outlet  was dominated by the solar collector with the inclination angle of 30°. That was of approximately 17.64°C at the  discharge  of  300  cc/min.  Meanwhile,  for  the  inclination  angle  of  15°  and  45°,  the  resulting temperature differences  were  16.11°C and 15.91°C. However, the highest average efficiency of 64.44% was obtained by the collector with the inclination angle of 30° and the discharge of 400 cc/min.
Keywords: collector angle; flow discharge; temperature difference; efficiency.

## 1. PENDAHULUAN
Di Indonesia minyak bumi merupakan pilihan utama untuk memenuhi kebutuhan energinya. Namun demikian,  energi  ini  akan  habis  karena  ketersediaanya  yang  terbatas  dan  termasuk  energi  tidak terbarukan.  Energi  minyak  bumi  atau  energi  fosil  memiliki  efek  negatif  terhadap  lingkungan  karena menyebabkan  polusi  udara  dan  juga  mempercepat global  warming [1-3].  Oleh  sebab  itu  perlu  dicari usaha-usaha penggunaan atau pemanfaatan energi alternatif.
Salah  satu  energi  alternatif  adalah  energi  matahari/surya.  Energi  surya  merupakan  energi  yang melimpah dan gratis di Indonesia [4]. Namun demikian, energi surya tersebut tidak seluruhnya sampai di permukaan bumi. Oleh sebab itu, perlu dibuat alat pengumpul energi surya yaitu solar kolektor. Menurut Rosa  [5],  panjang  gelombang  radiasi  surya  tidak  semuanya  dapat  diserap  oleh  absorber.  Panjang
gelombang yang mampu diserap biasanya berkisar dari 0,29 sampai dengan 2,5 μm. Salah satu komponen kolektor  surya  adalah  absorber  yang  harus  dibuat  dari  material  yang  mempunyai  konduktivitas  termal tinggi. Permukaannya bisa bergelombang atau datar. Selain pelat penyerap, kolektor surya juga tersusun atas isolator dan penutup tembus cahaya seperti kaca. Cara untuk meningkatkan energi berguna ( useful energy ) adalah dengan menvariasikan kemiringan alat  kolektor  tersebut.  Efek  dari  kemiringan  kolektor  untuk water  heater sudah  dilakukan  oleh  peneliti sebelumnya yaitu Wilis dan Santosa [6]. Sudut kemiringan yang mereka gunakan adalah 0°, 15° dan 20°. Mereka memperoleh hasil bahwa efisiensi yang tertinggi diperoleh oleh kolektor dengan kemiringan 15°. Namun demikian, secara umum kemiringan atap rumah adalah sekitar 30° sehingga kolektor yang diteliti diletakan pada sudut 30° dan divariasikan dengan sudut-sudut yang lain. Oleh sebab itu, tujuan penelitian ini adalah menginvestigasi apakah efek kemiringan kolektor secara siknifikan berdampak terhadap kinerja kolektor.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Metode penelitian yang digunakan adalah eksperimental dengan menggunakan beberapa variabel bebas dan variabel terikat. Hasil uji dianalisis untuk menjawab permasalahan yang ada serta hasil penelitian disajikan dalam bentuk grafik atau tabel agar memudahkan pemahaman.

## 2.1 Fasilitas dan Prosedur
Skema alat penelitian ditunjukan pada gambar 1 yang komponennya adalah pompa, bak penampung, pipa  selang,  pipa  tembaga,  pipa overflow ,  kolektor  surya, stop keran, stopwatch , pyranometer, anemometer dan gelas ukur. Pipa tembaga yang dipasang pada absorber berbentuk paralel dengan tujuh pipa  tembaga  berdiameter  1/2  inci.  Bentuk  susunan  pipa  paralel  dipilih  karena  menurut  penelitian sebelumnya  dikatakan  bahwa heat  exchanger dengan  pipa  paralel  lebih  bagus  dari  pada  berbentuk serpentin,  Wirawan  dkk.  [1-2],  Mirmanto  dkk.  [6-8].  Sedangkan  foto  alat  penelitian  disajikan  pada gambar  2.  Fluida  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah  air  bersih.  Air  mengalir  secara  grafitasi melalui  pipa  dari  bak  penampungan  atas.  Kemudian  air  mengalir  menuju  kolektor  pelat  datar  dan memperoleh  pemanasan  di  dalam  kolektor  tersebut.  Laju  aliran  volume  atau  debit  diatur  dengan menggunakan stop keran dan diukur menggunakan gelas ukur dan stop watch . Semua suhu air masuk, air keluar, suhu lingkungan dan suhu kolektor diukur dengan menggunakan termokopel  tipe  K  yang  telah  dikalibrasi  dengan  toleransi  ±  0,5°C.  Suhu  bagian  kolektor  yang  diukur adalah suhu tutup, suhu dinding, suhu absorber dan suhu pipa tembaga. Semua termokopel dihubungkan langsung dengan data logar NIDAQ9714 sehingga semua suhu dapat dicatat pada waktu yang bersamaan. Pompa yang digunakan adalah pompa akuarium. Pompa ini hanya digunakan untuk menaikan air dari bak bawah  ke  bak  atas.  Di  bak  atas  terdapat  pipa overflow yaitu  digunakan  untuk  menjaga  ketinggian permukaan air di bak atas tetap.
Pengujian dilakukan mulai pukul 10.00 Wita - 17.00 Wita. Air dialirkan naik dari bak bawah dengan menggunakan  pompa  secara  kontinue.  Dari  bak  atas,  air  mengalir  secara  alami  karena  perbedaan ketinggian  menuju kolektor surya. Pada kolektor surya, air  mengalami pemanasan  hingga  suhu tertentu, dan kemudian air keluar meninggalkan kolektor.

## 2.2 Data Reduksi
Energi  yang  masuk  ke  dalam  kolektor  dapat  diestimasi  dengan  menggunakan  persamaan  (1)  yang dapat diperoleh dari Duffie dan Beckman [9].
c T in A Ib Q = (1)
Q in menyatakan  aliran  kalor  yang  diserap  oleh  kolektor  (W),  sedangkan Ib T merupakan  radiasi matahari per meter persegi (W/m²) dan A c menunjukan luas kolektor (m²) tegak lurus dengan datangnya radiasi matahari. Persamaan tersebut juga telah digunakan oleh beberapa peneliti sebelumnya seperti yang dilakukan oleh Wirawan dkk. [1-2]. Disamping terdapat panas masuk, pada kolektor terdapat panas guna dan kerugian panas [10-13].
1.  Pompa  air,  2.  Bak  penampung  bawah,  3.  Kran  sumber  air,  4.  Pipa  pralon,  5.  Pipa  keluaran,  6.  Bak penampung atas, 7. Pipa selang, 8. Kolektor surya batu granit, 9. Stop keran, 10. Volume ukur
Gambar 1. Skema Alat Penelitian
Panas  yang  diserap  oleh  air, Q use ,  disebut  dengan  panas  guna.  Panas  ini  di  dalam  kolektor menyatakan  panas  yang  diserap  oleh  air  dan  dibawa  keluar  kolektor  dan  merupakan  perkalian  dari  laju aliran massa air, kapasitas panas air pada tekanan konstan, serta perbedaan suhu air masuk dan keluar T i dan T o . Q use dapat diestimasi sebagai berikut, Wirawan dkk. [1-2] dan [10-13]:
( ) i o p use T T c m
Q − =  (2)
m  adalah mass  flow  rate (kg/s),  sedangkan c p menunjukan  panas  jenis  fluida  (J/kgK).  Radiasi  matahari yang masuk permukaan kolektor, sebagian besar menjadi energi guna. Persamaan (2) juga digunakan oleh Wirawan dkk. [1-2] dan [10-13].
Disamping panas guna, kerugian panas dari kolektor juga merupakan variabel yang sangat penting. Kerugian panas ini, Q loss , dapat diprediksi dengan persamaan (3) dan dapat ditulis sebagai:
use in loss Q Q Q − = (3)
Selain  panas  guna,  kinerja  kolektor  pelat  datar  dapat  dilihat  dari  parameter  efisiensi.  Efisiensi kolektor, η merupakan  perbandingan  panas  guna  dengan  panas  radiasi  matahari  yang  masuk,  Wirawan dkk. [1-2], dan [10-13], Syamsu dkk. [14] dan dinyatakan dengan persamaan:
in use Q Q =  (4)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah  melakukan  percobaan  dan  mendapatkan  data-data  yang  diperlukan  maka  langkah selanjutnya adalah melakukan perhitungan terhadap data-data yang sudah didapatkan dari hasil penelitian. Adapun perhitungan yang dilakukan adalah untuk mengetahui besarnya intensitas radiasi yang masuk ke kolektor Ib T ,  perbedaan  temperatur  air  keluar  dan  masuk  kolektor,  ∆ T ,  besarnya  kalor  yang  masuk, Q in , besarnya kalor yang digunakan, Q use , besarnya kalor yang hilang, Q loss dan efisiensi dari kolektor, η . Hasil  perhitungan Q in dengan  menggunakan  persamaan  (1)  ditunjukan  pada  gambar  2. Q in yang diterima  oleh  kolektor  dengan  15°,  30°  dan  45°  hampir  sama  sebab  grafik  saling  berimpitan.  Namun demikian, Q in yang  tertinggi  didominasi  oleh  kolektor  surya  dengan  sudut  kemiringan  30°.  Hal  ini disebabkan arah sinar matahari ke kolektor yang miring 30° lebih tegak dibandingkan arah sinar matahari ke  kolektor  dengan  sudut  kemiringan  yang  lainya.  Gambar  2  nampak  tidak  konsisten,  pada  jam-jam tertentu Q in yang  didapatkan  turun  drastis  atau  sangat  rendah.  Hal  ini  dikarenakan  kondisi  langit  yang terkadang mendung atau matahari tertutup awan. Hasil yang demikian juga ditemukan oleh Wirawan dkk. [1-2],  dan  [10-13].  Kondisi  cerah  dan  berawan  dari  langit  tidak  dapat  dihindari  sebab  itulah  merupakan variabel terikat yang tidak dapat dikontrol.
Gambar 2. Hubungan Q in dengan Waktu Penelitian, (a) 17 Juli 2017 pada Debit 300 cc/menit, (b) 19 Juli 2017 pada Debit 400 cc/menit, (c) 25 Juli 2017 pada 500 cc/menit. Angka 15, 30 dan 45 Menyatakan Kemiringan Kolektor 15°, 30° dan 45°.
Variabel perbedaan temperatur air masuk dan keluar disajikan pada gambar 3. Variabel ini nantinya digunakan untuk menentukan panas berguna Q use . Perbedaan suhu ini dinyatakan dengan persamaan:
o i T T T  = − (5)
Hasil penggunaan persamaan (5) disajikan pada gambar 3. Seperti halnya dengan Q in , Δ T pun sangat berfluktuasi yang disebabkan oleh cuaca yang berubah-ubah. Pada awal-awal jam penelitian hingga jam 13.00  Wita,  rata-rata  Δ T naik,  setelah  jam  tersebut  pada  umumnya  Δ T turun  sebab  matahari  sudah condong di sebelah barat hingga tidak nampak lagi. Namun demikian,  gambar  3  mengidikasikan bahwa sudut kemiringan kolektor 30° menghasilkan Δ T yang lebih tinggi. Dengan  Δ T yang  tinggi, Q use akan  tinggi  pula. Q use dihitung  dengan  menggunakan  persamaan  (2). Persamaan  tersebut  juga  digunakan  oleh  Wirawan  dkk.  [1-2],  dan  [10-13].  Hasil  dari  hitungan menggunakan  persamaan  (2)  disajikan  pada  gambar  4.  Gambar  4  pun  menunjukan  fluktuasi  sebab Q in yang  diterima  kolektor  telah  berfluktuasi.  Karena  Δ T yang  lebih  tinggi  untuk  kemiringan  kolektor  30°, maka Q use juga  pada  umumnya  lebih  tinggi  dari  pada Q use yang  dihasilkan  oleh  kolektor  dengan  sudut kemiringan 15° dan 45°.
Gambar 3. Hubungan Antara ΔT dengan Waktu Pengamatan: (a) 17 Juli 2017 pada 300 cc/menit, (B) 19 Juli 2017 pada 400 cc/menit, dan (c) 25 Juli 2017 Pada 500 cc/menit
Untuk  mengetahui  pengaruh  dari  laju  aliran  volume,  maka  harus  dibuat  grafik Q use untuk  sudut kemiringan  yang  sama  tetapi  berbeda  laju  aliran  volumenya.  Namun  demikian,  pada  percobaan  ini  laju volume  yang  berbeda  dites  pada  waktu  yang  berbeda  pula  sehingga Q use untuk  laju  aliran  volume  yang berbeda tidak dapat dibandingkan.
Unjuk  kerja  kolektor  dapat  pula  dinyatakan  dengan  efisiensi  kolektor  [1-2,  10-13].  Parameter  ini dihitung dengan menggunakan persamaan (4) dan hasil perhitunganya ditunjukan pada gambar 5. Gambar 5  menunjukan  bahwa  efisiensi  rata-rata  harian  tertinggi  dicapai  oleh  kolektor  surya  dengan  sudut kemiringan  30°,  kemudian  diikuti  oleh  kolektor  dengan  sudut  kemiringan  15°,  dan  efisiensi  rata-rata harian terendah didapatkan dengan sudut kemiringan kolektor 45°.
Gambar 4. Hubungan Antara Q use dengan Waktu Pemgamatan: (a) 17 Juli 2017 pada 300 cc/menit,
(b) 19 Juli 2017 pada 400 cc/menit, dan (C) 25 Juli 2017 pada 500 cc/menit
Gambar 5. Hubungan Antara Efisiensi Rata-rata Harian Terhadap Sudut Kemiringan Kolektor

## 4. KESIMPULAN
Penelitian  untuk  mengetahui  pengaruh  kemiringan  sudut  kolektor  terhadap  unjuk  kerja  kolektor surya  dengan absorber batu  granit  telah  dilaksanakan.  Dari  hasi  percobaan  dan  analisis  data,  beberapa pernyataan atau temuan  yang dapat diperoleh. Panas masuk ke dalam kolektor surya yang diberi simbol Q in sangat  fluktuatif  tergantung  pada  cuaca  (cerah  atau  mendung).  Akibat  dari  fluktuasi  panas  masuk, maka  Δ T juga  berfluktuasi. Q use yang  bergantung  pada  Δ T tentunya  juga  menjadi  berfluktuasi.  Δ T maupun Q use yang tertinggi diperoleh dengan kolektor surya dengan sudut kemiringan 30°. Efisiensi rata- rata harian yang tertinggi juga didominasi oleh kolektor surya dengan sudut kemiringan 30°.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Diucapkan  banyak  terimakasih  kepada  DIKTI  yang  telah  memberikan  dana  penelitian  melalui DRPM program hibah Produk Terapan 2017.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Wirawan,  M.,  Mirmanto, Susana,  I.G.B.,  Sutanto,  R.,  2015.  "Pengaruh  Susunan  Pipa  Laluan  Terhadap Pemanfaatan Kalor pada Kolektor Surya Pelat Datar Absorber Granit", Dinamika Teknik Mesin , Vol. 5, No. 1, pp. 50-55.
[2] Wirawan,  M.,  Kurniawan,  R.,  Mirmanto,  2016.  "Pengaruh  Jumlah  Haluan  Pipa  Paralel  pada Kolektor  Surya  Pelat  Datar  Absorber  Batu  Kerikil  Terhadap  Laju  Perpindahan  Panas", Dinamika Teknik Mesin , Vol. 6, No. 2, pp. 127-133.
[3] Hoel,  M.,  Kvemdokk,  S.,  1996.  "Depletion  of  Fossil  Fuels  and  The  Impacts  of  Global  Warming", Resource and Energy Economics , Vol. 18, pp. 115-136.
[4] Setyadi, U.D., Bambang Arip Dwiyantoro B.A., 2015. "Pengaruh Sudut Kemiringan Kolektor Surya Pelat Datar terhadap Efisiensi Termal dengan Penambahan Eksternal Annular Fin pada Pipa", Jurnal Teknik ITS , Vol. 4, No. 1, pp. 31-36.
[5] Rosa, Y., 2007. "Rancang Bangun Kolektor Pelat Datar Energi Surya untuk Sistem Pengering Pasca Panen", Jurnal Teknik Mesin , Vol. 4, No. 2, pp. 68-82.
[6] Mirmanto, Sayoga, I.M.A., Zulkarnain, 2016. "Pengaruh Debit Terhadap Unjuk Kerja Alat Penukar Kalor dan Penurunan Suhu Ruangan", Dinamika Teknik Mesin , Vol. 6, No. 1, pp. 1-7.
[7] Mirmanto,  Syahrul,  Sulistyowati,  E.D.,  Okariawan,  I.D.K.,  Rodian,  2017.  "Effect  of  Inlet Temperature  and  Ventilation  on  Heat  Transfer  Rate  and  Water  Content  Removal  of  Red  Chilies", Journal of Mechanical Science and Technology , Vol. 31, No. 3, pp. 1531-1537.
[8] Mirmanto,  M.,  Sulistyowati,  E.D.,  Okariawan,  I.D.K.,  2016.  "Effect  of  Radiator  Type  on  Dryer Room  Temperature  Distribution  and  Heat  Transfer  Rate", JP  Journal  of  Heat  and  Mass  Transfer , Vol. 13, No. 4, pp. 511-532.
[9] Duffie, J.A., Beckman, W.A., 1980. Solar Engineering Of Thermal Process 2 nd Edition , John Wiley & Sons Inc., New York.
[10] Saputra, B.H., 2015. Pengaruh Jumlah Pipa Pada Kolektor Surya Absorber Batu Granit Terhadap Laju Perpindahan Panas , Skripsi, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mataram.
[11] Hamzanwadi,  2015. Pengaruh  Jumlah  Pipa  Terhadap  Laju  Pelepasan  Kalor  pada  Kolektor  Surya Absorber Batu Granit , Skripsi, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mataram.
[12] Fahrurrozi, I., 2017. Pengaruh Variasi Sudut Kemiringan Kolektor Surya Plat Datar Absorber Batu Granit  Terhadap  Unjuk  Kerja  Kolektor ,  Skripsi,  Jurusan  Teknik  Mesin,  Fakultas  Teknik, Universitas Mataram.
[13] Wilis,  G.R.,  Santosa,  I.,  2014.  "Variasi  Sudut  Kemiringan  Kolektor  Surya  Solar  Water  Heater", Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi ( SNAST ), Yogyakarta.
[14] Syamsu,  W.D.,  Selleng,  K.,  Mustofa,  2012.  "Efektifitas  Kolektor  Energi  Surya  pada  Konfigurasi Paralel-Serpentine", Majalah Ilmiah MEKTEK , No. 1, pp. 12-16.