Docstoc

mesin

Document Sample
mesin Powered By Docstoc
					Journal of Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology
Vol. 01, No. 1, 2010                                                                                  ISSN 2087-3379


     ANALISIS RUGI-RUGI PANAS PADA TANGKI PENYIMPAN PANAS
      DALAM SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MATAHARI

                   Ghalya Pikra, Agus Salim, Tri Admono, Merry Indahsari Devi
                           Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik - LIPI
                       Komp LIPI Bandung , Jl. Sangkuriang, Gd. 20. Lt. 2, Bandung,
                                        Jawa Barat 40135, Indonesia
       ghalyapikra@yahoo.com; agus.salim35@yahoo.com; januar35@yahoo.com; merry_devi@yahoo.com

              Diterima: 19 Agustus 2010; Direvisi: 23 September 2010; Disetujui: 30 September 2010;
                                         Terbit online: 10 Oktober 2010.


Abstrak
   Analisis rugi-rugi panas pada tangki penyimpan panas dalam sistem pembangkit listrik tenaga matahari
dimaksudkan untuk mengetahui nilai panas yang hilang selama dilakukan penyimpanan. Pemilihan bahan isolasi,
tebal isolasi, waktu penyimpanan dan fluida penyimpan panas mempengaruhi nilai rugi-rugi panas. Penelitian
diawali dengan menentukan dimensi dan bahan tangki beserta isolasinya, serta menentukan waktu penyimpanan
panas di dalam tangki. Fluida dan temperatur operasi ditentukan untuk mendapatkan spesifikasi fluida yang akan
digunakan sebagai data analisis. Analisis diawali dengan perhitungan kapasitas penyimpanan, dilanjutkan dengan
pembuatan jala-jala termal untuk mendapatkan persamaan tahanan termal yang kemudian digunakan untuk
menghitung rugi-rugi panas pada tangki. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa tangki penyimpan panas dengan
diameter 0,4 m dan tinggi 0,45 m serta isolasi menggunakan ceramic fiber wool dengan tebal 0,1 m, maka nilai rugi-
rugi panas yang dihasilkan adalah 63,43 W.

Kata kunci: pembangkit listrik tenaga matahari, tangki penyimpan panas, ceramic, rugi-rugi panas.

Abstract
    Analysis of heat loss on heat storage tank in solar power generation system is intended to determine the heat
loss value during storage. Selection of insulation material, insulation thickness, time of storage and heat storage
fluid affects the heat losses. The research was initiated by determining the dimension of the tank and its insulation
material, and determining the heat storage time in the tank. Fluid and operating temperature is determined to get
the fluid specification to be used as data analysis. The analysis begins with the calculation of storage capacities,
followed by making of thermal nets to get the thermal resistance equation which is then used to calculate the heat
loss in the tank. The result shows that the heat storage tank with 0.4 m diameter and 0.45 m height and uses ceramic
fiber wool insulation with 0.1m thickness gives the value of heat loss of 63.43 W.

Keywords: solar power plants, heat storage tank, ceramic, heat loss.


I. PENDAHULUAN                                                   energi, dan steam generator yang digunakan
    Energi matahari merupakan sumber energi                      untuk      menggerakkan       turbin      untuk
yang paling banyak di bumi. Konversi energi                      membangkitkan      listrik. Solar    Collector
matahari menjadi energi panas yang kemudian                      digunakan sebagai pengumpul panas dari
menghasilkan listrik adalah aplikasi energi                      matahari yang kemudian digunakan untuk
matahari yang paling penting. Wu, Reddy dan                      memanaskan fluida didalam receiver atau
Rogers menyatakan bahwa energi yang berasal                      absorber. Sistem penyimpanan energi berfungsi
dari matahari perlu disimpan karena ketersediaan                 untuk menciptakan efisiensi energi. Steam
energi matahari tergantung pada waktu, kondisi                   generator disini adalah sebagai penghasil uap
cuaca, dan garis lintang, dimana permintaan                      untuk menggerakkan turbin.
listrik bervariasi tergantung waktu [1]. Energi ini                 Pada sistem pembangkit listrik tenaga
dapat disimpan sebagai energi termal atau listrik.               matahari    terkonsentrasi,  panas    matahari
Penyimpanan energi termal merupakan teknologi                    dikumpulkan dalam pengumpul panas matahari
yang penting untuk efisiensi energi. Oleh karena                 berbentuk parabolic yang disebut Parabolic
itu, penyimpanan energi termal dianggap sebagai                  Trough Solar Collector. Panas matahari tersebut
metode yang ekonomis [2].                                        nantinya diteruskan ke suatu receiver yang
    Tiga komponen utama pemanfaatan sistem                       didalamnya dialiri oleh suatu fluida (Heat
energi termal matahari terkonsentrasi adalah                     Transfer Fluid/HTF) yang kemudian akan
collector energi matahari, sistem penyimpanan                    meneruskan panas yang diterima oleh receiver

                                                                                                                13
Analisis Rugi-rugi Panas Pada Tangki Penyimpan Panas dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Matahari
(Ghalya Pikra, Agus Salim, Tri Admono, Merry Indahsari Devi)                                      pp. 13-18

menuju steam generator sebagai penghasil uap              storage) untuk disimpan dan akan digunakan saat
yang digunakan untuk menggerakkan turbin uap              malam hari atau ketika tidak ada matahari.
untuk menghasilkan energi listrik. Sebagian               Sistem pembangkit listrik tenaga matahari
fluida di dalam receiver/absorber kemudian                terkonsentrasi seperti ditunjukkan pada Gambar 1
dialirkan ke tangki penyimpanan panas (heat               dibawah ini.




                           Gambar 1. Sistem pembangkit listrik tenaga matahari [4].

    Pembangkit       listrik   tenaga     matahari        panas dan rugi-rugi panas pada tangki penyimpan
menggunakan parabolic trough memerlukan                   panas. Selain itu dilakukan juga perhitungan
sistem penyimpanan panas sensibel dengan                  untuk rugi-rugi panas dengan tebal isolasi yang
temperatur operasi antara 300°C sampai 390°C.             bervariasi dan dengan waktu penyimpanan yang
Thermal oil telah banyak digunakan sebagai                bervariasi.
fluida perpindahan panas untuk mencapai                      Makalah ini bertujuan untuk menganalisis
temperatur tersebut. Semakin besar nilai                  rugi-rugi panas pada tangki penyimpan panas
spesifikasi panas yang dimiliki oleh fluida maka          dalam sistem pembangkit listrik tenaga matahari
nilai kapasitas penyimpanan panasnya akan                 untuk mengetahui nilai panas yang hilang selama
semakin besar pula, yang artinya fluida tersebut          dilakukan penyimpanan, beserta pembahasan
memiliki kemampuan menyimpan panas yang                   pengaruh besar kecilnya nilai rugi-rugi panas.
baik.
    Selain fluida penyimpan panas, nilai rugi-rugi        II. METODE ANALISIS
panas dipengaruhi juga oleh bahan isolasi, tebal             Analisis diawali dengan menentukan dimensi
isolasi, serta waktu penyimpanan panas di dalam           dari tangki penyimpan panas untuk mengetahui
tangki. Bahan isolasi dengan nilai konduktivitas          besarnya kapasitas penyimpanan. Tangki
termal rendah memiliki kemampuan untuk                    penyimpan panas yang didesain untuk
mengurangi terjadinya kehilangan panas yang               menganalisis rugi-rugi panas pada kali ini adalah
besar. Selain itu, semakin tebal isolasi yang             tangki dengan bentuk silinder dengan diameter
digunakan maka semakin rendah nilai rugi-rugi             tangki dalam sebesar 0,4 m dan tinggi tangki
panas yang terjadi, dan semakin lama waktu yang           bagian dalam sebesar 0,45 m. Bahan tangki
dibutuhkan untuk menyimpan panas, maka akan               terbuat dari pelat stainless steel, yang kemudian
semakin besar nilai rugi-rugi panas yang terjadi.         dilapisi oleh pelat besi dengan tebal 1 mm yang
    Bahan tangki penyimpan panas terbuat dari             merupakan pembatas ruang untuk udara dengan
pelat stainless steel, kemudian dilapisi oleh pelat       tebal 25 mm antara stainless steel dan pelat besi,
besi dan dilapisi lagi oleh ceramic dan                   kemudian dilapisi oleh ceramic dengan tebal 0,1
alumunium foil. Ceramic dipilih sebagai isolasi           m dan alumunium foil. Tangki dilapisi untuk
karena memiliki kestabilan fisik dan termal               mengurangi       rugi-rugi      panas     sehingga
hingga 1100°C, kekuatan tarik yang tinggi, serta          kemampuan menyimpan panasnya akan baik
konduktivitas termal rendah. Analisis dilakukan           pula. Gambar desain tangki ditunjukkan pada
dengan cara menghitung kapasitas penyimpanan              Gambar 2.

 14
Journal of Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology
Vol. 01, No. 1, 2010                                                                                                      ISSN 2087-3379



                                                                                                                   Pelat Tipis/
                                                                                                                     Al-Foil
                                                                                                        Pelat Besi
                                                                                    Pelat SS


                                                                               r1                  r2                r3

                                                                 T0
                                                                            Oli                    Udara          Ceramic         Udara

                                                                                                                                    T4

                                                                 T0
                                                                                     T1

                                                                                                        T2
                                                                                                                      T3
                                                                                Q                                              T4



                                                                      T0             T1                 T2            T3            T4

                                                                           R1              R2                R3             R4
         Gambar 2. Tangki penyimpan panas.                                           Gambar 4. Jala-jala termal.

   Kapasitas penyimpanan tangki dihitung                            Perhitungan rugi-rugi panas diawali dengan
dengan menggunakan persamaan (1) berikut ini.                    membuat skematik gambar laju aliran panas yang
                                                                 dilanjutkan dengan membuat jala-jala termal
                   {   "   .   &{                     (1)        yang ditunjukkan pada Gambar 3 dan Gambar 4
                                                                 diatas.
Dimana Q adalah kalor panas yang disimpan                           Tahanan termal dihitung untuk mendapatkan
(kJ), ρ adalah densitas oil (kg/m3), V adalah                    rugi-rugi panas yang terjadi di dalam tangki
volume tangki (m3), Cp adalah panas spesifik                     penyimpan panas. Persamaan tahanan termal 1
fluida (kJ/kg°C), To adalah temperatur operasi                   (R1) sampai dengan persamaan tahanan termal 4
(°C) dan T4 adalah temperatur awal (°C).                         (R4) ditunjukkan pada persamaan (2) sampai
                                                                 dengan persamaan (5) berikut ini.
                                             Qloss
                                                                                          #
                                                                           #                                                             (2)
                                                                                          $
                             kceramic
                           kudara dalam                                                    9
                                                                           $         $
                                                                                                                                         (3)

                                holi                                                           9
                                                                           %         $
                                                                                                                                         (4)

                               To                                                         #
                                                                           &              $
                                                                                                                                         (5)
                                     T1
                                      T2
                                                                 Dimana R1 adalah tahanan termal dari fluida ke
                                        T3                       pelat stainless steel (ºC/W), hHTF adalah koefisien
                                             T4                  konveksi panas pada fluida (W/m2°C), r1 adalah
                                                                 jari-jari tabung bagian dalam (m), L adalah tinggi
                            hudara                               tabung (m), R2 adalah tahanan termal antara pelat
    Gambar 3. Skematik gambar laju aliran panas.                 stainless steel ke pelat besi (ºC/W), r2 adalah jari-

                                                                                                                                     15
Analisis Rugi-rugi Panas Pada Tangki Penyimpan Panas dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Matahari
(Ghalya Pikra, Agus Salim, Tri Admono, Merry Indahsari Devi)                                      pp. 13-18

jari pusat ke ceramic bagian dalam (m), kudara                  Temperatur operasi dengan nilai 250°C
adalah konduktivitas termal dari udara (W/mºC),              ditentukan berdasarkan hasil pengujian solar
R3 adalah tahanan termal antara pelat besi ke                collector, dimana temperatur fluida yang terukur
ceramic bagian luar/ alumunium foil (ºC/W), r3               di dalam absorber/receiver mencapai 250°C.
adalah jari-jari dari pusat ke ceramic bagian luar           Fluida di dalam tangki penyimpan panas
(m), kceramic adalah konduktivitas termal dari               mengalir dari receiver/absorber, sehingga
ceramic (W/mºC), R4 adalah tahanan termal dari               temperatur     yang     terukur     di    dalam
alumunium foil ke udara luar (ºC/W) dan hudara               absorber/receiver dijadikan acuan sebagai
adalah koefisien konveksi panas pada udara luar              temperatur di dalam tangki penyimpan panas
(W/m2 ºC).                                                   untuk menganalisis rugi-rugi panas.
    Persamaan rugi-rugi panas pada tangki
penyimpan panas ditunjukkan pada persamaan                   III. PEMBAHASAN
(6) berikut ini.                                                Hasil perhitungan yang dimulai dari
                                                             perhitungan kapasitas penyimpanan panas hingga
                                                       (6)   rugi-rugi panas di dalam tangki penyimpan panas
                                   
                                                             ditunjukkan pada Tabel 2.
Dimana Qloss adalah rugi-rugi panas pada tangki
                                                             Tabel 2.
penyimpan panas (W).
                                                             Hasil perancangan termal.
   Data yang digunakan untuk melakukan
analisis rugi-rugi panas pada tangki penyimpan                             Hasil                     Nilai
panas ditunjukkan pada Tabel 1.                              Jenis fluida                        Thermo oil
                                                             Kalor penyimpanan panas (Qinput)    22814,55 kJ
Tabel 1.
Data perancangan [4], [5], [6].                              Kapasitas panas (W)                   0,53 kW
                                                             Tahanan termal total (Rtot)          3,47°C/W
               Data                            Nilai
                                                             Rugi-rugi termal (Qloss)              63,43 W
Diameter tangki dalam
                                       0,4 m                 Persentase kehilangan panas             12 %
 (Di)
Tebal pelat besi + ceramic
                                       0,101 m                   Hasil analisis pada Tabel 2 menunjukkan
 (x)
                                                             bahwa tangki penyimpan panas memiliki nilai
Tinggi tangki bagian dalam
 (L)
                                       0,45 m                kapasitas penyimpanan panas sebesar 2,112 kW.
                                                             Hal ini dipengaruhi oleh nilai panas spesifik
Konduktivitas termal udara dalam
                                       0,0407 W/moC          fluida yang besar, sehingga menghasilkan
 (kud-dlm)
                                                             kapasitas penyimpanan panas yang baik.
Konduktivitas termal ceramic                                     Rugi-rugi yang dihasilkan sebesar 63,43 W.
                                       0,07 W/moC
 (kcer)
                                                             Hal ini dikarenakan bahan isolasi yang digunakan
Waktu penyimpanan                                            (ceramic) memiliki konduktivitas termal (kceramic)
                                       12 jam
 (t)                                                         yang rendah, sehingga dapat melindungi panas di
Konduktivitas termal udara luar                              dalam tangki dengan baik. Oleh karena itu, nilai
                                       0,0338 W/moC
 (kud-luar)                                                  rugi-rugi panas akan menjadi rendah bila bahan
Temperatur operasi                                           yang digunakan sebagai isolasi memiliki nilai
                                       250oC
 (T)                                                         konduktivitas termal yang rendah pula. Selain itu,
Panas spesifik thermal oil                                   tebal ceramic dan waktu penyimpanan panas juga
                                       1,978 kJ/kgoC
 (Cp)                                                        menentukan nilai rugi-rugi panas. Nilai rugi-rugi
Densitas thermal oil                                         panas terhadap tebal ceramic dan nilai rugi-rugi
                                       927,6 kg/m3
 (ρ)                                                         panas terhadap waktu penyimpanan panas
Konduktivitas thermal oil                                    ditunjukkan pada Gambar 5 dan Gambar 6
                                       0,111 W/moC           dibawah ini.
 (koli)




 16
Journal of Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology
Vol. 01, No. 1, 2010                                                                                                        ISSN 2087-3379


                                                 GRAFIK TEBAL CERAMIC VS RUGI-RUGI PANAS

                                   160



                                   120




                       Qloss (W)
                                    80



                                    40



                                    0
                                         0              0,04            0,08             0,12         0,16            0,2
                                                                            Xceramic (m)


                                                       Gambar 5. Grafik tebal ceramic vs Qloss.


                                             GRAFIK PANAS YANG DISIMPAN DAN % RUGI-RUGI PANAS
                                                   TERHADAP WAKTU PENYIMPANAN PANAS

                       16,0



                       12,0


                                                                                                             Qstore
                        8,0
                                                                                                             %Heat loss


                        4,0



                        0,0
                                    0          10000     20000      30000        40000     50000   60000
                                                                 Waktu (detik)


                Gambar 6. Grafik panas yang disimpan dan % heat loss vs waktu penyimpanan panas.

    Gambar 5 menunjukkan grafik yang                                                IV. KESIMPULAN
membandingkan antara tebal keramik terhadap                                             Analisis rugi-rugi panas pada tangki
rugi-rugi panas. Pada grafik tersebut, terlihat                                     penyimpan panas dalam sistem pembangkit
bahwa semakin tebal ceramic maka rugi-rugi                                          listrik tenaga matahari dengan diameter tangki
panas yang dihasilkan semakin rendah. Hal ini                                       0,4 m, tinggi tangki 0,45 m dan tebal ceramic 0,1
terjadi karena tebal ceramic memiliki fungsi                                        m menghasilkan kapasitas penyimpanan (daya)
berbanding terbalik dengan rugi-rugi panas,                                         sebesar 0,53 kW, tahanan termal total sebesar
sehingga semakin tebal isolasi yang digunakan                                       3,47°C/W, rugi-rugi panas sebesar 63,43 W, dan
maka nilai rugi-rugi panasnya akan menjadi                                          persentase kehilangan panas yang dihasilkan
rendah.                                                                             adalah 12 %. Thermo oil merupakan fluida
    Gambar 6 yang menunjukkan grafik antara                                         penyimpan panas yang baik karena memiliki nilai
perbandingan panas yang disimpan serta                                              panas spesifik yang tinggi, sehingga nilai
persentase rugi-rugi panas terhadap waktu                                           kapasitas penyimpanan panas di dalam tangki
penyimpanan panas dapat dianalisis bahwa nilai                                      menjadi besar. Ceramic merupakan bahan isolasi
panas yang disimpan di dalam tangki akan                                            yang baik karena memiliki nilai konduktivitas
semakin kecil seiring dengan semakin lamanya                                        termal yang rendah. Semakin tebal isolasi yang
dilakukan waktu penyimpanan. Hal ini                                                digunakan maka rugi-rugi panas yang dihasilkan
mempengaruhi nilai rugi-rugi panas di dalam                                         akan semakin kecil, dan semakin lama waktu
tangki, dimana rugi-rugi panas akan membesar                                        yang digunakan untuk menyimpan panas maka
seiring dengan waktu penyimpanan panas yang                                         rugi-rugi panas yang dihasilkan akan semakin
semakin lama.                                                                       besar.
Analisis Rugi-rugi Panas Pada Tangki Penyimpan Panas dalam Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Matahari
(Ghalya Pikra, Agus Salim, Tri Admono, Merry Indahsari Devi)                                      pp. 13-18

DAFTAR PUSTAKA                                          [6]    Incropera, F.P., De Witt, D.P., (1990),
[1]   Wu, B., Reddy, R.G., Rogers, R.D., (2001,                “Fundamentals of Heat and Mass
      April), “Novel Ionic Liquid Thermal                      Transfer”, 3rd edition, Singapore: John
      Storage For Solar Thermal Electric Power                 Wiley and Sons, Inc.
      Systems”, Proceedings of Solar Forum              [7]    Duffie, J.A., Beckman, B.A., (1991),
      2001, Washington D.C.                                    “Solar     Engineering     of    Thermal
[2]   Dracker, R., Rifflemann, K.J., (2008, July),             Processes”, 2nd edition, Singapore: John
      “Integrated     Thermal     Storage     For              Wiley and Sons, Inc,.
      Concentrating Solar Power”, Integrated            [8]    Blake, D.M., Moens, L., Hale, M.J., Price,
      Energy Policy Report Workshop July 31                    H., Kearney, D., Hermann, U., (2002),
      2008, Solar Millennium LLC, Berkeley,                    “New Heat Transfer and Storage Fluids
      CA.                                                      For Parabolic Trough Solar Thermal
[3]   Muller, H., Steinhagen, (2008), “Solar                   Electric Plants”, Proceedings of the 11th
      Thermal Power Plants – On The Way to                     SolarPACES International Symposium On
      Commercial        Market     Introduction”,              concentrating Solar Power and Chemical
      Institute for Technical Thermodynamics,                  Energy Technologies, Zurich, Switzerland.
      German Aerospace Centre (DLR),                    [9]    Tamme, R., Laing, D., Steinmann,
      Stuttgard – Cologne – Almeria/Spain.                     W.D., (2003), “Advanced Thermal
[4]   Firepro, (2008, August), “Ceramic Wool                   Energy Storage Technology For
      Blanket”, Firepro Centabuild Insulation,                 Parabolic Trough”, Proceedings of
      Auckland.        [Online].       Available:              ISEC 2003, 2003 International Solar
      http://www.firepro.co.nz.                                Energy Conference, Hawaii, pp. 1-8.
[5]   Solutia, (2001, July), “Therminol66: High
      Performance Highly Stable Heat Transfer
      Fluid”, Solutia Applied Chemistry,
      Creative Solutions, Europe. [Online].
      Available: http//www.solutia.com.




 18

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Tags:
Stats:
views:712
posted:11/7/2010
language:English
pages:6