...

disini - Universitas Sanata Dharma

by user

on
Category: Documents
0

views

Report

Comments

Transcript

disini - Universitas Sanata Dharma
Karakterisasi Permukaan Selektif Sebagai Upaya Peningkatan Efisiensi
Kolektor Surya Termal
I Gusti Ketut Puja
Program Studi Teknik Mesin FST Universitas Sanata Dharma
Kampus III Paingan Maguwoharjo, Depok, Sleman Yogyakarta Telp. 0274-883037
[email protected]
Abstract
Indonesia as a tropical country has a lot of solar energy potential annually. The
application of solar energy can be done on the two ways. First, directly used its heat from
the collector. The second way is converts its to the electric power by photovoltaic
technology
In this research developing the selective surface on the collector material was done
experimentally used sputtering technology. The sample from aluminum plate witch is 1 mm
thick is sputtered with copper oxide (CuO) use DC Sputtering machine at the PTAB –
BATAN Yogyakarta. The temperature and time as the sputtering process parameters are
vary. The sample then characterized to obtain the value of thermal emissivity and
absorptivity factors.
The result of this reasearch that is the thermal emissivity factor of the sample
decrease while the thermal absorptiviy increase after sputtered with copper oxide (CuO) as
the selective surface. The optimal value occur on the parameter sputtering process at 100
degree Celcius for 30 minutes
Keywords : selective surface, thermal emissivity, thermal absorptivity, sputtering
1. Pendahuluan
Pada saat ini Indonesia mengalami krisis energi fosil terutama minyak bumi.
Cadangan energi fosil yang dimiliki Indonesia terus berkurang dan apabila tidak
ditemukan cadangan baru, suatu saat energi tersebut akan habis. Sementara kebutuhan
energi terus meningkat sejalan dengan laju pertumbuhan ekonomi dan pertambahan
penduduk. Pemanfaatan sumber energi terbarukan perlu diupayakan agar ketergantungan
terhadap energi fosil dapat dikurangi.
Potensi energi terbarukan di Indonesia seperti energi surya, energi angin dan energi
samudra cukup besar. Menurut data Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral,
Indonesia memiliki potensi energi surya dengan radiasi harian rata-rata 4,8 kWh/m2[1]
Sampai saat ini ada dua jenis teknologi yang sudah diterapkan untuk memanfaatkan
potensi energi surya, yaitu teknologi surya termal dan energi surya fotovoltaik.
Teknologi surya termal adalah suatu cara untuk mengubah (konversi) radiasi surya
menjadi panas. Cara ini menggunakan alat pengumpul (kolektor) radiasi surya. Kolektor
surya termal berfungsi menerima dan mengumpulkan radiasi surya sebanyak mungkin dan
mengalirkannya ke fluida kerja. Oleh karena itu, salah satu syarat bahan kolektor adalah
memiliki faktor absorptivitas dan konduktivitas tinggi.
Efisiensi konversi sangat tergantung pada sifat-sifat bahan absorber dalam kolektor.
Kemampuan pelat absorber dalam menyerap radiasi surya (radiasi gelombang pendek)
tergantung pada faktor absorptivitas surya (α), makin besar faktor absorptivitas surya suatu
bahan absorber semakin besar efisiensi konversinya. Di sisi lain, jika bahan absorber
menerima radiasi surya maka temperaturnya akan meningkat sehingga berpotensi
memancarkan energi radiasi (radiasi gelombang panjang). Besar radiasi yang dipancarkan
bahan absorber tergantung pada faktor emisivitas termal (ε). Semakin besar faktor
emisivitas termal suatu bahan absorber semakin besar rugi-rugi energi yang terjadi
sehingga akan menurunkan efisiensi konversinya. Pada umumnya bahan yang memiliki
faktor absorptivitas tinggi juga memiliki faktor emisivitas tinggi. Idealnya permukaan pelat
absorber memiliki harga absorptivitas surya yang tinggi yaitu mendekati 1 (satu), tetapi
memiliki harga emisivitas termal yang rendah yaitu mendekati 0 (nol), permukaan seperti
ini disebut permukaan selektif.
Permukaan selektif dapat diperoleh dengan memberikan lapisan selektif yang mampu
menyerap radiasi surya (gelombang pendek) dan menahan pancaran energi (radiasi
gelombang panjang). Ada beberapa jenis lapisan selektif diantaranya, oksida
tembaga(CuO), oksida seng (ZnO), oksida kobalt (Co2O), oksida aluminium (Al2O3) dan
lain sebagainya.
Salah satu cara membentuk lapisan selektif pada permukaan bahan adalah dengan
teknologi sputtering. Teknologi ini telah dikembangkan di Pusat Penelitian dan
Pengembangan Teknologi Maju (P3TM) – BATAN Yogyakarta. Keunggulan metode
sputtering diantaranya dapat membentuk lapisan tipis yang homogen, padat dan hemat
bahan target.
Dari uraian tersebut diatas, dapat dirumuskan bahwa efisiensi konversi kolektor
surya termal dapat ditingkatkan dengan membentuk permukaan selektif pada bahan
kolektor. Pada penelitian ini akan dibuat lapisan selektif oksida tembaga (CuO) pada
permukaan pelat aluminium (Al) dengan metode sputtering dan akan dikarakterisasi sifatsifat optis lapisan terserbut. Aluminium dipilih sebagai bahan pelat absorber karena tidak
beracun, relatif murah dan mudah didapatkan di pasar lokal serta memiliki sifat dasar yang
baik sebagai pelat absorber. Sedangkan metode sputtering dipilih karena teknologi ini
relatif baru di Indonesia dan untuk meningkatkan penerapan teknologi ini pada bidang
rekayasa bahan.
2. Landasan Teori
Pelat absorber harus memiliki faktor absorptivitas surya yang besar (mendekati
satu), emisivitas termal yang becil (mendekati nol), transisi spektral yang tajam antara
absorptivitas surya yang tinggi dengan emisivitas termal yang rendah, sifat optik dan fisik
yang stabil, kualitas kontak pelat dengan lapisan selektif yang baik dan mudah di
aplikasikan [2]. Lapisan permukaan oksida tembaga merupakan permukaan selektif
pertama yang digunakan pada pemakaian praktis. Lapisan oksida tembaga dibentuk
dengan konversi kimia yaitu dengan mencelupkan pelat tembaga yang telah dibersihkan
dan dipolis ke dalam larutan panas NaOH dan larutan NaCl selama waktu tertentu. Faktor
absorptivitas surya (α) yang didapatkan sebesar 0,89 dan faktor emisivitas termal (ε)
sebesar 0,17 [3]. Permukaan selektif oksida kobal (Co) dapat dibuat dengan metode
elektroplating pada pelat baja-nikel, dengan metode ini didapatkan faktor absorptivitas
surya (α) antara 0,87 – 0,92 dan faktor emisivitas termal (ε) antara 0,07 – 0,08 [2].
Penelitian proses pembuatan permukaan selektif dengan metode sputtering berhasil
menurunkan faktor emisivitas termal (ε) dari 0,12 menjadi 0,06 dengan mengganti lapisan
anti korosi dari Ni-Cr menjadi Cu-Ni dan menaikkan absorptivitas surya (α) dari 0,890,91 menjadi 0,97 [4]. Oksidasi aluminium dan pigmentasi nikel dengan metode
elektrokimia dalam pembuatan permukaan selektif menghasilkan absorptivitas surya
sebesar 0,91 dan emisivitas termal sebesar 0,17 [5]. Penelitian daya tahan permukaan
selektif pada absorber aluminium menunjukkan peningkatan absorptivitas surya dari 0.81-
0.86 menjadi 0.87-0.89 dan penurunan emisivitas termal dari 0.30-0.35 menjadi 0.17-0.19
setelah pengujian selama 250 hari [6].
Pembuatan permukaan selektif C/Al2O3/Al dengan metode gerinda menggunakan
kekasaran permukaan gerinda 1μm – 2 μm menghasilkan absorptivitas surya sebesar 0,90
dan emisivitas termal sebesar 0,25 [7]. Pengujian mikrostruktur permukaan selektif pada
metode gerinda menunjukkan bahwa komposisi dan struktur dari alat gerinda dapat
mempengaruhi hasil. Dengan menggunakan komposisi dan struktur gerinda yang tepat
dapat menaikkan absorptivitas surya sampai diatas 0,94 [8]. Penelitian karakterisasi
permukaan selektif C/Al2O3/Al dengan metode gerinda menunjukkan bahwa penurunan
unjuk kerja absorber disebabkan adanya embun pada permukaan. Embun akan
menyebabkan hidrasi Al2O3 karenanya penambahan penahan uap air pada kolektor sangat
disarankan terutama pada daerah dengan kelembaban udara yang tinggi [9]
Ketika suatu radiasi mengenai sebuah benda maka sebagian akan dipantulkan
(reflected), sebagian akan diserap (absorbed), dan jika benda tersebut transparan maka
sisanya akan diteruskan (transmitted). Hubungan antara reflectivitas (ρ), absorptivitas (α),
dan transmisivitas (τ) pada suatu panjang gelombang tertentu (λ) adalah [10] :
(1)
αλ + ρλ+τλ = 1
Hukum Kirchoff mengatakan bahwa suatu benda yang berada dalam
kesetimbangan termodinamik akan mempunyai absorptivitas (α) yang sama dengan
emisivitas (ε) pada suatu panjang gelombang tertentu atau dapat dinyatakan dengan
persamaan :
(2)
ε λ = αλ
Persamaan (2) hanya berlaku untuk permukaan yang tidak bergantung pada sudut azimut
φ, dan sudut polar μ. Jika permukaan tersebut tergantung pada sudut azimut φ dan sudut
polar μ maka persamaan diatas akan menjadi :
(3)
ελ(μ,φ) = αλ(μ,φ)
Untuk permukaan yang tidak transparan (opaque) maka radiasi hanya akan diserap dan
dipantulkan karena permukaan yang tidak transparan tidak meneruskan radiasi (τ = 0)
sehingga persamaan menjadi :
αλ + ρλ = ελ + ρλ = 1
(4)
atau secara umum :
(5)
ελ(μ,φ) = αλ(μ,φ) = 1 − ρλ(μi,φi)
Dari persamaan diatas dapat disimpulkan emisivitas dan absorptivitas dapat diketahui jika
reflektivitas diketahui.
Teknik Sputtering pertama kali diperkenalkan oleh W. R. Grove pada tahun 1952,
ketika menelti fenomena lucutan gas bertekanan rendah yang menampakkan gejala
terbentuknya lapisan logam tipis pada dinding tabung di sekitar elektroda negatif [11]
Proses sputtering diawali dengan adanya tumbukan ion-ion penumbuk dengan
atom-atom permukaan target. Akibat tumbukan tersebut atom-atom target dapat terlepas
dari ikatan atomnya. Skema pelepasan atom-atom target akibat tumbukan dalam proses
sputtering ditunjukkan dalam Gambar 1 [12]. Proses sputtering mulai terjadi ketika
dihasilkan lucutan listrik dan gas argon secara dielektris menjadi konduktif karena
mengalami ionisasi. Gas yang terionisasi menghasilkan ion-ion bermuatan positif dan ionion bermuatan negatif yang mempunyai jumlah muatan yang seimbang disebut plasma.
Gambar 1. Skema pelepasan atom-atom permukaan target sputtering
Terbentuknya plasma dalam lucutan pijar disebabkan adanya beda tegangan antara
anoda dan katoda yang menimbulkan medan listrik. Gas argon yang terionisasi akan
dipercepat oleh medan listrik dan bertumbukan dengan atom-atom gas argon lainnya yang
belum terionisasi, sehingga menghasilkan ion-ion bermuatan positif dan ion-ion bermuatan
negatif (elektron) dan molekul-molekul gas tereksitasi. Elektron-elektron memperoleh
energi dari medan listrik dan bertumbukan dengan atom-atom gas argon. Tumbukan antar
atom gas argon menyebabkan ionisasi kembali terjadi pada atom-atom gas argon yang
menghasilkan ion-ion bermuatan positif, elektron-elektron dan molekul-molekul gas
tereksitasi. Tumbukan antar partikel ini terjadi terus-menerus dan pada kondisi tertentu
ion-ion bermuatan positif dan negatif memiliki jumlah seimbang [13].
Ion-ion argon secara mikroskopik menumbuk target, karena target dihubungkan
dengan terminal negatif. Energi ion-ion argon bermuatan positif (Ar+) sangat tinggi saat
menumbuk target, sehingga menyebabkan atom-atom permukaan target terlepas dari ikatan
atomnya dan terpercik ke segala arah. Atom-atom yang terpercik akan masuk dan melewati
daerah lucutan hingga akhirnya terdeposit pada substrat untuk membentuk penumbuhan
lapisan. Banyaknya bahan yang terpercik per satuan luas katoda adalah [12]:
j St A
(7)
Wo = +
e NA
dengan : j+ = rapat arus berkas ion (mA/cm2), S= sputtering yield (atom/ion), t= waktu
sputtering, A= berat atom (amu), e= muatan elektron (1,6 ×10-19 coulomb), dan NA=
bilangan Avogadro (6,22 ×1023 atom/mol).
3. Metode Penelitian
3.1. Bahan
Bahan yang digunakan sebagai substrat (yang akan dilapisi) adalah pelat
Aluminium yang terdapat dipasaran tanpa sertifikasi. Tebal pelat berkisar antara 1-2 mm.
Sedangkan bahan pelapis (target) adalah pelet oksida tembaga. Variasi yang dilakukan
adalah : lama waktu proses sputtering, dan- temperatur proses sputtering
3.2. Alat
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi:
a. Mesin DC Sputtering;
Mesin ini milik P3TM BATAN digunakan untuk membentuk lapisan selektif CuO pada
pelat Al. Gambar 2 menunjukkan skema mesin DC Sputtering
Gambar 2. Skema Mesin DC Sputtering
b. Alat uji emisivitas thermal
Alat ini milik Laboratorium Perpindahan Panas Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma.
Gambar 3. Alat Uji Emisivitas
c. Alat Uji Absorptivitas thermal
Gambar 4. Skema alat uji absorptivitas
4. Hasil Dan Pembahasan
Secara umum hasil penelitian menunjukkan ada peningkatan absorptivitas termal
bahan kolektor yang diberikan lapisan CuO secara sputtering. Demikian pula dari hasil
pengujian emisivitas untuk gelombang panjang, terjadi penurunan emisivitas termal bahan
kolektor yang diberi lapisan selektif CuO. Pengujian pemanasan dengan lampu halogen
juga menunjukkan adanya selisih temperatur yang lebih tinggi antara kolektor yang diberi
lapisan selektif dibandingkan dengan tanpa diberi lapisan.
Hasil yang ditunjukkan merupakan hasil kualitatif, karena secara kuantitatif nilai
yang tertera kurang sesuai dengan nilai yang semestinya. Hal ini dikarenakan alat yang
digunakan belum terkalibrasi. Namun demikian hasil kualitatif dapat dipergunakan sebagai
pembanding antara kolektor yang diberi lapisan selektif dan yang tidak.
Emisivitas versus lama waktu sputtering
0,30
faktor emisivitas (ε )
0,25
0,20
0,15
0,10
temperatur sputtering 50 0C
temperatur sputtering 100 0C
temperatur sputtering 150 0C
0,05
0,00
m ula-m ula
30
45
60
lama sputtering (menit)
Gambar 5. Nilai Faktor emisivitas termal
Faktor emisivitas termal bahan kolektor setelah diberi lapisan selektif cenderung
menurun. Hal ini tampak pada Gambar 5. Penurunan ini ternyata tidak seragam antara
proses pembentukan yang dilakukan. Untuk Proses sputtering pada temperatur 50 0C,
kecenderungan penurunannya berbeda dengan proses sputtering 100 maupun 150 0C.
Secara umum, Sputtering pada temperatur 100 0C memberikan penurunan tertinggi. Faktor
emisivitas yang paling optimal terjadi pada proses sputtering pada 100 0C dengan lama
proses 30 menit. Semakin lama proses sputtering ternyata tidak linier dengan penurunan
faktor emisivitas.Hal ini dapat dijelaskan bahwa lama proses sputtering hanya menambah
jangkauan penetrasi ion-ion Cu ke dalam permukaan aluminium. Sedangkan faktor
emisivitas termal belum tentu linier terhadap kedalaman atau ketebalan lapisan selektif
yang terbentuk.
Absorptivitas vs lama waktu sputtering
Faktor absorptivitas termal
1,00
0,98
0,96
0,94
0,92
0,90
0,88
suhu sputtering 50 0C
0,86
suhu sputtering 100 0C
0,84
suhu sputtering 150 0C
0,82
0,80
mula mula
30
45
60
waktu sputtering (menit)
Gambar 6. Nilai faktor absorptivitas termal
Dari Gambar 6 terlihat bahwa faktor absorptivitas termal material kolektor yang
diberi lapisan selektif CuO rata-rata lebih besar dibandingkan dengan material awal (tanpa
lapisan selektif). Dari gambar 5.3 juga terlihat bahwa faktor absorptivitas termal yang
paling optimal terjadi pada proses sputtering pada temperatur 100 0C selama 30 menit.
Semakin lama proses sputtering ternyata sedikit menurunkan absorptivitasnya. Berbeda
dengan proses sputtering pada temperatur 50 dan 150 0C yang memberikan nilai faktor
absorptivitas termal yang hampir konstan untuk lama proses sputtering yang meningkat,
proses sputtering pada 100 0C justru menurun dengan bertambahnya waktu sputtering.
Dari kedua gambar tersebut terlihat bahwa pemberian lapisan selektif CuO pada
aluminium dengan teknologi sputtering mampu memperbaiki karakteristik termal
aluminium sebagai bahan kolektor surya. Hal ini terlihat bahwa dengan meningkatnya
absorptivitas termal, maka kolektor mampu menyerap panas lebih banyak. Sedangkan
penurunan emisivitas berarti kerugian akibat pancaran panas dapat dikurangi. Hal ini akan
meningkatkan panas berguna dari kolektor tersebut. Dengan meningkatnya panas berguna,
maka efisiensi termal sesuai dengan persamaan (6) secara teoritis akan meningkat pula.
Temperatur kolektor vs waktu pemanasan
Variasi 1, Temperatur proses sputtering = 50 0C
45
40
35
0
Temperatur ( C)
30
25
20
15
Al mula-mula
10
Sputtering 30 menit
sputtering 45 menit
5
sputtering 60 menit
0
0
5
10
15
20
25
30
waktu pemanasan (menit)
Gambar 7. Temperatur material kolektor variasi 1 setelah pemanasan dengan lampu
halogen
Temperatur Kolector vs waktu pemanasan
0
Variasi 2, Temperatur Sputtering 100 C
45
40
30
0
Temperatur ( C)
35
25
Sputtering 30 menit
Sputtering 45 menit
Sputtering 60 menit
Al mula-mula
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
lama pemanasan (menit)
Gambar 8. Temperatur material kolektor variasi 2 setelah pemanasan dengan lampu
halogen
Temperatur Kolektor vs waktu pemanasan
0
Variasi 3, Temperatur sputtering 150 C
45
40
30
0
Temperatur ( C)
35
Sputtering 30 menit
25
sputtering 60 menit
sputtering 45 menit
20
Al mula-mula
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Lama pemanasan (menit)
Gambar 9. Temperatur material kolektor variasi 3 setelah pemanasan dengan lampu
halogen
Sebagai bukti tambahan, Pengujian dengan pemanasan menggunakan lampu
halogen membuktikan bahwa temperatur bahan kolektor yang diberi lapisan selektif CuO
selalu diatas temperatur baham mula-mula. Ini terjadi pada semua variasi proses sputtering
Seperti terlihat pada Gambar 7, Gambar 8, dan Gambar 9. Dengan demikian teknologi
sputtering sebagai pembentuk lapisan selektif mampu meningkatkan efisiensi kolektor
surya termal.
5. Kesimpulan
Dari hasil penelitian yang dilakukan dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain :
1. Pembentukan lapisan selektif CuO mampu menurunkan faktor emisivitas termal
bahan kolektor surya yang terbuat dari aluminium. Nilai optimal terjadi pada proses
sputtering pada 100 0C selama 30 menit
2. Pembentukan lapisan selektif CuO dengan teknologi sputtering mampu
meningkatkan faktor absorptivitas termal bahan kolektor aluminium. Nilai Optimal
juga terjadi pada proses sputtering pada 100 0C selama 30 menit.
3. Secara umum teknologi sputtering dapat diterapkan untuk membentuk lapisan
selektif CuO
Daftar Pustaka
[1] Menteri Energi Dan Sumber Daya Mineral (2003), Kebijakan Pengembangan Energi
Terbarukan Dan Konservasi Energi (Energi Hijau), Departemen Energi Dan Sumber
Daya Mineral, Jakarta
[2] Pandey, J.L.; Banerjee, M.K. (1998), Energy conservation with the use of solar
selective coatings, Anti-Corrosion Methods and Materials, MCB University Press,
Vol. 45 No.1, 16–24
[3] Choudhury, G.M. (2002), Selective Surface for efficient Solar Thermal Conversion,
Bangladesh Renewable Energy Newsletter, No.1 Vol.1, No.2 , Vols. 2 & 3 (July
2000 - Dec.2002)
[4] Gelin, K. (2004), Preparation and Characterization of Sputter deposited Spectrally
Selective Solar Absorbers, Comprehensive Summaries Doctoral Dissertation Thesis,
Acta Universitatis Upsaliensis, Uppsala
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
Kadirgan, F.; Wackelgard, E.; S¨Ohmen, M., (1999), Electrochemical
Characterization of Al2O3-Ni Thin Film Selective Surface on Aluminium, Turk J
Chem, 23, 381-391.
Konttinen P. (2000), Accelerated Aging And Optical Characterization Of Absorber
Surfaces For Solar Collectors, Licentiate of Science in Technology Thesis, Helsinki
University Of Technology Espoo, Finland
Konttinen, P.; Lund, P.D.; Kilpi, R.J. (2003), Microstructural analysis of selective
C/Al2O3/Al solar absorber surfaces, Thin Solid Films 425, 24-30
Konttinen, P.; Lund, P.D.; Kilpi, R.J. (2003), Mechanically manufactured selective
solar absorber surfaces, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 79, 273-283
Konttinen, P. (2004), Characterization and aging studies of selective solar
C/Al2O3/Al absorber surfaces, Doctoral Dissertation Thesis, Helsinki University of
Technology Espoo, Finland
Duffie, J.A.; Beckman, W.A. (1991). Solar Engineering of Thermal Processes, New
York, John Wiley.
Stuart, R.V., (1983), Vacumm Technology: Thin Film and Sputtering, Academic
Press Inc., New York
Wasa, K., Hayakawa, S., (1992), Handbook of Sputter Deposition Technology:
Principles, Technology and Application, Noyes Publication, New Jersey.
Konuma, M., (1992), Film Deposition by Plasma Technique, Springer Verlag, New
York
Fly UP