Home > Documents > jurnal metalurgi dan energi

jurnal metalurgi dan energi

Date post: 06-Aug-2015
Category:
Author: kotaro-minami
View: 354 times
Download: 14 times
Share this document with a friend
Embed Size (px)
of 78 /78
JMEI Jurnal Material dan Energi Indonesia Volume 01, Nomor 01, Tahun 2011 ISSN: 2087-748X http://jmei.phys.unpad.ac.id Diagram film tipis untuk sel surya (lihat halaman 7)
Transcript

JMEIJurnalMaterial dan Energi IndonesiaVolume 01, Nomor 01, Tahun 2011ISSN: 2087-748Xhttp://jmei.phys.unpad.ac.idDiagram film tipis untuk sel surya(lihat halaman 7)i JMEI Jurnal Material dan Energi Indonesia Volume 1 No. 1 28 Februari 2011 Penanggung Jawab Ketua Jurusan Fisika FMIPA Unpad KetuaEditor:Fitrilawati,Jurusan Fisika FMIPA Unpad EditorPelaksana:Irwan Ary Dharmawan, Jurusan Fisika FMIPA UnpadSahrul Hidayat, Jurusan Fisika FMIPA Unpad Editor:Yudi Rosandi, Unpad Risdiana, Unpad Darmawan Hidayat, UnpadHendra Grandis, ITBBambang Prijamboedi, ITB Darminto, ITS Evvy Kartini , BATAN Taufik, California Polytechnic State University (Calpoly)Luis Sandoval, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)Kazuki Ohishi (RIKEN) JurnalMaterialdanEnergiIndonesia (JMEI)merupakanjurnalilmiahyang memuathasil-hasilpenelitianyang mencakupkajianteoretik,simulasi danmodeling,eksperimen,rekayasa daneksplorasidalambidangMaterial danEnergi.Jurnaliniterbitsecara berkalasebanyaktigakalidalam setahun(Februari,JunidanOktober). Redaksi menerima naskah ilmiah hasil penelitian,pikirandanpandangan, review,komunikasisingkatdalam bidangmaterialdanenergi.Petunjuk penulisanartikeltersediadidalam setiapterbitandansecaraonline. Artikelyangmasukakanmelalui prosesseleksimitrabebestaridan disetujui oleh dewan editor. Biaya Penerbitan: Rp. 300.000 per artikel Harga langganan (termasuk ongkos kirim per eksemplar) Untuk Pemesanan atas namaPulau JawaLuar Jawa LembagaRp. 75.000,-Rp. 85.000,- PeroranganRp. 50.000,- Rp. 60.000,- Penerbit: Jurusan Fisika FMIPA UnpadTerbit pertama kali: Februari 2011 Terbit tiga kali setahun (Februari, Juni, Oktober) Alamat Editor: Sekretariat Jurnal Material dan Energi Indonesia (JMEI) Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas PadjadjaranJl. Raya Jatinangor Sumedang 45363 Telpon: 022 779 6014, Fax: 022 779 2435 Alamat email jurnal: [email protected]: http://jmei.phys.unpad.ac.id ii JMEI Jurnal Material dan Energi Indonesia Volume 1 No. 1 28 Februari 2011 Daftar Isi Hal Sintesis Nanopartikel Fe3O4 dengan Template PEG-1000 dan Karakterisasi 1 6 Sifat Magnetiknya Febie Angelia Perdana, Malik Anjelh Baqiya, Mashuri, Triwikantoro, Darminto Sel-Surya Polimer: State of Art dan Progres Penelitiannya di Universitas 7 14 Padjadjaran Ayi Bahtiar, Annisa Aprilia, Fitrilawati Realisasi dan Analisis Sumber Energi Baru Terbarukan Nanohidro dari 15 21 Aliran Air Berdebit Kecil Warsito, Sri Wahyu Suciati, D. Wahyudi, Wildan Khoiron Studi Eksperimental Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut 22 30 Kemiringan Untai pada Kasus Sirkulasi Alamiah Menggunakan UntaiSimulasi Sirkulasi Alamiah (USSA-FT01) Mulya Juarsa, Arief Goeritno, Asep Suheri, Iwan Sumirat, Dewanto Saptoadi, Andika Nurcahyo Estimasi Distrubusi Temperatur, Entalpi dan Tekanan dalam Reservoar 31 39 Panas Bumi Alamta Singarimbun, Robi Irsamukhti Karakteristik Fotodioda dan Sel Surya Hibrid Berbasis Polimer40 46 Poli(alkil tiofen) Rahmat Hidayat, Annisa Aprilia, Priastuti Wulandari, Herman Simulasi Lattice Boltzman untuk Menentukan Konsentrasi Polarisasi 47 58 pada Solid Oxide Fuel Cell Irwan Ary Dharmawan, Dini Fitriani, Kusnahadi Susanto Penelitian Bahan Termoelektrik bagi Aplikasi Konversi Energi di59 71 Masa Mendatang Inge M. Sutjahja iii Kata Pengantar Dalampenerbitanperdana,JurnalMaterialdanEnergiIndonesia(JMEI)Volume1 Nomor1tahun2011menyajikandelapanbuahartikelyangterdiridariempatbuahartikel kontribusidanempatbuahartikelyangmerupakanmakalahterpilihpadakegiatanSimposium NasionalEnergi(SNE2010).Darimakalahkontribusiterdapatartikeltentangnanopartikel magnetik,sumberenergiterbarukannanohidro,karakteristikfotodiodadanselsuryahibrid berbasispolimerpolialkiltiofen,danreviewsingkattentangbahantermoelektrikuntukaplikasi konversi energi. Dari makalah terpilih SNE2010 terdapat artikel tentang perkembangan penelitian sel surya polimer, studi eksperimental laju aliran massa air berdasarkan data perubahan temperatur padabagiandingindanbagianpanasdiuntaiUSSAFT-01,estimasiparameterfisisreservoar panas bumi, dan simulasi lattice Boltzman untuk fuel cell. RedaksimengucapkanterimakasihkepadakontributorJMEIedisiperdana.Semoga artikel-artikel dalam jurnal edisi nomor ini bermanfaat bagi pembaca dan perkembangan penelitian bidang material dan energi di Indonesia. Dewan Redaksi Jurnal Material dan Energi Indonesia Vol. 01, No. 01 (2011) 1 6 Jurusan Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran 1 SINTESIS NANOPARTIKEL Fe3O4 DENGAN TEMPLATE PEG-1000 DANKARAKTERISASI SIFAT MAGNETIKNYAFEBIE ANGELIA PERDANA, MALIK ANJELH BAQIYA, MASHURI, TRIWIKANTORO, DARMINTO Jurusan Fisika,Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 diterima27 Oktober 2010 revisi 4 Februari 2011 dipublikasikan 28 Februari 2011 Abstrak.NanopartikelFe3O4telahberhasildisintesismenggunakanmetodekopresipitasidengan penambahanpolietilenglikol(PEG)-1000sebagaitemplate.Ukuranpartikel,distribusidansifatmagnetik daripartikelnanoiniditelitiberdasarkanperbandinganvolumelarutandanPEG,yaitu1:1,1:2dan1:4. UkurankristaldarinanopartikelmenurutujidananalisisdataXRDmenurundenganbertambahnyakadar PEG-1000, yang dikonfirmasi dengan pengamatan ukuran partikel dengan TEM. Nilai medan koersivitas dan magnetisasi remanen nanopartikel Fe3O4 bervariasi bergantung pada ukuran kristalnya. Kata kunci : Nanopartikel Fe3O4, Polietilen Glikol (PEG-1000) Abstract.Fe3O4nanoparticleshavesuccessfullybeensynthesizedusingcoprecipitationmethodemploying polyethylene glycol (PEG)-1000as templates. Particle size and its distribution as well as magnetic properties wereexaminedwithrespect tothe volumefraction ofstarting materials and PEG, namely 1:1, 1:2 and 1:4. CrystallitesizeofnanoparticlesaccordingtoXRDspectraanalyseswhichwasconfirmedbyTEM observationdecreaseswithincreasingPEG-1000content.Further,coercivefieldandremanent magnetizationsofFe3O4nanoparticleswereobtainedtobesomewhatstronglydependentonitscrystallite size.Keywords : Fe3O4 Nanoparticle, Polyethylene Glycol (PEG-1000) 1. Pendahuluan Nanopartikelmagnetikkiniintensifdikembangkankarenasifatnyayangmenarikdalam aplikasinya dalam berbagaibidang, seperti fluida dan gelmagnetik, katalis, pigmen pewarna, dan diagnosamedik.Beberapasifatnanopartikelmagnetikinibergantungpadaukurannya.Sebagai contoh,ketikaukuransuatupartikelmagnetikdibawah10nm,akanbersifatsuperparamagnetik padasuhuruang,artinyabahwaenergitermaldapatmenghalangianisotropienergipenghalang dari sebuah nanopartikel tunggal. Karena itu, sintesis nanopartikel yang seragam dengan mengatur ukurannya menjadi salah satu kunci masalah dalam ruang lingkup sintesis ini [1]. Salah satu zat yang dapat dipakai untuk membentuk dan sekaligus mengontrol ukuran dan struktur poridaripartikeladalahpolietilenglikol(PEG).DalamperaniniPEGdapatberfungsisebagai template,yangmembungkuspartikelsehinggatidakterbentukagregatlebihlanjut,dikarenakan PEGmenempelpadapermukaanpartikeldanmenutupiionpositifyangbersangkutanuntuk bergabungdan membesar, sehingga pada akhirnya akan diperolehpartikel dengan bentukbulatan yangseragam.Akantetapi,agardapatbekerjasesuaidenganfungsinya,diperlukanPEGdengan panjang molekul dan jumlah yang tepat; misalnya, untuk PEG 2000 diperlukan sekitar 200 % dari jumlah bahan yang ditambahkan [2].

email : [email protected] 2Febie Angelia Permana dkk Dalamtulisaninidilaporkankegiatansintesisdankarakterisasistruktursertasifatmagnetik nanopartikelFe3O4dengantemplatePEG-1000.Fe3O4disintesisdaripasirbesi(feritalami) dengan metoda kopresipitasi. Hasilnya akan dibandingkan lebih lanjut dengan hasil sintesis Fe3O4 menggunakanPEG-400 dari penelitian sebelumnya [3]. 2. Eksperimen Pasirbesiyangtelahdiekstrak[4]dilarutkandalamHCl12molarsebanyak35mlpadasuhu ~70Cdandiadukselama15menitdenganpengadukmagnetik.Setelahlarutanhomogen dilakukanpenyaringandengankertassaring.PEG-1000yangberbentukpadatan,dipanaskandan dilelehkanpadasuhu40C.PEG-1000yangsudahmencairditambahkandalamlarutandengan variasi perbandingan volume 1:1, 1:2 dan 1:4, lalu diaduk. Ke dalam larutan ditambahkan NH4OH 12 molar sebanyak 30 ml sambil terus diaduk dan dipanaskan pada suhu ~70 C. Endapan Fe3O4 yangterbentuk(berwarnahitampekat)dipisahkandarilarutannyayangkemudiandicucidengan aquades berulang kali. Untuk mendapatkan serbuk nanopartikel Fe3O4, endapan dikeringkan dalam ovenpadasuhusekitar70Cselama5jam,yangkemudiandikarakterisasidenganX-Ray diffractometer(XRD),transmissionelectronmicroscope(TEM)danvibratingsample magnetometer (VSM). Gambar 1. Pola XRD sampel Fe3O4 dengan : (a) tanpa PEG-1000 dan penambahan PEG(b) 1:1 (c) 1:2 (d) 1:4. 3. Hasil dan Pembahasan Gambar1menunjukkanpolaXRDdarisampelFe3O4tanpapenambahanPEG-1000dandengan perbandinganpenambahanPEG-1000yangbervariasi.Darigambartersebutdapatdilihatbahwa terbentukpuncakyangsemakinlebardenganbertambahnyavolumePEG-1000,yang menunjukkanbahwaukurankristalnyasemakinkecil.Berdasarkanhasilanalisismenggunakan programsearch-matchdananalisiskualitatifmenggunakanmetodeHanawalt,bahwasampel mengandung100%fasaFe3O4,yangditunjukkanolehpuncak-puncakdifraksidenganindeks Miller. Ini berarti tidak ditemukan adanya fasa PEG dalam sampel, yang menandakan bahwa PEG-1000 tidak ikut bereaksi dan hanya bertindak sebagai template saja.Ukurankristalmasing-masingsampeldapatditentukansalahsatunyamenggunakanprogram Material Analysis Using Diffraction (MAUD) dengan data ICSD No. 82237 (a = 8,3873 ). Tabel 1 menunjukkan ukuran kristal dari masing-masing sampel. Sampel Fe3O4 tanpa penambahan PEG-1000 mempunyai ukuran kristal yang lebih besar dibandingkan sampel dengan penambahan PEG-Sintesis Nanopartikel Fe3O4 dengan Template PEG-1000 dan Karakterisasi Sifat Magnetiknya3 1000.DariTabel1dapatpuladilihatbahwasemakinbesarkonsentrasipenambahanPEG-1000, semakin kecil ukuran kristal yang didapatkan.Tabel 1. Ukuran kristal masing-masing sampel SampelUkuran Partikel (nm) Fe3O410,9 0,3 Fe3O4 dengan PEG 1:17,3 0,1 Fe3O4 dengan PEG 1:26,5 0,1 Fe3O4 dengan PEG 1:47,5 0,1 Tabel 2.Nilai rata-rata ukuran kristal Fe3O4 dengan penambahan PEG-400 [3] PEG 400 (mol) Ukuran Rata-rata Kristal (nm) 0,0239,4 3,5 0,05011,5 2,4 0,07516,3 5,1 Hasilinijauhberbedadenganpenelitianyangsudahdilakukansebelumnya,yaitudengan penambahanPEG-400[3].PadapenambahanPEG-400menyebabkanukurankristalFe3O4 semakinbesar.Perbedaanhasilinikemungkinandiakibatkanolehbanyaknyarantaiyang terkandungdalammasing-masingPEG.PEG-400yangmempunyaiberatmolekulrata-rata400 g/mol mempunyai derajat polimerisasi sebesar 9 sedangkan PEG-1000 dengan berat molekul rata-rata1000g/molmempunyaiderajatpolimerisasisebesar23.Derajatpolimerisasimenyatakan banyaknyajumlahmerataupanjangrantaiyangterkandungdalamPEG.Sehingga,PEG-1000 mempunyairantaiyanglebihpanjangdibandingPEG-400.Panjangrantaiinimenyebabkan semakinbanyakpartikelFe3O4yangterjebakdidalamrantaiPEGsehinggapertumbuhankristal terbatasi atau terhalangi. Karena pertumbuhanya terhambat, ukuran kristal Fe3O4 semakin kecil.Padapenelitiansebelumnya,pembuatannanopartikelFe3O4jugadilakukandenganperbandingan volumePEG-1000denganH2O.Agardiperolehukuranyangefektifataupembentukannyatidak menurun,konsentrasipembentukanmaksimumnyadiperolehdenganperbandingan1:3.Halini diakibatkanviskositasyangtinggidengankandunganPEGyangtinggi.PenambahanPEG-1000 menghasilkannanopartikelFe3O4yangberbentuknanoroddengandiameter200nmdengan panjang 2-3 m [5]. PEG-1000berpengaruhterhadapdistribusiukuranpartikelFe3O4.HalinidisebabkanPEG-1000 yang berfungsi sebagai template juga berperilaku sebagai surfaktan. Surfaktan merupakan senyawa yang mempunyai dua ujung, yang satu bersifat hidrofilik atau suka air danujung yang lain bersifat hidrofobikataupenolakair.PEGyangmerupakansebuaholigomeryangmempunyairantai seragampendek,dapatdenganmudahdiserappadapermukaankoloidmetaloksida.Salahsatu ujungrantaiPEGyangbersifathidrofilikakanmenempelpadapermukaankoloidmagnetitdan ujungyangbersifathidrofobikbebas.PelapisanolehPEGpadapermukaankoloidmenyebabkan pertumbuhanterhambatkarenaruanggerakpartikelterhalangolehadanyaPEG.Penambahan PEG-1000jugamenyebabkanpersebaranukurankristalnyaterlihatlebihmonodisperse dibandingkanpartikeltanpapenambahanPEG-1000yangmempunyaipersebaranukurankristal lebih polidisperse dalam Gambar 2. 4Febie Angelia Permana dkk Gambar2.DistribusiukurankristalmenurutdataXRDsampelFe3O4tanpaPEG-1000,dan dengan penambahan PEG : 1:1, 1:2, dan1:4. Gambar 3 menunjukkan foto TEM dari masing-masing sampel. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwasemuasampelmemilikimorfologiyangsamayaitubulat(spherical).Haliniberbeda denganhasilpenelitiansebelumnya[5]yangberbentuknanorod.Hasilinimungkindisebabkan seluruhpermukaannanopartikelFe3O4terlapisisempurnaolehPEG-1000,sehingga pertumbuhannya terbatasi ke segala arah. (a)(b)(c)(d) Gambar3. FotoTEMsampel Fe3O4dengan: (a)tanpaPEG-1000, dan penambahanPEG: (b) 1:1, (c) 1:2(d) 1:4. SifatmagnetikFe3O4hasilpengukurandenganVSMditunjukkandariGambar4.Darigambar tersebutdapatdilihatbahwapartikelFe3O4dengandantanpapenambahanPEG-1000tergolong magnetlunak,karenadarikurvahisteresismempunyaiurutbalikyanghampirsimetrisketika dikenaimedanmagnetmaupunketikamedanmagnetditiadakan.Ataudapatdilihatdariluasan kurva histeresisyang sempit.Luasankurvahisteresis menunjukkanenergiyangdiperlukan untuk megnetisasi.Padamagnetlunak,untukmagnetisasimemerlukanenergiyangsangatkecil.Dari Gambar 4 dapat dilihat juga bahwa dengan atau tanpa penambahan PEG-1000, nanopartikel Fe3O4 tetapbersifatferimagnetik;meskipunukurankristalnyadibawah10nm,yangdimungkinkan berubah sifatnya menjadi superparamagnetik ditinjau dari ukurannya. Suatu bahan dapat dikatakan bersifatsuperparamagnetikjikamemilikinilaiHcyangsangatkecil(~0).Sementaraitu,nilaiHc dari masing-masing sampel dalam sintesis ini masih cukup besar.Sintesis Nanopartikel Fe3O4 dengan Template PEG-1000 dan Karakterisasi Sifat Magnetiknya5 Nilai magnetisasi remanen partikel Fe3O4 tanpa penambahan PEG-1000 sebesar 18,1 emu/gr, lebih tinggidibandingkanFe3O4denganpenambahanPEG-1000.Hasilinijugaberbedadengannilai magnetisasiremanenFe3O4denganpenambahanPEG-400yangbesarnya12,5emu/gr[6]yang mempunyaiukurankristalyanglebihbesardibandingkandenganpenambahanPEG-1000.Untuk lebihjelasnyanilaimedankoersivitasdanmagnetisasiremanendarimasing-masingsampel berdasarkan Gambar 4 dapat dilihat pada Tabel 3.

Gambar 4. Kurva histeresis Fe3O4 tanpa dan dengan penambahan PEG-1000 Tabel3.Nilaimagnetisasi saturasi(Ms),medankoersivitas(Hc)danmagnetisasiremanen(Mr) untuk masing-masing sampel SampelHc (Oe) Mr (emu/gr) Fe3O4-8418,1 Fe3O4 dengan PEG 1:1-10015,7 Fe3O4 dengan PEG 1:2-9913,3 Fe3O4 dengan PEG 1:4-9713,7 NilaimedankoersivitasdanmagnetisasiremanendaripartikelFe3O4 tanpapenambahanPEG-1000berbedadibandingkandenganpenambahanPEG-1000menghasilkankecenderunganyang berlawanan. Perbedaan ini cukup menarik mengingat ada sejumlah faktor yang menentukan secara simultan. Dalam penelitian ini sifat magnetik belum dibahas secara tuntas dan masih memerlukan kajianyanglebihmendalam.Namundemikian,jelasbahwakekuatanmagnetikpartikel dipengaruhi oleh ukurannya.4. Kesimpulan Pembuatan nanopartikel Fe3O4 dengan metodekopresipitasi menghasilkan partikel dengan ukuran 10,90,3nm.PenambahanPEG-1000berpengaruhterhadapukuranpartikelyangdihasilkan. Penambahan PEG-1000 menyebabkan ukuran nanopartikel Fe3O4 menjadi lebih kecil sekitar 6,5 0,1nm.MedankoersivitasdanmagnetisasiremanennanopartikelFe3O4menurundengan menurunya ukuran kristal dengan kecenderungan yang masih memerlukan kajian lebih lanjut. 6Febie Angelia Permana dkk Ucapan terima kasih Sebagian dari penelitian ini dibiayai oleh Hibah Tim Pascasarjana, DP2M DIKTI, tahun 2009 2010.ParapenulismengucapkanterimakasihkepadaDr.H.Sosiatiuntukbantuanteknis pengukuran dengan TEM.Daftar Pustaka 1.Y. Aiguo, Journal Alloys and Compound 458 (2008) 487. 2.D. E. Zhang, et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials 292 (2005) 491. 3.M.A.Baqiya,T.Heriyanto,D.Kurniawan,M.Anwar,Darminto,JurnalSainsMateri Indonesia, 102 105, Oktober 2007. 4.D.M.Arisandi,D.Kurniawan,T.Hariyanto,Darminto,Pengaruhjenissurfaktanpadasifat magnetikfluidamagnetikberbasispasirbesidanaplikasinyauntukpelapisan,Prosiding Seminar Fisika dan Aplikasinya 2007, Jurusan Fisika FMIPA ITS, Surabaya, p. B3-1. 5.H. Kai, C-Y. Xu, L. Zhen, e-Z. Shao, Materials Letters 61 (2007) 303. 6.M. A. Baqiya dan Darminto, Jurnal Sains Materi Indonesia, 74 77, Desember 2009. Jurnal Material dan Energi Indonesia Vol. 01, No. 01 (2011) 7 14 Jurusan Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran 7 SEL-SURYA POLIMER: STATE OF ART DAN PROGRES PENELITIANNYA DI UNIVERSITAS PADJADJARAN AYI BAHTIAR, ANNISA APRILIA, FITRILAWATI Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas PadjadjaranJl. Raya Bandung-Sumedang KM 21Jatinangor, Indonesiaditerima3 November 2010 revisi 9 Februari 2011 dipublikasikan 28 Februari 2011 Abstrak.Sel-suryamerupakansuatupirantiuntukmengkonversienergimataharimenjadienergilistrik. Perkembanganpenelitiandanaplikasisel-suryasebagaisumberenergilistrikutamadimasamendatang sangatpesat,seiringberkurangnyasumberenergilistrikberbahanbakarfosildanmasalahpencemaran lingkungan. Sel-surya berbahan polimer semikonduktor atau sel-surya plastik merupakan salah satu kandidat sel-suryamasadepan,karenamenawarkankemudahandalamprosessintesisbahan,fabrikasi,ringandan dapat diproduksi secara masal dan berbiaya murah. Sampai saat ini efisiensi sel-surya polimer mencapai 67%berbasiskonsepbulk-heterojunctionataublendpolimerdanfuleren,baikstrukturtunggalmaupun tandem.Efisiensiinimasihrelatifrendahdanperluditingkatkanuntukproduksimasaldankomersialisasi. Dalammakalahini,akandibahastentangperkembangansel-suryapolimerdiduniadanprogrespenelitian sel-suryapolimerdiJurusanFisikaUniversitasPadjadjaran.Penelitiantelahdimulaitahun2009,berbasis bulk-heterojunctionpolimerpoli(3-heksiltiofen,P3HT)danturunanfuleren([6,6]-phenyl-C61-butyricacid methylester,PCBM)sebagaibahanaktifsel-surya.Berbagaipendekatandilakukanuntukmeningkatkan kinerjasel-suryaberupaanilingtermal,penyisipanlapisantipisopticalspacerdanpenambahanmolekul aditif dalam bahan aktif. Kata kunci : sel-surya polimer, bulk-heterojunction, optical spacer, molekul aditif Abstract.Solarcellisadeviceforconvertingsunlightintoelectricity.Researchdevelopmentand applicationofsolarcells forelectricity source grows veryfast, dueto a decreasingof fossil energy sources andenvironmental problems.Semiconductingpolymer solarcells orplastic solarcells becomea promising candidateforfuturesolarcells,becauseitofferstheeasy-waysofsyntheticmaterials,fabricationprocess, lightweight,anditcanbefabricatedwithmassandlowcostproduction.Currently,67%efficiencyis achieved for polymer solar cells based on bulk-heterojunction concept or blend polymer with fullerene using bothsingleandtandemstructure.However,thisefficiencyisstilllowandneedtobeimprovedformass production and commercialization.In this paper, we discuss the state of the art of polymer solar cells and its research progress at Department of Physics Universitas Padjadjaran. Our research on polymer solar cells has been started since 2009 using bulk-heterojunction of polymer poly(3-hexylthiophene, P3HT) and fullerenes derivative fullerene ([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM) as an active material layer. Several approachessuchasthermalannealing,insertionofthinopticalspacerlayer,andadditionofadditive molecule into active layer have been applied to improve the performance of solar cells Keywords : polymer solar-cell, bulk-heterojunction, optical spacer, additive molecule 1. Pendahuluan Semakin meningkatnya kebutuhan dan konsumsi energi listrik di Indonesia dan semakin mahalnya hargabahanbakarminyak(BBM)dunia,mengakibatkanpasokanlistrikdiIndonesiasemakin tersendat. Perusahaan Listrik Negara (PLN), yang menyediakan pasokan energi listrik di Indonesia telah menerapkan kebijakan pemadaman begilir dan penghematan penggunaan energi listrik untuk mengurangibebandayaPLN.Olehkarenaitu,perludipikirkanpencariansumberenergilistrik alternatifyangdapatdigunakansecaramassaldanberbiayamurah.Dalam30tahunmendatang, sumber energi daribahan fosil semakin berkurang sehingga penggunaan sumber energi alternatif,

email : [email protected] 8Ayi Bahtiar, Annisa Aprilia, Fitrilawati sepertipanasbumi,angin,biomasa,air,nuklirdanmataharisemakindibutuhkan[1].Karenanya kajianintensifpengembangan,penggunaandanmanajemensumberenergilistrikselainfosil, sangat mendesak untuk segera dilakukan. Sel-suryamerupakansalahsatucarayangpalingefektifuntukmengkonversienergimatahari menjadienergilistrik,karenatidakmemerlukangeneratordandapatditanganisecaraindividu. Perkembangan industri pembuat modul sel-surya di dunia pun sangat meningkat tajam (46%) dari tahun2000danmencapai1200MWpadatahun2004dan terusberkembangsampai 30 tahunke depandanpadatahun2020diharapkanbisamenghasilkandaya200GW[2].Jumlahdayaini sama dengan dayayang dihasilkan oleh PembangkitListrik Tenaga Nuklir (PLTN) sebanyak 200 buah. Dewasaini,materialaktifuntuksel-suryaumumnyaadalahsemikonduktorinorganik,seperti Silikon (Si), Galium Arsenida (GaAs), Kadmiumselenium (CdSe) dan masih banyak lagi, dengan efisiensikonversibervariasimulaidari8%sampai40%[2].Namun,prosespembuatansel-surya berbahan aktif ini umumnya dibuat dalam bentuk film tipis menggunakan teknik efitaksi, sehingga memerlukanbiayayangtinggi.Olehkarenaitu,pemanfaatansel-suryaanorganikdiIndonesia sangat minim. Tren penelitian sel-surya saat ini adalah menggunakan material organik dan polimer terkonjugasi. Polimerterkonjugasimemilikielektron-yangterdelokalisasisehinggamampumenyerapsinar matahari,membentukpembawa-pembawamuatan,mentransportmuatan-muatantersebutdan menghasilkanlistrik[3,4].Penelitiandibidangsel-suryaberbahanaktifpolimerterkonjugasi sangat berkembang pesat, karena menawarkan proses pembuatan yang berbiaya murah, sederhana dan dapat dihasilkan efisiensi konversi yang tinggi. Polimerpoli(3-heksiltiofen)atauP3HTmerupakanmaterialyangbanyakdikajisebagaibahan aktifsel-suryapolimer,karenamemilikistrukturregio-reguler(RR)yangmampumenghasilkan konduktivitas listrik yang tinggi, mudah larut dalam pelarut organik biasa, dan dapat dibuat dalam bentukfilmtipisdengantekniksederhana,sepertispin-coating,dip-coating,inkjetprintingdan roll-to-rollprinting[5].Saatinisel-suryadengankonsepbulk-heterojunction(BHJ)campuran polimerP3HTsebagaidonorelektrondanturunanmetanofuleren(PCBM)sebagaiakseptor elektronbanyakdikaji.Saatini,efisiensisel-suryamencapai67%[6,7].Efisiensiiniperlu ditingkatkanminimalmenjadi10%untukproduksimasaldankomersialisasi.Berbagaicara dilakukan untuk meningkatkan efisiensi sel-surya BHJ, diantaranya, penggunaan polimer baru [7], kontrol morfologi lapisan aktif [8] dan optimasi struktur [6,7].Dalammakalahini,dibahasperkembanganpenelitiansel-suryayangdilakukandiJurusanFisika Universitas Padjadjaran, juga berbagai upaya untuk meningkatkan efisiensi melalui aniling termal, penyisipanlapisanopticalspacerdanpenambahanmolekuladitifdalambahanaktifuntuk mengontrol morfologi lapisan aktif. 2. Eksperimen Polimer regioregular poli(3-heksiltiofen) (RR > 90%) dan turunan metanofuleren PCBM (struktur kimia,ditunjukkanpadaGambar1),digunakansebagaibahanaktifsel-surya.Keduamaterial diperoleh dari Sigma Aldrich, yang digunakan langsung tanpa purifikasi. Sel Surya Polimer: State of Art dan Progres Penelitiannya di Universitas Padjadjaran9 Gambar 1. Struktur kimia polimer P3HT dan PCBM Sel-suryadibuatdenganstrukturGelas/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al,sepertiditunjukkan padaGambar2.LapisanITOberfungsisebagaianoda,lapisanPEDOT:PSSberfungsisebagai injeksilubang(hole)danlapisanAlsebagaikatoda.Dalameksperimen,kamimenggunakan campuran P3HT dan PCBM dengan rasio 1:1. Gambar 2. Struktur sel-surya polimer dengan bahan aktif campuran P3HT dan PCBM. Untuk sel-surya yang diberikan perlakuan aniling termal, sebanyak 10 mg P3HT dilarutkan dalam 1 ml klorobenzen dan diaduk sampai larutan homogen. 10 mg PCBM juga dicampur dengan 1 ml klorobenzendiaduksampaihomogen.Kedualarutan,kemudiandicampurkandandiadukselama 18 jam pada temperature 50 C, sehingga rasio akhir P3HT:PCBM adalah 1:1. Sebelum digunakan, larutandifilterdengansyringe-filter0,45m.Filmtipisdibuatmenggunakanspincoaterdengan kecepatan 800 rpm selama 20 detik. Film tipis kemudian dianil dengan suhu 150 C di dalam oven yangdivakumkanselama30menit.Anilingtermalmerupakanteknikumumyangdigunakan untukmengembalikanketeraturanataukristalinitaspolimerP3HTyangtergangguakibat kehadiran PCBM [9]. Lapisan Alumunium (Al) dibuat dengan teknik evaporasi termal. Sifat optik filmtipisdiukurdenganmenggunakanspektroskopiUV-Vis.Karakteristiksel-suryadiukur denganmengukuraruslistrikdaripirantiketikadiberiteganganpanjarmaju.Sebagaisumber cahaya, digunakan lampu Halogen atau Xenon.Untuksel-suryayangmenggunakanlapisantipisopticalspacer,kamimenggunakanlapisan titaniumsub-oksida(TiOX)yangdisisipkandiantaralapisanaktifdanlapisanAlumunium. LapisanTiOXdibuatdenganteknikspin-coating,sedangkanmaterialTiOXdibuatdenganteknik sol-gelsuhu rendah[7].LapisanTiOXdispin-coatingdi ataslapisanaktif,kemudiandianilpada suhu 150 C selama 30 menit. Untuksel-suryayangmenggunakanmolekuladitifsebagaicampuranpadapelarutbahanaktif, digunakan molekul 1,8-diiodooktan (DIO). Sebanyak 3% molekul aditif DIO dicampurkan dengan larutanP3HT:PCBMdalamklorobenzenyangsudahdiadukhinggahomogen.Larutandifilter GelasITOPEDOT-PSSP3HT:PCBM+ -PCBMP3HTGelasITOPEDOT-PSSP3HT:PCBM+ -PCBMP3HT10Ayi Bahtiar, Annisa Aprilia, Fitrilawati inSC OCPFF * I * V= OC SCMPP MPPV * IV * IFF =dengansyringefilter0,45m,sebelumdibuatfilmtipis.Struktursel-suryayangdibuatadalah sepertiyangdiperlihatkanpadaGambar2.Ada3sampelsel-suryayangdibuatyaitusel-surya tanpaperlakuananilingtermal(SampelA),dianiltermalpadasuhu100Cselama30menit (Sampel B), dan sel-surya yang dianil termal pada suhu 100 C selama 30 menit (Sampel C). 3. Hasil dan Pembahasan 3.1. Sel-Surya dengan Aniling Termal Kurvakarakteristiksel-suryadenganlapisanaktifblendP3HT:PCBM(1:1)yangdianiltermal padasuhu150CdalamkeadaandisinaridenganlampuXenondenganintensitas177mW/cm2 ditunjukkan pada Gambar 3. Luas area sel-surya adalah 4 mm2. Gambar 3. Kurva karakteristik sel-surya dalam keadaan gelap dan disinari. Darikurvakarakteristikarus-tegangandiatas,diperolehparameter-parametersebagaiberikut: teganganhubung-terbuka,VOC=0,3Volt,rapatarushubungsingkat,JSC=5,275A/cm2,rapat arus pada daya maksimum, JMPP = 4,675 A/cm2, tegangan pada daya maksimum, VMPP = 0,2 Volt, makafaktorpengisi(fill-factor,FF)danefisiensikonversi()diperoleh0,59dan0,0005%, berdasarkan persamaan : (1) (2) Nilai efisiensi konversi ini masih sangat kecil dibandingkan dengan efisiensi yang saat ini dicapai pada sel-surya P3HT:PCBM,yaitu 5%. Hal ini diakibatkan oleh nilai tegangan terbuka VOCyang lebihkecildariseharusnyayaitu~0,63Volt.Arusyangkecildiakibatkanolehtingginyanilai hambatanseridarisel-surya,yangberasaldaribelumoptimumnyamorfologilapisanaktifdan masalah homogenitas antarmuka (interface) antar lapisan di dalam sel-surya. Di samping itu, sel-suryainidibuatdalamlingkunganyanglembab,sehinggamengakibatkanpenetrasioksigenke dalamlapisanaktifselamaspin-coatingdanevaporasiAlumunium.Akibatnyaelektron-elektron yang dihasilkan oleh proses fotogenerasi akan diserap, sehingga arus listrik yang sampai ke katoda 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-6-4-20246810 Gelap Disinari J [A/cm2]V [Volt]Sel Surya Polimer: State of Art dan Progres Penelitiannya di Universitas Padjadjaran11 (Al) kecil. Faktor lainyayang menyebabkan rendahnya efisiensi adalah nilai FF yang kecil.Nilai FFyangkecildiakibatkanolehdegradasisel-suryaselamapengukuran.Hasilpengukuranpada sel-suryapristintanpadiberikanteganganpanjarmaju,diperolehrapatarusJSC=37,5A/cm2. Namunaruslistrikterusberkurangselamapengukuranakibatdegradasikarenafoto-oksidasi polimer. Efek degradasi ini menjadi perhatian khusus bagi sel-surya polimer, karena pengurangan panjangkonjugasipolimerakibatoksidasisehinggaarusyangmengalirmenjadiberkurang. Denganmenggunakanteknikenkapsulasi,kelompokN.S.Sariciftcidkk[10]berhasilmembuat sel-surya polimer blend MDMO-PPV:PCBM, dan kelompok Brabec dkk dari Konarka dengan sel-suryablendP3HT:PCBMtanpamengalamipenurunanefisiensidalamwaktu1tahunyangdiuji cobadiatasatapgedung[11].Salahsatucarauntukmengatasiefekdegradasi,disamping enkapsulasi,jugasebaiknyapembuatansel-suryadanpengukurankarakteristiknyadilakukandi dalamGlove-BoxyangdialirigasNitrogen,sehinggaefekoksidasidapatdikurangi.Disamping itu, arus yang kecil dapat diakibatkan oleh kontak yang buruk antara lapisan aktif dan katoda. 3.2. Sel-Surya dengan Lapisan Optical Spacer TiOX Gambar4memperlihatkanpengaruhpenyisipanlapisantipisopticalspacerTiOXterhadap parameter-parameter sel-surya: VOC, JSC, FF dan .Efisiensi sel-surya yang disisipi lapisan TiOX lebihtinggidaripadasel-suryatanpalapisanTiOX[12].Halinimenunjukkanbahwapenyisipan opticalspacermeredistribusiintensitascahayadidalamsel-suryaakibatperubahaninterferensi optisantaracahayadatangdancahayayangdipantulkanAlumunium[13],sehinggamaksimum absorpsiterjadididalamlapisanaktif.Akibatnya,jumlaharusfotogenerasidanefisiensi meningkat.Namun,jikalapisanTiOXdipertebal,makasemuaparametersel-suryaakanberkurang.Lapisan TiOxyanglebihtebalakanmenurunkanefisiensisel-suryaakibatmeningkatnyaresistansiseri (RS)sel-surya.DalamGambar4jelas,bahwakinerjasel-suryaoptimumjikaketebalanlapisan TiOXdibawah10nm. Hasil inisesuaidenganstudi sebelumnyaolehHayakawa dkk[14],yang mengkaji efek penyisipan lapisan TiOx terhadap resistansi paralel (RP) dan resistansi seri (RS) sel-surya,menggunakaninversegradiendarikurvaI-Vpadakeadaanhubungterbukadanhubung singkat.HayakawadkkmenemukanbahwapenyisipanlapisanTiOxmeningkatkannilaiRP sebesar5ordedannilaiRShanyaberubahsedikit,jikaketebalanlapisanTiOxdibawah10nm. Dengan demikian, meningkatnya nilai VOC akibat dari meningkatnya nilai resistansi paralel. 3.3. Sel-Surya dengan Molekul AditifSpektraabsorbansilapisantipisP3HTmurnidanP3HT:PCBMyangditambahkan3%volume molekul aditif 1,8-diiodooktan (DIO) tanpa perlakuan dan dengan perlakuan aniling termal 100 C dan150Cselama30menitdidalamovenvakum,ditunjukkanpadaGambar5.Padaspektrum film tipis P3HT murni, terdapat puncak-puncak vibronik pada panjang gelombang 515 nm dan 550 nm, yang merupakan transisi * dan pada 600 nm yang merupakan ciri dari adanya agregat atau interaksiantarrantaipolimer.Munculnyapuncak-puncakinimengindikasikanbahwapolimer P3HT membentuk struktur kristal berbentuk lamela [15]. 12Ayi Bahtiar, Annisa Aprilia, Fitrilawati Gambar 4. Grafik efek ketebalan lapisan TiOX terhadap parameter sel-surya (a). VOC, (b). FF, (c). JSC, (d) efesiensi Gambar5.SpektraabsorbansifilmtipisP3HTmurni,filmtipisP3HT:PCBM(1:1)yang dicampur 3% volume molekul ODT. PenambahansedikitmolekulDIOtetapmempertahankanpuncak-puncakvibronikdiatas, sehingga kehadiran molekul PCBM tidak menggangu kristalinitas polimer P3HT bahkan pada film tipistanpaperlakuananilingtermal.Hasiliniberbedadenganfilmtipistanpamolekuladitif, dimanakehadiranPCBMmengganggukristalinitasP3HT,sehinggadiperlukananilingtermal untukmengembalikankristalinitasP3HTdidalamfilmtipiscampuranP3HT:PCBM[9]. Parameter-parametersel-suryayangditambahkan3%molekulDIOkedalamlapisanaktifnya (P3HT:PCBM)diperlihatkandalamTabel1.TampakbahwapenambahanODT,meningkatkan rapat arus dan tegangan terbuka. Hal ini mungkin diakibatkan oleh separasi fasa antara P3HT dan PCBMmenjadilebihjelas,sehinggameningkatkanefisiensipemisahaneksitondantransfer muatan [8]. Akibatnyaaruslistrikmeningkat.Namun, untukmengkajilebihjauhdiperlukan foto SEMatauTEMuntukmelihatmorfologilapisanaktifsel-surya.Prosesanilingtermal, 0 20 40 60 80468d ( T iOx)[ nm]Voc (mV)(a )( c )0 20 40 60 800. 10. 20. 3d (T iOx)[nm]FF( b)0 20 40 60 800. 10. 20. 3d (T iOx)[nm]Jsc (mA/cm2)0 20 40 60 800. 20. 40. 60. 81[ 10- 5]d (T iOx)[nm]Efisiensi (%)(d)300 400 500 600 7000.000.050.100.150.200.25 P3HT murni setelah spin-coating aniling 1000C aniling 1500C OD [a.u.] [nm]Sel Surya Polimer: State of Art dan Progres Penelitiannya di Universitas Padjadjaran13 menurunkannilaidarisemuaparametersel-suryayangdiakibatkanolehperubahanmorfologi lapisanaktif.Diperlukankajianmorfologilebihlanjutuntukmenjelaskanpenurunannilai parameter sel-surya yang ditambahkan molekul ODT akibat aniling termal. Tabel 1. Parameter-parameter sel-surya dengan penambahan molekul 3% volume ODT Sampel JSC [mA/cm2] VOC [Volt] FF A12,50,580,29 B0,150,500,31 C0,0150,500,11 4. Kesimpulan Telahdilakukanfabrikasisel-suryaberbahanaktifcampuranP3HT:PCBMdenganrasio1:1, menggunakanbeberapaperlakuan,yaituanilingtermal,penyisipanlapisantipisopticalspacer TiOX, dan penambahan molekul aditif 1,8-diiodooktan pada larutan campuran P3HT:PCBM dalam klorobenzen. Penyisipan lapisan tipis TiOX meningkatkan kinerja sel-surya akibat dari redistribusi absorpsicahayasehinggamaksimumabsorpsicahayaterjadipadalapisanaktif.Ketebalan optimumdarilapisanTiOXadalah10nm,jikalebihtebalmenurunkankinerjasel-suryaakibat bertambahnyaresistansiserisel-surya[16].PenambahanmolekuladitifDIOmempertahankan kristalinitasP3HTpadalapisanaktifP3HT:PCBM,sehinggameningkatkankinerjasel-surya. Namun, kinerja sel-surya menurun akibat aniling termal. Perlu studi morfologi lebih lanjut, untuk menjelaskanefekpenambahanmolekuladitifDIOpadamorfologilapisanaktifsel-surya,seperti separasi fasa P3HT dan PCBM,pembentukan antar-rantai P3HT dan PCBM. Ucapan terima kasih PenulismengucapkanterimakasihkepadaDirektoratJenderalPendidikanDikti(DIKTI)atas suport dana penelitian ini melalui Penelitian Hibah Bersaing (PHB) Tahun2010, berdasarkan SK No.710/H6.26/LPPM/PL/2010.TerimakasihjugauntukAndriaKurniawan,AhmadRosikhin atas bantuannya dalam eksperimen. Daftar Pustaka 1.W.Hoffmann,andL.Waldmann,PVSolarElectricity:FromaNicheMarkettoOneofthe MostMainstreamMarketsforElectricity,inHigh-EfficientLow-CostPhotovoltaics;Recent Development, edited by Petrova-Koch, R. Hezel, and A. Goetzberger, Berlin : Springer Verlag GmbH, 2009, pp. 29-43. 2.G. Dennler, N. S. Sariciftci, and C. J. Brabec, Conjugated Polymer-Based Organic Solar Cells, inSemiconductingPolymers:Chemistry,PhysicsandEngineering,VolISecondEdition, edited by G. Hadziioannou and G.G. Malliaras, Weinheim : Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2006, pp. 455-530. 3.C.J. Brabec, N.S. Sariciftci, and J.C. Hummelen, Adv.Funct. Mater. 11, 15 - 26 (2001). 4.R. D. McCullough, Adv. Mater. 10, 93 - 98 (1998). 5.F. C. Krebs, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 93, 394-412 (2009). 6.J. Y. Kim, K. Lee, N. E. Coates, D. Moses, T-Q. Nguyen, M. Dante, A. J. Heeger, Science 317, 222-225 (2007). 7.S. H. Park, A. Roy, S.Beaupre, S. Cho,N.Coates, J. S.Moon, D.Moses, M.Leclerc, K.-H. Lee, A. J. Heeger, Nat. Photonics 3, 297302 (2009). 14Ayi Bahtiar, Annisa Aprilia, Fitrilawati 8.Y.Liang,Z.Xu,J.Xia,S.-T.Tsai,Y.Wu,G.Li,C.RayandL.Yu,Adv.Mater.22,E135-E138 (2010). 9.A. Bahtiar, Fitrilawati, and A. Aprilia, Effect of Thermal Annealing on Optical Properties and Morphology of Thin Film of P3HT-PCBM Blend, The 7th International Symposium on Modern Optics and Its Applications, Bandung, August 12-14, (2009). 10. G. Dennler, C. Lungenschmied, H. Neugebauer, N.S. Sariciftci, M. Latreche, G. Czeremuszkin, and M.R. Wertheimer, Thin Solid Films 349, 511-512 (2006). 11. J. A. Hauch, P. Schilinsky, S. A. Choulis, R. Childers, M. Biele and C. J. Brabec, Sol. Energy Mater.Sol. Cells 92, 727-731 (2008). 12. A.Bahtiar,A.Kurniawan,A.Rosikhin,andA.Aprilia,TheRoleofTiOXInterlayeron PerformanceofBulk-HeterojunctionPolymerSolarCells,Proceedingsofthe5thKentingan Physics Forum; International Conference on Physics and Its Application, 21-24 (2010). 13. J. Y. Kim, S. H. Kim, H.-H Lee, K. Lee, W. Ma, X. Gong, and A. J. Heeger, Adv. Mater. 18, 572576 (2006). 14. A. Hayakawa, O. Yoshikawa, T. Fujieda, K. Uehara, and S. Yoshikawa, Appl. Phys. Lett. 90, 1635171-1635173 (2007). 15. H. Sirringhaus, P. J. Brown, R. H. Friend, M. M. Nielsen, K. Bechgaard, B. M. W. Langeveld-Voss, A. J. H. Spiering, R. A. J. Janssen, E. W. Meijer, P. Herwig and D. M. de Leeuw, Nature 401, 685-688 (1999). 16. Roy, S. H. Park, S. Cowan, M. H. Tong, S. Cho, K.e Lee, and A. J. Heeger, Appl. Phys. Lett. 95, 0133021 0133023 (2009) Jurnal Material dan Energi Indonesia Vol. 01, No. 01 (2011) 15 21 Jurusan Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran 15 REALISASI DAN ANALISIS SUMBER ENERGI BARU TERBARUKAN NANOHIDRO DARI ALIRAN AIR BERDEBIT KECIL WARSITO, SRI WAHYU SUCIYATI, D WAHYUDI, WILDAN KHOIRON Jurusan Fisika, Fakultas MIPAUniversitas Lampung Jl. Sumantri Brojonegoro 1 Bandar Lampung 35145 diterima1 November 2010 revisi 11 Pebruari 2011 dipublikasikan 28 Pebruari 2011 Abstrak.Telahdirealisasisumberenergibaruterbarukandengansistemnanohidroberdaya2.34W menggunakankincirtipeFrancisdengandebitairmaksimum0.8710-3m3/sdanketinggianhead1,5m. Agardidapatkankecepatanputaroptimaldarigeneratoryangdigunakan,makatransmisidayaputardari kincirmenggunakan2buahpulleydengandiametermasing-masing0.19mdan0.015mserta1buahbelt yangpanjangnya70cmdanlebar4mm.Secarateori,generatoryangdigunakanmerupakangenerator magnetpermanen3pasangkutubyangmempunyaikecepatanputaroptimal2400rpmdengantegangan keluaran 12/15 V dan kapasitas dayakeluaran maksimum 6W.Daya optimumyangdihasilkanadalah 2.34 Wuntukgeneratordengankecepatansebesar2333rpm.Dengandataini,kitadapatmenghitungefisiensi generator sebesar 40.12 %. Daya keluaran selanjutnya dimanfaatkan untuk mengisi akumulator 12 V. Kata kunci : energi terbarukan, nanohidro, akumulator Abstract.Ithasbeenrealizedarenewableenergysourcebynanohydrosystemwith 2.34Wpoweroutput using Francis wheel type with water flow debit of 0.87 10-3 m3/s and head elevation of 1.5 m. In order to be obtainedageneratoroptimumpoweroutput,weuseatransmissionsystemofwheelrotationusingtwo pulleys with diameter of 0.19 m and 0.015 m and a belt with the size of 0.70 m length and 0.004 m width to transmit the rotation power from the wheel to the generator. Generator used in this study has three permanent magnets,2400rpmmaximumrotation,12/15Vvoltageoutputand6Wmaximumpoweroutput.The optimum power output obtained in this study is about 2.34 W with the generator rotation of 2333 rpm. Using thisresult,wecanfindthegeneratorefficiencyisabout40.12%.Finally,thepoweroutputisusedto recharge the 12 V accumulator.Keywords: renewable energy, nanohydro, accumulator1. Pendahuluan Kebutuhanenergiakanselalumeningkatsebagaifungsipertumbuhanjumlahpenduduk.Untuk energi konvensional seperti migas, tingginya kebutuhan apabila tidak diimbangi dengan kapasitas produksinya menyebabkan kelangkaan sehingga terjadi kenaikan harga dan krisis energi [1].Salahsatuusahapemerintahyangterkaitdengankebijakanenergitersebutadalahdengan mengembangkan dan meningkatkan keanekaragaman energi termasuk energi yang sangat potensial saatinidandimasayangakandatang.BerdasarkanRencanaUmumKetenagalistrikanNasional (RUKN/NationalElectricityPlan),prosentasependudukIndonesiayangbelumberlistrik36% dan desa belum berlistrik 35 % [2]. Hal ini menunjukkan pentingnya pengembangan bidang energi terbarukan.Sistemmikrohidroataunanohidrosebagaisalahsatusumberenergibaruterbarukan,dapat memberikanmanfaatyangbesarbagimasyarakatdalammemenuhienergilistriktanpaharus

email : [email protected] 16Warsitodkk mengeluarkanbiayatinggiuntuksistemtransmisidayaatauperawatanlingkungansecaraumum karena implementasi sistem terintegrasi dengan pemanfaatannya [3].DalamkonsepFisikabahwaenergitidakdapatdimusnahkanolehkarenaitutentuenergisetelah digunakantentumenjadisumberenergilainyangbaru.Konsepdasardaripenelitianiniadalah bahwahukumkekekalanenergiyaituenergibersifatkekal,tidakbisadimusnahkan,tetapi berpindahdari bentuk energiyangsatukebentukenergi lainnya.Makauntukmemahamikonsep ini,yang terpenting adalahmenciptakan energi awalsebagai pemicu (trigger),selanjutnya energi lain dapat dihasilkan dari energi tersebut, demikian seterusnya energi akan berputar.Pemanfaatantenagaairsebagaipembangkitlistrikmempunyaibermacam-macamtingkatannya; Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) dengan daya keluaran di atas 0,5 MW, sistem mikrohidro sekitar1500kW,sistemnanohidrodengandayakeluarandibawah1kW.Systemnanohidro dapatdirealisasimenggunakanaliranairpadapipadengandiameter26inch[4]dan perkembangannya hingga kini dapat direalisasi menggunakan pipa berdiameter mulai dari inch. Parameterutamapenentutingkatdayakeluaransistemtenagaairtersebutadalahdebitairdan ketinggian air jatuh [3] sesuai dengan persamaan berikut : (1)dengan h : head efektif (m) Q : debit air (m3/s) t: efisiensi turbing : efisiensi generator g : gravitasi (10 m/s2) Besarnyanilaiefisiensiturbinadalaht=82%untukTurbinPelton,t=84%untukTurbin Francis, t = 77 % untuk Turbin Crossflow dan t = 84 % untuk Turbin Tubular tipe S. Penelitianyangbanyakdilakukansaatiniadalahpemanfaatanenergiairdalamskalamikrohidro 10100 kW yang berasal dari saluran irigasi [5,6]; atau sistem mikrohidro pada umumnya [7,8,9]. SistemsejenisjugatelahdilakukanolehTakanedanHiromaro [10] dengan memanfaatkan aliran air sungai kecil dan dihasilkan efisiensi turbin sebesar 2530 %. Pada penelitian ini telah didesain dan direalisasi energi listrik nanohidro menggunakan kincir tipe Francis yang bersumber pada aliran sungai berdebit kecil 0,87 10-3 m3/s dengan ketinggian head 1,5 m. 2. Metode Tahapawalyangdilakukanpadapenelitianiniadalahmelakukanstuditentangpotensialiranair untukmengetahuitipekinciryangdigunakan.Hasilstudiinimenunjukkanbahwapotensialiran mempunyai head setinggi 1,5 m sehingga tipe kincir yang tepat adalah tipe Francis. Desain sistem nanohidro tampak seperti pada Gambar 1. DariGambar1,aliranairdarisungaikecilditampungdalambakpenstock(A)yangselanjutnya dialirkanmenujukincirtipeFrancis(C)melaluipipapesat(B).Selanjutnyaputarankincir g th Q g P =Realisasi dan Analisis Sumber Energi Baru dan Terbarukan Nanohidro dari Aliran Air Berdebit Kecil17 dihubungkankegenerator(D)menggunakanbelt.Untukmenghasilkanputaranoptimalpada generator, maka dilakukan analisis sistem konversi gir secara integral. Tujuan utama dari tahap ini adalahmendapatkannilaiputaranoptimalpadatitikgeneratordanmendapatkandayaputaryang optimal. Tahapanselanjutnyaadalahanalisissecaraintegraldarisistemnanohidroyangmeliputidaya keluarangeneratorsebagaifungsikecepatanputar(rpm)darigenerator.Pengukurankecepatan putargeneratormenggunakantachometeranalog,denganmendapatkannilaikecepatanputar generator ini maka dapat dianalisis efisiensi (sistem) secara keseluruhan. Gambar 1. Desain sistem nanohidro 3. Hasil dan Pembahasan Analisis Pemilihan Jenis Turbin Analisispemilihanturbindidasarkanolehdata-datayangdiambilsecarateknisyang memperhitungkanfaktortinggijatuhanairefektif(NetHead)dandebityangakandimanfaatkan untuk operasi turbin. Dari data dan analisis perhitungan tinggi jatuhan air efektif yang didapatkan adalahsebesar1.5mdengandebitairmaksimum0,87x10-3m3/s.Ketinggian1,5mdigolongkan kedalamkategoriketinggianrendah,sehinggaturbinyangdipilihadalahturbinreaksijenis Francis [11]. Analisis Transmisi Daya Mekanik Perancangansistemnanohidroyangsudahdilakukan,menggunakanturbinFrancisdangenerator jenis magnet permanent 1 phase dengan 3 pasang kutub dan transmisi daya mekanik dengan rasio pulley12,67kali.Pulleyberfungsiuntukmenaikkanputaransehinggaputarangeneratorsesuai dengan putaran daerah kerjanya. Agar didapatkan kecepatan putar sesuai dengan yang dibutuhkan, maka transmisi daya menggunakan 2 buah pulley dengan diameter masing-masing 19 cm dan 1,5 cmserta1 buah beltyangpanjangnya70 cmdanlebar 4mm. Beltberfungsiuntukmenyalurkan daya dari poros turbin ke poros generator.Dayamekanikdisalurkansecarasatutahap,pulleyyangberdiameter19cmyangdipasangpada poros turbin dihubungkan dengan pulleyyang berdiameter 1,5 cmyang terpasang pada generator. Penyalurandayahasilputarandariturbintersebutmampumenaikkankecepatanputarsebanyak 12,67 kali pada poros generator. 18Warsitodkk AnalisisPengujianTurbinyangTerhubungdenganGeneratormenggunakanaliranairdari pipa inch Padaperancangannanohidroyangsudahdilakukanmemakaiturbinreaksisebagaipengkonversi energipotensialyangdimilikiolehairmenjadienergimekanikdangeneratoracyangmengubah energimekanikmenjadienergilistrik.Padapenelitianini,diujungpipapesatdipasangsebuah kranyangberfungsiuntukmengaturdebitairuntukmenggerakanturbin.Adatigaposisipada pengaturan debit air, yaitu posisi 3 dimana kran terbuka penuh, posisi 2 kran terbuka sekitar dan posisi1kranterbukasekitar.Pengukurandebitdilakukandengancaramenampungairpada sebuahemberdalamwaktutertentu.Hasilpengujianpengaruhposisikranterhadapdebitair terlihat pada Tabel 1. Tabel 1. Pengaruh posisi kran terhadap debit air Posisi Kran Waktut (s) Volume (L) Debit Q (m3/s) 323200,87 10-3 234200,59 10-3 145200,44 10-3 DatapadaTabel1menunjukkanbahwaposisikranberpengaruhterhadapdebitairyangakan menggerakanturbin,sehinggadenganberkurangnyadebitairmengakibatkanberkurangnya putaran.Padaposisikranterbukapenuh(100%)waktuyangdibutuhkanuntukmengisiember denganvolume20ladalah23detik,padaposisi1dan2denganvolumeyangsamadibutuhkan waktu yang lebih lama untuk mengisi penuh ember. Debitairakanberpengaruhterhadapputaranyangdihasilkanolehturbin.Pengujianpengaruh turbin terhadap putaran turbin di lakukan dengan tiga debit air yang berbedayang dihasilkan oleh perubahanposisikran.Semakinbesardebitairmakaputaranturbinyangdihasilkanakanlebih besar apabila dibandingkandenngandebit airyanglebihsedikit. Pengukuranputaran padaturbin menggunakan alat pengukur putaran yaitu tachometer. Pengaruh putaran turbin terhadap tegangan yang dihasilkan olehgenerator, debit air mempengaruhi kecepatan putaran turbin danselanjutnya semakin cepat putaran turbin tegangan keluaran akan semakin tinggi pula (Gambar 2). Gambar 2.Pengaruh putaran turbin terhadap tegangan keluaran generator Pengujianselanjutnyaadalahmelakukanujipemberianbebanyangdilakukansebanyak3kali perubahan,yaitumenggunakanlampu6W12voltdanhambatanyangterukuradalah25. Sedangkan total hambatan untuk sistem secara terpasang (lampu dan juga tachometer), adalah 125 Realisasi dan Analisis Sumber Energi Baru dan Terbarukan Nanohidro dari Aliran Air Berdebit Kecil19 . Jika pembebanan dilakukan secara seri antara lampudan tacho, hambatanyang terukur adalah 145 . Data hasil pengujian pembebanan terlihat pada Tabel 2. Analisis generator dan kecepatan putar PadapenelitianinitelahdibuatsistemnanohidroyangdiputarolehminiturbintipeFrancis. Generatoryangdigunakanmerupakangeneratormagnetpermanen3pasangkutubyang mempunyaikecepatanputaroptimal2400rpm(rotationperminute/putaranpermenit)dengan tegangan keluaran 12/15 V dan kapasitas daya 6 W. Keluaran dari generator berupa tegangan arus bolakbalikyangkemudiandisimpandalamakumulator.Sebelumdisimpanpadaakumulator tegangan tersebut disearahkan terlebih dahulu menggunakan dioda.Generatoriniterdiridarimagnetyangberputarataudisebutrotordankumparanyangdiamatau disebut stator. Untuk mengetahui tegangangeneratoryang digunakanpadapengisian akumulator, dilakukanpengujianmenggunakanmotorsebagaipenggerakgeneratordengansebuahdimmer sebagai pengatur kecepatannya. Tabel 2. Data Hasil Perubahan Beban Terhadap Tegangan Keluaran BebanR () ArusI (A) TeganganV (Volt) Daya P (Watt) KM/H 250,334,71,55160 1200,128,751,0575 1450,139,51,23585 Gambar 3. Grafik tegangan keluaran Teganganyangkeluardarigeneratoryangsudahdisearahkanolehdiodadiukurmenggunakan multimeterdigitaldankecepatannyadiukurmenggunakantachometer.Rotorgeneratoryang diputar tersebut menghasilkan teganganyang bervariasisebagai fungsi kecepatanputaryang juga berubah-rubahpula. Untuk mendapatkan nilai kuat arus dari keluaran generatordiperlukanbeban (R)yangtelahdiketahuinilainya,sehinggadiperolehdayayangdapatdihasilkanolehgenerator. Gambar3merupakangrafikhasilpengukurantegangankeluarangeneratordenganvariasi kecepatandimulaidari10502333rpmdenganbebanresistor100dandiperolehhasilberupa tegangan dan kuat arus. Nilaiteganganyangdihasilkanolehgeneratortergantungpadakecepatanputaranyangdiberikan padageneratortersebut.Semakinbesarkecepatannyamakaakanmenghasilkanteganganyang semakinbesar.DarigrafikpadaGambar3diperolehpersamaan85 . 3 005 , 0 = v Vout dengan 20Warsitodkk kemiringan(slope)=0,005dansensibilitasgeneratoryaitu) / ( 005 , 0 rpm Volt dv dV =artinya generatoryangdigunakanmengalamikenaikantegangansebesar0,005Voltsetiap1rpm.Pada penelitianinikecepatanmaksimumputaranhanyamencapai2333rpm.Untukmengetahuidaya yangdihasilkan,dilakukanperhitungan,sehinggadiperolehnilaidayasepertitampakpada Gambar 4. Gambar 4. Grafik hubungan antara putaran turbin dan daya keluaran dari generator Teganganyangdigunakanuntukmengisiakumulatorbesarnyaadalahminimalsamadengan tegangan akumulator (12V), sedangkan hasil pengukuran keluaran generator adalah 12,22 V, maka nilaiinisudahmemenuhisyaratuntukmengisiaruspadaakumulator.Kecepatanputaryang dibutuhkanuntuknilaitegangantersebutadalah1983rpm,sehinggamenghasilkandayasebesar 1,71 Wyang ditunjukkan pada Gambar 4. Tinggi rendahnya daya yang dihasilkan mempengaruhi pada lama waktu yang dibutuhkan dalam pengisian akumulator. Gambar 5. Foto sistem pulley dan belt serta generator yang terpasang pada turbin tipe Francis Setelah diketahui karakteristik dari generator dengan beberapa variabel yang telah diperoleh maka generator dapat dirangkai dengan turbinyang mempunyai kecepatan putar 166 rpm menggunakan beltdanpulley.Untukmenaikkankecepatanhingga1983rpmdigunakanpulleydengan perbandingan 12, artinya perbandingan pulley minimal 1:12. Gambar 5 adalah foto hasil rancangan generator yang terpasang pada turbin. Namun sistem ini masih mempunyai efisiensi daya keluaran yang rendah. Efisiensi daya keluaran dari sistem dapat dihitung sebagai berikut: W W Poptimal83 . 5 6 *24002333= =Realisasi dan Analisis Sumber Energi Baru dan Terbarukan Nanohidro dari Aliran Air Berdebit Kecil21 Dayaoptimalyangseharusnyadihasilkandarisistemnanohidropada2333rpmadalah5,83W, namunsistemhanyamenghasilkan2,34Wsehinggaefisiensisistemsecaraintegraldarisistem nanohidro adalah 40,12%. 4. Kesimpulan Telahdirealisasidandikarakterisasisistemnanohidrodenganhead1,5mdandebit0,8710-3 m3/Sdengankecepatnturbinmaksimumyangdihasilkanadalah2333rpmdandayayang dihasilkanadalah2,34W.Efisiensisistemsecaraintegralsebesar40,12%,nilaiinimerupakan rasioantaradayahasilpenelitianyangterukurterhadapdayaidealyangseharusnyadidapatkan dengan nilai rpm yang sama.Prospektifsecaraumumdarihasilpenelitianiniadalahmemanfaatkandayakeluarandari generator untuk mengisi akumulator 12 V dan selanjutnya daya tersebut dapat dimanfaatkan secara langsungdenganarusdcatauacmenggunakansisteminverter.Solusidaridayayangdihasilkan keciladalahsistemmultititiknanohidroyangmerupakanpenjumlahandayadaribeberapatitik nanohidro Ucapan terima kasih PenulismengucapkanterimakasihkepadaDP2M,DirjenDiktiyangtelahmemberikansupport danapenelitianmelaluiprogramPenelitianHibahStrategisNasionaldenganNoKontrak: 529/SP2H/PP/DP2M/VII/2010 tanggal 24 Juli 2010.Daftar Pustaka 1.B.Nababan,RancanganSistemKontrolOperasiPembangkitListrikTenagaAir,Laporan penelitian IPB. Bogor (2001). 2.DokumenRencanaUmumKetenagalistrikanNasional(TheNationalElectricityPlan), Departemen ESDM, Jakarta (2006).3.E. Bedi, H. Falk, Small hydro power plants, Journal of Energy Saving Now, Vol. 1(2008) 4.B-O.Schultze,SitingforNanohydro:aPrimer,JournalofHome-MadePower,Vol.15, February / March (1990). 5.H.Nadjamuddin,M.YamindanN.Salam,PemanfaatanTurbinMikrohidroUntukPembangkitTenagaListrikDiDesaBajiMinasaKecamatanBulukumpaKabupaten Bukukumba,Jurnal ASPI, Vol. I, No. 4, Februari (1995) 6.E.Mawardi,danM.Memed,PembangunanpembangkitlistriktenagamikrohidrotipeMdCCFdisaluranirigas,PusatLitbangSumberDayaAir,BadanPenelitiandan Pengembangan, Departemen Permukiman dan Prasarana Wilayah, Jakarta (2008) 7.O.F. Patty, Tenaga Air, Erlangga, Jakarta (1995) 8.Satriyo,PuguhAdi,PemanfaatanPembangkitListrikTenagaMikrohidroUntukDaerah Terpencil, Buletin Balitbang Dephan Volume 10 Nomor 18 (2007). 9.D.J.Fullford,P.MosleyandA.Gill,Recommendationsontheuseofmicrohydropowerin rural development, Journal of International Development, Vol. 12, 975 983 (2000) 10. I.TakanedanI.Hiromaro,MicroTurbineandMicroHydro,JournaloftheInstituteof Electrical Engineers of Japan, VoL.121; No.2; Page 119-122 (2001). 11. F.Dietzl,Turbin,PompadanKompresor(alihbahasaDaksoSriyono),Erlangga,Jakarta (1992) % 12 . 40 % 100 *83 . 534 . 2= =sistemJurnal Material dan Energi Indonesia Vol. 01, No. 01 (2011) 22 30 Jurusan Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran 22 STUDI EKPERIMENTAL LAJU ALIRAN MASSA AIR BERDASARKAN PERUBAHAN SUDUT KEMIRINGAN UNTAI PADA KASUS SIRKULASI ALAMIAH MENGGUNAKAN UNTAI SIMULASI SIRKULASI ALAMIAH (USSA-FT01) MULYA JUARSA, ARIEF GOERITNO, ASEP SUHERI, IWAN SUMIRAT,DEWANTO SAPTOADI, ANDIKA NURCAHYOEngineering and Devices for Energy Conversion (EDfEC) Laboratory Fakultas Teknik Univeristas Ibn Khaldun Bogor Jl. KH. Soleh Iskandar Bogor Jawa Barat INDONESIA diterima3 November 2010 revisi 19 Pebruari 2011 dipublikasikan 28 Pebruari 2011 Abstrak. Optimalisasi pemanfaatan energi untuk efisiensi dilakukan selain merancang bangun alat konversi energiyangbaru,jugamemanfaatkanhukum-hukumalamyangberlakusepertifenomenanaturalsirkulasi alamiah. Studi ekperimental dilakukan untuk memahami fenomena natural sirkulasi dengan menghitung laju aliran massa air berdasarkan data perubahan temperatur pada bagian dingin dan bagian panas di untai USSA FT-01.KonstruksiUSSAFT-01terdiridarikomponenpipaSS304berdiameter1inci,heater,coolerdan tangkiekspansi.Variasieksperimenadalahbedaketinggianantarasisipanasdansisidinginberdasarkan variasisudutkemiringanuntai,yaitu30o,45odan90o.Temperaturoutletdariheater(Th)dantemperatur outletdaricooler(Tc)digunakansebagaiparameteryangdiukurdandirekamdenganrentangwaktu eksperimenselama50menit.Hasilekperimendanperhitunganmenggunakanbeberapakorelasi menunjukkan, laju aliran massa air akan memiliki harga kestabilan yang secara berturut-turut adalah 5,6 gr/s, 4,9gr/sdan9,8gr/sberdasarkanperubahansudutkemiringan30o,45odan90o.Pengaruhbedatemperatur rata-rata lebih dominan dibandingkan gaya apung karena beda ketinggian. Kata kunci : sirkulasi alamiah, fenomena, aliran, massaAbstract.Optimizing energyutilizationformoreefficiencypurposecan be done bydesignandconstruct a newenergyconversiondevices,alsoapplyanaturallawssuchasnaturalcirculation.Experimentalstudies has been conducting to understand the phenomena of natural circulation by calculating the water mass flow rate based on temperature changes in the cold area and the hot area in the USSA FT-01s loop. Construction USSAFT-01consistsofcomponentsSS304pipe1inchindiameter,heater,coolerandexpansiontank. Experimental variation is the height difference between hot side and cold side based on the variation of loop angle, i.e. 30o, 45o and 90o. Outlet of the heater temperature (Th) and the outlet of the cooler temperature (Tc) wereusedasaparameterthatismeasuredandrecordedwiththeexperimentaltimerangefor50minutes. Experimentalresultsandcalculationsusingmultiplecorrelationshowsthatthewatermassflowratewill have a stable value in respectively 5.6 g/s, 4.9 g/s and 9.8 g/s based on angle variations of 30o, 45o and 90o. The effect of average temperature difference is more dominant than the buoyancy force due to the difference of height between the cold and hot side.Keywords : natural circulation, phenomena, flow, mass1. Pendahuluan Perpindahan energi dalam bentuk kalor pada suatu peralatan konversi energi masih menjadi kajian dantemapenelitianyangbelumusang.Peningkatankebutuhanenergiyangterus-terusanmesti diantisipasidanhalinimemaksapenelitianterhadapfenomenayangmunculselamakalor dipindahkan menjadi perhatian penting. Salahsatu peralatan pemindah kalor berupa loop tertutup

email : [email protected] Studi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ...23 thermosyphonmemilikikemampuanuntukmemindahkankalordarisuatusumberkeareayang lebihdingin lain denganjaraktertentu.Kondisi inidapat digambarkan dengan looptertutupyang diisifluidakerja(air).Jikasalahsatubagiandipanaskandanbagianlainnyadidinginkan,maka kerapatanairdibagianyangpanaslebihrendahdibandingkandenganbagiandingin.Perbedaan tekanan hidrostatik karena kerapatan akan menyebabkan gradien kerapatan yang menggerakkan air untukmengalirdidalamloop.Kemampuanpergerakanmolekulairkarenabedakerapatandan ditambahadanyaperbedaanketinggianakanmenimbulkanalirandidalamloop.Stabilitasaliran diharapkan akan timbul apabila terjadi perbedaan temperatur yang stabil antara bagian dingin dan bagianpanas.Alirantanpaadanyaintervensimekaniksepertipompaataukendalialiran,disebutfenomena aliran sirkulasi alamiah. Aplikasi dari sirkulasi alamiah seperti pada teknologi pemanas surya,konversienergi,pembangkitlistriktenaganuklirdantermalcontroluntukkomponen elektronik. Beberapapenelitianterkait fenomenasirkulasi alamiansepertiyang dilakukanolehWelander[1] telahmempertimbangkanaspekpenggerak(driven)dalamaliranyangtimbulkarenagayaapung (buoyancy), perbedaan tekanandan hambatanolehgayagesekanpadapipa. Kasus fluida laminar padafasatunggalolehDobson[2],menjelaskanskemaformulasiyangsederhanayangmampu menangkap perilaku non-liner dan transien pada loop. Instabilitas aliran yang muncul belum dapat dijelaskan.PenelitianlainnyasepertiyangdilakukanolehK.Chen[3]danP.K.Vijayan[4-5], menjelaskan instabilitas osilasi aliran dan stabilitas yang muncul pada loop yang dilakukan melaluieksperimendansimulasikomputer,meskipunkondisibatasnyabelumdidefiniskansecarabaik. Kemudian,reviewterhadapaliranthermosyponpadageometriumumdanaplikasinyatelah dilakukanolehGrief[6],P.K.Vijayanetal.[5],andZvirin[7],dimanauntukkasusuntai rektangularterbukadantertutuptelahmenekankanpadaaliransteadidanalirantransienseperti halnyaanalisisstabilitassistemberdasarkanvariasikondisipemanasandanpendinginan. Sedangkan,Perbedaankondisibatastermal,sepertiperubahansudutkemiringanuntaitelah dipertimbangkanolehMisale[8]dankonduksitermalpipajugadipertimbangkanolehJiang[912]. 2. Metoda Eksperimen Fasilitas Eksperimen Fasilitaseksperimenyangadadilaboratoriumteknikdandevaisuntukkonversienergi(EDfEC, Engineering and Device for Energy Conversion) di FTUIKA Bogor, telah dikonstruksi pada tahun 2009.FasilitaseksperimenyangdisebutUntaisimulasisirkulasialamiah(USSA-FT01)dibuat denganbentuksegiempat,denganpanjang1,5meterdanlebar1,0meterdibuatmenggunakan pipa SS304 dengan diameter 1 inch (2,54 cm).Sisi panjang terdiri dari 3 pipa dan sisi lebar terdiri dari 2 pipa yang ujung-ujung dipasang flange, dengan tujuan agar ukuran untai dapat dimodifikasi sesuai kebutuhan eksperimen. Gambar 1 menujukkan geometri USSA FT-01 24Mulya Juarsa dkk Gambar 1. Geometri tampak atas USSA FT-01 Perubahan sudut kemiringan untai dilakukan dengan merubah kedudukan USSA FT-01 pada suatu penopangpersegiempat(berbahanCS),dimanapenopangdisambungkandenganengsel.Busur derajatdipasangpadasalahsatuengseluntukmengetahuiposisikemiringanuntai.Gambar2 menunjukkanbagianlengkapdarifasilitaseksperimen.Gambar2menunjukkanposisiuntai berdasarkan kemiringan sudutnya. Ketinggian (H) diperoleh dengan rumus,(550 ) H mm Sin = SistemintrumentasiadalahdenganmengendalikantemperaturyangdilakukanPLCyang terkoneksikeheatermelaluiSSR(solidstaterelay),dimanatemperaturheaterakandisesuikan dengan perubahan temperatur pada cooler. Data pengukuran temperatur menggunakan termokopel tipeK,kemudiandatapengukurandirekammelaluisistemakuisisidata(DAS)WinDAQT1000 dengansamplingrate1dataper-detikpada8kanal(dalammakalahinidatahanyaditampilkan untuk Th dan Tc). Gambar lengkap dari fasilitas eksperimen disajikan pada Gambar 3. Gambar 2. Fungsi sudut kemiringan untai 550 mmStudi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ...25 Gambar 3. Fasilitas eksperimen USSA FT-01 Prosedur Eksperimen Eksperimensebelumnyadidahuluidenganmengisiuntaidenganairmenggunakankatupinlet, kemudiandiberikantekanansecarahidrostatikhinggamencapai1barlebih(untukmenguji kebocoran).Setelahtidakterjadikebocoran,eksperimensudahbisadilakukan.Setelahairterisi padauntai,settingterhadapsysteminstrumentasidilakukan.Kemudianposisiuntaidirubah berdasarkansudutkemiringanyangditentukan,dalamhalini30o,45odan90o.Langkahpertama menghidupkancoolerhinggatemperaturminimaltercapai,sekitar-9 oC.Kemudiansetelahitu, dayaheaterdinaikkansecaragradualberdasarkansettingdariPLCmelaluiSSR.Persentase kenaikandayaadalah sebesar20%setiap10 menit.Dayamaksimalheateradalah300Watt.Saat heaterdihidupkan,makaDASmulaimerekamdata.Eksperimendilakukanuntuksetiap perubahan sudut untai Perhitungan Hasilpengamatanperbedaantemperaturpadaheaterdancoolerdikonversikanmenjadidensitas airuntukmemperolehperbedaandensitasairpadauntaidarisifatfisikair,sehinggadapat digunakanuntukmenghitunglajualiranmassaairyangterjadididalamuntaiUSSAFT-01, menggunakan korelasi (1)[10-11]. & m2=2gH(c h)R(1) Dengan& m (kg/s)adalahlajualiranmassaair,H(meter)adalahketinggianantaraheaterdan cooler,(kg/m3)adalahmassajenisair,gpercepatangravitas(m/s2)danRadalahresistensi hidrodinamika (m4). Hasil perkalian antara Q (m3/s) debit air dengan densitas air sama adalah laju aliran massa air, seperti yang diuraikan melalui korelasi (2).& m=Qair= Av (2) DenganA(m2)luasanhidrodinamika,v(m/s)kecepatanaliranair.Kemudiankorelasi(1) disubstitusikan ke dalam korelasi (2), sehingga diperoleh korelasi (3), sebagai berikut; 26Mulya Juarsa dkk 22) ( 2A RgHvh c =(3) BilanganReynoldsyangmempunyaifungsisebagaibilanganpenentualiranlaminerataualiran turbulenyangtimbulpadaUSSAFT-01dihitungmenggunakankorelasi(2).Korelasi(4) menunjukkanhubunganbilanganReynoldsdenganfaktorgesekFanning.FaktorgesekDarcy Weishbach (fD) mempunyai besar empat kali faktor gesek Fanning (ff), sehingga (fD) = 4 (ff) seperti pada korelasi (5).v Dff 16= (4) v DfD 64= (5) Kemudian harga resistensi termohidrolik ditunjukan pada korelasi (6)[12]. 2 2264D vAvD K LR += (6) Dengan L (m) panjang total untai, D (m) diameter dalam pipa. Untuk memperoleh kecepatan rata-rata yang terjadi di dalam untai adalah dengan mensubstitusikan korelasi (6) ke dalam korelasi (3), dengan menggunakan rumus abc diperoleh korelasi (7), sebagai berikut. 24 22) ( 8 ) 64 ( 64D KD gHK L Lvh c + + = (7) Hargauntukmassajenisairdiperolehdaritablesifatfisikairberdasarkanperubahan temperaturnya. 3. Hasil dan Pembahasan Hasil pengukuran Hasil pengukuran pada dasarnyadilakukan pada8 titik pengukuran,untuk penelitian ini hanya 2 titikpengukurantemperatursajayangditampilkan.Gambar4,Gambar5danGambar6 menyajikan hasil pengukuran Th dan Tc serta selisihnya berdasarkan vairasi sudut kemiringan untai secara berturut-turut dari 30o, 45o dan 90o. Gambar 4. Temperatur air pada daerah heater dan cooler untuk sudut kemiringan 30o 0 500 1000 1500 2000 2500 3000-100102030405060708090100 Temperatur Termokopel, T[oC]waktu, t [detik] Tc Th T=Th-TcKurva Temperatur heater dan cooler USSA FT-01 =30oStudi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ...27 Gambar 5. Temperatur air pada daerah heater dan cooler untuk sudut kemiringan 45o Gambar 6. Temperatur air pada daerah heater dan cooler untuk sudut kemiringan 90o Fenomena perubahan temperatur selama 50 menit dapat dijelaskan sebagai berikut, pada Gambar 4 untuk sudut kemiringan30okenaikan temperatur air pada daerah heater terjadi dengan cepat dan cukup tajam, dimulai dari 0 detik hingga sekitar 800 detik temperatur air yang semula27 oC naik menjadi47 oC.Kemudiantemperaturmulaistabildari800detikhingga3000detik,meskipada detikke2200,temperaturnaiksekitar8 oC.Kecenderungankenaikantemperaturairyangtajam padadaerahheaterdiimbangidenganpengurangantemperaturairpadacooler,meskiterjadi kenaikankembalimulaidetikke800.Sedangkanpadaposisi45o(Gambar5)profiletemperatur seperti pada kasus 30o tidak terjadi, temperatur air di daerah heater naik secara perlahan. Meskipun demikian gradien kenaikannya sekitar 14 oCselama 1000 detik. Pada kasus kemiringan untai 90o, temperaturairdidaerahheaterdariawalnaiksecaraperlahanhinggadetikterakhirpada3000 detik. Kenaikan hanya sekitar 6 oC selama 3000 detik. Perbedaan gradien keanikan temperatur jika disimpulkanmengalamiperubahanberdasarkanperubahansudutkemiringanuntai.Gradien temperatur mengalami penurunan untuk kenaikan besarnya sudut kemiringan untai. Pembahasan Berdasarkandatapengukurantemperaturairpadadaerahheaterdancoolerseperttiyang dipresentasikanpadaGambar4,Gambar5danGambar6.Kemudianhargamassajenisair berdasarkanperubahantemperaturmenggunakantabelsifatfisikair,kemudiandatatersebut dimasukkan ke dalam korelasi (7). Hasil perhitungan berdasarkan korelasi (7) kembali dimasukkan 0 500 1000 1500 2000 2500 3000-100102030405060708090100 Temperatur Termokopel, T[oC]waktu, t [detik] Tc Th T=Th-TcKurva Temperatur heater dan cooler USSA FT-01 =45o0 500 1000 1500 2000 2500 3000-100102030405060708090100 Temperatur Termokopel, T[oC]waktu, t [detik] Tc Th T=Th-TcKurva Temperatur heater dan cooler USSA FT-01 =90o28Mulya Juarsa dkk kedalamkorelasi(2)denganterlebihdahulumenghitungluastampanglintangdalampipa(A), resistansi hidrodinamika (R). Hasil perhitungan disajikan pada Gambar 7, Gambar 8 dan Gambar 9 untuk setiap perubahan besar sudut kemiringan. Gambar 7. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 0o Gambar 7, Gambar8dan Gambar 9 memiliki profile perubahan laju aliran massa airyang sesuai dengan profile perubahan temperatur di daerah heater atau selisih temperatur. Stabilitas laju aliran pada kasus kemiringan 30o (Gambar 7) mulai terjadi pada detik 750 hingga detik ke 3000. Hal ini sangatsesuaidenganyangterjadipadaperubahantemperatursepertipadaGambar4.Demikian kondisiserupajugaterjadipadaGambar8danGambar9untuksudutkemiringanuntai45odan 90o,bahwapengaruhsatbilitastemperaturpadauntaiakanberpengaruhpulapadastabilitaslaju aliran massa. Keadaan ini telah diprediksikan oleh Misale [10] dan DAuria [11], bahwa stabilitas temperatur akan berpengaruh pada stabilitas aliran fluida. Gambar 8. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 45o Mekanismeyangdapatdijelaskandarikasusiniadalah,untuksudutkemiringanuntai30o,efek dari gaya apung dengan ketinggian H=0,275 meter menyebabkan gerakan molekul air untuk segera mengisikembalibagianyang kurang rapatkurangterbantu oleh efekgaya apung.Kemudianjika dibandingkandengansudutkemiringan45odan90o,efekgayaapungsemakinmembesarseiring denganperubahanketinggian,yaituberturut-turutmenjadiH=389meterdanH=0,550meter. Menjadi jelas bahwa, efek perubahan sudut kemiringan berlaku untuk waktu pencapaian kestabilan selisihtemperaturair.Sedangkanbesarnyaperubahanlajualiranmassaairbergantungpada 0 500 1000 1500 2000 2500 30000,000,020,040,060,080,100,120,140,160,180,20 Laju aliran massa air, m [kg/s]waktu, t [detik] data laju aliran massa airKurva laju aliran massa air =30olaju aliran massa (rata2) = 0,05656 kg/s0 500 1000 1500 2000 2500 30000,000,020,040,060,080,100,120,140,160,180,20 Laju aliran massa air, m [kg/s]waktu, t [detik] data laju aliran massa airKurva laju aliran massa air =45olaju aliran massa (rata2) = 0,04967 kg/sStudi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ...29 kestabilantemperaturair.Bedabesarnyalajualiranmassaairterkaitdenganbedatemperaturair padadaerahheaterdancooler.HaltersebutdapatdijelaskanpadaGambar10.Gambar10 menjelaskan perubahan laju aliran massa air akan didominasi oleh besarnya beda temperatur air di daerah heater dan cooler. Selain itu efek gaya apung memberikan kontribusi terhadap mekanisme kestabilan temperatur dan laju aliran massa. Gambar 9. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 90o Gambar 10. Efek beda tempratur dan laju aliran massa air berdasarjan sudut kemiringan 4. Kesimpulan Hasilstudieksperimentallajualiranmassaairberdasarkanperubahansudutkemiringanuntai, menyimpulkan bahwa: -Karakteristiklajualiranmassadipengaruhiolehbedatemperaturairdidaerahheaterdan cooler, serta beda ketinggian antara heater dan cooler.-Laju aliran tertinggi adalah 0,098kg/s untuk H=0,550m dan beda temperatur rata-rata 38,19 oCuntuksudut90o.Laju aliran minimal terjadipadasudut 45o,dikarenakanbedatemperatur rata-ratanya16,37 oCmeskipunmemilikiketinggianHyanglebihbesardibandingkansudut kemiringan 30o. -Keadaantersebutmenyimpulkanbahwa,efekbesarnyaperbedaanrata-ratatemperaturair pada daerah heater dan cooler lebih besar dibandingkan efek gaya apung yang beracuan pada beda ketinggian. -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000,000,020,040,060,080,100,120,140,160,180,20 Laju aliran massa air, m [kg/s]waktu, t [detik] data laju aliran massa airKurva laju aliran massa air =90olaju aliran massa (rata2) = 0,09804 kg/s0 15 30 45 60 75 90 105 1200,000,020,040,060,080,100,120,140,160,180,20 Rata-rata laju aliran massa airLaju aliran massa air rata-rata [kg/s]sudut kemiringan untai, [o]05101520253035404550Beda temperatur rata-rata [oC] Trata-rata30Mulya Juarsa dkk Studiawalinimenunjukkanbahwaperlunyadilakukaneksperimenlanjutandenganmenetapkan beda temperatur air harus sama. Sehingga efek gaya apung terhadap mekanisme pergerakan fluida akan lebih diperjelas dan dianalisis dengan baik. Ucapan Terimakasih PenulismengucapkanterimakasihkepadaDekanFakutasTeknikUIKABogoratasdukungan moril dan menyediakan Lab. EdfEC untuk riset dosen dan mahasiswa. Para sarjana alumni EDfEC maupun yang masih riset TA, kami ucapkan terimakasih atas kerjasama dan kerja kerasnya. Daftar Pustaka 1.P. Welander, Journal of Fluid Mech, 29, Part 1, 17-30 (1967). 2.R.T. Dobson, Transient response of a closed loop thermosyphon, R & D J., 9, 32-38 (1993). 3.K. Chen, On the oscillatory instability of closed-loop thermosypons, Journal of Heat Transfer , 105 (1985). 4.P.K.Vijayan et al., Effect of loop diameter on the stability of single-phase natural circulation in rectangular loop, Proc. 5th Int.Topical Meeting on reactor thermal hydraulics (Salt Lake City), September 21-24. pp 261-267 (1992). 5.P.K.Vijayanetal.,Simulationofunstableoscillatorybehaviourofsingle-phasenatural circulationwith repetitve flow reversals ina rectangular loop using computer code ATHLET, Nuclear Engineering and Desaign, 155, 623-41 (1995). 6.R. Greif, Natural circulation loops, Journal of Heat Transfer, 110, 124357 (1988). 7.Y.Zvirin,AreviewofN.C.loopsinPWRandothersystems,NuclearEngineeringand Design, 67, 20325 (1981). 8.M. Misale et al., Some considerations on the interaction between the fluid and wall tube during experimentsinasingle-phasenaturalcirculationloops,IASMETransactionIssue9,2, 171722 (2005). 9.Y.Y.Jiang,M.Shoji,Flowstabilityinanaturalcirculationloop:influenceofwallthermal conductivity, Nuclear Engineering Design, 222, 628 (2003).10. M.Misaleetal.,Experimentsinasingle-phasenaturalcirculationmini-loop,Universityof Genoa, Genoa, Italy (2006). 11. F.DAuria,etal.,InsightsIntoNaturalCirculationStability,DipartimentoDiIngegneria Meccanica,NucleareeDellaProduzioneUniversita'diPisa56100Pisa,Italy,IAEACourse on Natural Circulation in Water-Cooled Nuclear Power Plants, ICTP, Trieste, Italy, 25-29 June (2007). 12. P.K.Vijayanetal.,Experimentalobservationsonthegeneraltrendsofthesteadystateand stability behaviour of single-phase natural circulation loops, Nuclear Engineering and Design, 215, 13952 (2002) Jurnal Material dan Energi Indonesia Vol. 01, No. 01 (2011) 31 39 Jurusan Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran 31 ESTIMASI DISTRIBUSI TEMPERATUR, ENTALPI DAN TEKANAN DALAM RESERVOIR PANAS BUMI ALAMTA SINGARIMBUN, ROBI IRSAMUKHTI KK Fisika Sistim Kompleks, Prodi Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha 10 Bandung CYRKE A. BUJUNG Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Manado diterima3 November 2010 revisi 9 Februari 2011 dipublikasikan 28 Februari 2011 Abstrak.Karakteristikreservoirpanasbumiditentukanolehbeberapasifatfisisnya,antaralaindistribusi temperatur,tekanan,danentalpi.Olehkarenaitupengetahuanakannilai-nilaiparametertersebutamat penting. Penelitian ini dilakukan untuk memperkirakan nilai-nilai parameter tersebut dengan teknik simulasi. Untukitubeberapapersamaanmatematisdarihukum-hukumkekekalan,termodinamikasertaaliranfluida dalammediumberporidipadukan.Untukmelakukanperhitungandilakukanmodelnumerik2Dyang dibangun melalui metode diskretisasi beda hingga. Dalam hal ini reservoir diasumsikan terisi oleh air dalam kondisi satu fasa.Fluks energi disuplai secara terus menerus dari ruang magma melalui rekahan pada dasar formasi reservoir.Hasilnya dapat terlihat berupa peningkatan nilai temperatur,entalpi sebagai fungsiwaktu pada formasi reservoir. Meningkatnya nilai entalpi dan temperatur memiliki kecenderungan yang sama, akan tetapi peningkatan tersebut tidak linear terhadap kedalaman. Apabila entalpi melebihi nilai entalpi saturasi air, maka fasa fluida dalam reservoir berubah dari fasa cair menjadi sistim dua fasa. Kata kunci : reservoir panas bumi, medium berpori, diskritisasi beda hingga, fluks energi Abstract.Characteristicsofthegeothermalreservoirisdeterminedbyseveralphysicalproperties,among others,isthedistributionoftemperature,pressure,andenthalpy.Therefore,knowledgeoftheseparameter valuesisveryimportant.Thisresearchwasconductedtoestimatethevalueoftheseparameterswith simulationtechniques.Forthatsomemathematicalequationsofconservationlaws,thermodynamicsand fluid flow in porous medium combined. To do the calculations performed 2D numerical model developed by discretizing the finite difference method. In this case the reservoir is assumed to be filled by water in a single-phase conditions. Energy flux is continuously supplied from the magma chamber through the fracture at the base of the reservoir formation. The results can be seen by increasing the value of the temperature, enthalpy as afunctionoftimeatthereservoirformation.Increasingthevalueofenthalpyandtemperaturehavethe same trend, but the increase was not linear with depth. If the enthalpy exceeds the value of enthalpy of water saturation, the fluid phase in the reservoir changed from liquid to two-phase system.Keywords : geothermal reservoir, porous medium, finite difference discretization, energy flux 1. Pendahuluan Isuenergimerupakansalahsatuisuyangmenjadiperhatianyangsangatseriusdiduniasaatini. Seiringdengansemakinmenipisnyacadanganminyakbumidangas(migas)diseluruhdunia akibat eksploitasi terus menerus, maka dibutuhkan pencarian sumber-sumber energi alternatif baru untuk mengatasi berkurangnya pasokan energi dari migas di masa datang. Dalam hal ini, salah satu

email : [email protected] 32Alamta Singarimbun, Robi Irshamukhti dan Cyrke A. Bujung sumber energiyangdapat dikembangkan untukmengatasi krisis migas adalah energi panas bumi. Energipanasbumimerupakanenergipanasdaridalambumiyangdibangkitkanolehproses magmatisasilempeng-lempengtektonik.Besarnyapotensicadangansuatulapanganpanasbumi dapatdigambarkandenganbeberapaparameterreservoirsepertitemperatur,tekanan,danentalpi yang merepresentasikan energi termalyang terkandungdi dalam fluida reservoir tersebut. Karena itupengetahuanmengenaidistribusitemperatur,tekanan,danentalpidarisistemreservoir merupakan hal yang sangat penting. 2. Aliran Fluida dalam Reservoar Panas Bumi Aliran fluidamelalui medium berpori dan proses penghantaran panas (heat transport) merupakan dasardarimodelmatematissistempanasbumifasatunggal[1].Gerakanfluidamelewatizona permeabel secara diasumsikan tidak kencang, karena itu berlaku hukum empiris Darcy, yaitu :( ) P D gkQm = (1) dimanaQmadalahfluksmassafluidapersatuanluas,kadalahpermeabilitas,merupakan viskositaskinematik,adalahdensitasfluida,gadalahpercepatangravitasi,D adalahgradien kedalaman, danP adalah gradien tekanan. 2.1. Kekekalan Massa dalam Sistem Reservoir Dalamkesetimbanganfluidadenganalirantransien,perubahanmassaterhadapwaktudidalam reservoirharuslahsamadenganselisihfluksmassayangmasukkedalamreservoirdanfluks massayangkeluar reservoirselama selangwaktu tersebut.Secara matematis,hubunganinidapat dirumuskan sebagai: m mQ qtW =(2) dimanaWadalahmassadidalamreservoirperunitvolume,tadalahwaktudanqmmerupakan fluksmassasumber(inlet)perunitvolumesertaQmmerupakanfluksmassakeluarreservoir (outlet)perunitvolume.Persamaan(2)merupakanjenispersamaandifusidanmerupakan persamaandiferensialparsialparabolik.Persamaaninidapatdisusunlagipenulisannyadalam bentuk: 0 = +m mq QtW(3) Fluida yang dimodelkan di dalam simulasi ini merupakan fluida satu fasa air, sehingga saturasi air dapatdiasumsikansamadengan1.Jika adalahporositasmedium,makadengan mensubstitusikan persamaan (1) ke dalam persamaan (3) diperoleh persamaan (4) [2]. 0 () (= + mq D g Pkt (4) Oberbeck-Boussinesq mengasumsikan bahwa perubahan massa jenis dalam persamaan (4) tersebut dapatdiabaikankecualiuntuksukuD g dalamhukumDarcy[3].Olehkarenaitu,jika porositas medium diasumsikan konstan maka persamaan (4) tereduksi menjadi persamaan (5). Estimasi Distribusi Temperatur, Entalpi dan Tekanan dalam Reservoir Panas Bumi33 0 ( = mq D g Pk (5) 2.2. Kekekalan Energi dalam Sistem Reservoir Reservoirpanasbumimendapatkanenergidariruangmagmamelaluiprosesrecharge.Energidi dalamreservoirdapatmengalirkeluarreservoirmelaluiprosesdischarge.Dalamkeadaan setimbang, perubahan energi terhadap waktu di dalam reservoir haruslah sama dengan selisih dari fluksenergiyangmasukke dalamreservoir danfluks energiyangkeluar reservoir selamaselang waktu tersebut. Secara matematis, hubungan ini dapat dirumuskan persamaan (6) e eQ qtE =(6) dimanaEadalahenergidalamreservoir,qeadalahfluksenergisumberdanQemerupakanfluks energi yang keluar dari reservoir. Persamaan (6) dapat disusun menjadi persamaan (7). 0 = +e eq QtE(7) Jikar adalah densitas batuan dan hr adalah entalpi batuan,maka dengan memasukkan persamaan (2) dan (3) ke dalam persamaan (7), diperoleh persamaan (8) [4].0 ) ( } ) 1 ( { = + + e m r rq T K h Q h ht (8)

BerdasarkanhubungantermodinamikadidefenisikanbahwaTmerupakanfungsidariPdanh sehinggaT K dapat diuraikan secara parsial menjadi persamaan (9). hhTK PPTK T KP h + = (9)

Jika persamaan (2) disubstitusikan ke dalam persamaan (9) akan didapatkan persamaan (10). 0 ) ( ) ( {} ) ( { } ) 1 ( {= + + + e P hr rq hhTK PPTKh D g Pkh ht (10) Persamaan (10) dapat disusun penulisannya dalam bentuk persamaan (11). 0 ) ( ) (} ) 1 ( {2 222= + + e P hr rq hhTK PPTKD ghkP hkh ht (11) 3. Metodologi Persamaan(5)untukkesetimbanganmassadanpersamaan(11)untukkesetimbanganenergi merupakanpersamaanutamayangdigunakandalamprogramsimulasiini.Agarpersamaan 34Alamta Singarimbun, Robi Irshamukhti dan Cyrke A. Bujung tersebut dapat dimasukkan ke dalam proses komputasi, maka dibutuhkan perhitungan numerik dan pemberiansyaratawal(initialvalueproblem)sertasyaratbatas(boundarycondition)terhadap keduapersamaantersebut.Untuktujuantersebutdigunakanmetodediskretisasinumerikbeda hingga selisih pusat (central finite difference method). Didalamsimulasiini,pengaruhgravitasiterhadaplajufluksmassayangdirumuskandidalam hukum empiris Darcy diabaikan. Akibatnya, persamaan (5) dan persamaan (11) tereduksi menjadi persamaan (12) [5]. e r r P hq h hthhTK PPTK hk + = + + } ) 1 ( { ) ( } ) ( {2 2 (12) 3.1.Skema Numerik Sistem Reservoir Denganmenggunakanmetodebedahinggaselisihpusat(centralfinitedifferencemethod), persamaan (12) dapat diaproksimasi menjadi persamaan (13) [6].02 22, 1 , , 1 12, 1 , , 1 1=+ ++ + +zP P PxP P Pk i k i k k i k i k(13) Denganmenggunakandiskretisasibedahingga(finitedifference)danskemametodenumerik FTCS(forwardtimecenteredspace),persamaan(13)dapatdiaproksimasidanditulisdalam bentuk persamaan (14) [3].( )( )nj i enk ink ink ihnk ink ink ih nk ink iqAth h hz At Th h hx At Th h, 1 , , 1 , 2, 1 , , 1 2 ,1,22+ + ++ + = + ++(14) dimana n merupakan level waktu. 3.2. Geometri, Syarat Batas dan Syarat Awal Reservoir Reservoirpadasimulasiinidiasumsikanberadapadakeadaanalaminyatanpaadaperlakuan prosesproduksiselamasimulasibaikberupapengambilanmassafluidadaridalamreservoir maupuninjeksifluidakedalamreservoir.Padakeadaanawal,belumadaaliranmassamaupun energidaridankeluarreservoir,reservoirpadakeadaaninidiasumsikanberadapadafasaair dengan gradien temperatur 0,07 C/m [7].Formasi reservoir terletak pada kedalaman 250 meter di bawah permukaan bumi dengan ketebalan formasi1,5kmdanlebarformasisecarahorizontaljuga1,5km.Ketebalan250mpadabagian palingbawahformasiditafsirkansebagaidaerahdibawahpengaruhkuatruangmagma(magma chamber)danruangtengahvertikalpadareservoirmerupakandaerahrekahan(fracturedzone) yangmemilikiporositasdankonduktivitastermalpalingtinggidibandingkandaerahsekitarnya. Formasi ini selanjutnya didiskretisasi dengan ukuran grid 5x5 m. Semua dinding reservoir diasumsikan impermeabel baik terhadap fluks massa maupun fluks energi kecuali sel paling bawah pada ruang magma yang terletak pada daerah rekahan merupakan daerah yangpermeabelterhadapfluksenergi.Geometridankondisibatasdarireservoirselanjutnya diperlihatkan pada Gambar 1. Estimasi Distribusi Temperatur, Entalpi dan Tekanan dalam Reservoir Panas Bumi35 Gambar 1. Geometri dan Kondisi Batas Reservoir Daerahyangdiarsirpadagambardiatasmenyatakandaerahrekahandenganporositasdan konduktivas termal paling tinggi, warna merah-gelap menyatakan daerahyang ditafsirkan sebagai daerah di bawah pengaruh kuat ruang magma, dan sel dengan warna hitam merupakan daerah yang permeabelterhadapfluksenergitempatmasuknyaenergidariruangmagmakedalamreservoir. Formasiyangditinjaulebihlanjutdalamsimulasiiniadalahdaerahdiataswarnamerah-gelap. Daerahwarnamerah-gelap(daerahdibawahpengaruhkuatruangmagma)memilikikontras entalpidantemperaturyangsangattinggidibandingkandengandaerahdiatasnya,sehingga meninjaunyasekaligusdengandaerahdiatasnyamenyebabkandaerahdiatasnyamenjaditidak signifikan.Nilaiparameter/variabelfisisyangdigunakandalamsimulasiinidinyatakandalam Tabel 1. Tabel 1. Nilai Parameter / Variabel Fisis Parameter/Variabel FisisNilaiSatuan Konduktivitas Termal Zona Rekahan5Watt/m.K Konduktivitas Termal Daerah Sekitar1Watt/m.K Kapasitas Panas Spesifik775J/kg.K Densitas Fluida1,000kg/m3 Densitas Batuan2,700kg/m3 Porositas Zona Rekahan17% Porositas Daerah Sekitar1,7% Fluks Energi Sumber100MWatt/kg.m2 Pendekatanhidrostatikdigunakanuntukmenyatakansyaratawalsimulasidistribusitekanan,dan keadaan awal reservoir dengan gradien temperatur 0,07 C/m digunakan untuk menyatakan syarat awal entalpi. Distribusi temperatur pada simulasi inidiperoleh secara manualdari steam table [8] JSME berdasarkan kenyataan bahwa secara termodinamika variabel temperatur merupakan fungsi dari tekanan dan entalpi. qe =0,Qe =0qm=0,Qm=0qe ? 0,Qe =0qm=0,Qm=0qe =0,Qe =0qm=0,Qm=0qe =0,Qe =0qm=0,Qm=0 qe =0,Qe =0qm=0,Qm=0qe =0,Qe =0qm=0,Qm=036Alamta Singarimbun, Robi Irshamukhti dan Cyrke A. Bujung 4. Hasil dan Analisis 4.1. Distribusi Tekanan Setelahprogramperhitungannumerikdijalankan,diperolehhasilnyabahwadistribusitekanan hanyasedikitbergantungterhadapwaktu.Halinikarenaasumsitidakadanyafluksmassayang masukdankeluarreservoir.Distribusitekananmerupakandistribusitekananhidrostatis,dengan tekananterendahterletakpadabagianatasformasidengannilai2,6MPasedangkantekanan tertinggiterletakpadabagianpalingbawahformasidengannilai17,251MPa.Distribusitekanan ini valid selama fasa fluida yang digambarkan oleh distribusi ini masih dalam fasa air. 4.2. Distribusi Entalpi Keadaaan awal reservoir pada simulasi ini merupakan reservoir fasa tunggal (air). Dengan adanya fluksenergiyangmasukkedalamreservoirsecaraterusmenerusdariruangmagma mengakibatkan keadaan air berubah menjadi uap atau dua fasa uap-air. Gambar 2. Distribusi Entalpi Fasa Tunggal Pada Tahun Ke-50 Gambar 3. Distribusi Entalpi Fasa Tunggal Pada Tahun Ke-100 Estimasi Distribusi Temperatur, Entalpi dan Tekanan dalam Reservoir Panas Bumi37 Gambar 4. Distribusi Entalpi Fasa Tunggal Pada Tahun Ke-150 Hasil simulasi di atas menunjukkan adanya perambatan energi ke seluruh formasi reservoir akibat adanyafluksenergidariruangmagmayangmasukterusmeneruskedalamreservoirseperti diperlihatkanpadaGambar2,Gambar3,danGambar4..Perambatanenergiinimengakibatkan peningkatanenergipadapermukaanyangditunjukkandenganpeningkatanentalpireservoirdi permukaan. Peningkatan energi ini dapat menyebabkan perubahan fasa fluida dari air menjadi uap atau dua fasa uap-air jika peningkatan entalpi telah melewati ambang batas nilai entalpi saturasi air. Akibatnyaketebalan reservoiryang hanya mengandungsatufasa air semakin lamaakansemakin menipis seiringdengan peningkatan waktu. Pada tahunke-1500,ketebalan reservoir fasa air pada daerah rekahan hanya tersisa 5 meter dengan nilai entalpi pada bidang batas dua-fasa sebesar 830 kJ/kgdanbesarnyaentalpidipermukaanreservoir540kJ/kg.Simulasiinidilakukansampai dengan tahun ke-1500, di atas 1500 tahun fluida di seluruh ruang tengah reservoir (fractured zone) telah berubah menjadi uap. 4.3. Distribusi Temperatur Distribusi temperatur untuk keadaan satu fasa ditampilkan pada Gambar 5, Gambar 6, dan Gambar 7.Bidangdatarx-ydalamgambartersebutmenyatakanbidangvertikalreservoir2Dyang disimulasikandan0padasumbuthicknessofreservoirdimulaidaripermukaanreservoiritu sendiri. Terlihatpadahasilsimulasitersebutbahwadistribusitemperaturmemilikikecenderunganyang sama dengan distribusi entalpi. Ketebalan reservoir yang hanya mengandung satu fasa air semakin lama akan semakin menipis seiring dengan peningkatan waktu. Hal ini diikuti dengan peningkatan temperaturyangterusmerambatkepermukaan.Akantetapi,sebagaimanadenganhasilsimulasi entalpi,peningkataninisecaraumumtidaklahlinearterhadapkedalaman.Linearitasbaru diperolehketikaketebalanreservoiryanghanyamengandungsatufasaairtersebutsemakin menipis. 38Alamta Singarimbun, Robi Irshamukhti dan Cyrke A. Bujung Gambar 5. Distribusi Temperatur Fasa Tunggal Pada Tahun Ke-50 Gambar 6. Distribusi Temperatur Fasa Tunggal Pada Tahun Ke-100 Gambar 7. Distribusi Temperatur Fasa Tunggal Pada Tahun Ke-250 Estimasi Distribusi Temperatur, Entalpi dan Tekanan dalam Reservoir Panas Bumi39 5. Kesimpulan Hasilsimulasidapatmemperlihatkandistribusibeberapaparameterfisispentingdalamreservoir bumi.DistribusinilaitersebutdapatdilihatperubahannnyasebagaifungsiwaktuBesarnyanilai temperatur dipermukaanreservoir pada zona rekahanpadatahunke-50,100dan250.Hasil ini dapatmemberigambaranuntukmemperkirakankapansuatureservoirpanasbumidapatsecara poternsial untuk dieksploitasi. Hal ini bergantung kepada efek termal dari ruang magma yang telah mulai sampai ke permukaan reservoir yang ditunjukkan dengan kenaikan temperatur di permukaan reservoir. Daftar Pustaka 1.T.N.Narasimhan,andK. Pruess. APracticalMethodforModellingFluidandHeatFlowin FracturedPorousMedia.LawrenceBerkeleyLaboratoryLBL-13487,Universityof California, (1982). 2.A.Singarimbun,ANumericalModelofMagmaticHydrothermalSystem:ACaseStudyof KujuVolcano,CentralKyushu,Japan.Kyushu:DepartmentofMiningEngineering,Faculty of Mining, Kyushu University (1997). 3.A.Sumardi,PemodelanNumerikSistemHidrotermalLapanganPanasbumiKamojang. Bandung: Departemen Fisika FMIPA ITB (2005). 4.G.S.Bodvarsson,andK.PruessandM.J.Lipmann.ModellingofGeothermalSystem. California: University of California (1985). 5.P.S.Huyakorn,andG.F.Pinder.ComputationalMethodsinSubsurfaceFlow.NewYork: Academic Press, Inc. (1983).6.A.R., Mitchell,andD.F. Griffiths. The Finite DifferenceMethodin The Partial Differential Equations. John Wiley & Sons Ltd. (1980). 7.J.LeVequeRandall,FiniteDifferenceMethodsforDifferentialEquations.Universityof Washington. (2006). 8.JSME. JSME Steam Tables. Japan: The Society of Mechanical Engineers (1980). Jurnal Material dan Energi Indonesia Vol. 01, No. 01 (2011) 40 46 Jurusan Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran 40 KARAKTERISTIK FOTODIODA DAN SEL SURYA HIBRID BERBASISPOLIMER POLIALKILTIOFENRAHMAT HIDAYAT,1, ANNISA APRILIA1,2, PRIASTUTI WULANDARI1, HERMAN1

1) Kelompok Keahlian Fisika Magnetik dan Fotonik, Program Studi FisikaFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha 10, Bandung 40132 2) Program Studi Fisika, Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Padjadjaran Jl. Raya Bandung Sumedang km. 21, Sumedang 45363 diterima3 November 2010 revisi 8 November 2010 dipublikasikan 28 Februari 2011 Abstrak.Telahdilakukankajiankarakteristikfotoarusdarifotodiodadenganpolialkiltiofen,yakni poliheksiltiofen(P3HT)regio-regular,sebagaibahanaktifnya.Fotodiodatersebutdibuatdalambentuk strukturlapistunggaldengansusunanITO/P3HT/Al.Karakteristikfotoarusyangteramatimenunjukkan karakterisitikfotodiodaumumnyayangdicirikanolehkondisispace-chargedlimitedcurrent.Akantetapi, besarfotoarustidaktepatbergantungsecarakuadratisterhadapteganganbias,melainkansedikitbervariasi bergantung pada intensitas cahaya, yang diduga terkait dengan proses generasi dan transpor pembawa muatan dalam bahan ini. Karakteristik fotovoltaik dari polimer ini juga telah dikaji dalam struktur sel surya terbalik (inverted)dengankonfigurasiITO/ZnO/P3HT/Ag,dimanalapisanZnO-nyadibuatdenganmetodasol-gel. Karakteristik fotovoltaik teramati dengan potensial elektroda Ag lebih positif dari elektroda ITO, yang berarti elektronmengalirdariITOkeAgdidalamrangkaianbeban.Meskirapatfotoaruslebihkecildibanding denganselsuryaP3HT/fullerene,darihasilinidapatdiklarifikasikemungkinanterjadinyaprosestransfer elektron dari P3HT ke lapisan ZnO, yang juga berperan sebagai lapisan pemblok hole. Kata kunci :sel surya hibrid, polialkiltiofen, polimer terkonjugasi, ZnO, sol-gel, fotodioda, fotovoltaikAbstract. Photocurrent characteristics of photodiode made from poly(alkylthiophene) as the active material, namelyregio-regular polyhexylthiophene, has been carried out. This photodiode has a single layer structure withITO/P3HT/Alconfiguration.Themeasuredphotocurrentshowsatypicalphotodiodecharacteristics which is indicated by space-charged limited current. However, the photocurrent is not exactly depending on thesquareofbiasvoltage,b


Recommended