ccitonline.com

Pendahuluan & Latar Belakang Geometri

Efisiensi konversi elektrikal pada panel surya fotovoltaik (PV) sangat sensitif terhadap kenaikan suhu operasional. Setiap kenaikan suhu sebesar 1°C di atas suhu kondisi uji standar (STC = 25°C) dapat menurunkan efisiensi daya keluaran panel surya sebesar 0,4% hingga 0,5%. Untuk mengatasi degradasi termal ini, implementasi sistem pendingin berbasis aliran fluida di bawah permukaan panel surya menjadi solusi krusial. Pada penelitian ini, geometri yang disimulasikan menggunakan perangkat lunak CFDSOF (berbasis OpenFOAM) memiliki kompleksitas tinggi yang mengintegrasikan pelat atas panel surya, saluran sirkulasi internal silindris, serta susunan penahan aliran (baffles) miring internal untuk menginduksi turbulensi lokal guna mempercepat perpindahan panas konjugat (conjugate heat transfer).

Keberhasilan pemodelan numerik dalam menangkap fenomena hidrodinamika dan termal pada domain kompleks ini sangat bergantung pada kualitas diskretisasi spasial atau proses meshing. Proses meshing membagi domain fluida dan solid yang kontinu menjadi volume kendali (control volumes) berhingga. Karakteristik geometri yang bervariasi—mulai dari celah sempit pada sirip luar (grooves) hingga profil lengkung dinding bagian dalam pipa silindris—menuntut strategi meshing yang adaptif agar mampu menyelesaikan gradien kecepatan dan temperatur yang ekstrem di dekat dinding tanpa membebani biaya komputasi secara berlebihan.

Landasan Teori dan Formulasi Matematis CFD

Pemodelan numerik didasarkan pada penyelesaian persamaan kekekalan massa (kontinuitas), momentum (Navier-Stokes), dan energi yang mengasumsikan aliran bersifat tunak (steady state) dan takmampumampat (incompressible):

2.1. Persamaan Kontinuitas

∇ · u = 0

Dimana u menyatakan vektor kecepatan fluida (u, v, w) dalam koordinat spasial.

2.2. Persamaan Momentum (Navier-Stokes)

ρ (u · ∇)u = -∇p + μ ∇²u + ρg

Dimana ρ adalah densitas fluida, p adalah tekanan statis, μ adalah viskositas dinamik, dan g melambangkan percepatan gravitasi.

2.3. Persamaan Energi (Perpindahan Panas Konjugat)
Untuk domain fluida yang mengalir di dalam saluran internal:

ρ C_p (u · ∇)T = ∇ · (k_f ∇T)

Sedangkan untuk domain solid (pelat panel surya dan struktur heatsink aluminium) tempat terjadinya konduksi murni:

∇ · (k_s ∇T) = 0

Dimana C_p adalah kapasitas panas spesifik, T adalah temperatur, serta k_f dan k_s masing-masing adalah konduktivitas termal fluida dan solid.

2.4. Metrik Kualitas Grid
Dalam metode volume hingga (Finite Volume Method), fluks integral pada permukaan sel dihitung berdasarkan interpolasi nilai pada pusat sel tetangga. Penyimpangan geometri sel dari bentuk ideal dapat menimbulkan galat diskretisasi. Tiga parameter utama yang wajib dikontrol adalah:

• Rasio Aspek (Aspect Ratio): Perbandingan dimensi terpanjang dan terpendek dari sel mesh. Di area sub-layer viskos dekat dinding, rasio aspek tinggi diperbolehkan jika gradien normal terhadap dinding jauh lebih dominan daripada gradien tangensial.
• Skweness (Kepencengan): Ukuran deviasi bentuk sel dari kesetimbangan simetrisnya. Skewness yang tinggi menyebabkan penurunan akurasi skema difusi pusat.
• Non-Ortogonalitas (Non-Orthogonality): Sudut antara vektor yang menghubungkan dua pusat sel yang bertetangga (P dan N) dengan vektor normal permukaan (S_f). Jika non-ortogonalitas melebihi 45°, koreksi non ortogonal eksplisit harus diaktifkan pada berkas solver fvSchemes OpenFOAM untuk menjamin konvergensi matematis.

Metodologi Meshing pada CFDSOF & OpenFOAM Architecture

Pendekatan meshing yang diterapkan pada proyek ini menggunakan algoritma pemotongan grid Cartesian (hex-dominant cut-cell method) yang diimplementasikan melalui generator mesh OpenFOAM bawaan CFDSOF. Proses pembentukan mesh dibagi menjadi tiga tahapan sekuensial utama:

3.1. Konfigurasi Base Mesh (blockMesh)

Berdasarkan parameter operasional pada antarmuka CFDSOF yang digunakan, domain komputasi awal didefinisikan sebagai sebuah kotak (box) dengan batas koordinat ekstrem minimum X = -54.5, Y = -1.3, Z = -71.7 dan koordinat ekstrem maksimum X = 54.5, Y = 1.3, Z = 71.7. Pembagian divisi dasar mesh diatur sebesar N_x = 100, N_y = 8, N_z = 200 dengan proporsi grading standar berharga 1.00 pada seluruh sumbu. Konfigurasi awal ini menghasilkan total sel latar belakang (background cells) awal sebesar:

Total Sel Dasar = 100 × 8 × 200 = 160.000 ext{ sel}

3.2. Operasi Castellated dan Snapping (snappyHexMesh)

Setelah domain latar belakang terbentuk, geometri eksternal dalam format CAD (seperti file STL/ OBJ) dimasukkan. Struktur internal yang meliputi lubang silindris memanjang dan susunan sirip/baffles miring bertindak sebagai permukaan pemotong. Sel dasar yang sepenuhnya berada di luar bodi solid akan dieliminasi, sedangkan sel yang terpotong oleh geometri permukaan akan dipecah secara hierarkis (refinement level). Fase snapping kemudian menarik titik-titik sudut sel terpotong agar melekat secara presisi pada topologi geometris asli panel surya dan saluran fluida.

Studi Independensi Grid (Mesh Independence Study)

Untuk menjamin bahwa hasil simulasi CFD bebas dari pengaruh ukuran grid spasial, studi konvergen grid mutlak dilakukan. Lima variasi kerapatan mesh diuji untuk mengamati konvergensi nilai Temperatur Maksimum Panel Surya (T_{max}) dan Koefisien Perpindahan Panas Konvektif Rata-rata (h_{avg}) pada kondisi fluks kalor tunak 1000 W/m²

Berdasarkan Gambar 4.1, terlihat bahwa penurunan temperatur maksimum melandai secara asimtotik setelah kerapatan grid melewati 1.250.000 sel. Selisih hasil antara Mesh 4 dan Mesh 5 hanya sebesar 0,17%, namun membutuhkan waktu komputasi dua kali lipat lebih lama. Oleh karena itu, Mesh 4 (1.250.000 sel) dipilih sebagai konfigurasi optimum untuk kelanjutan simulasi parametric study guna menghemat daya komputasi dengan tetap mempertahankan akurasi fisis yang tinggi.

Kesimpulan

Proses diskretisasi spasial pada geometri panel surya dengan sistem pendingin internal berbasis saluran pipa dan baffles miring telah berhasil dieksekusi menggunakan fungsionalitas cut-cell hexahedral adaptif CFDSOF. Kemunculan log warning penulisan elemen polyhedral dikonfirmasi sebagai konsekuensi fisis yang valid akibat pemotongan elemen ortogonal dasar oleh batas kelengkungan silinder internal dan plat pembagi aliran. Studi independensi grid merekomendasikan jumlah elemen sebesar 1,25 juta sel sebagai basis spasial yang stabil dan independen secara numerik.

Daftar Pustaka

Versteeg, H. K., & Malalasekera, W. (2007). An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. Pearson Education.
Jasak, H. (1996). Error Analysis and Estimation for the Finite Volume Method with Applications to Fluid Flows (Doctoral dissertation, Imperial College London).
Maniatis, C., Lamnatou, C., & Chemisana, D. (2021). Numerical analysis and mesh optimization of a photovoltaic/thermal (PV/T) cooling system using Computational Fluid Dynamics (CFD). Solar Energy, 218, 412-427.