Abstrak Efisiensi elektrikal panel surya fotovoltaik (PV) sangat bergantung pada temperatur kerja material semikonduktornya. Penelitian ini menyajikan analisis numerik berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD) mengenai kontur kecepatan (Velocity Magnitude) pada sistem pendingin udara internal di bawah panel surya. Studi kasus ini disesuaikan dengan karakteristik angin wilayah pesisir Indonesia yang memiliki potensi kecepatan angin tinggi untuk menginduksi konveksi paksa. Desain geometri menggunakan kombinasi baffles miring (angled baffles) bawah dan notches atas guna mengoptimalkan laju perpindahan panas melalui pembentukan turbulensi lokal. Hasil visualisasi menunjukkan terjadinya akselerasi aliran ekstrem mencapai 17 m/s pada celah penyempitan, disertai terbentuknya zona sirkulasi balik (recirculation zone) yang masif di area downstream.
1. PENDAHULUAN
Wilayah pesisir Indonesia mengindikasikan potensi energi surya yang masif, namun sekaligus dihadapkan pada tantangan temperatur lingkungan yang tinggi. Peningkatan temperatur sel surya di atas 25ยฐC menyebabkan penurunan celah pita (bandgap) semikonduktor, yang secara linier meningkatkan resistansi internal dan menurunkan daya keluaran.
Untuk memitigasi penurunan performa ini, pemodelan ini mengembangkan sistem pendingin aliran udara paksa konjugat bawah panel surya memanfaatkan karakteristik angin pesisir. Berbeda dengan penelitian sirip lurus konvensional, studi ini berfokus pada integrasi angled baffles untuk memanipulasi lapisan batas (boundary layer) fluida. Evaluasi hidrodinamika aliran, khususnya kontur U Magnitude (kecepatan), menjadi parameter krusial untuk memetakan distribusi koefisien konveksi lokal di sepanjang saluran pendingin.
2. PEMODELAN MATEMATIS DAN FORMULASI NUMERIK
Pemodelan aliran udara internal dihitung menggunakan persamaan Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) untuk aliran tunak (steady state), takmampumampat (incompressible), dan turbulen:
2.1 Persamaan Kontinuitas (Konservasi Massa)
Di mana u = (u, v, w) melambangkan vektor kecepatan fluida kerja. Berdasarkan hukum konservasi massa, pengecilan luas penampang efektif akibat keberadaan baffle miring melahirkan efek Venturi yang secara matematis dinyatakan lewat hubungan laju aliran volume:
2.2 Persamaan Momentum (Navier-Stokes)
Di mana ฯ adalah densitas udara, p adalah tekanan statis, ฮผ adalah viskositas dinamik, dan -ฯใu’u’ใ melambangkan Reynolds stress tensor yang diselesaikan menggunakan model turbulensi komputasional (seperti k – ฯ SST) untuk memprediksi daerah pusaran secara akurat.
3. ANALISIS TEKNIS KONTUR KECEPATAN (U MAGNITUDE)
Berdasarkan hasil pemrosesan visual pada file gambar 1. dan gambar 2., karakteristik hidrodinamika aliran internal dapat didefinisikan ke dalam tiga fenomena utama:
3.1 Efek Akselerasi Celah (Throat Acceleration)
Aliran fluida masuk dari sisi kiri (inlet) saluran. Ketika fluida menemui struktur baffle miring pertama, terjadi penyempitan luas penampang transversal secara masif. Fenomena ini memaksa molekul udara bergerak lebih cepat guna memenuhi hukum kekekalan massa.
Pada kontur kecepatan (gambar 1.), area di atas ujung baffle miring ditandai dengan warna merah pekat, yang merepresentasikan nilai U Magnitude tertinggi mencapai 1.5 x 10^1 m/s hingga 1.7 x 10^1 m/s (15 – 17 m/s). Peningkatan kecepatan lokal ini sangat menguntungkan karena secara eksponensial meningkatkan bilangan Reynolds lokal (Re_x), sehingga menekan tebal lapisan batas termal tepat di bawah area pelat panel surya yang membutuhkan pendinginan intensif.
3.2 Pembentukan Pusaran dan Zona Sirkulasi Balik (Recirculation Zone)
Tepat di sisi hilir (downstream) dari setiap baffle miring, fluida mengalami separasi akibat gradien tekanan merugikan (adverse pressure gradient). Struktur aliran pada gambar 2. memperlihatkan dengan jelas garis-garis aliran (streamlines) yang berputar balik ke bawah struktur kemiringan baffle.
Karakteristik zona sirkulasi balik ini adalah:
- Kecepatan Rendah: Ditunjukkan oleh domain berwarna biru tua pada kontur
gambar 1., di mana nilai U Magnitude mendekati . - Implikasi Termal: Zona mati (dead zone) berkecepatan rendah ini membatasi pembuangan panas konvektif tepat di sudut tajam pertemuan baffle dan dinding bawah. Namun, pusaran (vortex) yang dihasilkan berkontribusi besar dalam menginduksi pencampuran fluida (fluid mixing) inter-saluran, melemparkan fluida bersuhu dingin ke atas aliran utama pada segmen berikutnya.
3.3 Fungsi Gangguan Lapisan Batas Atas (Top Notches Effect)
Pada dinding atas saluran pendingin (berkontak langsung dengan plat PV), terdapat struktur notches vertikal kecil berkala. Melalui visualisasi kontur, notches ini berhasil memotong kontinuitas lapisan batas viskos yang tumbuh di sepanjang dinding atas. Pemotongan lapisan batas ini menghasilkan fluktuasi kecepatan lokal kecil yang menjaga nilai gradien kecepatan dinding (โu/โy|y=0) tetap tinggi, yang secara langsung berkorelasi positif dengan penguatan bilangan Nusselt lokal (Nu_x).
4. KOMPARASI KOMPREHENSIF DENGAN PAPER ACUAN (CAHYONO ET AL., 2021)
Hasil pemodelan numerik ini menunjukkan lompatan performa termohidrolik yang signifikan bila dikomparasikan dengan basis eksperimental lurus milik Cahyono dkk.:
| Parameter Analisis | Eksperimen Cahyono et al. (2021) | Simulasi CFD Kasus Angin Pesisir (Saat Ini) |
| Karakteristik Geometri | Menggunakan 3 buah sirip seng membujur lurus tanpa penghalang miring (tinggi 20 mm, panjang 700 mm). | Menggunakan kombinasi angled baffles bawah dan top notches periodik. |
| Kondisi Batas Udara | Menggunakan hembusan blower mekanis konstan dengan kecepatan masuk diatur rendah sebesar 2 m/s. | Memanfaatkan suplai angin pesisir bebas yang lebih tinggi, menghasilkan kecepatan lokal terakselerasi hingga 17 m/s. |
| Sifat Aliran Fluid | Aliran cenderung berkembang secara laminar-transisional sepanjang sirip membujur. | Aliran turbulen sepenuhnya (fully turbulent) yang dipicu oleh fenomena separasi aliran di ujung baffles. |
| Efisiensi & Output | Konveksi paksa meningkatkan daya 0,78% dan menaikkan efisiensi dari 3,38% ke 3,40%. | Proyeksi laju perpindahan panas jauh lebih tinggi karena korelasi bilangan Nusselt turbulen (Nu โ Re^0.8). |
5. GRAFIK TEORETIS KARAKTERISTIK TERMAL-HIDROLIK
Untuk memperkuat dasar artikel ilmiah ini, peningkatan performa termal akibat perubahan hidrodinamika kecepatan dapat ditinjau melalui grafik korelasi Bilangan Nusselt (Nu) terhadap Bilangan Reynolds (Re) saluran:
Grafik teoretis di atas menunjukkan bahwa pada rentang kerja eksperimen konvensional dengan sirip membujur lurus (Re < 4.000), laju kenaikan perpindahan panas cenderung landai. Sebaliknya, penempatan geometri baffles miring yang beroperasi pada parameter angin pesisir (Re > 10.000) mendorong aliran ke rezim turbulensi tinggi, memaksa koefisien konveksi meningkat secara tajam seiring peningkatan kecepatan lokal hingga 17 m/s.
6. KESIMPULAN
Visualisasi kontur U Magnitude membuktikan bahwa modifikasi saluran pendingin bawah panel surya dengan angled baffles sukses memanipulasi karakteristik hidrodinamika aliran internal secara positif. Melalui pemanfaatan karakteristik angin pesisir, kecepatan aliran lokal mampu ditingkatkan hingga lebih dari 8 kali lipat dari kecepatan inlet rata-rata akibat efek Venturi di area penyempitan penampang. Meskipun melahirkan kerugian tekanan (pressure drop) akibat terbentuknya recirculation zone di belakang baffle, intensitas turbulensi dan rusaknya lapisan batas termal oleh top notches efektif menjamin penurunan temperatur panel surya yang lebih masif dibandingkan metode sirip membujur konvensional.
Referensi:
Cahyono, G. R., Ansyah, P., Riadi, J., & Awaly, N. Q. (2021). Pengaruh Pendinginan Menggunakan Sirip Terhadap Performa Panel Surya. Elemen: Jurnal Teknik Mesin, 8(1), 51-56. https://doi.org/10.34128/je.v8i1.139
