Solar water purification system with solar heating/id

Data proyek

Jenis	Tenaga surya masih
Penulis	Jianlang Mai
Lokasi	Kingston , Kanada
Status	Dirancang
Bertahun-tahun
Kegunaan	pemurnian air
Manifestasi OKH	Unduh

Disarankan agar halaman atau bagian ini dipecah menjadi dua atau lebih halaman terpisah. Baca selengkapnya...Lihat halaman pembicaraan untuk informasi lebih lanjut.

Sistem dekontaminasi air tenaga surya adalah sistem pemurnian air rumah tangga berbasis pengolahan radiasi matahari dan distilasi air dengan tambahan penggunaan pemanas surya. Sistem ini merupakan kombinasi dari dua proses pemurnian air, yaitu Sistem Disinfeksi Air Tenaga Surya (SODIS) dan proses distilasi surya. Karena SODIS, yang digagas oleh Profesor Aftim Acra , hanya ideal untuk mendisinfeksi air dalam jumlah kecil dengan kekeruhan rendah dan terkontaminasi mikrobiologis, sebuah alat penyuling air tenaga surya ditambahkan ke dalam sistem untuk mengatasi masalah air yang sangat terkontaminasi (seperti air laut, air dengan kekeruhan tinggi, dan air yang terkontaminasi logam berat atau mikroorganisme patogen ).

Untuk kasus-kasus di mana air dengan kekeruhan rendah tidak tersedia, air yang terkontaminasi akan didistilasi menjadi air minum menggunakan penyuling yang dipanaskan dengan tenaga surya untuk menghilangkan kotoran padat yang tidak mudah menguap seperti garam, sedimen, logam berat dan mikroorganisme. ^{[ 1 ]} Air dari beberapa sumur atau anak sungai mungkin tampak jernih (kekeruhan kurang dari 30 ^{[ 2 ]} Satuan Kekeruhan Nefelometrik ), tetapi mungkin tidak dapat diminum karena air tersebut mungkin masih mengandung mikroorganisme patogen. Untuk mengatasi masalah ini, air yang terkontaminasi akan ditampung dalam botol Polyethylene terephthalate (PET) yang bersih dan transparan dan dibiarkan terkena sinar matahari selama jangka waktu tertentu (tergantung pada intensitas sinar matahari) yang memungkinkan radiasi matahari untuk menonaktifkan patogen yang terbawa air ^{[ 3 ]} dalam air yang terkontaminasi. Disinfeksi air tenaga surya merupakan cara yang efektif untuk mendisinfeksi air minum seperti yang direkomendasikan oleh Organisasi Kesehatan Dunia . ^{[ 4 ]} Sistem pemurnian air tenaga surya hanya menggunakan energi matahari dan dapat dibangun menggunakan bahan daur ulang, dengan demikian, sistem tersebut berkelanjutan secara lingkungan.

Prinsip

Distilasi air adalah proses fisika yang menyaring kotoran padat dari cairan berdasarkan perbedaan volatilitas . Pada suhu dan tekanan tertentu, zat dengan volatilitas yang lebih tinggi (air dalam kasus ini) menguap lebih mudah daripada zat (pengotor padat) dengan volatilitas yang lebih rendah. Uap air kemudian diarahkan ke daerah dingin yang mengembunkan uap air kembali ke keadaan cair, meninggalkan semua kotoran padat yang tidak mudah menguap seperti garam, sedimen, mikroorganisme patogen dan logam berat. Namun, air suling mungkin tidak cocok untuk diminum karena mungkin masih mengandung beberapa senyawa organik yang mudah menguap . ^{[ 5 ]} Laju penguapan sebanding dengan tekanan uap, luas permukaan fluida dan suhu fluida.

Prinsip SODIS didasarkan pada pengolahan air ultraviolet . SODIS menggunakan dua komponen sinar matahari untuk proses desinfeksi air: radiasi ultraviolet dan radiasi inframerah . Radiasi UV-A (panjang gelombang 320-400 nm) berinteraksi dengan DNA, asam nukleat, dan enzim sel organik, menghancurkan struktur molekul sel yang menyebabkan kematian sel. Radiasi UV-A juga bereaksi dengan oksigen yang terlarut dalam air menghasilkan bentuk oksigen yang sangat reaktif (radikal bebas oksigen dan Hidrogen peroksida ], yang dapat membantu proses germisida. Radiasi inframerah adalah bentuk gelombang panjang dari radiasi matahari, dapat dirasakan sebagai panas, karena bertanggung jawab untuk meningkatkan suhu cairan. Penelitian telah membuktikan bahwa 99,9% ^{[ 6 ]} mikroorganisme dalam air dihilangkan jika air dipanaskan hingga 50-60 ° C selama satu jam. Untuk mendisinfeksi air yang terkontaminasi untuk diminum secara efektif, disarankan untuk memaparkan air yang terkontaminasi ke sinar matahari penuh menggunakan botol PET bening selama 6 ^{[ 7 ]} jam. Jika suhu air melebihi 50 ° C, satu jam paparan cukup untuk mendapatkan air minum yang aman. Ketika cuaca mendung selama lebih dari 50%, air yang terkontaminasi perlu terpapar selama 2 hari berturut-turut. Efisiensi perawatan dapat ditingkatkan dengan menaikkan suhu cairan dan memaparkan air yang terkontaminasi ke permukaan pemantul tambahan seperti lembaran aluminium atau besi bergelombang.

Desain

Sistem ini terdiri dari tiga komponen utama: pengumpul energi surya, sistem distilasi surya, dan sistem desinfeksi air surya. Pengumpul energi surya adalah perangkat yang mengumpulkan radiasi surya dan mengubahnya menjadi energi termal untuk SODIS dan proses distilasi surya. Sistem distilasi surya serupa dengan sistem distilasi air konvensional, kecuali sistem ini tidak menguapkan air pada suhu didih. Sistem disinfeksi air surya mengambil air dengan kekeruhan rendah dan terkontaminasi mikrobiologis, lalu mendisinfeksinya menjadi air minum dengan memanfaatkan radiasi surya. Prosesnya dapat diringkas dalam Gambar 1. Sistem perpipaan berinsulasi atau tahan panas digunakan untuk menghubungkan ketiga sistem dan sistem perpipaan harus sesingkat mungkin untuk meminimalkan kehilangan panas. Untuk transportasi air, perpipaan Polivinil klorida (PVC) direkomendasikan karena ketahanan kimianya yang memadai.

Kolektor Energi Surya

Idenya pertama kali dikembangkan oleh Cansolair Inc. , yang mengubah energi matahari menjadi energi pemanas rumah menggunakan kaleng aluminium. Kolektor energi matahari terdiri dari kolom kaleng aluminium yang dicat hitam, rangka untuk menempatkan kolom, dan ventilasi untuk mengalirkan panas. Sebelum semua kaleng direkatkan untuk membentuk kolom yang terkumpul, bagian atas dan bawah kaleng aluminium perlu dilepas. Ketika diletakkan di bawah sinar matahari, kolom menyerap radiasi matahari dan panas dikonveksi ke udara di dalam kolom. Karena perbedaan kepadatan udara, udara hangat akan naik ke atas kolom dan udara dingin akan terhisap ke dalam kolom dari bawah. Aliran udara hangat kemudian dikumpulkan di bagian atas kolom. Kolom dicat hitam untuk meningkatkan penyerapan radiasi dan ukuran kolom dapat divariasikan untuk kebutuhan yang berbeda. Perhatikan bahwa tinggi total kolom tidak sama dengan jumlah tinggi pasti setiap kaleng karena kaleng aluminium dirancang agar pas di atas satu sama lain dengan menggunakan alur.

Sistem Distilasi Tenaga Surya

Sistem distilasi surya terdiri dari vaporizer yang menampung air, kondensor uap yang mengumpulkan dan mengembunkan uap, dan kolektor air yang mengumpulkan air suling. Laju penguapan sebanding dengan luas permukaan fluida dan suhu fluida. Untuk meningkatkan kinerja alat penyuling, vaporizer harus dibuat sebesar mungkin. Selain itu, di bagian bawah vaporizer, terdapat beberapa saluran gas berkelok-kelok tempat aliran udara hangat dari kolektor energi surya diarahkan. Karena perbedaan suhu antara air dan aliran udara, panas ditransfer ke vaporizer, menyebabkan suhu air naik, sehingga mempercepat proses penguapan. Metode lain seperti menggunakan bahan konduktif termal, mengecat vaporizer menjadi hitam dan menggunakan beberapa permukaan reflektif untuk memusatkan radiasi dapat digunakan untuk meningkatkan kinerja sistem.

Laju penguapan dapat dihitung sebagai berikut: ^{[ 8 ]}

Q=ηCHANNeaku⋅S+ηSTSayaakuaku⋅A⋅GHeATHAIFVAPHaiRSayazATSayaHaiN

Di mana

• kalor penguapan adalah kalor penguapan air = 2,27 MJ/L ^{[ 9 ]}
• Q adalah produksi air suling harian (Liter/hari)
• ηSTSayaakuakuEfisiensi penyulingan surya adalah fraksi energi yang ditransfer ke air terhadap total energi surya yang diserap. Efisiensi tipikal untuk penyuling surya satu bak mendekati 60 ^{[ 10 ]} persen.
• ηCHANNeakuadalah efisiensi manifold saluran aliran, sebagai fraksi energi yang ditransfer ke air terhadap energi yang dikumpulkan dari pengumpul energi surya.
• G adalah iradiasi matahari global harian (lihat insolasi matahari ) (MJ/m^2). Insolasi matahari tipikal di permukaan Bumi adalah sekitar 1.000 ^{[ 11 ] [ 12 ]} watt per meter persegi untuk permukaan yang tegak lurus terhadap sinar matahari di permukaan laut pada hari cerah. Berdasarkan asumsi 5 jam sinar matahari per hari, iradiasi matahari harian adalah sekitar 18 MJ/m^2.
• A adalah luas permukaan diam (tegak lurus terhadap sinar matahari).
• S adalah energi termal yang diperoleh dari kolektor energi surya. Energi ini dapat dihitung menggunakan Entalpi(ΔH) :

δH= HF - HSaya=M˙⋅CP⋅(T2-T1)

Di mana

• δH  adalah perubahan entalpi.
• H _final adalah entalpi akhir sistem, dinyatakan dalam MJ.
• H _awal adalah entalpi awal sistem, dinyatakan dalam MJ.
• M˙adalah laju aliran massa keluar dari aliran udara (kg/s).
• C _p adalah kalor jenis udara (MJ/kg/K).
• T2 _adalah suhu aliran keluar kolektor energi surya dalam skala Kelvin .
• T ₁ adalah suhu aliran masuk kolektor energi surya dalam skala Kelvin.

Perhitungan sederhana dapat dilakukan sebagai berikut:

Anggapan:

• Jam sinar matahari harian = 5 jam/hari = 5 jam/hari x 3600 detik/jam = 18.000 detik/hari
• ηSTSayaakuaku=ηCHANNeaku= 60%
• Iradiasi matahari global harian (G) = 1,0 kW
• Energi surya yang diperoleh dari kolektor surya (S) = 1,2 kW berdasarkan Model RA 240 SOLAR MAX oleh Consolair.In

Q=60%⋅0.0012MW⋅18,000SeC/DAkamu+60%⋅1M2⋅0.001MJ⋅18,000SeC/DAkamu2.27=10.33L/DAkamu/M2

Sistem desinfeksi air tenaga surya

Untuk meningkatkan efisiensi sistem desinfeksi air tenaga surya, permukaan reflektif dapat digunakan untuk mengintensifkan radiasi matahari ke air yang terkontaminasi. Cara lain untuk meningkatkan kinerja sistem adalah dengan meningkatkan suhu cairan. Menurut penelitian, jika suhu air melebihi 50°C, satu jam paparan sudah cukup untuk mendapatkan air minum yang aman. Saat itulah energi matahari berperan. Sebagian energi termal yang dikumpulkan dari kolektor energi surya diarahkan untuk memanaskan air kemasan.

Konstruksi Sistem

Untuk membangun sistem ini, diperlukan bahan dan alat berikut.

Bahan

• Lembaran logam konduktif termal (seperti aluminium, tembaga atau seng) untuk badan komponen
• Kaleng aluminium
• Botol PET bening (botol air)
• kayu-kayu
• Sistem perpipaan PVC (bagian tergantung pada ukuran dan tata letak sistem)
• Paku atau sekrup (ukuran tergantung pada ukuran kayu)

Peralatan

• Pita pengukur
• Pemotong lembaran logam
• Gergaji tangan
• Lem silikon
• Pisau Exacto
• Bor listrik atau tangan

Lebih banyak alat dan bahan serta komponen lembaran logam: https://www.tradeindia.com/Seller/Automobile/Sheet-Metal-Parts-Components/

Konstruksi Kolektor Energi Surya

Konstruksi kolektor energi surya dimulai dengan persiapan kaleng aluminium. Proses konstruksinya ditunjukkan sebagai berikut:

1

Potong pola yang ditunjukkan pada gambar di bagian bawah kaleng.

2

Putar potongan-potongan tersebut ke satu arah untuk membentuk satu set bilah. Bilah-bilah di bagian bawah kaleng digunakan untuk menghasilkan pusaran pada aliran, yang meningkatkan proses konveksi panas saat udara mengalir melalui kolom.

3

Potong bagian atas kaleng.

5

Rekatkan semua kaleng menjadi kolom-kolom. Ukuran kolom dapat bervariasi sesuai kebutuhan. Lem silikon direkomendasikan karena lem silikon/lateks atau lateks murni lainnya membutuhkan waktu lama untuk menghilangkan uapnya.

6

Tempatkan semua kolom. Rangkanya dapat memiliki beberapa saluran masuk/keluar dan dapat terbuat dari kayu atau logam. Dimensi model yang ditunjukkan pada Gambar 15 didasarkan pada kayu berukuran 2 inci x 4 inci dan kaleng minuman aluminium 355ml. Jika tersedia, wadah transparan tertutup rapat dapat ditambahkan ke desain untuk melindunginya dari cuaca. Kolektor energi surya harus menghadap ke selatan dan pada sudut 22-70 derajat ^{[ 13 ]} di atas cakrawala untuk mengakomodasi jalur matahari. Kenaikan suhu sekitar 10-20 ^{[ 14 ]} derajat Celsius di atas suhu sekitar dengan sistem 240 kaleng. Panduan proses manufaktur yang lebih detail dapat ditemukan di sini .

Konstruksi sistem distilasi surya

Sistem distilasi surya terdiri dari 4 bagian utama: vaporizer, kondensor, pengumpul air, dan manifold saluran. Desain yang ditunjukkan di bawah ini hanya untuk demonstrasi konsep. Sistem ini dapat diproduksi dengan lembaran logam dan dapat diubah ukurannya sesuai kebutuhan. Material konduktif termal seperti aluminium, tembaga, atau seng direkomendasikan untuk memaksimalkan konduktivitas termal sistem.

Vaporizer digunakan untuk menampung dan menguapkan air terkontaminasi. Setelah semua air menguap, residu dalam vaporizer harus dihilangkan sebelum mengisi tangki air terkontaminasi lainnya.

Kondensor dirancang untuk mengembunkan uap kembali menjadi air cair. Kemiringan atap perlu diperhatikan saat merancang. Jika kemiringan atap terlalu kecil, kondensasi air mungkin tidak dapat mengalir ke tepi kondensor. Kondensor ditopang oleh 4 dudukan yang disekrup pada dua dinding yang berlawanan dan harus dibuat setipis mungkin agar pertukaran panasnya memadai.

Kolektor air digunakan untuk menampung air kondensasi yang menetes dari tepi kondensor. Untuk itu, dimensi alur harus disesuaikan agar posisinya berada di bawah tepi kondensor. Kolektor air dirancang untuk diletakkan di atas vaporizer dan menopang kondensor. Untuk mengamankan kolektor air, sebuah tonjolan yang sesuai dengan dimensi bagian dalam vaporizer ditambahkan di bagian bawah kolektor air.

Sebuah lubang dibuat pada dinding pengumpul air yang bersinggungan dengan dasar alur untuk drainase air. Penyuling sebaiknya diletakkan di permukaan horizontal jika memungkinkan. Air suling kemudian akan dikumpulkan untuk proses desinfeksi surya.

Manifold saluran aliran dirancang untuk mentransfer panas dari aliran ke vaporizer, untuk meningkatkan suhu fluida, sehingga mempercepat proses penguapan. Tata letak saluran dapat bervariasi tergantung pada kecepatan aliran. Desain serpentin dapat menyediakan area pertukaran yang lebih besar dibandingkan dengan desain lurus. Namun, aliran udara yang digerakkan oleh konveksi panas mungkin tidak dapat mengalir melalui saluran serpentin karena adanya kehilangan panas. Untuk kecepatan aliran rendah, tata letak desain lurus direkomendasikan.

Sistem distilasi bertenaga surya dirakit sebagai berikut:

Konstruksi sistem desinfeksi air tenaga surya

Untuk meningkatkan efektivitas disinfeksi surya, permukaan reflektif seperti cermin atau permukaan logam halus dapat digunakan untuk memusatkan radiasi ke air yang terkontaminasi. Beberapa ide refleksi radiasi dapat ditemukan di sini . Salah satu cara sederhana untuk memantulkan radiasi adalah dengan menggunakan badan kaleng minuman aluminium. Langkah-langkahnya adalah sebagai berikut:

1

Potong bagian atas dan bawah kaleng minuman aluminium untuk mendapatkan tabung silinder.

2

Potong tabung silinder untuk mendapatkan lembaran aluminium.

3

Sesuaikan dimensi lembaran dengan ukuran botol PET. Lebar lembaran harus cukup untuk menutupi setengah botol seperti yang ditunjukkan. Karena bentuk asli kaleng, lembaran aluminium akan pas dengan botol PET.

Sistem disinfeksi surya dapat dirakit dengan dua komponen: dudukan botol (Gambar 28) dan penyalur panas (Gambar 29). Dudukan botol dapat membantu memantulkan radiasi jika terbuat dari bahan reflektif.

Lubang di bagian bawah tempat botol dan penyalur panas dirancang untuk memungkinkan aliran udara panas dari pengumpul energi surya mengalir, sehingga meningkatkan suhu cairan.

Sistem desinfeksi surya direkomendasikan untuk dibuat dari bahan konduktif termal dan dapat dirakit seperti di bawah ini:

Keterbatasan

Sumber air

Sumber air harus diuji kualitas air fisik dan kimianya (kekeruhan, oksigen dan warna) dan kualitas air mikrobiologi (mikroorganisme patogen) sebelum diolah karena SODIS tidak dapat mengubah kualitas kimia air dan penyuling surya tidak mampu menyaring senyawa organik yang mudah menguap.

Menambahkan mineral ke air suling

Distilasi memiliki kemampuan untuk menghilangkan hampir semua hal dari air, kecuali beberapa senyawa organik yang mudah menguap daripada air dan terbawa bersama uap untuk mengembun lagi dalam air sulingan.

Karena semua bahan lainnya dihilangkan, garam mineral tidak ada dalam air suling. Kadar garam mineral minimum diperlukan agar air layak konsumsi manusia. Oleh karena itu, garam mineral sebaiknya ditambahkan ke air suling sebelum diminum, yang dapat dilakukan dengan merendam balok granit di dalam air sebentar.

Diperlukan proses dan referensi yang sangat rinci tentang konsentrasi garam mineral yang dibutuhkan dalam air agar air tersebut dapat diminum.

Botol PET

Botol PET sebaiknya digunakan daripada botol Polivinilklorida (PVC). Penstabil UV ditambahkan ke botol plastik untuk meningkatkan stabilitasnya atau melindungi isinya dari oksidasi. Penggunaan botol berbahan PET, bukan PVC, direkomendasikan karena PET mengandung lebih sedikit zat aditif dibandingkan botol berbahan PVC, sehingga memungkinkan radiasi UV lebih banyak. Botol plastik harus dibersihkan sebelum digunakan dan botol yang sudah tua atau tergores harus diganti. Untuk membedakan botol PET dari botol PVC, jika PVC terbakar, bau asapnya menyengat, sedangkan PET berbau manis.

Botol kaca

Percobaan menunjukkan bahwa kaca jendela biasa dengan ketebalan 2mm hampir tidak mentransmisikan sinar UV-A ^{[ 15 ]} karena kandungan oksida besinya. Dengan kata lain, botol kaca (kecuali Pyrex, Corex, Vycor, Quartz) tidak dapat digunakan untuk SODIS.

Kekhawatiran kesehatan tentang botol PET

Laporan dari seluruh dunia mengenai zat-zat dalam botol PET yang menyebabkan kanker dapat mencemari isinya. Menurut WHO, sejumlah lembaga penelitian menguji keakuratan ilmiah dari laporan-laporan ini dan melakukan analisis mereka sendiri terhadap bahan-bahan tersebut. Studi telah dihasilkan untuk zat-zat berikut: antimon , adipat , ftalat , asetaldehida dan formaldehida . Studi-studi ini menunjukkan bahwa ketika metode SODIS diterapkan dengan benar dengan botol PET, tidak ada bahaya bagi kesehatan manusia. Air yang diolah harus disimpan dalam botol dan diminum langsung dari botol, atau dituangkan ke dalam cangkir atau gelas segera sebelum diminum. Dengan cara ini, dapat menghilangkan kemungkinan air yang diolah terkontaminasi lagi.

Ukuran botol

Wadah yang digunakan untuk SODIS tidak boleh melebihi kedalaman air 10 cm. Radiasi UV berkurang seiring bertambahnya kedalaman air. Pada kedalaman air 10 cm, radiasi UV-A berkurang hingga 50%. ^{[ 16 ]} Disarankan untuk menggunakan botol PET 1-2 L untuk SODIS.

Air hujan

SODIS tidak berfungsi dengan baik selama periode hujan yang panjang. Pada hari-hari tersebut, disarankan untuk menampung air hujan.

Referensi

Semua figur, gambar, dan ilustrasi yang disajikan di atas adalah karya asli Jianlang Mai . Silakan klik di sini jika Anda memiliki komentar terkait proyek ini.

Data halaman

Bagian dari	Mech425
Kata Kunci	teknik , air , pemanas tenaga surya , dekontaminasi air , tenaga surya
Tujuan Pembangunan Berkelanjutan (TPB)	SDG06 Air bersih dan sanitasi
Penulis	Jianlang Mai
Lisensi	CC-BY-SA-3.0
Organisasi	Universitas Queen
Bahasa	Bahasa Inggris (en)
Terjemahan	Arab , Korea , Prancis , Indonesia , Hindi
Terkait	5 subhalaman , 14 halaman tautan di sini
Pengalihan	Sistem desinfeksi air tenaga surya dengan pemanas tenaga surya
Pemandangan	47.590 tampilan halaman ( analitik )
Dibuat	20 Maret 2010 oleh Jianlang Mai
Edit terakhir	4 April 2025 oleh bot StandardWikitext
Kutip sebagai	Jianlang Mai (2010–2025). "Sistem pemurnian air tenaga surya dengan pemanas surya" . Appropedia . Diakses 13 Juli 2025 .
Kueri API	basic, semantic, html, files, more