Cairan Perpindahan Panas Apa yang Digunakan dalam Sistem Termal Surya Demax?

Pilihan Utama untuk Cairan Perpindahan Panas pada Sistem Termal Surya Demax

Air: Paling Cocok untuk Instalasi Demax Tekanan Tinggi dengan Suhu Rendah

Untuk aplikasi termal surya yang beroperasi di bawah 100 derajat Celsius, air tetap menjadi salah satu pilihan paling ekonomis dan efisien sebagai fluida perpindahan panas. Sifat-sifat menguntungkan air berasal dari kapasitas kalor spesifiknya yang relatif tinggi (sekitar 4,18 kJ per kg K), sekaligus memerlukan daya pompa yang kecil. Saat pendinginan dilakukan dengan sistem Demax bertekanan, air sangat ideal karena tidak dapat mendidih, serta aman dan ramah lingkungan. Namun, air membeku pada suhu 0 derajat Celsius, sehingga sistem-sistem ini hanya dapat beroperasi di wilayah bebas embun beku. Ketika sistem berisiko membeku akibat kondisi musim dingin, teknisi harus sepenuhnya menguras air untuk menghindari kerusakan. Data kinerja dari rumah-rumah di kawasan Mediterania daratan menunjukkan bahwa pada tahun 2023 ESTIF (Federasi Industri Termal Surya Eropa) membuktikan bahwa instalasi berbasis air mencapai efisiensi musiman sekitar 60%.

Solusi yang Berfokus pada Keamanan dan Perlindungan terhadap Pembekuan

Dalam hal perlindungan terhadap pembekuan, campuran propilen glikol dan air menunjukkan banyak potensi. Campuran ini tetap berfungsi hingga suhu minus 30 derajat Celsius dan kurang berbahaya dibandingkan pilihan lain yang menggunakan etilen glikol—yang dapat membahayakan jika bocor. Campuran ini juga mencegah korosi ketika sistem dibangun sesuai panduan yang tepat, misalnya dengan menggunakan baja tahan karat dan sejumlah plastik tertentu. Di sisi negatifnya, campuran propilen glikol/air dapat memiliki viskositas 30 hingga 50 persen lebih tinggi dibandingkan air pada suhu 20 derajat Celsius, sehingga pompa harus bekerja jauh lebih keras. Namun, mengingat kemampuan kerjanya yang sangat baik pada suhu rendah, cairan ini menjadi fluida perpindahan panas pilihan utama di sebagian besar wilayah Amerika Utara dan Eropa Utara. Baru-baru ini, produsen juga berhasil meningkatkan kinerja dengan menambahkan bahan kimia eksklusif tertentu ke dalam cairan tersebut guna mengurangi laju degradasi cairan. Ketika diuji dalam sistem Demax bersirkulasi tertutup sesuai standar industri yang berlaku, masa pakai cairan diperkirakan mencapai 5–7 tahun.

Cairan Silikon dan Udara yang Stabil Secara Termal: Penggunaan Khusus dalam Aplikasi Tenaga Surya Termal Tanpa Tekanan dan pada Suhu Tinggi

Cairan silikon sebagai fluida perpindahan panas merupakan satu-satunya cairan yang tetap beroperasi dalam jangka waktu lama pada sistem tenaga surya termal terkonsentrasi bersiklus terbuka tanpa tekanan yang beroperasi pada suhu tinggi antara 200 hingga 400 \degree C. Cairan silikon juga memiliki kemampuan perpindahan panas yang diperlukan untuk digunakan dalam kisaran suhu tinggi pada sistem tenaga surya termal terkonsentrasi. Namun, fluida perpindahan panas tersebut tidak digunakan dalam sistem di mana udara berfungsi sebagai fluida kerja. Udara, dalam kombinasi dengan sistem bersiklus terbuka, memberikan keandalan operasional dan kemudahan perawatan pada sistem tenaga surya termal tanpa tekanan. Kombinasi fluida khusus ini—meskipun telah dioptimalkan—menyumbang kurang dari 15 persen dari total instalasi tenaga surya termal global.

Angka tersebut berasal dari analisis pasar terbaru yang diterbitkan oleh Inisiatif SolarPACES Badan Energi Internasional tahun 2024.

Kriteria Utama Pemilihan Cairan Perpindahan Panas Termal Surya

Stabilitas termal dan ketahanan terhadap degradasi

Dengan cairan perpindahan panas (HTF) dalam aplikasi termal surya, cairan tersebut diharapkan memiliki stabilitas kimia jangka panjang, karena harus berada pada suhu sekitar 200 derajat Celsius selama durasi yang lama (bahkan bertahun-tahun) dalam beberapa kasus. Ketika cairan tidak stabil secara kimia, hal ini berdampak negatif terhadap keseluruhan sistem, termasuk penurunan kinerja termal. Dalam beberapa kasus terdokumentasi, kinerja termal cairan menurun hingga 22% dalam periode lima tahun. Hal ini sering disebabkan oleh peningkatan viskositas akibat oksidasi cairan dan pembentukan lumpur berikutnya. Kondisi semacam itu juga menyebabkan peningkatan kebutuhan pemeliharaan serta penurunan kinerja penukar panas. Meskipun inhibitor oksidasi dapat mengurangi sebagian masalah yang disebutkan di atas, fokus yang lebih besar diperlukan terhadap kompatibilitas cairan dengan bahan sistem seiring berjalannya waktu. Bahan sistem seperti tembaga dan aluminium, bahkan karet pada beberapa segel katup, dapat mengalami berbagai reaksi kimia dengan cairan seiring waktu. Secara khusus, pada sistem Demax bertekanan, diperkirakan laju korosi sekitar 30% lebih tinggi ketika menggunakan cairan yang stabil dibandingkan cairan yang tidak stabil.

Jenis keausan dan kerusakan ini tidak hanya memperpendek masa pakai peralatan. Hal ini juga secara signifikan meningkatkan anggaran pemeliharaan dalam jangka panjang.

Pemilihan Cairan Berdasarkan Zona Iklim di Pasar Termal Surya di Amerika Utara dan Eropa

Pemilihan cairan harus secara ketat disesuaikan dengan ekstrem iklim di wilayah pemasangan.

1. Nordik dan Eropa Tengah: Perlindungan harus tersedia hingga –30°C. Untuk tujuan ini, campuran propilen glikol dan air dengan perbandingan 50:50 merupakan standar de facto untuk penerapan Demax di iklim dingin, karena mampu mempertahankan efisiensi perpindahan panas lebih dari 85% dibandingkan air.

2. Mediterania dan Amerika Serikat Bagian Barat Daya: Suhu stagnasi secara rutin melebihi 300°C. Oleh karena itu, suhu stagnasi menuntut stabilitas pada suhu tinggi yang dikombinasikan dengan tekanan uap rendah. Dalam hal ini, senyawa silikon unggul dibandingkan glikol karena tekanan uapnya 40% lebih rendah daripada glikol pada suhu operasi puncak, sehingga mengurangi frekuensi aktivasi pelepasan tekanan dan, akibatnya, kehilangan cairan.

3. Amerika Serikat Bagian Timur Laut sebagai contoh iklim hibrida: Diperlukan desain perlindungan ganda. Generasi terbaru busa hidrokarbon memiliki kemampuan tetap dapat dipompa di bawah –25°C serta tahan terhadap degradasi termal pada suhu setinggi 290°C. Hal ini memungkinkan keselamatan operasional tahunan tanpa mengorbankan efisiensi.

Meskipun penggunaannya meningkatkan viskositas sebesar 12–15%, yang berakibat pada peningkatan upaya pemompaan dan diameter lubang pompa yang lebih besar, terlihat jelas tren penggunaan cairan yang lebih stabil secara termal, meskipun cairan tersebut memberikan batasan keamanan tambahan.

Perbandingan Kinerja dalam Hal Efisiensi, Keamanan, dan Kompatibilitas Sistem dalam Aplikasi Termal Surya

Kompromi Termofisik Terkait Kapasitas Panas Spesifik, Viskositas, dan Pertimbangan Energi Pemompaan Aliran dalam Hubungannya dengan Hasil Termal Surya

Kinerja termal keseluruhan masing-masing fluida dianalisis terkait tiga karakteristik fisikokimia fluida tersebut: kapasitas penyimpanan energi termal fluida (kalor jenis), ketebalan fluida (viskositas), dan degradasi termal fluida (stabilitas termal). Air merupakan penyerap energi termal yang sangat baik (kalor jenisnya sekitar 4,18 kJ per kg per derajat K). Namun, muncul masalah dalam penggunaan air pada sistem ini karena suhu dapat turun di bawah titik beku. Dalam kasus-kasus tersebut, penggunaan campuran glikol menjadi diperlukan, meskipun fluida tersebut memiliki viskositas 30 hingga 50 % lebih tinggi dibandingkan air. Resistansi tambahan akibat viskositas fluida ini mengharuskan pompa melakukan kerja lebih besar, yang umumnya mengakibatkan peningkatan konsumsi energi sebesar 15 hingga 30 % pada sistem industri berskala besar, sehingga mengurangi jumlah energi surya bersih yang dikumpulkan. Meskipun fluida silikon tidak seviskos air saat dipanaskan, kalor jenisnya terbatas pada kisaran 1,5 hingga 1,8 kJ. Oleh karena itu, operator yang menggunakan fluida silikon harus meningkatkan laju aliran fluida hingga dua kali lipat dibandingkan yang diperlukan jika menggunakan air. Pengelolaan fluida semacam ini meningkatkan kebutuhan akan pompa berukuran lebih besar, menaikkan biaya terkait konsumsi listrik, serta memperberat beban pemeliharaan.

Telah dikonfirmasi melalui pengujian di dunia nyata di pembangkit surya parabolic trough bahwa ketidaksesuaian antara fluida dan pompa dapat mengurangi output termal sebesar 12–18 persen dalam jangka waktu tertentu. Secara signifikan, fluida berkualitas rendah mengalami degradasi lebih cepat dan dapat menjadi 50–80 persen lebih kental hanya dalam waktu lima tahun, yang berdampak pada aliran fluida. Akibatnya, para insinyur harus secara menyeluruh mengevaluasi setiap fluida baru terhadap seluruh komponen sistem yang akan bersentuhan dengannya, termasuk tangki ekspansi, katup, dan khususnya penukar panas pelat bersolder.

Pertanyaan yang Sering Diajukan

Apa manfaat utama penggunaan air sebagai fluida perpindahan panas dalam sistem Demax?

Air lebih efisien dalam memindahkan panas karena memiliki kapasitas kalor spesifik yang lebih tinggi dibandingkan fluida lainnya. Penerapannya pada suhu rendah di wilayah bebas embun beku serta kehilangan energi pompa yang rendah menjadikannya fluida yang sangat disukai.

Apa keuntungan menggunakan campuran propilen glikol/air di iklim dingin?

Campuran ini lebih kental daripada air dan lebih aman dibandingkan pilihan etilen glikol. Campuran ini menjadi pilihan utama di wilayah beriklim dingin karena ketahanannya terhadap suhu rendah dan viskositas yang meningkat, khususnya di Amerika Utara dan Eropa Utara.

Apa karakteristik cairan silikon yang memungkinkannya digunakan dalam aplikasi bersuhu tinggi?

Cairan silikon memiliki stabilitas termal yang luar biasa, sehingga memungkinkannya digunakan dalam aplikasi bersuhu tinggi, seperti pada sistem termal surya terkonsentrasi. Selain itu, cairan silikon memiliki tekanan uap yang rendah, yang meminimalkan kemungkinan aktivasi pelepasan tekanan pada suhu puncak.

Apa implikasi kriteria pemilihan terhadap iklim wilayah saat memilih cairan perpindahan panas?

Untuk memaksimalkan keandalan dan efisiensi sistem, cairan perpindahan panas dengan perlindungan pembekuan harus digunakan di wilayah beriklim dingin, sedangkan cairan yang memiliki stabilitas termal tinggi harus digunakan di wilayah beriklim panas.