rancang bangun mesin stirling konfigurasi gamma low

Rancang Bangun Mesin Stirling Konfigurasi Gamma Low-Temperature-Differential Sebagai Penggerak Mula Pada Pembangkit Listrik Skala Kecil

Ginas Alvianingsih, Iwa Garniwa

1. Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus UI, Depok, 16424, Indonesia2. Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus UI, Depok, 16424, Indonesia

Email: [email protected]

Abstrak

Energi listrik telah menjadi kebutuhan mendasar manusia di seluruh dunia termasuk bagi rakyat Indonesia. Namun masih banyak desa-desa di pelosok Indonesia yang belum mendapatkan listrik. Padahal, listrik sangat berpengaruh pada produktivitas suatu wilayah. Permasalahan listrik di daerah tersebut diakibatkan oleh keterbatasan infrastruktur, kelangkaan bahan bakar, dan sulitnya pemeliharaan peralatan pembangkit listrik berbahan bakar minyak. Mesin Stirling dapat menghasilkan suatu gerak yang dapat dimanfaatkan sebagai penggerak generator untuk membangkitkan listrik dengan input berupa panas. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk merancang dan menganalisis penggunaan mesin Stirling dalam pembangkit listrik skala kecil. Metode yang penulis gunakan yaitu dengan mempelajari dasar teori tentang termodinamika, mesin Stirling dan generator arus searah, melakukan studi literatur tentang pengaplikasian mesin Stirling pada pembangkit energi listrik, dan merancang sistem yang terdiri dari mesin Stirling konfigurasi gamma yang dikopel dengan generator arus searah dan beberapa komponen pendukung. Hasil dari penelitian ini adalah prototype pembangkit listrik skala kecil dengan kecepatan putar maksimum mesin Stirling sebesar 626,8 RPM dan tegangan hubung terbuka maksimum sebesar 2,0304 volt dengan perbedaan suhu masukan sebesar 130,5oC. Implementasi untuk sistem ini memiliki keluaran daya listrik maksimum sebesar 4,6206 mW dengan efisiensi sebesar 0,0036%. Analisis kinerja sistem dapat menjadi acuan pengembangan teknologi selanjutnya.

Kata kunci: Mesin Stirling, Generator, Pembangkit Energi Listrik

Design of a Low-Temperature-Differential Gamma Type Stirling Engine as a Prime Mover for Small Scale of Electrical Power Generation

Abstract

Electrical energy has become the fundamental necessity for human race all over the world, including Indonesia. Unfortunatelly, a lot of rural villages in remote areas in Indonesia have not yet obtained access for electricity. Whereas, electricity is tightly related to the productivity of one area. Electricity unavailability in those areas are caused by lack of infrastructure support, fuel scarcity, and the complication of diesel generator maintenance. Stirling engines produce a mechanical movement which can be wielded as a prime mover of generator to generate electricity using thermal energy as the input. Because of this background, this study aims to design and analyze the Stirling engine usage in small scale electricity generation. The methods used by author in compiling this thesis are theoretical study on thermodynamic, Stirling engine and direct current generator working principles, application of Stirling engines in electrical power generation, and design a system that consists of a Stirling engine gamma configuration that is coupled with a DC generator and several supporting components. The result of this study is a prototype of small scale power plant with a maximum rotational speed of Stirling engine is 626,8 RPM and maximum open circuit voltage is 2,0304 volt with temperature difference of the input is 130,5oC. Implementation of this system has 4.6206 mW maximum power output with efficiency 0.0036%. The analysis of system’s performance can be a reference for further technological development.

Keywords: Stirling Engine, Generator, Electrical Power Generation.

Rancang bangun ..., Ginas Alvianingsih, FT UI, 2016

1. Pendahuluan Energi listrik telah menjadi kebutuhan mendasar manusia di seluruh dunia termasuk

bagi rakyat Indonesia. Berbagai aktivitas manusia telah memanfaatkan energi listrik, mulai

dari sektor industri, bisnis, hingga rumah tangga. Fakta menunjukkan bahwa kebutuhan energi

listrik Indonesia setiap tahun mengalami peningkatan. Hal ini tentunya terjadi seiring

bertambahnya penduduk, peningkatan kesejahteraan, dan pertumbuhan ekonomi.

Diperkirakan proyeksi kebutuhan listrik Indonesia dari tahun 2003 hingga 2020 mengalami

kenaikan sebesar 6,5% per tahunnya [1].

Namun masih banyak desa-desa di pelosok Indonesia yang belum mendapatkan listrik,

sehingga desa-desa tersebut tidak bisa mengembangkan potensi daerahnya dengan leluasa,

padahal banyak sumber daya alam pedesaan yang dapat dimanfaatkan sebagai energi biomasa

untuk membangkitkan listrik. Oleh karena itu untuk memenuhi kebutuhan listrik di Indonesia

secara menyeluruh diperlukan suatu pembangkit listrik skala kecil di pedesaan yang sulit

terjangkau instalasi listrik Perusahaan Listrik Nasional (PLN).

Mesin Stirling merupakan mesin yang dapat mengubah energi panas menjadi energi

mekanik dengan memanfaatkan kompresi dan pemuaian dari gas pada temperatur yang

berbeda. Mesin Stirling dapat dimanfaatkan sebagai penggerak generator untuk

membangkitkan listrik. Mesin Stirling memiliki beberapa keunggulan, antara lain efisiensi

termal yang tinggi, bahan bakar panas yang lebih bervariasi, tidak menimbulkan kebisingan,

dan emisi yang rendah. Atas latar belakang tersebut, penulis akan merancang dan mengkaji

tentang mesin Stirling sebagai penggerak mula bagi pembangkit listrik skala kecil.

2. Tinjauan Teoritis

Mesin Stirling adalah mesin kalor siklus tertutup yang dapat mengkonversi

perbedaan panas menjadi gerak mekanik. Mesin Stirling konfigurasi gamma memiliki 2

buah silinder, satu berisi displacer yang berfungsi sebagai regenerator, dan yang satu lagi

berisi piston, tetapi keduanya terhubung ke piringan yang sama. Displacer dan piston mesin

Stirling bergabung dan membentuk sebuah ruang dengan tekanan yang sama di kedua

silinder. Mesin Stirling konfigurasi gamma low-temperature-differential menghasilkan rasio

kompresi yang lebih rendah sehingga cocok untuk mesin Stirling dengan perbedaan suhu

yang kecil.


Gambar 1. Mesin Stirling konfigurasi gamma Low-temperature-differential [2]

Mesin Stirling bekerja dengan menerapkan hukum Termodinamika melalui siklus

Stirling yang terdiri dari 4 proses sebagai berikut [3]:

1. Kompresi Isotermal

Proses ini terjadi saat displacer berada pada posisi paling bawah, sedangkan piston

berada di posisi tengah. Sebagian besar gas berada di sisi dingin. Gas terkompresi

sehingga piston tertarik dan tekanan naik.

2. Pemanasan Isokhorik

Pada proses ini, piston pada posisi paling bawah. Suhu berubah dari suhu dingin

menjadi suhu panas sehingga tekanan menjadi maksimum. Kemudian piringan tetap

berputar karena adanya momentum.

3. Ekspansi Isotermal

Pada proses ini, displacer berada pada posisi paling atas, sedangkan piston berada

di posisi tengah. Sebagian besar gas berada di sisi panas sehingga gas terekspansi dan

piston terdorong. Pada proses ini terjadi peningkatan volume dan penurunan tekanan.

4. Pendinginan Isokhorik

Pada proses ini, piston pada posisi paling atas dengan tekanan minimum.

Flywheel tetap berputar karena adanya momentum.


Gambar 2. Diagram P-V dan T-s Siklus Stirling [4]

Energi mekanis dari gerakan piston mesin Stirling dan displacer kemudian

dihubungkan ke poros engkol (crankshaft). Mekanisme engkol ini akan mengkonversi

gerakan piston menjadi putaran. Dibutuhkan sebuah penyetabil gerak putar dengan

memanfaatkan momen inersia berupa piringan atau bandul massa yang terpasang secara

seimbang di poros engkol. Piston biasanya paralel dari displacer dan membentuk sudut 90

derajat pada poros engkol.

3. Perancangan

Berikut ini adalah detail dari desain mesin Stirling konfigurasi gamma Low-

temperature-differential menggunakan Solidworks:

A. Silinder Displacer

Silinder ini merupakan tempat bergeraknya displacer. Silinder diplacer dibatasi

oleh plat atas dan plat bawah. Desain silinder displacer ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Desain Silinder Displacer

B. Silinder Piston


Piston daya bergerak melalui silinder ini. Silinder piston diletakkan diatas silinder

displacer dan plat atas. Desain silinder piston ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Desain Silinder Piston

C. Piston Daya

Fluida kerja pada mesin Stirling bekerja pada permukaan piston daya saat proses

kompresi dan ekspansi, menghasilkan daya mekanis yang dikirimkan pada poros

piringan. Piston daya ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Desain Piston Daya

D. Poros Putar


Mekanisme poros putar berfungsi untuk mengubah gerakan translasi menjadi

gerakan rotasi. Piston daya dan displacer masing-masing dihubungkan oleh batang-

batang penghubung ke poros putar.

E. Piringan

Piringan digunakan untuk menjaga putaran mesin tetap stabil. Pada desain ini,

terdapat dua buah piringan, masing-masing untuk piston dan displacer. Desain piringan

piston dan piringan displacer masing-masing ditunjukkan pada Gambar 6 dan Gambar 7.

Gambar 6. Desain Piringan Piston

Gambar 7. Desain Piringan Displacer

F. Batang-Batang Penghubung

Pada mesin Stirling konfigurasi gamma, terdapat batang piston dan batang

displacer yang masing-masing berfungsi untuk menghubungkan piston dan displacer


dengan poros putar. Desain batang piston dan batang displacer masing-masing

ditunjukkan pada Gambar 8 dan Gambar 9.

Gambar 8. Desain Batang Piston

Gambar 9. Desain Batang Displacer

G. Komponen-Komponen Tambahan

Mesin Stirling pada penelitian ini memiliki beberapa komponen tambahan, antara

lain penyangga piringan, tutup pergantian fluida, dan silinder pendingin, yang masing-

masing ditunjukkan pada Gambar 10, 11 dan 12.


Gambar 10. Desain Penyangga Piringan

Gambar 11. Desain Tutup Pergantian Fluida


Gambar 11. Desain Silinder Pendingin

4. Pengujian dan Analisis Dari hasil pengujian, pada Gambar 12 terlihat bahwa semakin besar perbedaan

temperaturnya, maka akan cepat pula putaran mesin Stirling. Oleh karena itu, kecepatan putar

mesin secara tidak langsung juga dipengaruhi oleh konfigurasi mesin.

Gambar 12. Perbedaan Kecepatan Putar Mesin Saat Tidak Berbeban dan Saat Berbeban Sebagai Fungsi Dari Perbedaan Input Suhu

Dari grafik dapat diketahui bahwa setelah dikopel dengan generator, mesin Stirling

akan mengalami penurunan kecepatan putar yang cukup signifikan, karena dibutuhkan torsi

yang lebih besar untuk memutar generator, sehingga untuk daya mekanis yang sama,

kecepatan putar mesin akan menurun. Dari grafik dapat diketahui pula bahwa saat berbeban

kecepatan putar mesin Stirling mengalami penurunan yang cukup signifikan. Hal ini

disebabkan karena adanya reaksi jangkar.

Pleh karena tegangan keluaran generator bergantung pada kecepatan putar mesin

Stirling, maka tegangan hubung terbuka yang dihasilkan generator dipengaruhi pula oleh

perbedaan suhu pada plat atas dan plat bawah mesin Stirling, seperti yang digambarkan pada

Gambar 13.

y = 2.1876x - 57.047 R² = 0.52544

y = 2.0334x - 48.593 R² = 0.08721

y = 1.6722x + 340.93 R² = 0.15251

y = 1.6898x + 93.325 R² = 0.19354

0

100

200

300

400

500

600

700

80 90 100 110 120 130 140

Kec

epat

an P

utar

(RPM

)

Perbedaan Suhu (Celcius)

Perbedaan Kecepatan Putar Mesin Saat Tidak Berbeban dan Saat Berbeban

Resistansi Beban 5,2 Ohm Resistansi Beban 2,6 Ohm Sebelum dikopel dengan generator Setelah dikopel dengan generator


Gambar 13. Pengaruh Perbedaan Suhu Terhadap Tegangan Keluaran

Gambar 14 menunjukkan bahwa daya listrik keluaran sistem berbanding lurus dengan

besarnya perbedaan suhu pada plat atas dan plat bawah mesin Stirling. Dalam kondisi ideal,

daya keluaran generator arus searah seharusnya konstan. Namun, dari hasil percobaan pada

Gambar 14 diketahui bahwa untuk kedua besar resistansi yang berbeda, daya keluaran

generator menunjukkan besaran yang berbeda. Hal ini dikarenakan adanya reaksi jangkar,

sehingga untuk resistansi beban yang besar, nilai daya keluarannya akan semakin kecil.

Resistansi beban yang besar akan menarik arus dari generator yang besar. Arus ini akan

menyebabkan fluks pada jangkar semakin besar dan melawan fluks utama yang dihasilkan

medan stator sehingga putaran generator akan melambat dan daya yang dihasilkan juga akan

semakin kecil.

Gambar 14. Daya Listrik Keluaran Sistem Sebagai Fungsi Dari Perbedaan Temperatur Mesin Stirling

y = 0.0068x + 0.5658 R² = 0.14436

0.75 0.95 1.15 1.35 1.55 1.75 1.95 2.15

90 100 110 120 130 140 150

Tega

ngan

(Vol

t)


Pengaruh Perbedaan Suhu Terhadap Tegangan Keluaran

y = 0.0153x - 0.8049 R² = 0.23283

y = 0.1195x - 12.413 R² = 0.66966

0

1

2

3

4

5

80 90 100 110 120 130 140 150

Day

a (m

W)


Daya Listrik Keluaran Sistem Sebagai Fungsi Dari Perbedaan Temperatur Mesin Stirling

Resistansi Beban 5,2 Ohm



Reaksi jangkar juga menyebabkan tegangan listrik yang dihasilkan lebih kecil seperti

yang terlihat pada Gambar 15 Semakin besar nilai resistansi beban, maka tegangan listrik

keluarannya akan semakin kecil.

Gambar 15. Perbedaan Tegangan Listrik Keluaran Sistem Saat Tidak Berbeban dan Saat Berbeban

Berikut ini adalah grafik yang menggambarkan efisiensi konversi energi termal-

mekanis dan efisiensi sistem keseluruhan saat dilakukan pengujian selama 10 menit..

Gambar 16. Efisiensi Konversi Energi Termal Menjadi Energi Mekanik Sebagai Fungsi Dari Perbedaan

Temperatur Mesin Stirling

y = 0.00083x - 0.03631 R² = 0.43075

y = 0.0024x - 0.1821 R² = 0.42504

y = 0.0074x + 0.4792 R² = 0.17285

0

0.5

1

1.5

2

2.5

80 90 100 110 120 130 140 Tega

ngan

Lis

trik

Kel

uara

n (V

olt)


Perbedaan Tegangan Listrik Keluaran Sistem Saat Tidak Berbeban dan Saat Berbeban



Generator Tanpa Beban

y = 0.5807x + 6.7892 R² = 0.6332

y = 0.7917x - 18.919 R² = 0.08721

30 40 50 60 70 80 90

100

80 90 100 110 120 130 140

Efis

iens

i Sis

tem

(%)


Efisiensi Termal-Mekanik




Gambar 17. Efisiensi Sistem Sebagai Fungsi Dari Perbedaan Temperatur Mesin Stirling

5. Kesimpulan

Desain mesin Stirling pada skripsi ini dapat dikatakan masih belum optimal dan

diperlukan pengembangan lebih lanjut dikarenakan waktu pengujian yang baik hanya

sekitar 10-20 menit awal dan diperlukan perbedaan input suhu yang besar. Dari hasil

pengujian dapat diketahui bahwa:

1. Performansi sistem sangat bergantung pada kondisi displacer dan cara pengkopelan

mesin Stirling dengan generator.

2. Kecepatan putar maksimum mesin Stirling sebesar 626,8 RPM dengan perbedaan

suhu masukan sebesar 131,5oC. Tegangan hubung terbuka maksimum sebesar 2,0304

volt dengan perbedaan suhu masukan sebesar 130,5oC dan kecepatan putar mesin

Stirling sebesar 399,9 RPM.

3. Implementasi untuk sistem ini memiliki keluaran daya listrik maksimum sebesar

4,6206 mW dengan efisiensi sebesar 0,0036%.

4. Untuk menghasilkan performansi sistem hal yang perlu dilakukan antara lain

memperbesar perbandingan antara diameter ruang piston dengan ruang displacer,

sedikit memperbesar massa piringan untuk meningkatkan torsi mesin, menipiskan plat

atas dan plat bawah untuk mempercepat penyaluran panas, mengganti fluida kerja

dengan gas yang memiliki kapasitas panas rendah, mengganti fluida kerja dengan gas

bertekanan, membuat tungku pengapian agar panas dari sumber tidak banyak yang

terbuang, dan memilih generator arus searah yang benar-benar cocok dengan

karakteristrik input mekanik dari mesin Stirling.

Daftar Acuan

y = 0.0001x - 0.0065 R² = 0.4219

y = 0.001x - 0.0992 R² = 0.66966

0.000

0.010

0.020

0.030

0.040

80 90 100 110 120 130 140

Efis

iens

i Sis

tem

(%)


Efisiensi Sistem




[1] Muchlis, Mochamad; Permana, Adhi Darma, Proyeksi Kebutuhan Listrik PLN Tahun 2003 s.d

2020. 2003.

[2] http://diystirlingengine.com/ltd-stirling-engine/.

[3] Abu Sufian, Shahed; Ullah, Muhammad Ahsan; Mazumder, Prasenjit, Design of a Stirling

Engine to Generate Green Energy in Rural Areas of Bangladesh. IEEE 2014. Chittagong:

Department of Electrical and Electronic Engineering, Chittagong University of Engineering

and Technology, Bangladesh.

[4] Muhakiqi, Famdi Alfan, Perancangan Stirling Engine, 2003, Depok: Departemen Teknik

Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.


rancang bangun mesin stirling konfigurasi gamma low

Documents