41 BAB IV PEMBAHASAN 4.1 PERANCANGAN PEMBANGKIT DAYA LISTRIK DENGAN SUHU RENDAH STIRLING ENGINE Mendapatkan output serta perhitungan efisiensi dari low power temperatur stirling engine mengunakan panas kurang dari 100 derajat celcius dalam perancangan ini menganalisa hasil terbaik jika dalam suhu sekitar di ruangan ber AC atau pun di ruangan luar mendapatkan output dan efisiensi yang maksimal. Cara kerja mesin pembangkit listrik stirling enging low power adalah dengan memanfaatkan sifat dasar dari udara yang akan memuai jika di panaskan dan akan menyusut jika di dinginkan. Dengan demikian akan terjadi siklus pemuaian dan penyusutan menekan displacer sehingga akan memutar poros engkol suhu udara yang memuai akan turun tetap akan meningkatkan daya putaran. Dari definisi diatas dapat ditarik kesimpulan bahwa sebuah mesin stirling engine low power dengan panas dibawah suhu 100 derajat akan bekerja jika terdapat perbedaan temperatur. Perbedaan terperatur tersebut mengakibatkan adanya perbedaan dingin dan kemudian dilepaskan sewaktu kembali keruang ekspansi. Kompresi terjadi pada temperatur rendah dan hampir tidak ada energi panas yang hilang. Tenaga yang dihasilkan akibat perbedaan antara pengembangan udara bertemperatur tinggi dan mengkompresi udara bertemperatur rendah, kemudian menekan displacer dan menekan power piston sehingga memutar roda gila. Siklus ini akan berulang secara terus menerus menghasilkan putaran semakin lama putaran semakin cepat seiring perambatan panas pada sisi panas dan memuaikan udara pada displacer putaran ini dimanfaatkan untuk memutar generator sehingga menghasilkan arus listrik dibawah 1 ampere yang dapat dimanfaatkan untuk alat yg berdaya rendah.
42 4.2 SISTEM DAN KOMPONEN Sistem dan komponen yang sangat berpengaruh dalam suatu sistem tertutup mesin stirling pendekatan sistem permasalahan dipandang sebagai sumber pemahaman sistem, pada sistem ini variable status berupa jumlah kalor yang diserap gas dan jumlah energi yang dilepaskan gas mengakibatkan terjadinya aktifitas dalam system tertutup dimana karakteristik mesin stirling sebagai berikut : Pendekatan untuk menjelaskan sistem relevan lingkungan input dan output a. Observer : Adalah penguji perancangan mesin stirling b. Input : Controlable aliran system pendingin uncontrollable, energy panas yang diberikan menyesuaikan dengan lingkungan disekita, magnet untuk membantu putaran akibat tolak menolak kutub c. Purpose : Mengetahui efisiensi mesin stirling d. Output : Putaran pada poros engkol, udara panas, energi listrik low power akibat putaran pada kumparan e. Komponen : Gas, power piston, displacer, carankshaft, kumparan, magnet f. Variable : Jumlah energi panas yang diserap oleh regenerator dan yang dilepaskan dan jumlah energi magnet yang tolak menolak 4.3 PROSES PERANCANGAN ALAT Adalah merancang sebuah pembangkit listrik stirling engine low power dengan magnet permanen untuk membantu daya dari displacer mengetahui output serta efisiensi pembangkit listrik low power digunakan sebagi charger. Perancangan menggunakan gambar 2D dan 3D menggunakan apikasi gambar Solid work. 4.3.1 Proses Perancangan Pembangkit Daya dengan Sumber Tenaga Stirling Engine Proses mulai dari ide perancangan pembangkit daya dengan sumber tenaga magnet stirling engine yaitu membuat pembangkit daya yang ramah lingkungan memanfaatkan energi terbarukan dari energi panas. Energi panas banyak dilingkungan kita yang dapat dimanfaatkan bahkan dari secangkir kopi panas.
43 Energi panas yang terbuang dimanfaatkan menjadi energi gerak mekanik dan energi gerak mekanik tersebut dirubah menjadi energi listrik adalah merupakan ide utama penulis ingin sampaikan. Mulai dari mengumpulkan data, studi literatur baik dari jurnal, karya tulis, internet yang berkaitan dengan Stirling engine, kemudian setelah data terkumpul selanjutnya mencari referensi tentang alat alat yang dibutuhkan apakah ada dipasaran atau kita dapat membuat sendiri. Adapun alat-alat yang diperlukan seperti pelat stailess steel, piston, displacer, poros engkol, generator magnet DC. 4.3.2 Tahapan Konfigurasi dan layout mesin Pada dasarnya perancangan Low deferential temperatur stirling engine masih mengacu pada stirling LDT yang asli hanya dengan memodifikasi menggunakan pada penguatan magnet pada displacer dimana prinsif kerjanya menguatkan perbedaan tekanan akibat perbedaan suhu sedangkan magnet dengan kutub yang sama akan saling tolak menolak menguatkan tekanan pada displacer sehingga torsi yang dihasilkan akan menekan torak dan meneruskan pada poros engkol sehingga memutar roda gigi dan memutar elektro motor menghasilkan energy listrik yang digunakan sebagai pengisi daya (charger). Gambar 4.3 Housing LTD stirling engine
44 Gambar 4.3 menunjukan housing menggunakan material stainless steel tebal 1 mm dengan tujuan agar penyerapan panas tersimpan sehingga perbedaan panas pada sisi panas dan dingin terjaga. 4.3.3 Komponen pemanas Sumber panas yang digunakan untuk menghasilkan energi yaitu dari panas gelas/cangkir kopi dan alat pembangkit listrik low power stirling engine dengan penguat magnet digunakan sebagai alas cangkir kopi sehingga panas merupakan konduksi atau hantaran pada plat yang memanaskan gas/udara pada ruang diplacer dan udara yang mengembang akan menekan displacer dan menggerakan piston, piston menggerakan poros engkol dan terjadi siklus yang berulang Gambar 4.4 Pelat penutup
45 Gambar 4.5 Housing 4.3.4 Penghitungan Jumlah Panas Panas yang di gunakan sebagai sumber energi adalah panas dari cangkir kopi dan merambat melalui pelat kemudian memuaikan udara di ruang displacer proses pemanasan ini merupakan proses konveksi panas dipindahkan oleh molekul-molekul yang bergerak (mengalir), oleh karena adanya dorongan bergerak disini kecepatan gerakan (aliran) memegang peranan penting konveksi hanya terjadi pada fluida atau gas, dalam hal ini digunakan koefisien muai tekanan (γv), yaitu bilangan yang menyatakan pertambahan tekanan gas tiap satu satuan tekanan jika suhunya naik 1 o C dengan volume tetap. Q = h x A x (T 2 T 1) (4.1) h = koefisien perpindahan panas suatu lapisan fluida. W/m 2 K Q = panas yang dipindahkan W A = luas perpindahan panas m 2 Dalam melaksanakan operasi perpindahan panas, perlu diperhitungkan : jumlah panas yang dipindahkan (q) perbedaan suhu (T) tahanan terhadap perpindahan panas (R).
46 Q = h x A x ( T 2 T 1) 100 = h x 28,26 x (85 27) h = 100 0 C 273,15 28,26 x (85 0 C 27 0 C) = 100 0 C 273,15 28,26 x (58 0 C 273,15 0 ) h = 0,0285 W/m 2 K Persamaan utama yg menghubungkan besaran besaran diatas adalah : q = A x (T2 T1) / R = U x A x (T2 T1) (4.2) q = jumlah panas yang dipindahkan R = tahanan terhadap perpindahan panas U = 1/R = Koefisien perpindahan panas keseluruhan, gabungan antara konduksi dan konveksi (k.w / m2. C ) q = 28,26 x (85 0 C 27 0 C) = 6080.139 W Harga U atau R tergantung pada : a. Jenis zat (daya hantar) b. Kecepatan aliran c. Ada tidaknya kerak Pada gas dalam ruang tertutup, perbandingan volume gas dengan suhu (Kelvin) dan perbandingan antara tekanan gas dengan suhu (Kelvin) merupakan bilangan tetap. 4.3.5 Torsi Momen atau disebut juga torsi dalam konsep fisika secara non formal dianggap sebagai gaya rotasional (berputar). Analogi dari rotasi gaya, masa dan percepatan adalah torsi, momen inersia dan percepatan angular. Gaya yang bekerja dikali dengan jarak titik tengah benda adalah torsi. Sebagai contoh gaya dari 2 newton yang bekerja sepanjang dua meter dari titik center mengeluarkan torsi yang sama dengan satu newton yang bekerja di sepanjang 4 meter dari titik center. Hal ini menandakan bahwa gaya dalam sebuah sudut pada sudut yang
47 tepat terhadap level lurus secara singkat bisa diartikan bahwa torsi segabai perkalian silang gaya dengan jarak secara besaran vector ( Surya, 2004). Gambar 4.6 Perhitungan gaya F = gaya yang bekerja a = jarak torak b = jarak poros engkol dimana r adalah vector dari axis putaran ke titik dimana gaya bekerja (F) disebut vector gaya : Torque = F. b sin ϴ - F b 2 sin ϴ. cos ϴ a 2. b 2. Sin ϴ 2 Torque = 1 x 1 sin 35 1 x 1 2 sin 35 x cos 35 3 2. 1 2. Sin 35 2 = 0,57 x0,819 5,16 = 0,2055 N
48 4.3.6 Power piston Power piston mirip dengan piston yang berada di mesin pembakaran internal piston berfungsi untuk mengirimkan daya yang diciptakan oleh tekanan yang bekerja pada displacer piston ke poros engkol dari mesin piston mendorong dengan cincin piston untuk menjaga tekanan diferensial yang diperlukan di seluruh piston. Kriteria desain untuk piston adalah ringan dan seimbang sempurna (ini adalah sebenarnya dicapai dengan menyeimbangkan crankshaft), serta dibuat dari bahan cocok untuk digunakan pada suhu desain. Dalam beberapa kasus ekspansi termal harus dianggap di mana piston bahwa piston mengembang ke titik merebut dalam silinder. Cincin piston bisa dibuat dari logam, karet atau bahan lain yang cocok. Mereka harus mampu meredam terhadap perbedaan tekanan desain, yang biasanya cukup rendah untuk Mesin Stirling. Dalam kebanyakan kasus beberapa bentuk pelumas digunakan untuk mencegah gesekan berlebihan antara dinding silinder dan cincin piston, meskipun perawatan harus dilakukan untuk memastikan bahwa sistem pelumasan berfungsi. 4.3.7 Poros Engkol Umumnya poros engkol (crankshaft) seperti yang ditemukan dalam mesin pembakaran dalam. Ini adalah poros berputar dengan engkol diimbangi dimana piston daya terpasang melalui batang penghubung atau con-rod. Panjang engkol menentukan stroke kekuatan piston. Semua tenaga yang dihasilkan mesin harus ditransfer ke poros engkol (crankshaft) melalui tekanan yang bekerja pada piston. Gambar 4.7 Poros engkol
49 4.4 GENERATOR DC Generator magnet adalah alat untuk mengubah energi gerak mekanik menjadi energi listrik. Pada generator DC magnet medan disebut startor sedangkan bagian kumparan yang berputar disebut rotor. Generator DC pada perancangan pengisi daya menggunakan energi magnet stirling engine di manfaatkan sebagai pembangkit listrik memanfaatkan energi gerak dari mesin stirling. Dalam hal ini generator yang di gunakan adalah generator yang ada di pasaran dengan spesifikasi D/V 12,0 RF 500TB14415 4.5 GAYA Panas yang merambat melalui pelat kemudian memanaskan udara sehingga udara berkembang dan mengkompresi displacer sehingga displacer bergerak karena gaya tekan udara. Hal ini merupakan perubahan energi panas menjadi energi mekanik menimbulkan gaya (F). Gaya dalam ilmu fisika adalah sesuatu yang dapat menyebabkan benda yang mempunyai massa mengalami percepatan memiliki besaran dan arah yang merupakan besaran vector gaya. Satuan yang digunakan dalam mengukur suatu gaya adalah Newton (N). Hukum kedua newton menyatakan bahwa sebuah benda dengan massa yang konstan akan dipercepatsebanding dengangaya berat yang bekerja pada benda tersebut dan berbanding terbalik dengan massanya (Surya,2004). F = m x a Dimana gaya Netto yang bekerja pada sebuah benda sebanding dengan laju perubahan momentum yang dialaminya. Mdv/d Dalam ilmu fisika kecenderungan dalam mengukur suatu momentum energi dan tekanan namun yang ada di masyarakat lebih dikenal dengan gaya walaupun sebenarnya gaya tidak dapat diukur secara langsung kita ambil suatu contoh ketika kita menyentuh kulit berapa gaya yang disebabkan oleh sentuhan tersebut sebenarnya yang diukur bukanlah gaya lebih yang diukur adalah tekanan, contoh lain ukuran neraca pegas
50 mengukur ketegangan pegas bukan gaya yang disebabkan oleh pemberat atau pegass tersebul dan lain sebagainya. Dalam hal ini kita mendefinisikan gaya dalam hubungannya dengan percepatan yang dialami benda standar yang diberikan ketika dilingkunagn sesuai. Gaya adalah suatu aksi hasil dari reaksi yang menyebabkan benda bermassa bergerak dipercepatan hasil reaksi mungkin saja diakibatkan oleh angkatan, dorongan atau tarikan. Percepatan benda sebanding dengan penjumlahan vector seluruh gaya yang beraksi pada benda dikenal sebagai gaya resultan (Surya, 2004). Dalam benda yang diperluas gaya mungkin saja menyebabkan perputaran/ rotasi, deformasi atau kenaikan tekanan terhadap benda, efek rotasi dapat ditentukan oleh torsi sementara deformasi dan tekanan ditentukan oleh stress yang diciptakan oleh gaya dimana gaya ini bisa di ciptakan dari hasil pemuaian udara akibat energi panas selain akibat dari aksi energi tarikan, dorongan atau angkatan. Secara matematis gaya netto sama dengan laju perubahan momentum benda dimana gaya beraksi, karena momentum adalah kuantitas vector dimana memiliki besaran dan arah jadi gaya bisa disebut juga kuantitas vector. 4.6 DAYA Yang dimaksud dengan daya yaitu laju energi yang bekerja per satuan waktu sehingga dapat dirumuskan P =W/t Dimana : P W T : Daya : Energi atau kerja : waktu Daya rata-rata adalah energi rata- rata yang dihantarkan persatuan waktu sedangkan daya sesaat adalah batasan rata - rata ketika dalam selang waktu Δt mendekati nilai nol jika laju transfer energi tetap karena pemanasan dalam ruang tertutup, maka pada gas dalam ruang tertutup, perbandingan volume gas dengan suhu
51 (Kelvin) dan perbandingan antara tekanan gas dengan suhu (Kelvin) merupakan bilangan tetap namun pemanasan bebas maka volume, suhu dan tekanan gas berubah secara hukum Boyle - Gay lussac. 4.3 Dari penerapan rumus (4.3) jika dimasukan nilai nilai pada perancangan alat maka : V = 3,14 x r 2 x t = 3,14 x 5 2 x 1 = 78,5 cm 2 Maka : V1P1 = V2P2 T1 T2 78,5 x 1 = 78,5 x P2 80 28 0,98 = 78,5 x P2 28 P2 x 0,98 = 78,5 28 P2 = 2,8/ 0,98 P2 = 2,8 atm
52 4.7 MENENTUKAN KECEPATAN PULI Puli dipasang pada poros utama yang berputar dan puli no 2 dipasang pada generator dihubungkan dengan karet sabuk untuk memutar generator sehingga generator menghasilkan energi listrik dalam hal ini perhitungan puli dan kecepatan putaran sebagai berikut : Pulley 1 = 10 mm n1 = 15 rpm Pulley 2 = 12 mm n2 =? rpm Slip = 2% 5 mm d1 d2 = n2 n1 n2 = d1 n1 d2 x 2% n2 = 12 15 x 0.98 10 n2 = 17,64 rpm 4.8 UJI COBA ALAT Pengujian alat ini dilakukan dengan meletakan alat pada sumber panas segelas air yang telah di didihkan hingga mencapai suhu yang diinginkan 100 0 C pada sebuah gelas kemudian alat diletakan di atas gelas tersebut diamkan beberapa saat sehingga panas merambat melalui plat bawah. Setelah panas merambat kurang lebih 1 menit maka akan memuaikan udara didalam ruang sisi panas dan menekan displacer, displacer akan bergerak menekan udara di sisi dingin dan menggerakan power piston kemudian power piston menekan poros engkol dan mengerakan roda. Roda akan berputar menggerakan puli penggerak yang dihubungkan dengan karet ke puli penggerak pada generator akibat
53 gerak putar tadi maka generator akan membangkitkan arus yang mana arus tersebut dimanfaatkan sebagai pengisi daya. Empat Tingkat stirling engine : Gambar 4.8 Media sumber panas a. Tingkat Ekspansi Gambar 4.9 Tingkat ekspansi Mulai dengan udara panas yang menyebar pada plat menggerakan power piston keatas akibat pemuaian udara yang menggerakan displacer.
54 Gambar 4.10 Tingkat perpindahan b. Tingkat perpindahan Pergerakan (momentum) roda flywheel menggerakan displacer ke bawah memindahkan udara hangat ke atas dan udara dingin ke akhir selinder. c. Kontraksi Gambar 4.11 Tingkat kontraksi Selanjutnya mayoritas dari udara hangat berhubungan dengan pelat dingin atau disebut juga sisi ruangan dingin dan ber kotraksi menggerser power piston ke bawah.
55 Gambar 4.12 Tingkat Perpindahan d. Momentum roda/flaywheel menggerakan displacer ke atas memindahkan udara dingin kembali kebawah udara panas dari selinder atau disebut juga sisi panas. Dari pergerakan diatas terus berulang pase siklus mengakibatkan perputaran roda yang dihubungkan dengan puli yang di hubungkan dengan karet pada puli generator. Gambar 4.13 Alat yang di simpan pada sumber panas
56 Selama perbedaan sisi pelat panas dan sisi dingin terpaut jauh uji coba dilakukan selama 45 menit maka alat selalu berputar dan putaran diteruskan oleh puli memutar generator menghasilkan energi listrik. Tabel 4.14 hasil pengujian alat dengan suhu udara ber AC No Waktu Suhu sisi panas Suhu sisi dingin Arus listrik Putaran (menit) ( 0 Celcius) ( 0 Celcius) (ma) (rpm) 1. 00.00 98 28 3 30 2. 00.10 96 29,5 3 29,5 3. 00.15 95,5 30.8 2,8 28,7 4. 00.20 95 31,6 2.7 27,8 5. 00.25 94 32,7 2.5 27 6. 00.30 92,8 33 2,3 25,4 7. 00.35 90.9 34,3 2,0 23,8 8. 00.40 89,4 35,9 1,6 20 9. 00.45 87,3 36 0 19