PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PANAS MATAHARI DENGAN PENJEJAK PANAS BERBASIS MESIN STIRLING

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 Yogyakarta,15 November 2014

ISSN: 1979-911X

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA PANAS MATAHARI DENGAN PENJEJAK PANAS BERBASIS MESIN STIRLING Syafriyudin1, A.A. Putu.Susatriawan2 1

Jurusan Teknik Elekrto, 2Jurusan Teknik Mesin IST AKPRIND Yogyakarta, [email protected] [email protected] abstrac

Solar energy is very abundant in the earth, such as in indonesia as a tropical country. Where sunshine radiating all time, and it can be a source of potential energi to be developed, one example of the utilization of solar energy to generate electricity use a stirling engine Heat radiation can be utilized on a stirling engine, the use of solar thermal in focus using parabolic reflector coacted with alluminium foil to reflect the heat to heatdriver, reflectors are used to collect the sun’s heat at the focus point on stirling engine,the heat generated is then the used to drive the piston. Stirling engine is already in the coupling with the generaror shaft, and when the piston drive the engine shaft generator will also be drived so that it will generated elevctricity.. The result of research is showed that the stirling engine can drive at tempetarure 137,4oc, with rotation 200 rpm, for 20 second, and can drive generator and producing a dc voltage 15 volt. Key words : solar heat,stirlin engine,temperature, dc voltage. Pendahuluan Krisis energi global yang diprediksi akan berdampak pada penyediaan energi listrik sebab banyak pembangkit listrik di dunia ini menggunakan bahan bakar fosil. Ada banyak solusi yang ditawarkan khususnya untuk pembangkit energi listrik seperti penggunaan energi nuklir, biomassa, hidrogen, solar energy, dan sebagainya. Perkembangan selanjutnya beralih ke sumber-sumber energi yang ramah lingkungan, renewable, murah serta mudah didapatkan yaitu solar energy atau energi matahari. Radiasi sinar matahari dapat juga dimanfaatkan untuk membangkitkan energi listrik pada mesin stirling. Caranya adalah dengan memanfaatkan cahaya matahari yang difokuskan menggunakan pemfokus cahaya matahari yang berbentuk seperti parabola yang diberi pemantul (aluminium foil). Cermin tersebut dimanfaatkan untuk mengumpulkan cahaya matahari pada suatu titik fokus pada mesin stirling. Cahaya matahari yang dikumpulkan akan menghasilkan panas, panas tersebut yang kemudian dimanfaatkan untuk menggerakkan piston pada mesin stirling. Mesin stirling tersebut sebelumnya telah dikopel dengan poros generator. Dengan begitu ketika piston mesin bergerak maka poros generator juga akan bergerak sehingga menghasilkan listrik. Mesin ini diuji dengan udara dan helium sebagai fluida kerja pada kisaran temperature 70010000C dan tekanan 1- 4.5 bar. Output daya dan torsi maksimum yang dihasulkan dari mesin tersebut adalah masing-masing 128.3 W dan 2 Nm, dengan fluida kerja helium pada temperature 10000C dan tekanan 4 bar. Sementara itu, Kang et al membuat dan menguji mesin sirling dengan silinder daya tunggal maupun gandadan udara pada tekanan atmosfer dengan menggunakan pemanas listrik sebagai sumber panas. Hasil penelitian menunjukkan bahwa torsi maksimum, daya poros, efisiensi termal rem diproduksi pada input pemanas 223.2 W.( Kang S.W., Kuo M.Y., Chen J.Y., Lu W.A, 2010). Kinerja berbagai konfigurasi piston mesin stirling tipe gamma pada perbedaan suhu rendah dengan tekanan atmosfer udara dipanaskan oleh kompor gas diselidiki. Prototipe mesin memiliki diameter displacer 218.5 mm, stroke 80 mm serta diameter piston dan stroke masing-masing 98.5 mm dan 110 mm. Daya maksimum yang dapat dihasilkan adalah 5.05 W pada putaran 69 rpm dan torsi maksimum adalah 0.978 Nm pada putaran 45 rpm (Kwankaomeng S. and Burapatthananon K, 2010). Wasana Saputra, 2008, “Rancangan Bangunan Solar Tracking System Untuk Mengoptimalkan Penyerapan Energi Matahari Pada Solar Cell”. Dalam rancangan bangunan sisem pelacak surya ini menggunakan Op-amp dan komparator tegangan (Voltage Comparator). Yang pertama Op-Amp yang dipakai dalam operasi matematik seperti Pejumlah (Adder), Pengurang (Subtractor), Integrator, dan Differensiator yang merupakan rangkaian terintegrasi linier yang memakai tegangan catu yang relatif rendah. dan C-137

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 Yogyakarta,15 November 2014

ISSN: 1979-911X

komparator tegangan (Voltage Comparator) yang digunakan sebagai perbandingan tegangan pada salah satu masukan dengan tegangan pada masukan yang lainnya tanpa menggunakan umpan balik negatif. Untuk itu saat ini dalam pemanfaatan energi cahaya matahari pada piranti mesin stirling masih bersifat konvensional. Guna memaksimalkan penangkapan energi matahari, mesin stirling perlu dikombinasikan dengan teknologi penjejak matahari yang telah dirancang pada penelitian sebelumnya. Uji unjuk kerja mesin stirling tanpa beban diperoleh pada suhu 90 mesin start running dengan kecepatan 180 rpm sedangkan pada uji unjuk kerja mesin striling berbeban pada suhu 98 mesin start running dengan kecepatan 180 rpm. Pada pengambilan data tahap awal didapatkan suhu heat driver mesin stirling mencapai 128 sehingga memungkinkan mesin berputar dengan kecepatan diatas 200 rpm. Kecepatan putaran mesin maksimal dicapai dicapai pada suhu 86,9 dengan kecepatan putar mencapai 482 rpm untuk kondisi uji unjuk kerja mesin stirling tanpa beban sedangkan untuk kondisi uji unjuk kerja mesin stirling berbeban kecepatan putar mesin stirling dicapai pada suhu 162 dengan kecepatan putar 238 rpm (Syafriyudin, 2013). Penjejak matahari dapat mendeteksi arah datangnya cahaya matahari yang kemudian dapat memerintahkan mesin stirling untuk bergerak mengarah perubahan arah cahaya datang matahari sehingga mesin stirling dapat menangkap cahaya matahari lebih maksimal Pelacak matahari(Tracking Solar) adalah perangkat yang mengikuti arah pergerakan matahari yang berputar dari sudut timur ke barat disetiap hari. Fungsi utama dari semua sistem pelacak adalah untuk menyediakan satu atau dua derajat dalam posisi bebasnya dalam suatu gerakan. Pelacak yang digunakan untuk menjaga kolektor Solar panel berorientasi langsung menuju pada titik matahari ketika bergerak melalui langit setiap harinya maka dengan menggunakan pelacak matahari meningkatkan jumlah energi matahari yang diterima oleh kolektor energi matahari dan meningkatkan output energi dari panas atau listrik yang dihasilkan. Pelacak mataharijuga dapat meningkatkan output dari sel matahari (solar cell) sebesar 20-30% yang akan meningkatkan nilai ekonomi pada proyek Solar ini. (Swetansh Mani Shrivastava, 2013). Dari beberapa literature, mesin stirling tipe gamma banyak diterapkan untuk aplikasi dengan sumber panas matahari. Prototipe yang akan dibuat mengadopsi dari rancangan mesin stirling tipe gamma dengan twin power piston (oleh Kang et al, 2010). Model ini memiliki daya output yang lebih besar dibanding model single power piston untuk kapasitas volume yang sama.

Gambar 1. Model mesin stirling gamma Silinder displacer maupun silinder pistonn ya dibuat dari pipa stainless steel yang ada dipasaran sedangkan displacer dan silindernya dibuat dari aluminium untuk meminimalkan beban serta connectimg rodnya dari stainless steel. Mesin stirling ini digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik yang berasal dari panas matahari yang dikumpulkan oleh konsentrator parabola yang di disain dengan lapisan aluminium foil untuk mendapatkan panas yang maksimal.

C-138

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 Yogyakarta,15 November 2014

ISSN: 1979-911X

METODE PENELITIAN Rancangan Reflektor Tipe kolektor surya yang digunakan dalam penelitian ini yaitu concentrating collectors dengan jenis point focus. Tipe ini menggunakan kolektor surya berbentuk parabola dengan reflektor menggunakan steinless stell. Perancangan ini meliputi perancangan fungsional dan perancangan struktural. Perancangan fungsional untuk menentukan fungsi komponen dari reflektor sedangkan perancangan struktural untuk menentukan cara setting disc parabola serta bentuk dan tata letak desain steiless stell pada reflektor parabola. Dalam perancangan ini menggunakan satu set parabola yang berdiameter 3 m, yang terdiri dari 18 bagian yang masih belum di set menjadi satu. Masing-masing lembaran tersebut berukuran 150,12 cm. Pada dasarnya bagian reflektor terdiri dari dua jenis yang memiliki fungsi berbeda yaitu parabola sebagai reflektor atau sebagai tempat refleksi radiasi cahaya matahari dan aluminium foil sebagai alat refleksi radiasi cahaya matahari. Seperti terlihat pada gambar 2 kedudukan mesin stirling tepat berada di tengah titik fokus pada parabola . Sehingga titik panas tertinggi yang di dapat oleh heat driver dapat maksimal.

Gambar 2 Desain konsentrator parabola dan mesin stirling

Tracking solar. Passive traking (pelacak pasif) didasarkan pada ekspansi termal. Biasanya pelacak ini terdiri dari beberapa actuator yang bekerja melawan satu sama lainnya dengan pencahayaan yang sama dan seimbang. Dengan pencahayaan differensial actuator, memberikan umbalaced force yang digunakan untuk orientasi aparatur dalam arah seperti terdapatnya pencahayaan pada actuator dan keseimbangan pulihnya force. Passive penjejak matahari, dibandingkan dengan active tracking, yang kurang kompleks, namun bekerja dalam efisiensi yang rendah dan pada saat titik suhu rendah akan berhenti bekerja. Pada pengujian yang telah ditunjukan bahwa passive tracking merupakan sistem berbasis elektrik dalam kemampuan kinerjanya. Pada desain passive tracking yang digunakan adalah menggabungkan dua actuator horizontal dan actuator vertikal yang diposisikan pada bidang vertikal dari bingkai parabola pada kedua sisi sumbu horizontal pusat. posisi panas tertinggi yang yang di tangkap oleh heat driver pada mesin srtiling akan memberikan sinyal pada motor actuator untuk bergerak pada posisi gerak vertikal dan horizontal, dengan memberikan titik strip jauh dari matahari yang menyerap radiasi matahari dengan strip teduh lainnya dengan cara yang mirip diperlihatkan pada ilustrasi Gambar 3 untuk mencegah osilasi atau terlalu lamban merespon, yang memiliki sistem redaman terkait dengan pelacak matahari. Pada ilustri gambar diatas dari defleksi strip bimetal akibat efek radiasi termal (dalam mm) dan waktu yang dibutuhkan untuk pelacak matahari mengorientasikan pergerakan dari arah west-east. Dengan adanya rancangan pelacak matahari yang dapat memiliki potensi untuk meningkatkan efisiensi sel matahari atau solar cell hingga 23%. C-139

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 Yogyakarta,15 November 2014

ISSN: 1979-911X

Gambar 3. Passive tracking PEMBAHASAN Dalam pengamatan panas matahari pada parabola dengan penjejak panas matahari dapat dlihat bahwa arah pergerakan parabola selalu mendekati ke titik panas yang berada pada heat driver pada mesin stirling sehingga kalor panas yang di dapatkan bisa optimum, gangguan cuaca seperti mendung dan angin yang kencang dengan kecepatan 2 – 6 m/det dapat mengganggu kalor panas yang di tangkap oleh heat driver , seperti pada saat pengambilan data pada hari kedua kondisi cuaca kurang mendukung karena banyaknya awan yang dapat menutupi sinar matahari langsung ke parabola sehingga pada jam –jam tertentu panas tidak dapat maksimal, panas terendah di dapat pada tem[eratur 84oc, sedangkan panas tertinggi didapat pada temperatur 137,4o c pada kecepatan angin 2,46 m/dt. Tabel 1. Data pengambilan panas pada hari 2, Kamis, 4 September 2014 Waktu Suhu Heat Driver Kecepatan Suhu Pengukuran (Ts) Angin Lingkungan (time) (M/S) (0C) 11,22

95,3

2,6

30,8

11,24

103,9

1,14

30,8

97,1

1,3

30,2

11,28

94,8

0

31,7

12,52

82,5

0,9

31,5

12,54

80,6

1,08

32

12,58

85,4

2,65

30,2

13,00

92,1

0,31

31

13,02

104

1,47

30

13,04

105,6

0,92

31,5

13,06 13,08

103,6 97,3

0,92 0,33

31,4 31,8

13,10

106,3

0,92

31

13,12

108,2

2,26

29,7

13,14

106

1,47

30,3

13,16

93,6

3,76

29,3

13,26

84,1

0,32

30,2

13,28

108,7

1,01

31,1

11,26

C-140

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 Yogyakarta,15 November 2014

ISSN: 1979-911X

13,30

87,4

0

32,5

13,36

111,1

0

33,1

13,38

112,3

0

30,6

13,40

112,5

2,46

29,7

13,46

121

3,02

31,5

13,48

105,8

0,93

33,4

13,50

91,3

1,48

38,1

13,52

115

0

37,9

13,54

127,2

0

36,5

13,56

137,4

0,93

33,2

13,58 14,00 14,02

102,4 87,7 75,8

0 1,47 1,26

35,5 33,5 33,5

Gambar 4. Grafik hasil pengujian panas pada heat driver mesin stirling C-141

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 Yogyakarta,15 November 2014

ISSN: 1979-911X

Tabel 2. Data kecepatan mesin stirling pada saat berputar Suhu 137,4

Kecepatan Generator 200 rpm

Lama Mesin Bekerja 20 detik

Waktu Saat Mesin Kerja 13.56

Hari ke 2

Dari hasil pengujian di dapatkan data bahwa suhu tertinggi berada pada 137,4 Oc, dan suhu rata-rata adalah 86,6O C, kecepatan angin dapat mempengaruhi kalor panas yang di tangkap oleh reflektor sehingga pada saat angin berhembus kencang maka panas yang didapat oleh heat driver akan turun, panas tertinggi yang didapat pada heat driver adalah 137,4 O C, mampu menggerakkan mesin stirling dalam waktu 20 detik, dan mampu memutar generator DC dengan kecepatan 200 rpm dan menghasilkan tegangan 15 volt dc . KESIMPULAN. 1. Penjejak panas matahari dapat membantu mengoptimalkan panas yang di tangkap oleh reflektor 2. Kecepatan angin sangat mempengaruhi kalor panas yang di tangkap oleh reflektor sehinga panas yang di terima oleh heat driver menjadi turun 3. Panas tertinggi pada suhu 137,4 O C, dapat mengerakkan mesin stirling dengan kecepatan 200 rpm selama 20 detik. 4. Generator yang dikopel langsung dengan mesin stirling dapat berputar pada saat mesin stirling berputar pada kecepatan 200 rpm dan menghasilkan tegangan dc sebesar 15 volt tanpa beban. DAFTAR PUSTAKA Asnaghi S., Ladjevardi S.M., Izadkhast P.S., Kashani A.H., 2012 Thermodynamics Performance Analysis of Solar Stirling Engine, ISRN Renewable Energy, icle ID 321923 . Cronenberg G, 2005, “The Stirling Engine” Uppsala Univeristy, Swedia. Craig. 2010. “Renewable Energy Facts and Fantasies”. Clean Energy Press ISBN 0615388353, United States of America. Cinar C and Karabulut H, 2005 Manufacturing and Testing of Gamma Type Stirling Engine, Renewable Energy, 30, 57-66 Chen C.L., Ho C.E., Yau H.T., 2012., Performance Analysis and Optimization of a Solar Power Stirling Engine With Heat Transfer Considerations, Energies 5, 3573-3585 Incropera F.P., DeWitt D, 1996,”Fundamental of Heat and Mass Transfers, 4th Ed., John Wiley & Sons, USA Kang S.W., Kuo M.Y., Chen J.Y., Lu W.A., 2010., Fabrication and Test of Gamma Type Stirling Engine, International Conference on Energy and Sustainable Development, June 2-4, Thailand. Kongtragool B, Wongwises S, 2007., Performance of Low Temperature Differential Stirling Engine, Renewable Energy 32, 547-566 Kwankaomeng S. and Burapatthananon K., 2010 Development of Gamma Type Stirling Engine with Double Power Piston, The International Conference of the Thai Society of Agricultural Engineering, April 4-5, Chiangmai,Thailand. Kang S.W., Kuo M.Y., Chen J.Y., Lu W.A., 2010,”Fabrication and Test of Gamma-Type Stirling Engine, Internationa Conferences on Energy and Sustainable Development, 2010, Thailand Syafriyudin, dkk, 2013, “ Pembangkit listrik tenaga panas matahari berbasis mesin stirling untuk skala rumah tangga, Jurnal Teknologi volume 6 no.2 Desember 2013, IST AKPRIND Yogyakarta.

C-142