PENJEJAK RADIASI MATAHARI MENGGUNAKAN ALGORITMA PLATAFORMA SOLAR DE ALMERYA (PSA) UNTUK MENGGERAKAN STIRLING ENGINE
Oleh Agus Budi Setiawan NIM: 612009024
Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
Juli 2015
INTISARI
Pada skripsi ini, saya akan menyajikan suatu desain sistem alternatif untuk menghemat penggunaan sumber alam tak terbaharukan sebagai energi listrik di Indonesia. Hal tersebut dapat dilakukan dengan memanfaatkan energi panas dari sinar matahari yang sangat melimpah di Indonesia. Energi panas diubah menjadi energi listrik melalui sistem pengubah energi sehingga mampu menyediakan kebutuhan daya listrik. Sistem pengubah energi yang akan dirancang terdiri dari Concentrated Solar Power (CSP) yang mampu mengumpulkan energi panas dan kemudian diubah menjadi energi mekanik menggunakan Stirling Engine. CSP yang akan dibuat diharapkan mampu mengumpulkan energi panas dengan suhu mencapai 200℃ bahkan lebih. CSP ini dirancang menggunakan desain parabola dan memiliki sistem pengikut matahari. Sistem pengikut matahari ini memiliki alat penggerak berdasarkan 2 buah sumbu, yaitu horisontal dan vertikal. Algoritma yang digunakan untuk menentukan posisi arah matahari adalah algoritma Plataforma Solar de Almerýa. Algoritma ini dikelola oleh mikrokontroler sehingga posisi matahari dapat diketahui. Sedangkan Stirling Engine adalah sebuah mesin yang memanfaatkan sumber panas dari luar untuk menghasilkan energi mekanik yang bekerja sesuai dengan siklus termodinamika. Energi mekanik yang dihasilkan tersebut akan diubah menjadi energi listrik melalui generator listrik. Tipe Stirling Engine yang akan dibuat adalah tipe gamma, karena tipe ini memiliki desain lebih mudah dibandingkan dari tipe-tipe yang lainnya. Hasil pengujian menunjukkan bahwa sistem ini memiliki efisiensi panas tertinggi sebesar 37,7% dan daya puncak sebesar 6 mili-Watt.
i
ABSTRACT
In this thesis, I will present an alternative system design to convert nonrenewable natural resources into electric energy in Indonesia. This can be done by utilizing the heat energy of sunlight that is abudant over Indonesia. Heat energy is converted into electrical energy through energy conversion systems whict in turns, capable of providing electrical power needs. Energy conversion system to be designed consists of Concentrated Solar Power (CSP) that is able to collect the heat energy and then converted into mechanical energy using Stirling Engine. CSP that will be created are expected to collect heat energy with the temperature up to 200℃ or even more. This CSP is designed using parabolic design and has a solar tracking system. The solar tracking system has an actuator based on 2 axes, namely horizontal and vertical. Algorithm used to determine the position of the sun is Plataforma Solar de Almerýa algorithm. This algorithm is managed by microcontroller so that the trajectory of the sun can be traced. Stirling Engine is an engine that utilizes external heat source to produce mechanical energy which works according to the thermodynamic cycle. The resulting mechanical energy is converted into electrical energy through an electric generator. Type of Stirling Engine that will be made is of gamma type, because this type of design is easier than other types. The result shows that this system has the highest thermal efficiency of 37.7% and a peak power of 6 milli-Watts.
ii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus Kristus yang tidak pernah sekali-kali meninggalkan penulis selama menempuh pendidikan sampai sekarang sehingga penulis dapat menyelesaikan perancangan serta penulisan tugas akhir sebagai syarat kelulusan di Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana. Pada kesempatan ini penulis juga hendak mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang baik secara langsung maupun tidak telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini : 1. Tuhan Yesus yang selalu memberikan jalan terbaik sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 2. Papa Antonius Sunto dan mama Lindawati, orang tua luar biasa yang selalu mendukung dan mendoakan penulis dalam segala hal. 3. Bapak Deddy Susilo, S.T.,M.Eng dan Bapak Gunawan Dewantoro, M.Sc.Eng selaku pembimbing I dan pembimbing II, terima kasih atas bimbingan dan saran yang telah diberikan kepada penulis selama mengerjakan skripsi ini. 4. Kakakku Edy dan adikku Christian yang selalu memberikan doa dan semangat sehingga penulis dapat menyelesaikan studinya. 5. Sahabat-sahabatku selama berada di salatiga Fefe, Kevin, Han, Bejo, Vino, Michael, Inka, Tepen, Denis yang selalu menghibur dan memberi saran
serta
masukan
yang
sangat
membantu
penulis
dalam
menyelesaikan studinya. 6. Sahabat-sahabatku di Blora yang walaupun jauh selalu mendukung dalam doa. 7. Keluarga besar R2C yang selalu melakukan riset dan memberikan pengalaman tidak terlupakan selama menginap di lab robot. 8. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK yang memfasilitasi penulis selama belajar di FTEK UKSW.
iii
9. Keluarga besar 2009 sebagai teman seperjuangan yang selalu memberi dukungan kepada penulis. 10. Teman-teman kos, teman-teman tim robot dari universitas lain, temanteman FTEK, teman-teman dari fakultas lain, teman-teman basket, teman-teman futsal, teman-teman DOTA2, dan seterusnya. 11. Berbagai pihak yang tidak dapat dituliskan satu persatu, penulis mengucapkan terima kasih. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata “sempurna”, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran dari pembaca sekalian sehingga skripsi ini dapat berguna bagi kemajuan teknik elektronika.
Salatiga, Juli 2015
Penulis
iv
DAFTAR ISI INTISARI....................................................................................................................... i ABSTRACT .................................................................................................................. ii KATA PENGANTAR ................................................................................................. iii DAFTAR ISI ................................................................................................................. v DAFTAR GAMBAR .................................................................................................. vii DAFTAR TABEL ........................................................................................................ ix BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................. 1 1.1.
Tujuan ............................................................................................................ 1
1.2.
Latar Belakang ............................................................................................... 1
1.3.
Batasan Masalah............................................................................................. 3
1.4.
Sistematika Penulisan .................................................................................... 4
BAB II DASAR TEORI ............................................................................................... 5 2.1.
Algoritma Plataforma Solar de Almerýa (PSA) ............................................ 5
2.1.1
Local Solar Time ( LST ) and Local Time ( LT) ....................................... 6
2.1.2
Local Standard Time Meridian ( LSTM )................................................. 6
2.1.3
Equation of Time ( EOT ) ......................................................................... 6
2.1.4
Time Correction Factor (TC) ................................................................... 7
2.1.5
Local Solar Time (LST) ............................................................................ 7
2.1.6
Hour Angle (HRA).................................................................................... 8
2.1.7
Sudut Deklinasi ( Declination Angle) ...................................................... 8
2.1.8
Sudut Elevasi / Altitude ............................................................................ 9
2.1.9
Sudut Azimuth ........................................................................................ 10
2.2.
Stirling Engine ............................................................................................. 12
2.2.1
Klasifikasi Mesin Stirling( Stirling Engine ) ......................................... 12
2.2.2
Prinsip-prinsip Operasi dari Mesin Stirling ........................................... 14
2.2.3
Diagram PV ( Pressure – Volume) ......................................................... 17
2.2.4
Efisiensi Siklus Stirling .......................................................................... 18
2.2.5
Desain Mesin Stirling............................................................................. 19
v
BAB III PERANCANGAN SISTEM ......................................................................... 21 3.1.
Hardware Sistem ......................................................................................... 21
3.1.1.
Realisasi Hardware Sistem .................................................................... 21
3.1.2.
Arduino Uno .......................................................................................... 22
3.1.3.
Modul Motor Driver ............................................................................... 23
3.1.4.
Modul Rotary Encoder ........................................................................... 24
3.2.
Software Sistem............................................................................................ 25
3.3.
Mekanik Sistem............................................................................................ 26
3.3.1.
Realisasi Solar dish ................................................................................ 26
3.3.2.
Torsi pada motor dengan rantai serta Rotary Encoder........................... 26
3.3.3.
Realisasi Mesin Stirling ......................................................................... 27
3.3.4.
Peletakan Sensor-Sensor dan Desain pada Mesin Stirling..................... 29
3.3.5.
Penggunaan Sensor-Sensor pada Mesin Stirling Stirling ...................... 30
3.4.
Cara Kerja Kesuluruhan Sistem ................................................................... 31
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS ................................................................... 33 4.1.
Pengujian Hardware Sistem ........................................................................ 33
4.1.1.
Modul Arduino Uno ............................................................................... 33
4.1.2.
Modul Motor Driver .............................................................................. 33
4.1.3.
Modul Rotary Encoder ........................................................................... 34
4.2.
Pengujian Software Sistem........................................................................... 36
4.3.
Pengujian Mekanik Sistem........................................................................... 39
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...................................................................... 41 5.1.
Kesimpulan .................................................................................................. 41
5.2.
Saran Pengembangan ................................................................................... 42
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. 43 LAMPIRAN A HASIL DATA PENGUJIAN ALGORITMA PLATAFORMA SOLAR DE ALMERYA (PSA) ..................................................................................... 44 LAMPIRAN B HASIL DATA PENGUJIAN STIRLING ENGINE ........................... 47
vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1. Radiasi Matahari di indonesia dalam satu hari......................................... 2 Gambar 2.1. Flowchart Pengunaan Algoritma PSA ..................................................... 5 Gambar 2.2. Local Standard Time Meridian ................................................................ 6 Gambar 2.3. Waktu Koreksi EoT .................................................................................. 7 Gambar 2.4. Kemiringan sudut perubahan dari titik matahari. ..................................... 8 Gambar 2.5. Sudut Elevasi Pada Matahari.................................................................. 10 Gambar 2.6. Sudut Azimuth ........................................................................................ 10 Gambar 2.7. Mesin Stirling Tipe Alpha. ..................................................................... 12 Gambar 2.8. Mesin Stirling Tipe Beta ........................................................................ 13 Gambar 2.9. Mesin Stirling.Tipe Gamma ................................................................... 13 Gambar 2.10. Mesin Stirling dan komponennya. ....................................................... 14 Gambar 2.11. Diagram Tekanan-Volume dan efisiensi siklus. .................................. 16 Gambar 2.12. Siklus PV pada mesin Stirling .............................................................. 17 Gambar 2.13. Diagram prosedur Mesin panas ............................................................ 18 Gambar 2.14. Mesin berdasarkan Stirling 1815.......................................................... 20 Gambar 3.1. Bentuk Realisasi Seluruh Hardware. ..................................................... 21 Gambar 3.2. Blok diagram sistem kendali Solar Dish. ............................................... 22 Gambar 3.3. Rangkaian Motor Driver. ....................................................................... 23 Gambar 3.4. Rangkaian Rotary Encoder .................................................................... 24 Gambar 3.5. Flowchart Strategi pada Pengikut Matahari........................................... 25 Gambar 3.6. Bentuk Realisasi solar dish .................................................................... 26 Gambar 3.7. a.Bentuk Realisasi Torsi motor terhadap Altitude. ................................. 26 b. Bentuk Realisasi Torsi motor terhadap Azimuth. ............................... 26 Gambar 3.8. Rotary Encoder pada rantai .................................................................... 27 Gambar 3.9. Bentuk Realisasi Mesin Stirling ............................................................. 27 Gambar 3.10. Desain Mesin Stirling serta Sensor – Sensor ....................................... 29 Gambar 4.1. a. Jumlah interupsi terhadap Altitude. .................................................... 36 b. jumlah interupsi terhadap motor Azimuth. ......................................... 36 Gambar 4.2. Grafik Elevasi Pada Matahari Terhadap Waktu.. ................................... 37
vii
Gambar 4.3. Grafik Azimuth Pada Matahari Terhadap Waktu. .................................. 37 Gambar 4.4. Grafik Azimuth Terhadap Elevasi Pada Matahari. ................................. 38 Gambar 4.5. Posisi Awal Pada Solar Dish Menghadap Ke Timur. ............................ 38 Gambar 4.6. Suhu sisi tabung panas dan dingin pada mesin Stirling ......................... 39 Gambar 4.7. Grafik Thermal Eff terhadap waktu pada mesin Stirling........................ 40 Gambar 4.8. Grafik Hasil Daya pada mesin Stirling .................................................. 40
viii
DAFTAR TABEL Tabel 1.1. Intensitas Radiasi Matahari di Indonesia. .................................................... 2 Tabel 3.1. Konfigurasi kegunaan pin Arduino Uno. ................................................... 22 Tabel 4.1. Logika Pada Motor Driver ......................................................................... 34 Tabel 4.2. Jumlah Interupsi pada Motor ..................................................................... 34 Tabel 4.3. Hasil Pengujian Rotary Encoder ................................................................ 35
ix
