RANCANG BANGUN PEMBANGKIT LISTRIK STIRLING ENGINE GENERATOR MAGNET PERMANEN
TUGAS AKHIR
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Prodi Teknik Elektro Fakultas Sains dan Teknologi
Oleh :
PUZI ULTRA APANDI 11055103285
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SULTAN SYARIF KASIM RIAU PEKANBARU 2015
RANCANG BANGUN PEMBANGKIT LISTRIK STIRLING ENGINE GENERATOR MAGNET PERMANEN PUZI ULTRA APANDI NIM: 11055103285 Tanggal Sidang: 8 Desember 2015 Jurusan Teknik Elektro Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Islam Negeri Sultan Syarif Kasim Riau Jl. SoebrantasNo. 155 Pekanbaru
ABSTRAK Kebutuhan manusia akan energi setiap tahunnya selalu meningkat, hal ini disebabkan pertumbuhan penduduk meningkat. Sudah selayaknya kebutuhan energi yang memanfaatkan energi fosil berganti menjadi energi terbarukan. Sesuai yang diketahui energi fosil kelak akan habis. Salah satu pemanfaatan energi terbarukan yang potensinya sangat besar di Indonesia adalah Stirling engine. Stirling engine bisa memanfaatkan berbagai sumber panas serta bisa ditempatkan didaerah terpencil yang tidak teraliri listrik.Penelitian ini mengunakan perancangan, pengujian dan analisa listrik generator magnet permanen(GMP). Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah eksperimental dengan membuat perancangan alat tersebut. Perancangan yang dibuat adalah pada komponen Stirling engine, sistem pendingin, dan generator listrik. Tipe stirling engine yang dirancang adalah tipe gamma dengan generator magnet permanen. Uji coba alat dilakukan di Lab. Konversi Teknik mesin UIR. Efisiensi tertinggi η= 51,09 %. pada pengujian berbeban generator berpendinginaliran air. Hasil Tegangan Maksimum yang diperoleh adalah0,077 volt pada pengujian beban generator tanpa pendingin aliran air, arus yang dihasilkan 0,465 mA. sedangkan daya yang dihasilkan adalah P= 2,019 watt. Kata Kunci:Generator magnet permanen(GMP),Pendingin aliran air,Stirling engine, Tipe gamma.
vii
DESIGN BASED STIRLING ENGINE POWER GENERATOR PERMANENT MAGNET PUZI ULTRA APANDI Student Number: 11055103285 Date of Final Exam: December 8 th 2015 Department of Electrical Engineering Faculty of Science and Technology State Islamic University of Sultan Syarif Kasim Riau Soebrantas St. Number. 155 Pekanbaru
ABSTRACT The human need for energy is increasing every year, this is due to increased population growth. It is appropriate that utilizes the energy needs fossil energy changed into renewable energy. Corresponding known fossil fuels will eventually run out. One of the utilization of renewable energy is huge potential in Indonesia is the Stirling engine. Stirling engine can utilize a variety of heat sources and can be placed in remote areas that are not electricity. This research uses design, testing and analysis of permanent magnet electric generator (GMP). The method used in this research is to create an experimental design of these tools. The design that was made on components of Stirling engine, cooling system, and an electric generator. Type stirling engine is designed with a gamma-type permanent magnet generator. Experiments conducted at the Lab tool. Mechanical engineering conversion UIR. The highest efficiency η = 51.09%, the generator load testing cooled water flow. Results obtained maximum voltage is 0.077 volts on the generator load testing without cooling water flow, the resulting current 0.465 mA. while the power produced is P = 2,019 watts. Keywords: permanent magnet generator (GMP), Cooling water flow, Stirling engine, gamma type.
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillahi rabbil’alamin, puji syukur penulis ucapkan kepada ALLAH SWT, yang telah memberi rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat merancang dan membuat pembangkit listrik stirling engine generator magnet permanen. Shalawat dan salam penulis ucapkan kepada Nabi Muhammad SAW, semoga kita diberi syafaat di Yaumil Akhir nanti. Amin. Penulisan Laporan Tugas Akhir ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Elektro S1 Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Islam Negeri Sultan Syarif Kasim Riau. Laporan Tugas Akhir ini disusun berdasarkan hasil analisa perancangan dan pembuatan pembangit listrik Stirling Engine dengan judul “Rancang Bangun Pembangkit Listrik Stirling Engine Generator Magnet Permanen”, dan ditambah dengan literatur yang berhubungan dengan bahan tersebut. Penulis menyadari bahwa tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, dari masa perkuliahan sampai pada penyusunan Laporan Tugas Akhir, sangatlah sulit bagi penulis untuk menyelesaikannya. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Prof. Dr. H. Munzir Hitami, MA, selaku Rektor Universitas Islam Sultan Syarif Kasim Riau. 2. Bapak Drs. Hartono, M.Pd., sebagai Dekan Fakultas Sains dan Teknologi UIN Suska Riau beserta staf dan jajaran. 3. Bapak Dr. Alex Wenda, ST.,M.Eng., sebagai Ketua Jurusan Teknik Elektro Fakultas Sains dan Teknologi UIN Suska Riau. 4. Ayahanda dan Ibunda tercinta, Sabaruddin dan Hasmar yang telah memberikan semangat, dukungan moril maupun materil kepada penulis dan selalu mendoakan penulis. 5. Uwo Petra Hosanda, Anga Epri Asandi, SE, dan adik Linda Kuspita Dora yang telah memberikan semangat, dukungan moril dan doa kepada penulis serta keluarga besar penulis yang selalu mendoakan penulis.
viii
6. Ibu Zulfatri Aini, ST.,MT., sebagai Dosen Pembimbing yang telah memberikan masukan, saran, motivasi yang bersifat konstruktif selama perkuliahan dan bimbingan dalam menyelesaikan Laporan Tugas Akhir. 7. Ibu Liliana, ST.,M.Eng sebagai Dosen penguji yang telah bersedia meluangkan waktu untuk memberi kritikan dan saran yang bersifat perbaikan dan sangat membangun penulis. 8. Ibu Susi Afriani, ST.,MT sebagai Dosen penguji yang telah bersedia meluangkan waktu untuk memberi kritikan dan saran yang bersifat perbaikan dan sangat membangun penulis. 9. Bapak Eddy Elfiano, MSC sebagai kepala laboratarium Teknik Mesin UIR yang telah memberikan saran beserta memberikan izin untuk melakukan Pengukuran dan peminjaman alat ukur. 10. Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Teknik Elektro yang telah memberikan bimbingan dan curahan ilmu kepada penulis sehingga bisa menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini. 11. Sahabat dan Rekan seperjuangan Abdul Aziz Syar, Fernando Yulius, Alber Fadli Muhammad, koirul andri, Ilham dani, Rian Supriyadi, Puja Setia, Taufiq Mustakim, Findo Lafulga, Rahmad, Ade Wilyani, Zulhendrianto, Mbak Susan, serta temanteman penulis lainnya yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu dalam hal penyediaan alat pengukuran dan memberi dorongan motivasi serta sumbangan pemikiran dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 12. Teman-teman Teknik Elektro dan pihak-pihak lainnya yang telah memberikan bantuan serta semangat kepada penulis hingga menyelesaikan laporan Tugas Akhir. Penulis menyadari masih terdapat kekurangan dalam menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini. Oleh karena itu, penulis membuka diri untuk menerima kritik dan saran yang bersifat membangun dari segala pihak untuk kesempurnaan Skripsi ini agar lebih baik ke depannya, sehingga dapat bermanfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya. Pekanbaru, 8 Desember 2015 Penulis,
Puzi Ultra Apandi ix
DAFTAR ISI Halaman
LEMBAR PERSETUJUAN ..........................................................................................
i
LEMBAR PENGESAHAN ...........................................................................................
ii
LEMBAR HAK ATAS KEKAYAAN INTELEKTUAL ..............................................
iii
LEMBAR PERNYATAAN ...........................................................................................
iv
LEMBAR PERSEMBAHAN.........................................................................................
v
ABSTRAK .....................................................................................................................
vi
ABSTRACT .....................................................................................................................
vii
KATA PENGANTAR....................................................................................................
viii
DAFTAR ISI ..................................................................................................................
x
DAFTAR GAMBAR......................................................................................................
xiv
DAFTAR SIMBOL ........................................................................................................
xvi
DAFTAR TABEL .......................................................................................................... xviii BAB I
PENDAHULUAN ..........................................................................................
I
1.1 Latar Belakang ................................................................................................
I-1
1.2 Rumusan Masalah ...........................................................................................
I-2
1.3 Tujuan Penelitian ............................................................................................
I-2
1.4 Batasan Masalah..............................................................................................
I-2
1.5 Manfaat Penelitian ..........................................................................................
I-3
1.5.1 Manfaat Ilmiah......................................................................................
I-3
1.5.2 Manfaat Terapan ...................................................................................
I-3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................
II
2.1 Penelitian Terkait ............................................................................................ II-1 2.2 Pengertian Stirling Engine .............................................................................. II-2 2.2.1 Sejarah Singkat Stirling Engine ............................................................ II-2 2.2.2 Siklus Stirling Engine Ideal .................................................................. II-3 2.2.3 Siklus Stirling Sebenarnya .................................................................... II-7 2.2.4 Prinsip Kerja Stirling Engine ................................................................ II-8 2.2.5 Jenis Stirling Engine ............................................................................. II-8 2.2.5.1 Berdasarkan Penggunaannya ...................................................... II-8 2.2.5.2 Berdasarkan Konfigurasi Mekanik ............................................. II-9 x
2.2.6 Beberapa Keuntungan dari Stirling Engine .......................................... II-10 2.2.7 Pendekatan Termodinamika Stirling engine ......................................... II-10 2.2.7.1 Berdasarkan Penggunaannya ...................................................... II-10 2.2.7.2 Persamaan-persamaan yang digunakan pada perancangan Stirling engine tipe gamma(γ) menurut teori schmidt........................ II-12 2.2.8 Teori Perpindahan Panas....................................................................... II-15 2.2.8.1 Konduksi ..................................................................................... II-15 2.2.8.2 Konveksi ..................................................................................... II-17 2.2.8.1 Radiasi......................................................................................... II-18 2.3 Pengertian Generator....................................................................................... II-18 2.3.1 Generator Fluks Aksial ......................................................................... II-18 2.3.1.1 Sejarah Perkembangan Mesin Fluks Aksial ............................... II-18 2.3.1.2 Perbedaan Aksial dan Radial ...................................................... II-19 2.3.1.3 Prinsip Kerja Generator Singkron Magnet Permanen Fluks Aksial ................................................................................................. II-20 2.3.2 Bagian Generator .................................................................................. II-21 2.3.3 Persamaan-Persamaan Yang Digunakan Untuk Generator Magnet Permanen ................................................................................................... II-21 BAB III METODE PENELITIAN..............................................................................
III
3.1 Flow chart ....................................................................................................... III-1 3.2 Tahap Perencanaan.......................................................................................... III-2 3.2.1 Perumusan Masalah .............................................................................. III-2 3.2.2 Penentuan Judul .................................................................................... III-2 3.2.3 Penentuan Tujuan.................................................................................. III-2 3.2.4 Studi Pustaka......................................................................................... III-2 3.3 Perencanaan dan Desain Alat.......................................................................... III-2 3.3.1 Model Rancangan Pembangkit Listrik Stirling Engine ........................ III-3 3.3.2 Rancangan Rangkaian Stirling Engine pada Sistem Pembangkit listrik.......................................................................................................... III-3 3.3.3 Komponen Pemanas.............................................................................. III-4 3.3.4 Komponen Generator............................................................................ III-4 3.3.5 Komponen Pendingin............................................................................ III-6 xi
3.3.6 Rangka .................................................................................................. III-7 3.3.7 Piston..................................................................................................... III-7 3.3.8 Power Piston ......................................................................................... III-8 3.3.9 Connecting Rod .................................................................................... III-8 3.3.10 Poros Engkol ....................................................................................... III-9 3.3.11 Rancangan Keseluruhan...................................................................... III-9 3.4 Alat dan Komponen Perancangan................................................................... III-10 3.4.1 Alat........................................................................................................ III-10 3.4.2 Komponen............................................................................................. III-10 3.5 Variabel Penelitian .......................................................................................... III-11 3.5.1 Variabel Bebas ......................................................................................III-11 3.5.2 Variabel Terikat ....................................................................................III-12 3.6 Jenis Pengukuran.............................................................................................III-12 3.6.1 Pengukuran Rotasi Permenit(RPM)......................................................III-12 3.6.2 Pengukuran Tegangan Arus ..................................................................III-12 3.6.3 Pengukuran Tempratur..........................................................................III-12 3.7 Pengujian pembangkit listrik...........................................................................III-12 3.8 Analisa Data ....................................................................................................III-13 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................................
IV
4.1 Pengujian pembangkit listrik Stirling engine.................................................. IV-4 4.1.1 Tanpa Beban Generator pendingin aliran air ........................................ IV-4 4.1.2 Tanpa Beban Generator menggunakan Pendingin Aliran Air .............. IV-5 4.1.3 Beban Generator Tanpa pendingin aliran air ........................................ IV-6 4.1.4 Beban Generator Menggunakan pendingin aliran air ........................... IV-7 4.2 Data Hasil Pengujian....................................................................................... IV-8 4.2.1 Pengujian Rotasi Permenit (RPM)........................................................ IV-8 4.2.2 Pengukuran Tegangan........................................................................... IV-9 4.2.3 Pengukuran Temperatur........................................................................ IV-9 4.3 Perhitungan Alat.............................................................................................. IV-9 4.3.1 Perhitungan Tanpa Beban Generator dan tanpa pendingin................... IV-9 4.4 Analisa Secara Umum..................................................................................... IV-7 4.4.1 Analisis Perancangan Termodinamika.................................................. IV-7 xii
4.4.2 Analisis dari Rangkaian percobaan yang dilakukan ............................. IV-7 4.4.3 Analisa Konduktifitas termal ................................................................ IV-8 BAB V PENUTUP ......................................................................................................
V
5.1 Kesimpulan ..................................................................................................... V-1 5.2 Saran................................................................................................................ V-1 DAFTAR PUSTAKA DAFTAR RIWAYAT HIDUP LAMPIRAN
xiii
