i
ANALISIS KELAYAKAN HASIL RANCANGAN
PEMBANGKIT LISTRIK BERBASIS MESIN STIRLING
DENGAN DECISION TREE ANALYSIS SEBAGAI METODE
PEMILIHAN TIPE MESIN
Skripsi
Sebagai Persyaratan Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
NUGROHO E BUDIYANTO
I 0306050
JURUSAN TEKNIK INDUSTRI FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2012
commit to user
ii
LEMBAR PENGESAHAN
ANALISIS KELAYAKAN HASIL RANCANGAN PEMBANGKIT
LISTRIK BERBASIS MESIN STIRLING DENGAN DECISION
TREE ANALYSIS SEBAGAI METODE PEM ILIHAN TIPE MESIN
S K R I P S I
oleh:NUGROHO E BUDIYANTO I 0306050
Dipertahankan di depan Tim Penguji Fakultas Teknik Un iversitas Sebelas Maret Surakarta dan diterima guna memenuhi persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik
Pada Hari : Kam is Tanggal : 7 Juni 2012 Tim Penguji : 1. Roni Zakaria, ST, MT (………) NIP. 19750304 200012 1 006 2. Ilham Priadythama, ST, MT (………) NIP. 19801124 200812 1 002
3. Dr. Ir. Susy Susmartini, MSIE (………) NIP. 19530101 198601 2 001
4. Yuniaristanto, ST, MT (………) NIP. 19750617 200012 1 001
Mengesahkan,
Ketua Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknik,
Dr. Cucuk Nur Rosyidi, ST, MT NIP. 19711104 199903 1 001
iii
SURAT PERNYATAAN
ORISINALITAS KARYA ILMIAH
Saya mahasiswa Jurusan Tekn ik Industri UNS yang bertanda tangan di bawah ini, Nama : Nugroho E Budiyanto
NIM : I 0306050
Judul tugas akhir : Analisis Kelayakan Hasil Rancangan Pembangkit Listrik Berbasis Mes in Stirling Dengan Decis ion Tree Analysis Sebagai Metode Pemilihan Tipe Mes in
menyatakan bahwa Tugas Akhir (TA) atau Skripsi yang saya susun tidak mencontoh atau melakukan plagiat dari karya tulis orang lain. Jika terbukti bahwa Tugas Akhir yang saya susun mencontoh atau melakukan plagiat dari karya orang lain, maka Tugas Akhir yang saya susun tersebut dinyatakan batal dan gelar Sarjana yang saya peroleh dengan sendirinya dibatalkan atau dicabut.
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya dan apabila di kemudian hari terbukti melakukan kebohongan maka saya sanggup menanggung segala konsekuensinya.
Surakarta, 15 Oktober 2012
Nugroho E Budiyanto I 0306050
iv
SURAT PERNYATAAN
PUBLIKASI KARYA ILMIAH
Saya mahasiswa Jurusan Tekn ik Industri UNS yang bertanda tangan di bawah ini, Nama : Nugroho E Budiyanto
NIM : I 0306050
Judul tugas akh ir : Analisis Kelayakan Hasil Rancangan Pembangkit Listrik Berbasis Mes in Stirling Dengan Decis ion Tree Analysis Sebagai Metode Pemilihan Tipe Mes in
Menyatakan bahwa Tugas Akhir (TA) atau Skripsi yang saya susun sebagai syarat lulus Sarjana S1 disusun secara bersama-sama dengan Pembimbing 1 dan Pembimbing 2. Bersamaan dengan syarat pernyataan ini bahwa hasil penelitian dari Tugas Akhir (TA) atau Skripsi yang saya susun bersedia digunakan untuk publikasi dari proceeding, jurnal, atau media penerbit lainnya baik di tingkat nasional maupun internasional sebagaimana mestinya yang merupakan bagian dari publikasi karya ilmiah.
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya.
Surakarta, 15 Oktober 2012
Nugroho E Budiyanto I 0306050
vii
ABSTRAK
NUGROHO E BUDIYANTO, NIM : I 0306050. ANALISIS KELAYAKAN HASIL PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK BERBASIS MESIN STIRLING DENGAN DECISION TREE ANALYSIS SEBAGAI METODE PEMILIHAN TIPE MESIN. Skripsi. Surakarta: Jurusan Teknik Industri, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Juni 2012.
Mesin Stirling merupakan salah satu alternatif sumber energi listrik rumah tangga yang mampu memanfaatkan matahari selain panel surya. Selain panas matahari, mesin stirling dapat menggunakan energi panas panas lain seperti panas bumi, LPG, batu bara, dll. Pada dasarnya Mesin Stirling dapat dibangun dari komponen mesin lain dan dapat dikerjakan di workshop skala mikro.
Mesin Stirling yang dikenal memiliki beberapa tipe mesin yaitu alfa, beta, gamma, dan low temperature displacer (LTD). Untuk mendapatkan pilihan yang tepat diperlukan metode pemilihan agar dapat diakomodasi beberapa variabel penyusun sistem. Metode yang mampu mengakomodasi kriteria yang saling berhubungan yaitu decision tree analysis method. Adjustment dari pakar atau ahli di bidang Mesin Stirling diperlukan untuk mengetahui nilai perkiraan dari masing-masing kriteria terhadap keseluruhan sistem. Prototipe dibuat dengan perbengkelan skala mikro dari hasil estimasi nilai pilihan decision tree analysis. Kemudian prototipe diuji performansi mesin dengan metode pengujian beban pada poros mesin. Hasil yang didapat dari pengujian pembebanan perlu dikomparasikan dengan kompetitor yang setara dimana tersedia dari skala kecil hingga skala besar.
Pengaplikasian sebagai pembangkit listrik dengan menghubungkan Mesin Stirling dengan dinamo yang sesuai spesifikasi mesin yang telah dibuat. Hasil dari penelitian ini selain membuat prototipe, analisis dari kelayakan dari hasil rancangan prototipe Mesin Stirling baik berupa kelemahan dan kelebihan untuk menjadi acuan pengembangan teknologi selanjutnya agar tercapai teknologi Mesin Stirling yang ideal, murah, dan memiliki nilai daya guna tinggi.
Kata kunci : Alternatif sumber listrik, pembangkit listrik, Mesin Stirling,
pembuatan prototipe, kelayakan, decision tree analysis. xv + 57 hal; 17 gambar; 11 tabel
Daftar pustaka : 15 (1994 – 2011)
viii
ABSTRACT
Nugroho E Budiyanto, NIM : I 0306050. FEASIBILITY ANALYSIS OF RESULT STIRLING ENGINE-BASED DESIGN WITH DECISION TREE ANALYSIS AS A METHOD OF SELECTING TYPE OF ENGINE. Scription. Surakarta: Industrial Engineering Department, Faculty of Engineering, Sebelas Maret University, June 2012.
Stirling engine is one of the alternative energy sources that it can use solar energy like solar panels. In addition to solar, stirling engine can use thermal energy such as geothermal heat, LPG, coal, etc.. Basically the Stirling engine can be built from other engine components and can be done at the micro-scale workshop.
Stirling engines are known to have some type of machine that is alpha, beta, gamma, and low temperature displacer (LTD). To get the right choice selection methods are needed method of choosing to accommodate some variables making up the system. The method can accommodate interrelated criteria that decision tree analysis method. Adjustment of an expert or experts in the field of machine Stirling necessary to know the approximate value of each criterion to the overall system. The prototype is made with micro-scale overhaul of the estimated value selection decision tree analysis. Then prototype tested by the method of testing the performance of the machine load on the crankshaft. The results of the load testing needs to be compared with similar competitors which are available from small scale to large scale.
Application as power plants Stirling engine is connected with a dynamo which it’s suited engine specifications have been made. The results of this study in addition to making a prototype, the analysis of the feasibility of the results of the design prototype Stirling engine in the form of weakness and strength to be a reference further technological development in order to achieve an ideal Stirling engine technology, inexpensive, and has a high usability value.
Keywords: alternative source of electricity, power generator, Stirling Engines,
prototyping, feasibility, decision tree analysis.
xv + 57 pages; 17 pictures; 11 table Reference: 15 (1994 – 2011)
v
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat, hidayah serta kekuatan sehingga penulis berhasil menyelesaikan skripsi ini dengan judul “Analisis Kelayakan Hasil Rancangan Pembangkit Listrik Berbasis Mesin Stirling Dengan Decision Tree Analysis Sebagai Metode Pemilihan Tipe Mesin”.
Terwujudnya skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak yang telah mendorong dan membimbing penulis, baik tenaga, ide-ide, maupun pemikiran. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Allah SWT yang selalu dan tidak henti-hentinya melimpahkan segala rahmat, nikmat, anugerah, kesempatan serta ilmu yang berguna sehingga penulis dapat menuntaskan pendidikan kesarjanaan ini dengan baik dan lancar.
2. Bapak Dr. Cucuk Nur Rosyidi, ST, MT selaku Ketua Jurusan Teknik Industri Universitas Sebelas Maret Surakarta.
3. Bapak Roni Zakaria, ST, MT selaku Dosen Pembimbing, terima kasih atas segala bimbingan, bantuan, arahan dan kesabaran Bapak selama penyelesaian Laporan Skripsi ini.
4. Bapak Ilham Priadythama, ST, MT selaku Dosen Pembimbing, terima kasih atas segala bantuan, motivasi, pengertian, kesabaran bapak selama penyelesaian Laporan Skripsi ini.
5. Bapak Yuniaristanto, ST, MT dan Ibu Dr. Ir. Susy Susmartini, MSIE selaku Dosen Penguji, terima kasih atas masukan dan perbaikan untuk Laporan Skripsi ini.
6. Bapak Wakhid A. Jauhari, ST, MT selaku koordinator Tugas Akhir yang telah membantu mempermudah pelaksanaan Skripsi ini.
7. Ibu Retno Wulan Damayanti, ST, MT selaku Pembimbing Akademis, terimakasih atas segala bimbingan, motivasi dan nasehat yang telah ibu sampaikan kepada saya selama di Teknik Industri ini.
vi
8. Mama Kusuma Retnowati (Ibu), Papa Arifin Budiyanto (Bapak), dan Adikku (Listiani Devi Budiyanto) yang selalu memberi dukungan dan do’a yang tak pernah putus sehingga penulis berhasil menyelesaikan Laporan Skripsi ini. Semoga Allah selalu menyayangi kalian.
9. Ricki Hutomo, Mas Eryko Wisnu, Angga Libera, dan segenap teman-teman Jurusan Teknik Industri UNS atas kerjasama dan kebersamaan yang sangat berarti bagi penulis beruntung memiliki sahabat seperti kalian semua, semoga kesuksesan selalu menyertai kita. Amiin.
10. Dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan laporan ini.
Penulis menyadari bahwa laporan ini jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik, masukan dan saran yang membangun untuk penyempurnaan laporan ini. Akhir kata, penulis mengucapkan terima kasih dan semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Surakarta, Oktober 2012
Penulis
ix
DAFTAR ISI
BAB 1 LATAR BELAKANG...…………...………..………..……….... ..I-1
1.1 Latar belakang………...…....I-1 1.2 Perumusan masalah………...I-3 1.3 Tujuan penelitian………..………..………...I-3 1.4 Manfaat penelitian………..….… .I-3 1.5 Batasan penelitian………..………….……… ..I-4 1.6 Asumsi penelitian………..………..………..I-4 1.7 Sistematika penulisan………..………..…………I-4
BAB II LANDASAN TEORI………..……… .…II-1
2.1 Sejarah Penelitian Sebelumnya..………....…………..II-1 2.2 Stirling……….………….………..……..II-2 2.2.1 Siklus Stirling……….…….……….…….…….II-2 2.2.1.1 Fase pertama………..……….…….…….II-3 2.2.1.2 Fase kedua……….….……….….…II-3 2.2.1.3 Fase ketiga………..……….….………II-3 2.2.1.4 Fase keempat………..……….….………II-3 2.2.2 Jen is-jenis mesin stirling………..….….………II-5 2.2.2.1 Alfa stirling………..……….….……..II-5 2.2.2.2 Beta stirling………..……….….……..II-6 2.2.2.3 Gamma stirling………..…………..….………II-6 2.2.2.4 Low temperature displacer……….………..II-7 2.3 Gaya, torsi, dan daya………..……….…..………...II-7 2.3.1 Gaya………..……….….…….………..II-7 2.3.2 Torsi………...……...……….….………...II-9 2.3.3 Daya………..……….…….………...II-9 2.4 Model penelitian………..………...….…….…..II-10 2.5 Decision tree analysis………..………..……….II-15 2.6 Kelayakan fotovoltaik…...………...………..…………II-20 2.6.1 Kombinasi Alat Pendukung………...………….……….II-20 2.6.2 Kebutuhan Sumber Cahaya Matahari………....………..II-21
x
2.6.3 Daya yang Layak Dikembangkan……...………..………..……….II-23
BAB III METODOLOGI PENELITIAN…………...………...III-1
3.1 Metodologi penelitian………..……….………….….III-1 3.1.1 Studi awal penelitian………...………...III-2 3.1.2 Penentuan level tujuan dan kriteria rancangan yang akan dicapai.. ...…..III-3 3.1.3 Pengujian rancangan dan perhitungan biaya………....III-3 3.1.4 Analisis interpretasi hasil rancangan dan kesimpulan rancangan …III-6 3.2 Konversi energi LPG ke tenaga surya………...……….…III-6
BAB IV PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA…...…..……...IV-1
4.1 Identifikasi kebutuhan perancangan………...………IV-1 4.2 Pendekatan prototype………...………….……….IV-7 4.3 Uji coba prototype………...……..……….IV-8 4.4 Daya potensial dalam ruang mesin stirling.………...IV-11 4.5 Skalab ilitas daya gas dalam ruang mesin stirling…………...…….….IV-12 4.6 Harga pokok produksi prototype Stirling tipe gamma……..…….…..IV-14
BAB V ANALISIS KELAYAKAN TEKNOLOGI………….………..……..V-1
5.1 Analisis kejadian dalam pengujian Mesin Stirling………..V-1 5.2 Analisis kelayakan Mesin Stirling sebagai pembangkit listrik…………V-2 5.2.1 Komparasi Mesin Stirling dengan competitor………...V-2 5.2.2 Fisibilitas pembangkit listrik Mesin Stirling yang dirancang………V-4
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN PENELITIAN………VI-1
6.1 Kesimpulan penelitian………VI-1 6.2 Saran penelitian………..VI-1
DAFTAR PUSTAKA
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 a) Diagram p-v dan b) Diagram T-s pada siklus stirling…………..II-2 Gambar 2.2 Mesin stirling tipe alfa………..II-6 Gambar 2.3 Mesin stirling tipe beta……….II-6 Gambar 2.4 Mesin stirling tipe gamma………II-7 Gambar 2.5 Mesin stirling tipe LTD (low temperature displacer)………...II-7 Gambar 2.6 Influence diagram mesin stirling………II-12 Gambar 2.7 Lambang atau simbol dalam decision tree analysis………...II-15 Gambar 2.8 Contoh bentuk sederhana decision tree analysis………II-16 Gambar 2.9 Daya energi sinar matahari pada siklus pergerakan matahari tahunan
………..………...II-20 Gambar 2.10 Grafik efisiensi bahan semikonduktor berdasarkan ketebalan….II-22 Gambar 2.11 Concentrating Photovoltaic………..II-23 Gambar 3.1 Metodologi penelitian……….III-2 Gambar 3.2 Rangkaian lintasan dan katrol uji………III-4 Gambar 4.1 Grafik tarif listrik panel surya dan TDL PLN………...………….IV-2 Gambar 4.2 Biaya kontribusi pemasangan panel surya...………...IV-3 Gambar 5.1 Kondisi kurang idealnya radiator……….V-2 Gambar 5.2 Grafik perbandingan setelah normalisasi volume mesin………….V-3
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 S istem dan komponennya………..II-11 Tabel 2.2 Pandangan sistem Stirling………..II-13 Tabel 2.3 Efisiensi bahan semi-konduktor……….II-21 Tabel 4.1 Perbandingan tarif TDL PLN dengan tarif dasar listrik panel surya..IV-4 Tabel 4.2 Hasil pengujian pembebanan pada mesin gamma stirling 53,11 cc...IV-9 Tabel 4.3 Tabel Daya Gas Dalam Mesin Stirling dengan tekanan Ruang 1
Bar………....IV-13 Tabel 4.4 Tabel Harga Pokok Produksi Mesin Stirling Gamma 53,11cc…….IV-14 Tabel 5.1 Komparasi Mesin Stirling yang dirancang dengan Mesin Stirling m ilik ATMI………...V-3 Tabel 5.2 Komparasi Mesin Stirling yang dirancang dengan Mesin Stirling Surya
prototype milik Amerika……….V-4 Tabel 5.3 Komparasi Mesin Stirling yang dirancang dengan panel surya……..V-5 Tabel 5.4 Komparasi Mesin Stirling biogas yang ideal dengan genset berbahan
bakar bensin………V-7
xiii
DAFTAR ISI
BAB I PENDAHULUAN ... I-1
1.1 Latar Belakang ... I-1 1.2 Perumusan masalah ... I-4 1.3 Tujuan Penelitian ... I-4 1.4 Manfaat Penelitian ... I-5 1.5 Batasan Masalah ... I-5 1.6 Asumsi Penelitian... I-5 1.7 Sistematika Penulisan ... I-6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... II-1
2.1 Deskripsi Jurusan Teknik Industri UNS ... II-1 2.1.1 Visi dan Misi Jurusan Teknik Industri UNS ... II-2 2.1.2 Peraturan Syarat Minimal Kehadiran Mahasiswa ... II-2 2.2 Landasan Teori... II-3
2.2.1 Sistem Informasi Manajemen... II-3 2.2.2 Prototyping Model ... II-6 2.2.3 Data Flow Diagram (DFD) ... II-9 2.2.4 Kamus Data ... II-13 2.2.5 Basis Data ... II-14 2.2.6 Sistem Biometrik... II-17 2.2.7 Biometrik Sidik Jari ... II-22 2.2.8 Perangkat Identifikasi Sidik jari ... II-27 2.2.9 Sistem Terdistribusi ... II-30
2.3 Penelitian Sebelumnya ... II-33
BAB III METODE PENELITIAN ... III-1
3.1 Studi Pendahuluan ...III-2 3.2 Pengumpulan dan Pengolahan Data ...III-3 3.3 Analisis Hasil ...III-6 3.4 Kesimpulan dan Saran ...III-7
BAB IV PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA ... IV-1
4.1 Identifikasi Sistem Awal ... IV-1
xiv
4.1.1 Kerangka Kerja Sistem Awal ... IV-1 4.1.2 Proses Bisnis Sistem Awal ... IV-3 4.1.3 Pemodelan Sistem Awal ... IV-5 4.1.4 Analisis Permasalahan Sistem Awal...IV-16 4.1.5 Identifikasi Kebutuhan Sistem ...IV-18
4.2 Perancangan Sistem Usulan ... IV-20
4.2.1 Proses Bisnis Sistem Usulan ...IV-20 4.2.2 Pemodelan Sistem S istem Usulan ...IV-23
4.3 Pembuatan Prototipe ... IV-34
4.3.1 Perancangan Perangkat Keras dan Perangkat Lunak ...IV-34 4.3.2 Perancangan Database ...IV-39 4.3.3 Perancangan User Interface ...IV-56
BAB V ANALISIS HASIL ... V-1
5.1 Evaluasi Prototipe ...V-1
5.1.1 Evaluasi Pertama ... V-1 5.1.2 Evaluasi Kedua... V-2
5.2 Analisis Sistem Usulan ...V-3 5.3 Analisis Rancangan Program Aplikasi ...V-5 5.4 Rencana Pengembangan Aplikasi ...V-7
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ... VI-1
6.1 Kesimpulan ... VI-1 6.2 Saran ... VI-2
DAFTAR PUSTAKA
I-1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG PENELITIAN
Krisis energi bahan bakar fosil menjadi kendala di seluruh negara. Harga bahan bakar gas dan minyak dunia dimana dari tahun ke tahun selalu mengalami tren kenaikan harga yang cukup signifikan akibat antara penyaluran dan permintaan tidak seimbang. Saat ini sebagian besar pembangkit listrik di Indonesia masih menggunakan bahan bakar fosil yang mengakibatkan negara harus melakukan kenaikan subsidi disamping melakukan kenaikan TDL (Tarif Dasar Listrik) setiap beberapa tahun sekali. Dalam hal ini, teknologi yang dapat memanfaatkan sumber energi terbaharukan apa pun tanpa dibatasi bentuknya telah menawarkan solusi dalam pemenuhan kebutuhan energi listrik. Sebagai contoh teknologi tersebut adalah kincir angin, turbin mikro hidro, fotovoltaik, dll. Di hampir seluruh wilayah Indonesia, tekonologi ramah lingkungan yang tepat dan dominan mampu digunakan adalah alat yang mampu menyerap limpahan energi surya yang berlebih seperti panel surya, sedangkan untuk kincir angin kurang tepat dikarenakan membutuhkan limpahan debit udara yang cukup konstan dan melebihi batas minimal menghasilkan listrik.
Teknologi fotovoltaik yang ramah lingkungan dengan menggunakan panel surya saat ini telah memiliki efisiensi hingga 18,7 % (Siscawati, 2011). Fotovoltaik untuk membangkitkan daya puncak sebesar 85 watt membutuhkan luas panel surya sebesar 0,7 m2 dan beban biaya sebesar Rp 2.800.000,- belum biaya pemasangan (Toko Panelsurya LTC Glodok, 2011). Fotovoltaik memiliki kelebihan dalam tingkat kebisingan yang sangat rendah, tidak menghasilkan emisi CO2, dan dapat langsung dipasang di atap-atap rumah maupun di daerah terpencil.
Adapun kelemahan teknologi fotovoltaik yaitu membutuhkan perangkat inverter untuk mengubah arus DC menjadi arus AC yang sesuai dengan arus listrik alat-alat elektronik rumah tangga.
Sebenarnya teknologi fotovoltaik bukan satu-satunya yang memanfaatkan energi matahari melainkan terdapat teknologi mesin pompa kalor tertutup. Sedikit berbeda dengan fotovoltaik, mesin ini tidak secara langsung menghasilkan energi
I-2
listrik melainkan menghasilkan energi mekanik yang dikonversi menjadi energi listrik melalui sebuah generator dinamo. Mesin-mesin ini bekerja dengan memanfaatkan sifat gas yang dipanaskan akan memuai kemudian saat didinginkan gas akan menyusut volumenya. Salah satu contoh siklus tertutup yang dapat digunakan dalam merancang mesin yang ramah lingkungan Mesin Stirling (Moran dan Shapiro, 2000).
Efisiensi Mesin Stirling secara teoritis mendekati efisiensi Carnot dengan proses isotermal dan isokhorik. Saat ini dalam pengembangan Mesin Stirling untuk kebutuhan produksi massal baru mampu menghasilkan daya terbesar mencapai 3 kilowatt listrik. Mesin-mesin Stirling yang berdaya besar pada umumnya menggunakan volume kecil namun dengan tekanan puluhan bar (Minassian, 2007). Mesin seperti ini harus memiliki teknologi material dan manufaktur yang tinggi. Mesin-mesin ini mulai dikembangkan di Eropa dan Amerika dikarenakan memiliki potensi yang cukup besar layaknya panel solar-sel untuk menghasilkan energi listrik bagi kebutuhan rumah tangga.
Kondisi wilayah Indonesia yang berada di dataran rendah memiliki pancaran sinar matahari yang hampir sepanjang tahun yang intensitas cahayanya sangat melimpah sehingga teknologi Mesin Stirling dengan sumber panas cahaya matahari mampu digunakan semenjak pagi hari hingga sore hari sebelum senja untuk menyediakan sekaligus pengisian listrik yang disimpan dalam sebuah baterai. Namun untuk mewujudkan Mesin Stirling yang layak membutuhkan teknologi produksi yang baik agar bagian-bagian mesin yang dipakai memiliki tingkat durasi dan proses pembuatan yang tinggi. Tidak seperti di luar negeri, tekonologi manufaktur di Indonesia masih relatif rendah dalam pembuatan komponen mesin. Apabila Mesin Stirling ini dikembangkan di Indonesia, proses produksi akan dilakukan pada level rumah tangga dengan beberapa bagian mesin disubstitusi komponen mesin lain. Hal ini memiliki resiko turunnya kinerja mesin akibat tingkat akurasi perakitan yang belum terjamin. Dengan kondisi tersebut masih belum dapat diketahui apakah kelayakan Mesin Stirling dapat dijadikan alternatif pemenuhan energi listrik di Indonesia yang mayoritas berdaya listrik antara 900-2200 watt.
I-3
Dari kedua teknologi tersebut untuk dijadikan alternatif sebagai alat pemenuhan listrik rumah tangga dalam skala 900-2200 watt maka diperlukan analisa kelayakan skala workshop diantara keduanya, baik dari segi bisnis, persyaratan kebutuhan, dan dari segi kemampuannya. Dari segi bisnis maka akan diulas antara biaya kebutuhan teknologi-teknologi tersebut agar dapat berjalan menghasilkan listrik rumah tangga. Kebutuhan dan kemampuan teknologi energi pembangkit listrik ditunjukkan pada efisiensi alat-alat tersebut dalam menyerap energi cahaya matahari hingga mengeluarkan listrik maupun luas lahan yang tersedia bagi konsumen rumah tangga. Dalam memilih diantara beberapa tipe Mesin Stirling, digunakan metodologi decision tree analysis karena metodologi ini dapat memberikan keputusan berdasarkan biaya dan resiko daya yang terbaik dari setiap tipe mesin yang akan dibuat. Metodologi pengambilan keputusan decision tree memiliki kelebihan terhadap metodologi Analytic Hierarchy Proses (AHP) adalah tidak menggunakan prioritas faktor tertentu melainkan seluruh faktor menjadi pendukung untuk menghasilkan hasil akhir.
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Berdasarkan latar belakang tersebut, maka perumusan masalah dalam penelitian ini yaitu bagaimana kelayakan Mesin Stirling untuk pemenuhan kebutuhan energi listrik skala rumah tangga.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Tujuan yang dicapai dalam penelitian, sebagai berikut:
1. Menentukan spesifikasi Mesin Stirling yang sesuai dengan kapabilitas proses di workshop skala mikro.
2. Membuat prototipe Mesin Stirling sesuai spesifikasi yang terbaik. 3. Menguji prototipe Mesin Stirling yang sudah ditentukan spesifikasinya.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Manfaat penelitian yang diharapkan dalam penelitian ini, sebagai berikut: 1. Menjadi masukan dalam mengembangkan alternatif diantara 2 teknologi
pembangkit listrik yang ramah lingkungan bagi rumah tangga di Indonesia.
I-4
2. Memperoleh informasi kelayakan teknologi bagi peneliti-peneliti pengembang rancangan Mesin Stirling maupun panel surya untuk meningkatkan kemampuan teknologi tersebut bagi pemenuhan kebutuhan energi listrik di Indonesia.
1.5 BATASAN PENELITIAN
Agar penelitian lebih fokus, maka batasan penelitian ini, sebagai berikut: 1. Spesifikasi Mesin Stirling menyesuaikan kemampuan workshop skala m ikro. 2. Pengujian dilakukan dalam skala lab dengan sumber energi dari elpiji sebagai
pengganti energi matahari.
1.6 ASUMSI PENELITIAN
Asumsi-asumsi yang digunakan pada rancangan mesin Stirling dengan sumber panas dari arang, sebagai berikut:
1. Perhitungan teoritis mengasumsikan suhu lingkungan konstan. 2. Kebocoran pada mesin tidak terjadi.
3. Tingkat kepakaran responden untuk decision tree sesuai teknologi produksi skala mikro.
1.7 SISTEMATIKA PENULISAN
Penyusunan tugas akhir ini, disusun secara sistematis dan berisi uraian pada setiap bab untuk mempermudah pembahasannya. Adapun dari pokok-pokok permasalahan dalam penelitian ini dapat dibagi menjadi enam bab, seperti dijelaskan di bawah ini.
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini menguraikan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, asumsi dan sistematika penulisan. Bab ini memaparkan konsep penelitian yang dilakukan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini berisi mengenai uraian teori-teori termodinamika, konsep kinerja mesin Stirling, teori kinematika dan dinamika mesin.
I-5
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi uraian tahapan yang dilakukan dalam melakukan penelitian mulai dari identifikasi masalah sampai dengan penarikan kesimpulan.
BAB IV PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA
Menjelaskan proses pengumpulan dan pengolahan data yang diperoleh selama pelaksanaan penelitian, sesuai dengan usulan permasalahan yang diangkat. Pada awal pengolahan dijelaskan alasan pemilihan jenis Mesin Striling dengan menampilkan decision tree analysis pemilihan prototipe berdasarkan beban biaya. Data yang dikumpulkan berupa data daya mesin di poros, besaran kecepatan sudut, dan torsi yang dicapai.
BAB V ANALISIS DAN INTERPRETASI HASIL
Tahap analisis dan interpretasi hasil berisi perbandingan analisa kelayakan Mesin Stirling dengan panel surya berdasarkan kombinasi peralatan yang dibutuhkan, kebutuhan energi matahari untuk membangkitkan listrik, maksimum daya yang dapat dikembangkan, total beban biaya yang dibutuhkan. Dari segi kebutuhan akan diuraikan persyaratan-persyaratan dari masing-masing teknologi baik Mesin Stirling maupun panel surya utnuk berfungsi. Dari segi biaya diuraikan kebutuhan biaya untuk membuat 1(satu) produk hingga berfungsi. Dari segi kemampuan diuraikan berdasarkan dalam suatu ukuran tertentu dari produk tersebut untuk menghasilkan energi listrik dengan pesokan energi surya.
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
Merupakan tahap akhir penyusunan laporan penelitian yang berisikan uraian pencapaian tujuan penelitian yang diperoleh dari analisis pemecahan masalah maupun hasil pengumpulan data serta saran-saran pemilihan teknologi yang layak digunakan untuk kebutuhan energi listrik skala rumah tangga 900-2200 watt.
II-1
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Pada bagian ini pengetahuan mengenai konsep siklus stirling, ilmu termodinamika, konsep listrik magnetis digunakan sebagai landasan teori yang memberikan acuan dalam perancangan mesin gamma stirling berbahan bakar arang (studi awal mesin stirling) pada penelitian.
2.1 SEJARAH PENELITIAN SEBELUMNYA
Pada tanggal 27 September 1816, perwakilan Gereja Skotlandia, Robert Stirling mengajukan permohonan paten untuk economiser di Edinburgh, Skotlandia. Perangkat ini dalam bentuk blok mesin terbalik, dan dimasukkan pergeseran fasa karakteristik antara displacer dan piston yang kita lihat dalam mesin stirling saat ini. Mesin tersebut menampilkan siklus pemanasan dan pendinginan gas internal dengan menggunakan sumber panas eksternal, namun perangkat itu belum dikenal sebagai Mesin Stirling. Nama itu diciptakan hampir seratus tahun kemudian oleh insinyur Belanda Rolf Meijer untuk menjelaskan seluruh jenis mesin siklus gas ditutup regeneratif (UK stirlingengine, 2007).
Mesin Stirling yang unik di antara mesin panas karena memiliki efisiensi yang sangat tinggi mendekati efisiensi carnot, pada kenyataannya hampir sama dengan maksimum teoritis efisiensi Carnot karena mesin stirling yang didukung oleh ekspansi (pemanasan) dan kontraksi (pendinginan) gas. Jumlah tetap gas di dalam mesin Stirling ditransfer bolak-balik antara akhir panas dan akhir yang dingin terus-menerus. Robert Stirling terus bekerja pada mesinnya sepanjang hidupnya. Pada 1820 dia bergabung oleh adiknya James, yang tujuannya untuk menunjukkan kontribusi tekanan gas internal untuk meningkatkan keluaran daya. Selanjutnya paten desain perbaikan diterapkan untuk tahun 1827 dan 1840 (UK stirlingengine, 2007).
Pada awal tahun 1983, Profesor Ivo Kolin dari University of Zagreb, Kroasia, menunjukkan mesin stirling dengan perbedaan suhu rendah pertama. Mesin in i bekerja pada perbedaan suhu 100°C. Mesin menunjukkan bekerja untuk waktu yang lama walaupun perbedaan suhu semakin diturunkan dan akhirnya berhenti ketika perbedaan turun di bawah 20 °C (UK stirlingengine, 2007).
II-2
Selama 1980-an, Profesor Kolin terus menyempurnakan mesin bersuhu rendah, masih mengandalkan diafragma tetapi menyederhanakan mekanisme drive
displacer kompleks (UK stirlingengine, 2007).
Selama tahun 1980-an dan awal 1990-an Profesor Senft dari Universitas Winconsin mengambil gagasan perbedaan suhu rendah mesin Stirling. Model pertama yang dihasilkan adalah Mesin Ringbom, dimana tidak memiliki hubungan langsung antara roda gila dan displacer, mesin Ringbom sangat tergantung pada perubahan tekanan di dalam ruang utama untuk memindahkan displacer kembali dan sebagainya. (UK stirlingengine, 2007).
Pada tahun 1992 Profesor Senft diminta untuk merancang dan membangun sebuah mesin stirling dengan perbedaan suhu rendah untuk NASA. Mesin ini, yang disebut-N 92, yang dioptimalkan untuk operasi dengan tangan, perbedaan suhu rendah sebesar 6°C yang cukup untuk kekuatan itu. Profesor Senft terus bekerja dengan mesin stirling, dan telah menulis beberapa buku rincian sejarah dan pembuatan mesin Stirling (UK stirlingengine, 2007).
2.2 STIRLING
2.2.1 Siklus Dalam Stirling
Dalam s iklus mesin stirling berlaku 2 fase yaitu 2 proses iso-termal dan 2 proses iso-khorik. Dua proses terakhir terjadi dengan bantuan sebuah regenerator untuk membuat siklus ini reversibel. Diagram p-v dan T-s siklus in i ditunjukkan pada gambar 2.1 (Daryus, 2002).
Gambar 2.1 a) Diagram p-v dan b) Diagram T-s pada siklus stirling
Sumber: Daryus, 2002
Misalnya silinder mesin berisi m kg udara pada keadaan awal, yang ditunjukkan oleh titik 1.
II-3
2.2.1.1 Fase Pertama
Udara berekspansi secara isotermal, pada temperatur konstan T
1 dari v1 ke
v
2. Kalor yang diberikan sumber eksternal diserap selama proses. Kalor yang
diberikan = kerja yang dilakukan selama proses isotermal (Daryus, 2002)
……….……….(2.1)
2.2.1.2 Fase Kedua
Sekarang udara lewat melalui regenerator dan didinginkan pada volume konstan ke temperatur T3. Proses ini digambarkan oleh grafik 2-3 pada diagram
p-v dan T-s. Pada proses ini kalor dibuang ke generator (Daryus, 2002).
– ………...……….(2.2)
2.2.1.3 Fase Ketiga
Udara dikompresi secara isotermal d i dalam silinder mesin dari v
3 ke v4.
Proses ini digambarkan oleh grafik 3-4 pada diagram p-v dan T-s. Lagi kalor dibuang oleh udara (Daryus, 2002). Kalor yang dilepaskan :
………..…………. (2.3)
2.2.1.4 Fase Keempat
Terakhir, udara dipanaskan pada volume konstan ke temperatur T
1 dengan
melewatkan udara ke regenerator dalam arah yang berlawanan dengan proses 2-3. Pada proses ini kalor diserap oleh udara dari regenerator selama proses ini, yaitu proses 4-1 (Daryus, 2002). Kalor yang diserap o leh udara:
………..…………....(2.4) Terlihat bahwa kalor yang dilepaskan ke regenerator selama proses 2-3 adalah sama dengan kalor yang diambil dari regenerator selama proses 4-1. jadi,
II-4
tidak ada pertukaran kalor ke sistem selama proses-proses ini. Pertukaran kalor hanya terjadi selama dua proses isotermal (Daryus, 2002).
Kerja yang dilakukan = Kalor yang disuplai – Kalor yang dibuang
………...………...(2.5) dan efisiensinya: karena efisiensi siklus Stirling adalah sama dengan siklus Carnot. Hal ini disebabkan oleh kenyataan bahwa siklus adalah reversibel, dan semua siklus reversibel mempunyai efisiensi yang sama (Daryus, 2002). Dalam memperhitungkan daya teoritis kinerja gas berdasarkan beberapa variable maka Teori Schmidt adalah salah satu metode perhitungan isotermal untuk mesin Stirling. Ini adalah metode yang paling sederhana dan sangat berguna dalam pengembangan mesin Stirling. Teori ini didasarkan pada ekspansi isotermal dan kompresi gas ideal.
)
II-5
………(2.6)
p = Tekanan rata-rata mesin (N/m2)
t = rasio suhu hot chamber dengan cold chamber
Keterangan: W = energi yang dibangkitkan P = Daya mesin (Watt)
f = Putaran mesin (RPS)
2.2.2 Jenis-Jenis Mesin Stirling
Ada dua jenis utama dari mesin Stirling yang dibedakan oleh cara mereka memindahkan udara antara sisi panas dan dingin dari silinder:
1. Dua piston desain alfa jenis memiliki piston dalam silinder independen, dan gas didorong antara ruang panas dan dingin.
2. Jenis perpindahan mesin Stirling, dikenal sebagai jenis beta dan gamma, menggunakan mekanik displacer terisolasi untuk mendorong gas kerja antara sisi panas dan dingin dari silinder. Displacer cukup besar untuk mengisolasi sisi panas dan dingin silinder termal dan untuk menggantikan sejumlah besar gas. Ini harus memiliki cukup celah antara displacer dan dinding silinder untuk membiarkan gas untuk aliran di sekitar displacer dengan mudah.
2.2.2.1 Alfa Stirling
Sebuah Stirling alfa berisi dua power piston dalam silinder terpisah, satu panas dan satu dingin. Silinder panas ini terletak di dalam penukar panas suhu tinggi dan silinder dingin terletak di dalam penukar panas suhu rendah. Jenis mesin memiliki rasio power-to-volume tinggi tetapi memiliki masalah teknis karena suhu biasanya tinggi dari piston panas dan daya tahan meterai-meterainya. Dalam prakteknya, piston ini biasanya membawa kepala isolasi besar untuk bergerak segel jauh dari zona panas dengan mengorbankan beberapa ruang mati tambahan.
II-6
Gambar 2.2 Mesin stirling tipe alfa
Sumber: Lucas, 1994
2.2.2.2 Beta Stirling
Sebuah Stirling beta memiliki kekuatan tunggal diatur piston dalam silinder yang sama pada poros yang sama seperti piston displacer. Piston displacer adalah cocok longgar dan tidak ekstrak kekuasaan apapun dari gas memperluas tetapi hanya berfungsi untuk antar-jemput gas bekerja dari penukar panas panas ke penukar panas dingin. Ketika gas bekerja didorong ke ujung silinder panas mengembang dan mendorong piston kekuasaan. Ketika didorong ke ujung dingin dari kontrak itu silinder dan momentum mesin, biasanya ditingkatkan dengan roda gila, mendorong piston kekuatan cara lain untuk kompres gas. Berbeda dengan jenis alpha, beta menghindari jenis masalah teknis segel bergerak panas.
Gambar 2.3 Mesin stirling tipe beta
Sumber: Lucas, 1994
2.2.2.3 Gamma Stirling
Sebuah Stirling gamma adalah hanya Stirling beta di mana piston daya terpasang di dalam silinder terpisah samping silinder piston displacer, namun masih terhubung ke roda gila yang sama. Gas dalam dua silinder dapat mengalir bebas di antara mereka dan tetap satu tubuh. Konfigurasi ini menghasilkan rasio kompresi yang lebih rendah tetapi secara mekanis sederhana dan sering digunakan dalam multi-silinder mesin Stirling.
II-7
Gambar 2.4 Mesin stirling tipe gamma
Sumber: Lucas, 1994
2.2.2.2 Low Temperature Displacer
Pada perkembangan era modern, dikenal salah satu jenis tipe mesin striling untuk suhu rendah. Mesin tipe ini merupakan perkembangan tipe gamma hanya saja untuk mampu berjalan di suhu rendah dengan ukuran displacer yang diperbesar dibandingkan ukuran power pistonnya. Tujuan memperbesar displacernya adalah untuk meningkatan tangkapan energi kalor yang dimanfaatkan pada pelebaran luas permukaan (Arsdell, 2007).
Gambar 2.5 Mesin stirling tipe LTD (low temperature displacer)
Sumber: Arshdell, 2002
2.3 GAYA, TORSI, DAN DAYA 2.3.1 Gaya
Di dalam ilmu fisika, gaya atau kakas adalah apapun yang dapat menyebabkan sebuah benda bermassa mengalami percepatan. Gaya memiliki besar dan arah, sehingga merupakan besaran vektor. Satuan SI yang digunakan untuk mengukur gaya adalah Newton (dilambangkan dengan N). Berdasarkan Hukum kedua Newton, sebuah benda dengan massa konstan akan dipercepat sebanding dengan gaya netto yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya (Surya, 2004).
II-8
Penjelasan lain yang mirip, gaya netto yang bekerja pada sebuah benda adalah sebanding dengan laju perubahan momentum yang dialam inya.
……….…….(2.7)
Gaya bukanlah sesuatu yang pokok dalam ilmu fisika, meskipun ada kecenderungan untuk memperkenalkan ilmu fisika lewat konsep ini. Yang lebih pokok ialah momentum, energi dan tekanan. Sebenarnya, tak seorang pun dapat mengukur gaya secara langsung. Tetapi, kalau sesuatu mengatakan seseorang mengukur gaya, sedikit berpikir akan membuat seseorang menyadari bahwa apa yang diukur sebenarnya adalah tekanan (atau mungkin kemiringannya). "Gaya" yang kita rasakan saat meraba kulit anda, misalnya, sebenarnya adalah sel syaraf tekanan Anda yang mendapat perubahan tekanan. Ukuran neraca pegas mengukur ketegangan pegas, yang sebenarnya adalah tekanannya, dll. Dalam bahasa sehari-hari gaya dikaitkan dengan dorongan atau tarikan, mungkin dikerahkan oleh otot-otot kita (Surya, 2004).
Di fisika, kita memerlukan definisi yang lebih presisi. Kita mendefinisikan gaya di sini dalam hubungannya dengan percepatan yang dialami benda standar yang diberikan ketika ditempatkan di lingkungan sesuai. Sebagai benda standar kita menggunakan silinder platinum yang disimpan di International Bureau of
Weights and Measures dekat Paris dan disebut kilogram standar. Di fisika, gaya
adalah aksi atau agen yang menyebabkan benda bermassa bergerak dipercepat. Hal ini mungkin dialami sebagai angkatan, dorongan atau tarikan. Percepatan benda sebanding dengan penjumlahan vektor seluruh gaya yang beraksi padanya dikenal sebagai gaya resultan (Surya, 2004).
Dalam benda yang diperluas, gaya mungkin juga menyebabkan rotasi, deformasi atau kenaikan tekanan terhadap benda. Efek rotasi ditentukan oleh torka, sementara deformasi dan tekanan ditentukan oleh stres yang diciptakan oleh gaya. Gaya netto secara matematis sama dengan laju perubahan momentum benda dimana gaya beraksi. Karena momentum adalah kuantitas vektor (memiliki besar dan arah), gaya adalah juga kuantitas vektor (Surya, 2004).
II-9
2.3.2 Torsi
Konsep torsi dalam fisika, juga disebut momen. Informalnya, torsi dapat dianggap sebagai gaya rotasional. Analog rotasi dari gaya, masa, dan percepatan adalah torsi, momen inertia dan percepatan angular. Gaya yang bekerja pada benda, dikalikan dengan jarak dari titik tengah benda, adalah torsi. Contohnya, gaya dari tiga newton bekerja sepanjang dua meter dari titik tengah mengeluarkan torsi yang sama dengan satu newton bekerja sepanjang enam meter dari titik tengah. Ini menandakan bahwa gaya dalam sebuah sudut pada sudut yang tepat kepada lever lurus. Lebih umumnya, seseorang dapat mendefinisikan torsi sebagai perkalian silang jarak dengan gaya secara besaran vektor(Surya, 2004):
…….………..………(2.8)
di mana r adalah vektor dari axis putaran ke titik di mana gaya bekerja F adalah vektor gaya.
2.3.3 Daya
Daya dalam fisika adalah laju energi yang dihantarkan atau kerja yang dilakukan per satuan waktu. Daya dilambangkan dengan P. Mengikuti definisi ini daya dapat dirumuskan sebagai (Surya, 2004):
…..………..……(2.9)
Keterangan:
P adalah daya
W adalah kerja, atau energi t adalah waktu
Daya rata-rata adalah kerja rata-rata atau energi yang dihantarkan per
satuan waktu. Daya sesaat adalah limit daya rata- t
mendekati nol. Bila laju transfer energi atau kerja tetap, rumus di atas dapat disederhanakan menjadi (Surya, 2005):
……….……….(2.10)
di mana W dan E adalah kerja yang dilakukan, atau energi yang dihantarkan, dalam waktu t (diukur dalam satuan detik). Satuan daya dalam SI adalah watt.
II-10
2.4 MODEL PENELITIAN
Suatu benda memiliki sistem yang menempel dan bekerja pada benda tersebut. Dalam hal ini mesin stirling memiliki sistem yang hampir sama dengan sistem mesin Carnot dimana menggunakan fenomena isotermal dan isokhorik untuk mesin dapat bekerja. Mesin stirling menggunakan sumber energi dalam bentuk kalor atau panas yang berasal dari luar mesin tersebut, sehingga banyak variabel yang mempengaruhi mesin tersebut akan bergerak atau tidak.
Sebelum membahas pada variabel yang berpengaruh, maka diperlukan sistem secara umum mesin stirling hingga dapat bergerak. Mesin stirling pada tahap pertama bergerak pada siklus pertama menuju kedua yaitu saat proses iso termal dimana power piston dan displacer turun ke bawah yang disebut
isoexpansion. Hal ini terjadi disebabkan udara pada displacer mengalam i
pemuaian yang mengakibatkan adanya gaya dorong bagi displacer. Selama iso termal terdapat perbedaan volume ruang antara power piston dan displacer yang mengakibatkan udara atau gas di dalam mesin mengalir ke ruang yang memiliki tekanan lebih rendah dan terjadi penyerapan kalor secara maksimal.
Setelah mengalam i isoexpansion maksimal maka dilanjutkan pada tahap kedua dimana terjadi isokhorik dimana saat terjadi proses tersebut terdapat perbedaan suhu antara power piston dengan displacer yang signifikan. Perbedaan suhu tersebut memberikan percampuran suhu panas dan dingin yang mengakibatkan pembuangan dalam suhu yang besar dari suhu displacer yang sangat tinggi menjadi suhu yang lebih dingin. Tahap ini juga disebut tahap pelepasan kalor pada regenerator.
Setelah mengalam i isokhorik, maka pada tahap ketiga power piston dan
displacer akan mulai mengalami isotermal dimana terjadi isocompression dimana
terjadi perbedaan volume seperti saat isocompression. Perbedaan volume mengakibatkan perbedaan tekanan yang mengakibatkan power piston dan
displacer akan tertarik untuk naik kembali. Di tahap ini terjadi pembuangan panas
yang lebih karena terjadi pendinginan di power piston saat udara memasuki ruang
power piston secara penuh.
Pada tahap 4 terjadi proses isokhorik dimana udara kembali melalui regenerator sehingga udara dipanaskan kembali oleh panas regenerator yg telah
II-11
tersimpan pada tahap kedua. Pada proses ini terjad i perbedaan suhu antara udara yg dingin dari power piston dengan suhu yang ada di regenerator. Akibat dari pemanasan regenerator maka udara yang dipanaskan di displacer akan dapat mencapai suhu yang lebih tinggi dibandingkan suhu saat tahap pertama sebelum mesin mulai bergerak. Pergerakan mesinpun akan mengalami percepatan yang cukup signifikan.
Sistem dan komponen yang berpengaruh dalam sistem adalah sebagai berikut:
Tabel 2.1 Sistem dan komponennya.
No Kriteria Komponen sistem
1 sistem Mesin Stirling
2 entitas gas
3 atribut Kemampuan dorong gas
4 aktivitas transfer energi
5 kejadian pemuaian Jumlah energi yang diserap gas
penyusutan Jumlah energi yang dilepaskan gas
Permasalahan yang dihadapi adalah berapa kemampuan transfer energi yang dilakukan gas untuk dapat dikonversi menjadi tenaga pada poros engkol mesin stirling dari sumber panas yang ditangkap oleh hot chamber mesin striling. Dalam pendekatan sistem, permasalahan dipandang sebagai suatu sumber pemahaman sistem. Pada sistem ini, variabel status berupa jumlah kalor yang diserap gas dan jumlah energi yang dilepaskan gas mengakibatkan terjadinya aktivitas dalam sistem. Karakteristik dari sistem mesin stirling ini adalah:
Pendekatan untuk menjelaskan sistem Relevan lingkungan (Input-Output) komponen
Observer : Penguji mesin stirling
Purpose : Untuk mengetahui efisiensi mesin stirling yang
dicapai pada penelitian awal.
Input
Controllab le : aliran air pendingin
Uncontrollable : Energi kalor yang diberikan menyesuaikan cuaca dan suhu lingkungan, jumlah angin yang dialirkan pada
II-12
heatsink dan radiator air, suhu udara yang digunakan
mendinginkan heatsink dan radiator air.
Output : Udara panas dari heatsink radiator air dan putaran
mesin pada poros engkol mesin stirling.
Komponen : Gas, displacer set, power piston set, cranckshaft,
radiator air set, heatsink, air.
Variabel system : Jumlah energi yang diserap dan jumlah energi yang
dilepaskan.
Parameter : Transfer energi dapat terjadi jika terjadi perbedaan
suhu yang cukup signifikan.
Relasi variabel : Proses perubahan energi mengakibatkan perubahan
tekanan gas dalam sistem. Perubahan tekanan mengakibatkan gas mengalir dan menggerakkan sistem.
Dari siklus yang dijelaskan maka dapat dibuat influence diagram dari mesin stirling sebagai berikut:
Gambar 2.6 Influence diagram mesin stirling
Kemudian dari influence diagram dapat dicari kembali untuk lebih detailnya mengenai faktor-faktor lingkungan yang dapat mempengaruhi dari sistem dalam mesin untuk selama berjalan. Dalam hal ini dapat dibagi beberapa bagian detail yang dapat dimunculkan, mulai dari tujuan pandangan tentang entitas sebagai sebuah sistem, komponen sistem, aktivitas sistem, hubungan antar komponen, masukan dari lingkungan sistem, keluaran terhadap lingkungan
II-13
sistem, dan transformasi proses dari sistem. Hal ini bertujuan untuk mencari bagaimana sistem terbentuk dan tujuan sistem tersebut dibuat. Dapat digambarkan sebagai berikut:
Tabel 2.2 Pandangan sistem Stirling
pandangan sistem Perancang
tujuan pandangan entitas sbg sistem
Studi awal perancangan mesin stirling sebagai pembangkit listrik
komponen sistem
displacer, power piston, cranckshaft, sumber panas, thorax piston,blok mesin tertutup, gas, fly wheel, operator,pendingin air
aktivitas sistem penyerapan panas, perpindahan panas,
pendorongan power piston dan
displacer,pembuangan panas, pemutaran cranckshaft.
hubungan antarkomponen
penggerak komponen yang lain,pemberi perubahan bentuk energi, pemindah/pengalir energi, pengubah suhu.
masukan dari lingkungan sumber panas dan udara pendingin
keluaran ke lingkungan panas dan putaran mesin
transformasi proses dari sistem pemanasan gas sehingga memuai mendorong displacer dan power piston iso ekspansi secara iso termal, pelepasan panas secara isi khorik ke regenerator,pencampuran udara panas dengan udara dingin secara iso termal mengakibatkan iso kompresi pada displacer dan power piston, pemanasan gas akibat menyerap panas dari regenerator secara iso khorik saat melalu i regenerator sehingga cranckshaft berputar secara penuh dan terus menerus.
Dalam sistem gas tertutup mesin stirling terdapat black box yang memiliki kaitan dari sistem tapi berada di luar sistem. Black box sistem tersebut adalah
II-14
kemampuan gas menyerap dan membuang panas yang diberikan sumber panas. Kemampuan gas tersebut mengakibatkan suhu yang akan dicapai pada mesin bekerja. Setiap gas memiliki perilaku dan perlakuan yang berbeda diakibatkan karakteristik dari gas yang digunakan.
Sistem ini merupakan sistem deterministic dimana dapat diperkirakan besar kebutuhan panas untuk menggerakkan sistem ini. Kemampuan sistem ini untuk menghasilkan keluaran dari input yang diberikan dapat diukur baik secara teoritis maupun secara praktik. Sistem ini dapat berjalan secara berkelanjutan atau
continuous jika komponen-komponen dari sistem dapat berjalan secara dan
optimal, seperti sumber panas konstan, pendingin bekerja optimal, lubrikasi optimal, dll. Sistem ini selain membutuhkan keoptimalan dari sistem pendingin dan sumber panas, juga membutuhkan kondisi perubahan cuaca dan suhu di luar mesin yang tidak ekstrim panas, jika kondisi lingkungan mengalami pemanasan maka dapat dipastikan sistem ini menjadi discrete system karena pendinginan mesin tidak optimal dan hanya dapat bekerja pada kondisi tertentu. Sistem ini menjadi open system disebabkan adanya pengaruh dari suhu udara dari lingkungan luar mesin terhadap kinerja sistem.
2.5 DECISION TREE ANALYSIS
Pohon keputusan digunakan untuk memodelkan persoalan yang terd iri dari serangkaian keputusan yang mengarah ke solusi. Tiap simpul dalam menyatakan keputusan, sedangkan daun menyatakan solusi. Decision tree disusun atas kumpulan lambang yang digambarkan lingkaran dan kotak dihubungkan oleh cabang-cabang. Lambang kotak menunjukkan lambang keputusan dalam permasalahan. Lambang lingkaran melambangkan alternatif keputusan yang akan ditempuh dalam menyelesaikan masalah. Lingkaran kecil melambangkan daun dari setiap alternatif yang menandakan bahwa hanya satu jalan solusi dari alternatif-alternatif tersebut (Ragsdale, 2007). Lambang-lambang tersebut dapat dilihat pada gambar 2.8.
II-15
Gambar 2.7 Lambang atau simbol dalam decision tree analysis
Sumber: Ragsdale, 2007
Keputusan dapat dijelaskan sebagai hasil pemecahan masalah, selain harus didasari atas logika dan pertimbangan, penetapan alternatif terbaik, serta harus mendekati tujuan yang telah diteteapkan. Pengambil keputusan harus memperthatikan logika, realita, rasional, dan pragmatis. Fungsi pengambilan keputusan adalah individual atau kelompok baik secara institusional maupun organisasional, isifatnya futuristik (Niwanputri, 2009). Tujuan pengambilan keputusan adalah:
1. Tujuan yang bersifat tunggal (hanya satu masalah dan tidak berkaitan dengan masalah yang lain).
2. Tujuan yang bersifat ganda (masalah yang saling berkaitan dapat bersifat kontradiktif maupun tidak kontradiktif).
Menurut Niwanputri (2009) Yang menjadi dasar-dasar pengambilan keputusan adalah: 1. Intuisi 2. Pengalaman 3. Fakta 4. Wewenang 5. Rasional
Proses pengambilan keputusan melalui beberapa tahap yaitu:
II-16
1. Tahap penemuan masalah dimana tahapan ini mencari masalah yang melatar belakangi hambatan dalam suatu hal.
2. Tahap pemecahan masalah dimana tahapan ini mencoba menguraikan masalah yang dihadapi.
3. Tahap pengambilan keputusan dimana tahapan ini merupakan tahapan penentuan solusi yang diambil dalam memecahkan masalah.
Menurut Niwanputri (2009) model yang dapat dijadikan alat pemecahan masalah ada dua yaitu:
1. Model kuantitatif
2. Model kualitatif, contohnya: a) Model probabilitas b) Model matriks
c) Model pohon keputusan
d) Model kurva indiferen ( kurva acuh tak acuh)
e) Model simulasi komputer (model matematika, s imulasi, permainan operasional, model verbal, model fisik)
Contoh model pohon keputusan seperti pada gambar 2.8.
Gambar 2.8 Contoh bentuk sederhana decision tree analysis
Model kualitatif berdasarkan atas asumsi-asumsi yang ketepatannya agak kurang jika dibandingkan dengan model kuantitatif dan ciri-cirinya digambarkan melalui kombinasi dari deduksi-deduksi asumsi-asumsi tersebut dengan pertimbangan yang lebih bersifat subjektif mengenai proses atau masalah yang pemecahannya dibuatkan model. Gullet dan Hicks memberikan beberapa klasifikasi model pengambilan keputusan yang kerapkali digunakan untuk memecahkan masalah yang seperti itu ( yang hasilnya kurang diketahui dengan
II-17
pasti ) (Suryadi, 2006). Menurut Suryadi (2006) Model kualitatif dibagi menjadi 5 sebagai berikut:
a. Model Probabilitas
Model probabilitas pada umumnya model-model keputusannya merupakan konsep probabilitas dan konsep nilai harapan memberi hasil tertentu ( the concept of probability and expected ). Adapun yang dimaksud dengan probabillitas adalah kemungkinan yang dapat terjadi dalam suatu peristiwa tertentu ( the chance of particular event
occurring ). Demikian juga halnya dengan probabilitas statistic atau
proporsi statistic d ikembangkan melalui pengamatan langsung terhadap populasi atau melalui sample dari populasi tersebut. Sample itu sendiri merupakan bagian yang dianggap mewakili keseluruhan populasi. Konsep tentang nilai harapan in i khususnya dapat digunakan dalam pengambilan keputusan yang akan diambilnya nanti menyangkut kemungkinan-kemungkinan yang telah diperhitungakan bagi situasi dan kondisi yang akan datang. Adapun nilai yang diharapkan ( nilai harapan ) dari setiap peristiwa yang terjadi merupakan kemungkinan terjadinya peristiwa itu dikalikan dengan nilai kondisional. Sedangkan nilai kondisionalnya adalah dimana terjadinya peristiwa yang diharapkan masih diragukan.
b. Model matriks
Selain model probabilitas dan nilai harapan ( probability and expected
value ) ada juga model lainnya. Model lain tersebut misalnya adalah
model matriks ( the payoff matrix model ). Model matrik merupakan model khusus yang menyajikan kombinasi antara strategi yang digunakan dan hasil yang diharapkan. Dalam hal ini menurut Suryadi (2006) mencuplik dari Gullet dan hincks mengatakan : the payoff
matrix is a particularly convenient method of displaying and summarizing the expected values alternative strategies. Model matrik
terdiri atas dua hal, yakni baris dan lajur. Baris ( row ) bentuknya mendatar sedangkan lajur ( column ) bentuknya menegak ( vertical ). Pada sisi baris berisi macam alternatif strategi yang digelarkan oleh
II-18
pengambilan keputusan sedangkan pada sisi lajuir berisi kondisi dan nilai harapan dalam kondisi dan situasi yang berlainan.
c. Model Pohon Keputusan
Pohon keputusan ini biasanya dipergunakan untuk memecahkan masalah-masalah yang timbul dalam proyek yang sedang ditangani. Selanjutnya menurut Suryadi (2006) yang mencuplik dari Welch dan Corner memberikan definisi mengenai pohon keputusan (decision
tree): “the decision tree is a simple diagram showing the possible consequences of alternative decisions. The tree includes the decision nodes chance modes, pays offs for each combination, and the probabilities of each event. Menurut Welch, ada 4 komponen dari
pohon keputusan yaitu : simpul keputusan, simpul kesempatan, hasil dari kombinasi, dan kemungkinan-kemungkinan akibat dari setiap peristiwa yang terjadi. Hal yang kiranya penting dalam pohon keputusan adalah pengambilan keputusan itu haruslah secara aktif memilih dan mempertimbangkannya betul-betul alternative mana yang akan dijadikan keputusan. Adapun langkah-langkah yang sekiranya perlu dilakukan secara berturut-turut sebagai berikut :
1. Mengadakan identifikasi jaringan hubungan komponen-komponen yang ada yang secara bersama-sama membentuk masalah tertentu yang nantinya harus dipecahkan melalui diagram keputusan. Masalah tertentu inilah yang merupakan masalah utama.
2. Masalah utama itu kemudian dirinci kedalam masalah yang lebih kecil.
3. Masalah yang sudah mulai terinci itukenudian dirinci lagi kedalam masalah yang lebih kecil lagi ( terinci lagi ). Begitu seterusnya, sehingga merupakan diagram pohon yang bercabang-cabang. Itulah sebabnya mengapa keputusan atau proses pengambilan keputusan yang dilakukan semcam itu dinamakan diagram pohon.
d. Model Kurva Indiferen
Ada juga pengambila keputusan yang membutuhkan penilaian yang lebih bersifat subjektif. Model yang kiranya cocok untuk keputusan
II-19
yang demikian ini menggunakan analisis kurva indiferen, kurva kemanfaatan dan preferensi. Untuk membuat gambaran yang lebih jelas kiranya perlu diberikan keterangan labih lanjut apa yang dimaksud dengan kurva indiferen, bagaimana sifat dan cirinya.
Kurava indiferen ( indifference curve ) merupakan kurva ( berbentuk garis ) dimana setiap titik yang berada pada garis kurva tersebut mempunyai tingkat kepuasan atau kemanfaatan yang sama. Misalnya, penggunaan barang A dan B meskipun kombinasi jumlah masing-masing berbeda, namun apabila semuanya itu berada pada titik kurva indiferen, kepuasannya sama. Kurva indiferen mempunyai 4 ciri penting, yakni sebagai berikut :
1. Kurva indiferen membentuk lereng ( slope ) yang negatif. Kemiringan yang negatif menunjukkan fakta atau asumsi bahwa satu komoditas dapat diganti dengan komoditas lainnya sedemikian rupa sehingga konsumen mempunyai tingkat kepuasan yang tetap sama. 2. Jika ada dua kurva indeferen dalam suatu keadaan atau lingkungan, maka keduanya tidak akan saling berpotongan.
3. Hasil yang diperoleh dari asumsi, ialah bahwa kurva indiferen ditarik melalu i setiap titik, sehingga membentuk garis kurva.
4. Kurva indiferen dibutuhkan bagi pengorbanan tertentu untuk mendapatkan kepuasan yang optimal.
e. Model Simulasi Komputer
Menurut Suryadi (2006) model ini dalam pengambilan keputusan diperlukan rancang bangun ( design ) yang biasanya menggunakan komputer, yang mampu menirukan apa yang dilakukan oleh organisasi. Banyak variabel yang dapat dijadikan model, namun biasanya sulit untuk dapat mengukur dengan tepat masing-masing variabel independent, apakah ada huibungan dan pengaruh terhadap
variabel independent, kalau ada berapa besarnya. Dengan
menggunakan computer, hal ini lebih mudah lebih dihitung dan diketahui berapa besarnya pengaruh variabel terhadap independent. Sebab dengan menggunakan bantuan computer jangkauan pikiran
II-20
(forecasting) dan pemikirannya secara operasional menjadi lebih luas dan penjang serta mampu memecahkan permasalahan yang komplek.
2.6 KELAYAKAN FOTOVOLTAIK. 2.6.1 Kombinasi Peralatan Pendukung
Pada beberapa jurnal penelitian untuk pembangkit listrik tenaga surya membutuhkan penyimpanan berupa aki atau baterai kering dimana kapasitasnya cukup besar sebelum didistribusikan pada alat elektronik. Hal ini dilakukan demi mengatasi ketidakstabilan tegangan dan arus listrik saat energi cahaya matahari menembus jaringan/sel semi-konduktor. Peralatan penyimpanan listrik yang ideal adalah baterai kering atau aki dimana mampu menyimpan listrik pada kapasitas daya yang dibutuhkan selama 9 (enam) jam dimana matahari optimal memancarkan cahaya dari jam 8 pagi hingga jam 17 sore (Stoddart et al, 2006). Dalam menjaga ketahanan baterai kering atau aki dibutuhkan alat stabilisator agar tegangan yang terjadi pada panel surya memiliki tegangan sama dengan tegangan yang dibutuhkan aki atau baterai kering maupun arus listrik agar dapat masuk dan tidak melebihi batas penyimpan listrik (GCEP team, 2006).
Gambar 2.9 Daya energi sinar matahari pada siklus pergerakan matahari tahunan
Sumber: GLOBE, 2005
commit to user
II-21
Pergerakan sinar matahari selalu berubah-ubah sudut datang sinarnya dimana matahari terbit dari timur dan tenggelam di arah barat. Di saat arah cahaya tidak tegak lurus memungkinkan adanya pemantulan cahaya oleh kaca di muka panel surya sehingga cahaya tidak mampu menembus bagian semikonduktor. Padahal pada panel surya membutuhkan energi yang cukup dimana hanya arah datang sinar matahari tegak lurus dengan muka panel merupakan paling optimal mendapatkan energi cahaya matahari. Pemecahan masalah dalam mengikuti pergerakan matahari dibutuhkan rotator sebagai pengarah panel surya dengan arah datang cahaya matahari (Stoddart et al, 2006).
2.6.2 Kebutuhan Sumber Cahaya Matahari
Dalam menghitung kebutuhan sumber cahaya matahari dibutuhkan efisiensi dari suatu bahan semi-konduktor terhadap hasil energi listrik yang dihasilkan. Efisiensi yang dicapai oleh panel surya tergantung pada bahan semi-konduktor yang dipakai. Bahan semi-konduktor yang telah digunakan dalam panel surya seperti tabel 2.3 sebagai berikut:
Tabel 2.3 Efisiensi bahan semi-konduktor
Sumber: Faber Maunsel, 2003
II-22
Pada daerah tropis rata-rata memiliki pancaran cahaya matahari sebesar 500.000 lux sama dengan 500 kLm/m2 setara 0,732 kW/m2 . Bahan mono-crystalline silicon memiliki efisiensi 15%, poly-mono-crystalline silicon memiliki efis iensi 8-12%, amorphous silicon memiliki efisiensi 4-6%, cadmium telluride dan copper indium diselenide memiliki efisiensi 7-9%. Jika untuk menghasilkan daya 1kWP daya listrik maka bahan mono-crystalline silicon membutuhkan daya dari sinar matahari sebesar 6,67 kW, poly-crystalline silicon membutuhkan daya sebesar minimal 8,33 kW, amorphous silicon membutuhkan daya sinar matahari sebesar minimal 16,67 kW, cadmium telluride dan copper indium diselenide membutuhkan daya sinar matahari sebesar m inimal 10,1 kW.
Gambar 2.10 Grafik efisiensi bahan semikonduktor berdasarkan ketebalan
Sumber: Faber Maunsel, 2003
Luas permukaan yang dibutuhkan panel surya berbahan mono-crystalline silicon di daerah tropis sebesar 9,1 m2, poly-crystalline silicon membutuhkan luas permukaan sebesar 11,38 m2, amorphous silicon membutuhkan luas permukaan sebesar 22,77 m2, cadmium telluride dan copper indium diselenide membutuhkan luas permukaan sebesar 13,8 m2. Pada gambar 2.10 menunjukkan efisiensi berdasarkan ketebalan lapisan bahan semikonduktor namun pada prakteknya masih bergantung pada karakteristik bahan semi-konduktor. Semua perhitungan diasumsikan menggunakan jenis panel surya seperti gambar 2.11.
II-23
Gambar 2.11 Concentrating Photovoltaic
Sumber: Stoddart et al, 2006
2.6.3 Daya yang Layak Dikembangkan
Dalam hal pengembangan daya yang layak untuk panel surya jenis concentrating photovoltaic meliputi beberapa kriteria yaitu berdasarkan pada sasaran kebutuhan energi listrik yang akan dipenuhi, efis iensi material semi-konduktor, luas lahan yang tersedia untuk peletakan panel surya, rata-rata durasi waktu dalam sehari matahari menyinari suatu daerah, dan rata-rata nilai intensitas cahaya matahari. Untuk Daya yg dapat dibuat dalam kebutuhan listrik rumah tangga saat ini sebesar 80 WP hingga 3 kWp. Pada penentuan kriteria kebutuhan rumah tangga hanya dibatasi hingga 3 kWp karena zaman semakin kedepannya alat-alat elektronik akan semakin canggih tetapi semakin hemat listrik.
Jika maks imasi daya listrik berdasarkan luas atap perumahan sederhana sekitar 60 m2-100 m2 maka dengan menggunakan bahan semi-konduktor mono-crystalline silicon akan dapat membangkitkan daya listrik 6,59 kWp-10,99 kWp. Jika menggunakan jenis bahan semi-konduktor poly-crystalline silicon dapat membangkitkan listrik 5,27 kWp-8,79 kWp. Untuk bahan semi-konduktor amorphous silicon dapat membangkitkan daya listrik sebesar 2,64 kWp-4,39 kWp. Bahan semi-konduktor cadmium telluride dan copper indium diselenide mampu membangkitkan listrik sebesar 4,35 kWp- 7,25 kWp. Sedangkan rata-rata intensitas cahaya di daerah tropis adalah sebesar 500 kilo-lumen/m2 tetapi untuk durasi penyinaran yang tidak merata di daerah tropis disebabkan adanya perubahan cuaca yang cukup ekstrim antara hujan dengan cuaca cerah. Disaat kemarau dapat memaksimalkan hingga 6 jam penuh.
III-1
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini membahas mengenai metodologi dan kerangka pemikiran yang digunakan dalam penelitian beserta penjelasan singkat setiap tahapannya. Penjelasan diuraikan dalam bentuk tahapan-tahapan studi mulai dari identifikasi masalah, pengumpulan dan pengolahan data, analisis rancangan, kesimpulan dan saran.
3.1 METODOLOGI PENELITIAN
Adapun langkah penelitian dapat dilihat pada gambar 3.1 dibawah ini.
Studi literatur Studi lapangan Identifikasi kebutuhan perancangan Pendekatan prototipe Penjabaran level kompetitif kompetitor yang harus dicapai alat
rancangan Mulai
Tahap studi awal penelitian
Tahap penentuan level tujuan dan kriteria rancangan
yg akan dicapai
III-2
Uji coba prototipe
Menghitung harga pokok produksi alat rancangan
Analisis perancangan dan interpretasi hasil meliputi analisis kejadian dalam pengujian Mesin Stirling dan analisis kelayakan Mesin
Stirling sebagai pembangkit listrik
Kesimpulan menjawab tujuan penelitian dan saran perbaikan
perancangan Selesai Tahap pengujian rancangan dan perhitungan biaya produksi Tahap analisis interpretasi hasil perancangan dan kesimpulan atas rancangan
Gambar 3.1 Metodologi penelitian
Pada gambar 3.1 diatas dijelaskan langkah-langkah dalam penelitian perancangan mesin gamma stirling bersumber panas arang untuk pembangkit listrik konsumsi rumah tangga (studi awal mesin gamma stirling) yang akan diuraikan dalam sub bab berikut ini.
3.1.1 Studi awal penelitian
Dalam studi awal penelitian, peneliti melakukan studi lapangan dan studi literatur. Pada studi literatur, peneliti melakukan eksplorasi buku-buku mengenai termodinamika, fisika dasar, analisis pengambilan keputusan, pengembangan-pengembangan Mesin Stirling yang sudah ada. Dari buku-buku yang dibaca didapatkan beberapa landasan teori yang digunakan dalam perancangan. Studi lapangan dilakukan pada bengkel yang melakukan manufaktur. Studi lapangan tersebut untuk mendapatkan teknik produksi yang efisien dilakukan dalam membuat rancangan alat Mesin Stirling. Konsultasi kepada ahli pembuatyang ada di bengkel tersebut diperlukan untuk mengurangi kesalahan-kesalahan fatal yang akan terjadi selama produksi.
