View
220
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ii
LEMBAR PENGESAHAN
ANALISIS KELAYAKAN HASIL RANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK BERBASIS MESIN STIRLING DENGAN DECISION
TREE ANALYSIS SEBAGAI METODE PEMILIHAN TIPE MESIN
S K R I P S I
oleh:
NUGROHO E BUDIYANTO I 0306050
Dipertahankan di depan Tim Penguji Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta dan diterima guna memenuhi persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik Pada Hari : Kamis
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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 Mesin Stirling Dengan Decis ion Tree Analysis
Sebagai Metode Pemilihan Tipe Mesin
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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 Mesin Stirling Dengan Decis ion Tree Analysis
Sebagai Metode Pemilihan Tipe Mesin
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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 Jenis-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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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 Skalabilitas 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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sistem 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 milik
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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 Sistem 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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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 mikro.
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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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 siklus 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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II-3
2.2.1.1 Fase Pertama
Udara berekspansi secara isotermal, pada temperatur konstan T1
dari v1
ke
v2. 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 v3
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 T1
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,
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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.
)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II-8
Penjelasan lain yang mirip, gaya netto yang bekerja pada sebuah benda
adalah sebanding dengan laju perubahan momentum yang dialaminya.
…………………….…….(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).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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 mengalami
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 mengalami 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 mengalami 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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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:
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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-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 minimal 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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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 maksimasi 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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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 literaturStudi
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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III-3
3.1.2 Penentuan level tujuan dan kriteria rancangan yang akan dicapai
Pada tahap ini merupakan awal dalam melakukan penelitian, dimana ruang
lingkup masalah yang diuraikan, sebagai berikut:
1. Identifikasi kebutuhan perancangan. Pada awal perancangan, penulis
menjabarkan alasan-alasan memilih tipe Mesin Stirling sebagai penyelesaian
tugas akhir. Alasan-alasan yang dimunculkan dari sebab-sebab eksternal dan
internal dari perancang.
2. Penjabaran level kompetitif kompetitor yang harus dicapai. Karakteristik
yang dimunculkan harus memenuhi aspek biaya, performansi, dan tingkat
kompetitif dengan kompetitor. Tingkat kompetitif kompetitor yang
dibandingkan adalah biaya listrik dari PLN dan biaya listrik dari panel
surya. Setelah melihat tingkat kompetitif kompetitor maka ditentukan target
minimal yang harus dicapai.
3. Pendekatan Prototipe. Pada bagian ini menjabarkan pendekatan-pendekatan
part mesin yang akan digunakan dengan karakteristik tertentu. Karakteristik
yang dimunculkan adalah jenis bahan, ukuran sudut, dan alasan pemilihan
bahan yang berdampak terhadap performansi rancangan Mesin Stirling.
3.1.3 Pengujian rancangan dan perhitungan biaya produksi
Pada tahap ini merupakan tahap perwujudan rancangan yang selanjutnya
dilakukan pengujian performansi di lapangan. Pengujian di lapangan dilakukan
untuk mendapatkan fenomena yang terjadi pada produk saat difungsikan. Metode
yang dipilih peneliti setelah berkonsultasi dengan beberapa orang yang mengerti
mesin, maka dipilih metode pengujian kualitatif dengan beban kelipatan 100 gram
pada poros untuk mendapatkan performansi yang dicari. Pengujian mesin gamma
stirling yang sudah selesai dirakit dari mesin bekas kompresor dimana telah
mengalami modifikasi dengan menggunakan bandul beban katrol yang dirangkai
pada papan yang telah ditempeli meteran yang dapat menunjukkan panjang
lintasan sebagai torsi untuk dikonversi menjadi daya, sesuai dengan rumus yang
telah ditulis pada landasan teori, yang dihasilkan pada putaran poros cranckshaft.
Gambar alat sebagai berikut:
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III-4
Gambar 3.2 Rangkaian lintasan dan katrol uji
Untuk mengukur kecepatan putaran poros cranckshaft digunakan rumus
yang telah ada berdasarkan kecepatan yang didapatkan pada pengumpulan data.
Data yang didapatkan kemudian diolah sehingga didapatkan hasil akh ir berupa
kemampuan meliputi daya dan energi yang dapat dicapai mesin dalam keadaan
minimal, maksimal, dan rata-rata.
Pada penelitian ini memerlukan beberapa data yang menjadi bahan untuk
mencapai tujuan tugas akhir ini. Pada awal pengumpulan dan pengolahan data
yang dibutuhkan adalah identifikasi kebutuhan perancangan, dimana tahapan ini
merupakan langkah awal dalam pengumpulan data. Data yang dikumpulkan
berupa alternatif keputusan berupa komponen-komponen makro yang menyusun
mesin. Dari data tersebut akan menjadi bahan pertimbangan dalam mengambil
keputusan dengan metode decision tree analysis. Simpul-simpul atau cabang-
cabang yang dilambangkan lingkaran besar mewakili keputusan, daun-daun yang
dilambangkan lingkaran kecil menjadi solusi dari setiap permasalahan, sedangkan
kotak mewakili tujuan dari masalah.
Setiap komponen memberikan nilai biaya yang harus dikeluarkan saat
memproduksi tipe mesin tersebut dan probabilitas dari komponen-komponen
tersebut untuk mampu dibuat dengan teknologi di bengkel pembuatan prototipe.
Probabilitas yang dibuat dengan asumsi dari karakteristik rancang bangun dari
setiap tipe mesin stirling. Dalam menghasilkan keputusan, decision tree analysis
memberikan keputusan dan solusi berupa jumlah perkalian total nilai biaya
dengan rata-rata probabilitas (ditentukan oleh bengkel pembuatan Mesin Stirling)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III-5
komponen-komponennya dimana dalam perancangan ini dibutuhkan perancangan
yang termurah dengan probabilitas ketidak-berpengaruhnya dan ketidak-
bermanfaatnya komponen terhadap kinerja mesin terendah. Probabilitas yang
didapat dalam jangkauan 0% sampai 100%. Variabel keputusan yang diambil
adalah berdasarkan nilai EMV dan EPV yang terbaik dari berbagai alternatif.
Selanjutnya pada pendekatan prototipe, tahapan ini merupakan penentuan
jenis-jenis komponen yang akan digunakan peneliti untuk membangun
rancangannya. Komponen-komponen yang dibutuhkan diperinci lebih spesifik
berdasarkan pemilihan keputusan pada decision tree analysis. Kemudian alasan
bentuk dan konfigurasi perancangan dari produk dijabarkan secara rinci untuk
menjelaskan tujuan pembuatan prototipe.
Uji coba prototipe, tahapan ini merupakan pengujian langsung pada mesin
dengan sumber panas LPG untuk mendapatkan nilai daya yang dihasilkan pada
poros mesin stirling. Untuk mendapatkan besaran daya, digunakan uji
pembebanan pada poros yang nantinya dapat dikonversi ke nilai besaran gaya,
usaha, dan daya yang dihasilkan. Dengan lintasan tertentu maka akan dapat dilihat
laju tertentu dari beban dalam waktu yang dibutuhkan untuk mencapai titik yang
telah disediakan. Data yang dapat diambil dalam pengujian awal adalah beban
bandul, waktu yang d ibutuhkan, dan panjang lintasan. Bentuk lintasan dapat
dilihat pada gambar 3.2.
Data teknis performansi yang dicapai mesin saat diukur dengan bandul
berbeban kelipatan 100 gram yang dililitkan pada poros mesin stirling melalui
katrol. Angka yang muncul nantinya menjadi bahan untuk mengukur besarnya
torsi maksimal dan daya maksimal dengan kondisi tanpa kebocoran pada mesin.
Kemudian dari angka-angka yang muncul telah dicatat akan dihitung daya dan
efisiensi konsumsi kalor yang dicapai mesin.
Komparasi data pengujian dengan rancangan yang pernah dibuat oleh orang
lain sebelumnya merupakan tahapan untuk membandingkan rancangan yang telah
diteliti oleh orang lain sebelumnya dengan rancangan yang dibuat peneliti. Pada
tahapan ini daya yang mampu dirancang oleh orang lain dibandingkan dengan
daya yang mampu dicapai oleh peneliti dengan memanfaatkan rasio power dengan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III-6
volume mesin yang digunakan. Setelah dibandingkan, kemudian ditampilkan
dalam bentuk diagram dari setiap kemampuan mesin.
Skalabilitas daya gas dalam ruang mesin stirling, pada tahapan ini
penghitungan secara teoritis dari daya suatu gas jika mencapai kriteria tertentu.
Daya gas ini tidak mencerminkan daya yang sebenarny pada poros karena daya
yang terjadi pada poros sudah mengalami reduksi akibat gesekan dan beban
inersia. Daya gas dibuat untuk menjadikan pembanding efisiensi mesin yang
merupakan perbandingan daya keluaran dengan daya teoritis.
Penentuan harga pokok produksi dengan menyusun biaya langsung dan
biaya tidak langsung. Biaya langsung meliputi beban bahan baku, biaya pekerja,
dan biaya proses. Yang meliputi biaya tak langsung berupa beban pendukung
proses dalam produksi.
3.1.4 Analisis interpretasi hasil rancangan dan kesimpulan rancangan
Tahap ini merupakan tahapan akhir dari penelitian mengenai perancangan
mesin stirling sebagai upaya pembangkit listrik masa depan. Ruang lingkup
pembahasan diuraikan sebagai berikut:
1. Tahap analisis dan interpretasi hasil, pada tahap ini dilakukan analisis
fenomena percobaan dan kelayakan antara Mesin Stirling dengan kompetitor
lain. Analisis fenomena meliputi faktor yang muncul selama percobaan dan
mengenai pencapaian target percobaan terhadap ekspektasi yang dihasilkan
decision tree analysis. Analisis kelayakannya berupa beban biaya yang
harus dikeluarkan hingga menghasilkan beban biaya listrik tiap KWh
terhadap biaya listrik yang dihasilkan kompetitor.
2. Tahap kesimpulan dan saran, merupakan tahap terakhir dari penelitian yang
berisi kesimpulan secara keseluruhan terhadap hasil penelitian dan saran
perbaikan untuk studi yang akan dilanjutkan.
3.2 KONVERSI ENERGI LPG KE TENAGA SURYA
Dalam ilmu cahaya dikenal flux cahaya dimana memiliki satuan lumen per
meter persegi. 1 watt memiliki nilai setara 683 lumens. Cahaya matahari di daerah
tropis pada siang hari memancarkan 500.000 lux. 1 lux setara dengan 1 lumen per
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III-7
meter persegi. Jika untuk menggerakkan mesin stirling pada awalnya
membutuhkan 3.698.520 joule. Kemudian untuk menghitung dalam kebutuhan
energi cahaya untuk menjalankan mesin stirling tersebut dapat dihitung sebagai
berikut:
Jika diperkirakan untuk membangkitkan mesin stirling dengan panas cahaya
matahari selama 10 menit, maka digunakan persamaan (2.8)
……………………..……………….(2.8)
= 993748,2/600
= 1656,247 W
= 1656,247. 683
= 1131216,701 lm = 1131216,701/50.000
= 22,6 m2
=
= 1,9 m2 untuk jari-jari cermin reflektor.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-1
BAB IV PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA
Bab ini membahas mengenai identifikasi kebutuhan perancangan,
pendekatan prototipe, uji coba prototipe, komparasi mesin stirling prototipe
dengan mesin stirling yang pernah dirancang di dunia, skalabilitas daya, harga
pokok produksi saat produksi. Penjelasan diuraikan dalam setiap sub-bab sebagai
berikut.
4.1 IDENTIFIKASI KEBUTUHAN PERANCANGAN
Pada awal perancangan, pemilihan tipe Mesin Stirling sebagai penyelesaian
tugas akhir disebabkan beberapa alasan adalah sebagai berikut:
1. Adanya kebutuhan teknologi yang ramah lingkungan dalam memenuhi
kebutuhan listrik rumah tangga.
2. Mesin stirling memiliki keunggulan dalam modifikasi karena
menggunakan piston dan cranckshaft seperti mesin-mesin yang ada d i
pasaran sehingga dapat menggunakan mesin bekas yang ada.
3. Meneliti mesin stirling untuk dikembangkan sebagai alat yang dapat
diaplikasikan dalam kehidupan manusia yang berhubungan dengan
sistem mekanik.
Dalam melakukan perancangan Mesin Stirling maka dibutuhkan suatu
pengujian kelayakan dari rancangan Mesin Stirling untuk memenuhi kebutuhan
listrik rumah tangga. Kelayakan Mesin Stirling yang dapat digunakan pada
pemenuhan kebutuhan listrik meliputi beberapa aspek:
1. Biaya produksi dimana untuk melihat seberapa besar modal awal untuk
menggunakan Mesin Stirling hingga dapat memenuhi kebutuhan listrik
rumah tangga.
2. Daya yang mampu dihasilkan dimana untuk menentukan seberapa besar
mesin yang harus dirancang.
3. Tingkat kompetitif baik aspek durasi mesin hingga terjadi perbaikan
maupun beban biaya listrik dari Mesin Stirling terhadap biaya listrik
yang sudah ada dari PLN.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-2
Dalam merancang dilakukan pencarian part-part yang sesuai dengan tersedia
di pasaran, melakukan perhitungan decision tree analysis untuk menentukan jenis
rancangan yang dipilih, melakukan perancangan konstruksi, dan pengujian kinerja
mesin yang dirancang. Rancangan yang harus dibangun diusahakan memiliki
tingkat kompetitif biaya beban listrik per kWh terhadap panel surya maupun
listrik PLN seperti ditunjukkan pada gambar grafik 4.1 dan tabel 4.1.
Tabel 4.1 Perbandingan tarif TDL PLN dengan tarif dasar listrik panel surya
no daya PLN(watt) tarif PLN (kWh)
tarif panel surya (kWh)
daya panel surya(watt peak)
1 900 490 1261 900 2 1300 790 1261 1300 3 2200 795 1261 2200 4 3500-6600 890 1261 3500 5 6601 keatas 1380 1261 >6600
Dari grafik 4.1 menunjukkan bahwa panel surya memiliki tingkat kompetitif
(penggunaan 20 tahun) saat daya yang dihasilkan diatas 2200 watt terhadap TDL
PLN non-subsidi. Tarif panel surya terus menurun jika daya yang menjadi target
meningkat hingga mendekati tarif TDL subsidi daya 900 watt. Di dalam
perhitungan tarif dasar listrik panel surya selama 20 tahun matahari menyinari
pada daerah tersebut selama 365 hari dalam setahun, dimana dalam seharinya
menyinari secara optimal selama 8 jam untuk mengisi listrik dengan harga tiap set
modul lengkap (1Wp) adalah USD 8 di Indonesia. Bahan semikonduktor yang
digunakan adalah monokristal silicon yang memiliki efisiensi 17%. Asumsi USD
1 = Rp 9200,00
Gambar 4.1 Grafik tarif listrik panel surya dan TDL PLN
0
500
1000
1500
Tarif
list
rik
Daya listrik
Perbandingan TDL
tarif PLN
tarif panel surya
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-3
Dalam produksi panel surya, beberapa biaya, baik yang tetap maupun yang
mengalami depresiasi, menyebabkan harga kompetitif panel surya pada tingkat
daya menengah keatas, beban tersebut meliputi biaya tenaga kerja, biaya overhead
pabrik, harga material penunjang, alat inverter, dan harga modul. Pada tingkat di
bawah 5 kWp, beban overhead pabrik sangat tinggi, sedangkan pada level diatas
5kWp beban overhead pabrik dapat ditekan cukup signifikan hingga 10% dari
beban sebelumnya. Untuk biaya tenaga kerja pemasangan, biaya terbesar pada
pemasangan daya besar ( diatas 50 kWp) karena melibatkan jumlah pegawai yang
lebih banyak. Harga modul semakin besar semakin murah diakibatkan dari biaya
produksi produk yang semakin ditekan baik harga material, biaya set up mesin
produksi, serta biaya material penunjang modul seperti pada gambar 4.2.
Gambar 4.2 Biaya kontribusi pemasangan panel surya
Sumber:US Department of Energy
Pada level 2000 watt tersebut Mesin Stirling diharapkan minimal mampu
memiliki harga kompetitif dibawah tarif non-subsidi TDL PLN. Hal ini terjadi
karena beban biaya pendukung baik yang tetap maupun variabel akan semakin
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-4
baik dan murah jika daya yang digunakan semakin tinggi pada panel surya. Untuk
beban listrik yang pernah dihitung dalam penelitian kelayakan Mesin Stirling
pembangkit listrik perkampungan di Filipina bahwa Mesin Stirling dengan
kapasitas daya 10 KW dengan durasi penggunaan 20 tahun bersumber panas
biogas menghasilkan beban biaya listrik sebesar 47,1 sen peso Filipina atau
sekitar Rp 102,20 (asumsi 1 peso Filipina= 217 rupiah). Beban tersebut
berdasarkan beberapa data pembelian alat Mesin Stirling bukan tenaga surya
senilai USD 35.000, bangunan penampung biogas senilai USD 5000, biaya
operator sebesar 4000 peso per bulan per orang, biaya pemasangan dan setup
sebesar 2% dari harga Mesin Stirling.
Adapun dalam merancang diperhatikan pada kebutuhan yang harus
dipenuhi agar dapat tercapai tujuan perancangan. Identifikasi kebutuhan
ditunjukkan dengan membangkitkan alternatif-alternatif yang dapat menjadi
pertimbangan seperti ditunjukkan lampiran decision tree analysis dengan setiap
tipe mesin diwakili faktor komponen-komponen dalam mesin yang menjadi
kriteria dengan output berupa biaya yang dibutuhkan untuk membangun suatu
prototipe mesin stirling. Penilaian probabilitas pengaruh komponen mesin
terhadap kinerja mesin berdasarkan penilaian ahli yaitu tempat bengkel yang
mengerjakan Mesin Stirling.
Kriteria yang muncul dari part cranckshaft adalah balance (mampu berjalan
lancer) dan unbalance (berjalan tidak lancer) sedangkan kriteria yang muncul dari
pemilihan pendingin adalah long life duration (mesin awet) dan short life duration
(mesin kurang awet jangka panjang). Ideal dari perancnagan yang harus dipenuhi
adalah mesin yang balance dan long life duration. Hal ini bertujuan mesin yang
dirancang mempunyai tingkat kompetitif dengan alat-alat pembangkit listrik
lainnya seperti panel surya. Untuk mencapai kriteria ideal diperlukan pemilihan
part-part yang harus digunakan dengan memiliki tingkat peluang terbaik dalam
mendapatkan kriteria tersebut.
Faktor komponen yang menyusun cabang-cabang decision tree analysis
sebagai berikut:
1. Tipe Mesin Stirling.
2. Engine set type.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-5
3. Cranck shaft size.
4. Piston set size.
5. Cooler.
Dalam decision tree yang dibuat terdapat 2 (dua) variabel keputusan yaitu
pengambilan keputusan berdasarkan biaya perancangan yang harus dikeluarkan
dan variable keputusan berdasarkan performansi. Pada variabel keputusan
berdasarkan biaya perancangan, keputusan yang terbaik untuk dipilih adalah
pilihan yang memiliki nilai EMV (Expected Monetary Value) paling rendah.
Dalam mendapatkan EMV yang terendah maka pilihan tersebut mempunyai
probabilitas kegagalan yang paling rendah dari kriteria-kriteria dimana sudah
dilakukan penilaian oleh orang yang ahli dalam perancangan Mesin Stirling atau
expert. Kriteria-kriteria yang menjadi penilaian EMV pada cranckshaft dan
kriteria jenis pendingin yang akan digunakan. Pada cranckshaft memunculkan
probabilitas balance dan unbalance, sedangkan pada jenis pendingin memberikan
probabilitas kontinuitas jalan mesin berupa long duration dan short duration.
Pada variabel keputusan berdasarkan performansi, keputusan yang terbaik
untuk diambil adalah pilihan yang memiliki nilai EPV (Expected Power Value)
tertinggi. Dalam mendapatkan nilai EPV yang tertinggi maka pilihan tersebut
mempunyai probabilitas keberhasilan tertinggi dari kriteria-kriteria dimana sudah
dilakukan penilaian oleh orang yang ahli dibidang perancangan Mesin Stirling
atau expert. Kriteria-kriteria yang menjadi pertimbangan dalam pengambilan
keputusan EPV tertinggi terdapat pada probabilitas keberhasilan kriteria ukuran
cranckshaft dan ukuran diameter piston. Pada kriteria cranckshaft memunculkan
probabilitas ideal torsi dan torsi rendah, sedangkan pada ukuran piston
memunculkan probabilitas ideal daya dan daya rendah.
Pada cabang yang pertama terdapat tiga cabang merupakan pemilihan tipe
mesin stirling yang akan dibuat dimana belum memunculkan biaya pembuatan
prototipe yaitu tipe alfa, tipe beta, dan tipe gamma. Dari masing-masing cabang
tersebut kemudian dimunculkan kriteria jenis full set engine yaitu berupa single
set engine type dengan biaya Rp 1.090.000,00 dan twin set engine type sebesar Rp
1.640.000,00. Kriteria selanjutnya adalah rencana penggunaan cranckshaft,
dimana terdapat dua keputusan yaitu memutuskan mempertahankan cranckshaft
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-6
bawaan atau menggunakan cranckshaft ukuran lebih besar. Cranckshaft oversize
pada mesin twin membutuhkan biaya Rp 400.000,00, sedangkan pada mesin tipe
single membutuhkan biaya sebesar Rp 300.000,00. Dari keputusan pemilihan
cranckshaft memunculkan pertimbangan probabilitas tentang keseimbangan laju
mesin.
Dari setiap probabilitas cranckshaft memunculkan kriteria pemilihan
diameter piston. Diameter piston twin tetap menggunakan original (5 cm), over
size 5.35 cm, 5.6 cm, sedangkan single tetap menggunakan original 3.8 cm,
oversize 4 cm, 4.5 cm. Pada kriteria ini tidak memberikan probabilitas dalam hal
pengaruh EMV karena ukuran piston tidak mengganggu keseimbangan mesin
berjalan (laju piston linier). Dari setiap kriteria ukuran diameter piston, muncul
kriteria pilihan pendingin untuk kelangsungan kinerja mesin yaitu
mempertahankan pendingin bawaan dan melakukan modifikasi pendingin cair.
Dari kriteria ini memunculkan probabilitas kinerja mesin yaitu long duration dan
short duration.
Dari decision tree analysis didapatkan pada dari semua tipe twin set engine
yang memiliki EMV dengan resiko terbaik adalah cranckshaft standar, piston
ukuran bawaan mesin dengan tipe pendingin cair sebesar –Rp 1.095.000,00
dimiliki oleh tipe gamma. Untuk single set engine yang memiliki EMV tertinggi
dimiliki tipe gamma, spesifikasi cranckshaft original, piston original dengan
pendingin cair long duration sebesar –Rp 593.500,00.
Pada cabang yang pertama terdapat tiga cabang merupakan pemilihan tipe
mesin stirling yang akan dibuat dimana belum memunculkan biaya pembuatan
prototipe yaitu tipe alfa, tipe beta, dan tipe gamma. Dari masing-masing cabang
tersebut kemudian dimunculkan kriteria jenis full set engine yaitu berupa single
set engine type dan twin set engine. Kriteria selanjutnya adalah rencana
penggunaan cranckshaft, dimana terdapat dua keputusan yaitu memutuskan
mempertahankan cranckshaft bawaan atau menggunakan cranckshaft ukuran lebih
besar. Cranckshaft oversize pada mesin twin maupun single memunculkan
probabilitas ideal torsi dan low torsi. Dari keputusan pemilihan cranckshaft
memunculkan pertimbangan probabilitas tentang keseimbangan laju mesin.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-7
Dari setiap probabilitas cranckshaft memunculkan kriteria pemilihan
diameter piston. Diameter piston twin tetap menggunakan original (5 cm), over
size 5,35 cm, 5,6 cm, sedangkan single tetap menggunakan original 3,8 cm,
oversize 4 cm, 4,5 cm. Pada kriteria ini memberikan probabilitas dalam hal
pengaruh EPV karena ukuran piston menentukan ukuran volume gas yang mampu
membangkitkan energi kinetic mesin. Dari setiap kriteria ukuran diameter piston,
memuncul probabilitas ideal power dan low power
Dari decision tree analysis didapatkan pada dari semua tipe twin set engine
yang memiliki EPV tertinggi adalah cranckshaft standar, piston ukuran 5,6 cm
baik gamma maupun alfa dengan range 1,18-4,72 W. Untuk single set engine
yang memiliki EPV tertinggi dimiliki tipe alfa, beta, gamma dengan spesifikasi
cranckshaft overstroke 5cm, piston 4,5 cm range 0,59-2,35 W.
4.2 PENDEKATAN PROTOTIPE
Dalam perancangan Mesin gamma Stirling, digunakan beberapa part hasil
custom maupun dari part mesin lain dengan beberapa alasan. Part yang digunakan
adalah sebagai berikut:
1. Power piston aslinya bertujuan untuk mengurangi beban biaya sesuai
dengan keputusan yang diambil.
2. Thorax displacer piston terbuat dari batang logam yang telah dilapisi
krom merupakan satu paket dalam membuat displacer yang bertujuan
tidak mudah terkikis saat bergesekan dengan jalur thorax piston.
3. Selang penghubung power piston dengan displacer terbuat dari bahan
aslinya dari jenis campuran karet dan plastik sesuai dengan penekanan
beban biaya yang dipilih.
4. Radiator air terbuat dari alumunium untuk mengoptimalkan penyerapan
panas dari silinder displacer.
5. Silinder displacer terbuat dari material besi untuk ketahanan saat
temperatur tinggi.
Dalam dunia Mesin Stirling telah dikembangkan berbagai bentuk tipe Mesin
Stirling. Adapun alasan penulis memilih Mesin Stirling tipe gamma dengan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-8
konfigurasi L 900 (sembilan puluh derajat) berpendingin air dengan tekanan
standar udara luar sistem adalah sebagai berikut:
1. Penggunaan stirling tipe gamma selain menghasilkan biaya paling murah
dari gambaran decision tree juga dikarenakan pada tipe gamma displacer
pistonnya tidak selalu terbakar oleh gas panas melainkan dalam
fungsinya memindahkan gas panas berpindah ke sisi dingin dengan
diikuti d isplacer berpindah ke sisi dingin. Displacer pada tipe gamma
juga memiliki keunggulan bahwa pistonnya tidak bergesekan langsung
kepada silinder displacer yang selalu menerima panas dari luar.
2. Konfigurasi 900 (sembilan puluh derajat) digunakan dikarenakan dengan
satu jenis cranckshaft dapat digunakan oleh 2 (dua) jenis piston secara
bersamaan pada bagian langkahnya, ini disebabkan mesin stirling
membutuhkan overlapping sudutnya antara power piston dengan
displacer untuk membuat iso khorik (tekanan yang sama) maupun saat
menyebabkan perbedaan tekanan di antara kedua piston.
3. Pendingin air atau radiator air d ipilih sebagai pendingin mesin stirling
disebabkan kemampuan air untuk menyerap panas yang signifikan. Di
daerah tropis dibutuhkan pendingin yang tidak terpengaruh oleh
kelembapan, sedangkan pendingin udara kurang mendinginkan
disebabkan oleh cuaca, temperatur, dan kelembapan daerah tropis yang
tinggi.
4. Tekanan yang digunakan setara dengan udara luar bertujuan dalam
pembangkitan gerak pada mesin stirling tidak membutuhkan temperatur
yang sangat tinggi.
4.3 UJI COBA PROTOTIPE
Pengujian dilakukan pada mesin dengan metode pembebanan bandul pada
poros cranckshaft. Bandul dirakit dengan katrol berbahan nilon agar gesekan pada
katrol menjadi licin. Bandul dengan beban tertentu diujikan untuk mendapatkan
daya dan torsi yang dapat dicapai mesin stirling. Pengujian ini dilakukan karena
adanya keterbatasan alat yang dapat digunakan dalam pengujian pembebanan.
Dengan metode pembebanan dinamo terkendala dengan dinamo magnet yang
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-9
sebelumnya telah digunakan oleh penulis yang kurang baik pada bagian poros
maupun magnet di dalamnya. Untuk alat torsi meter tidak tersedia yang
memilikinya sehingga diputuskan dengan sistem pembebanan bandul pada poros
cranckshaft.
Lintasan bandul yang digunakan dalam pengukuran berjarak 1 meter dimana
diletakkan dengan jarak toleransi untuk mesin melakukan percepatan maksimal
terleb ih dahulu. Jari-jari penggulung benang yang digunakan berukuran 1,2
sentimeter. Beban yang mampu terangkat pada pengujian adalah 100 gram bandul
dengan keadaan berjalan konstan dalam keadaan laju lambat. Percepatan gravitasi
yang digunakan sebesar 10 m/s2. Hasil percobaan yang didapatkan sebagai
berikut:
Tabel 4.2 Hasil pengujian pembebanan pada mesin gamma stirling 53,11 cc
Contoh perhitungan:
[N] = 0,1.10 N
= 1 N
F=Wbandul
Percobaan 1: [m/s]
= 1/11,2 m/s
= 0,089285714 m/s
[W]
= 1.0,089285714 W
= 0,089285714 W .60 [RPM]
= 0,089285714.60/0,012 RPM
percobaan ke- waktu (detik) kecepatan (m/s) kecepatan sudut (RPM) daya (watt)1 11,2 0,089285714 446,4285714 0,0892857142 13,9 0,071942446 359,7122302 0,0719424463 9,2 0,108695652 543,4782609 0,1086956524 8,7 0,114942529 574,7126437 0,1149425295 10,9 0,091743119 458,7155963 0,091743119
rata-rata 10,78 0,095321892 476,6094605 0,095321892maksimum 8,7 0,114942529 574,7126437 0,114942529minimum 13,9 0,071942446 359,7122302 0,071942446
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-10
= 446,4285714 RPM
= 458,7155963 RPM
Rata-rata: [m/s]
=(0,089285714+0,071942446+0,1086957+0,089285714+0,0917431
19)/5 m/s
= 0,095321892 m/s [W]
= 1.0,095321892 W
= 0,095321892 W .60 [RPM]
= 0,095321892.60/0,012 RPM
= 476,60946 RPM
Konversi pada sistem kelistrikan dengan asumsi dinamo tegangan 12 volt: [A] = 0,095321892/12 A
= 0,007943491 A
= 7,9 mA
Alat yang dapat menggunakan listrik dengan tegangan 12 volt dan arus 7,9 mA
adalah alat anti pencurian motor.
Untuk pengukuran energi yang mampu diserap oleh mesin maka digunakan
perhitungan konduksi benda yang berupa alumunium heat transferer sebagai
berikut:
[W]
0,18((213-58)+273)/(0,003)
= 993.748,2 W
[J]
= 993.748,2 *1 J
= 993.748,2 J
Efisiensi terhadap kinerja yang didapatkan terhadap energi kalor yang
diberikan:
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-11
= 100.1/9937482 %
= 0,00001%
Efisiensi terhadap kinerja yang didapatkan terhadap energi potensial gas
dalam mesin:
= 100.1/23,6 %
= 4,3%
Hasil yang didapatkan sebesar 0,1 W dibawah angka nilai ekspektasi power
(EPV) dimana dengan kriteria low torsi dan low power seharusny memiliki daya
mesin sebesar 0,21 W.
4.4 DAYA POTENSIAL GAS DALAM RUANG MESIN STIRLING.
Dalam sistem gas tertutup, ada beberapa faktor-faktor yang mempengaruhi
perubahan tekanan dan volume yang dapat mengakibatkan peningkatan daya yang
signifikan pada mesin stirling. Untuk mencapai daya yang besar dan memiliki
efisiensi yang tinggi maka peningkatan volume tidak memberikan jaminan
peningkatan efisiensi yang disebabkan akan terjadi peningkatan beban inersia dan
gaya gesek. Faktor yang dapat meningkatkan daya secara signifikan adalah
meningkatkan tekanan yang ada di dalam mesin. Hal in i dapat dilihat dari rumus
Teori Schmidt yang telah ditulis pada bab landasan teori. Efisiensi energi pada
mesin stirling dapat dilihat dari efisiensi termal dari mesin.
Jika efisiensi termal dapat dicapai pada angka yang tinggi maka akan terjadi
perubahan tekanan yang signifikan untuk membangkitkan kemampuan muai gas
dalam mesin. Dalam perbandingan daya dengan skalabilitas mesin, faktor yang
dirubah adalah tekanan gas dalam mesin karena faktor ini masih dapat
dikendalikan oleh manusia dengan injektor gas. Untuk faktor-faktor lain seperti
suhu dipengaruhi pada sistem pembakaran dan sistem pendinginan, sedangkan
besaran putaran yang dicapai dipengaruhi besarnya energi yang mampu diserap
dan dilepaskan gas dalam 1 waktu tertentu.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-12
Dalam melakukan skalabilitas, faktor-faktor yang dianggap konstan untuk
memudahkan perhitungan adalah sebagai berikut:
1. Volume power piston sesuai dengan ukuran piston yang telah dirancang
peneliti sebesar 53,11 cc. Untuk volume displacer sebesar 1,5 kali
volume power piston. Volume yang digunakan sebesar tersebut untuk
membandingkan dengan daya gas dengan tekanan gas normal.
2. Suhu yang dicapai untuk sisi panas sebesar 1550C, sedangkan suhu yang
dicapai untuk sisi dingin sebesar 350C. Suhu tersebut merupakan suhu
yang pada umumnya dicapai oleh mesin bakar pada awal-awal mesin
sedang pemanasan.
3. Putaran yang dicapai sebesar 476 RPM sesuai kenyataan.
Pada tabel 4.3 menunjukkan daya yang mampu dicapai gas dalam mesin
stirling dengan tekanan 1 bar/ tekanan udara normal dataran rendah mencapai
sebesar 2,37 W. Daya tersebut dicapai dengan efisiensi termal sebesar 23%.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-13
Tabel 4.3 Tabel Daya Gas Dalam Mesin Stirling Dengan Tekanan Ruang 1 Bar
Sudut Pi e Tc Te 0 2.997967 0.227704 407 527
10 2.367712 0.227704 407 527 20 2.367712 0.227704 407 527 30 2.367712 0.227704 407 527 40 2.367712 0.227704 407 527 50 2.367712 0.227704 407 527 60 2.367712 0.227704 407 527 70 2.367712 0.227704 407 527 80 2.367712 0.227704 407 527 90 2.367712 0.227704 407 527
100 2.367712 0.227704 407 527 110 2.367712 0.227704 407 527 120 2.367712 0.227704 407 527 130 2.367712 0.227704 407 527 140 2.367712 0.227704 407 527 150 2.367712 0.227704 407 527 160 2.367712 0.227704 407 527 170 2.367712 0.227704 407 527 180 2.367712 0.227704 407 527 190 2.367712 0.227704 407 527 200 2.367712 0.227704 407 527 210 2.367712 0.227704 407 527 220 2.367712 0.227704 407 527 230 2.367712 0.227704 407 527 240 2.367712 0.227704 407 527 250 2.367712 0.227704 407 527 260 2.367712 0.227704 407 527 270 2.367712 0.227704 407 527 280 2.367712 0.227704 407 527 290 2.367712 0.227704 407 527 300 2.367712 0.227704 407 527 310 2.367712 0.227704 407 527 320 2.367712 0.227704 407 527 330 2.367712 0.227704 407 527 340 2.367712 0.227704 407 527 350 2.367712 0.227704 407 527 360 2.367712 0.227704 407 527
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-14
Keterangan:
7.933333333 RPS
476 RPM
pmean 100000 N/m2
Overlap/dx 90 derajat
1.570796327 radian
Rumus yang digunakan untuk menghitung daya: ………………………..(2.6)
4.5 HARGA POKOK PRODUKSI PROTOTIPE STIRLING TIPE
GAMMA.
Tabel 4.4 Tabel Harga Pokok Produksi Mesin Stirling Gamma 53,11cc No Jenis pengeluaran produksi beban biaya biaya langsung :
1 kompresor bekas singel p iston 50cc + displacer 1075000 2 pembuatan heat transferer 100000 3 Milling diluar bengkel 40000 4 Pembubutan 50000 5 water jacket 100000
total beban biaya modifikasi 1365000
6 biaya work hour (25000/jam) (pengerjaan dalam 1 hari=5jam)(dikerjakan dalam 6 hari) 750000
7 pengelasan,pemotongan logam,pengujian alat 100000 biaya tidak langsung :
8 beban listrik mesin bubut (5kW)(5 jam kerja)(Rp 1000/kWH) 25000
9 lampu bohlam mesin bubut 3000 10 Pegawai /assisten ( 25000/hari)(2 hari) 50000
11 beban listrik mesin las (4,8 kW)(0,5 jam)(Rp 1000/kWH) 2400
harga pokok produksi 2275400
Beban bagian-bagian mesin dalam merancang mesin stirling tipe gamma
meliputi:
1. Pembelian kompresor bekas dan pembuatan displacer.
2. Heat transferer
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
IV-15
3. Water jacket
Untuk komponen yang lain masih dapat menggunakan komponen asli dari
kompresor bekas. Beban pekerja dalam 1 jam memakan biaya Rp 25.000,00 dan
pengerjaan ini dalam 1 hari memakan 5 jam selama 6 hari. Sedangkan biaya
proses pembuatan meliputi pengelasan, pemotongan material, pengujian jalan alat,
pembubutan sangat variab le dikarenakan perbedaan perlakuannya terhadap
material. Harga pokok yang dibutuhkan untuk memproduksi 1 mesin stirling
selama riset ini membutuhkan dana Rp 2.275.400,00.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
V-1
BAB V ANALISIS INTERPRETASI HASIL RANCANGAN
Pada bab analisa kelayakan akan dibahas tentang fenomena yang terjadi
pada pengujian Mesin Stirling yang diuji kemudian membahas perbandingan
kelayakan antara teknologi Mesin Stirling yang dirancang dengan Mesin Striling
yang dirancang oleh ATMI, panel surya yang ideal, dan Mesin Stirling prototipe
di Amerika Serikat dalam pemenuhan kebutuhan energi listrik rumah tangga yang
bersumber panas matahari. Perbandingan mengutamakan kriteria rasio biaya
produksi dengan daya listrik yang dihasilkan.
5.1 ANALISIS KEJADIAN DALAM PENGUJIAN MESIN STIRLING.
Pada pengujian didapatkan bahwa terdapat selisih antara kalkulasi daya gas
yang dapat dibangkitkan dengan daya yang dapat dilakukan pada poros
cranckshaft. Dalam pengukuran diketahui air yang ditampung radiator diukur
bersuhu 350C, sedangkan pada hot chamber yang menerima panas menunjukkan
suhu sebesar 1550C. Daya potensial gas yang dihasilkan sebesar 2,37 W, namun
pada kenyataan yang terjadi di lapangan, kalor yang diberikan pada hot chamber
mengalami kehilangan kalor kemudian dari potensial gas pada poros mekanik
maupun piston hanya mampu menghasilkan daya sebesar 0,1 W. Daya yang
hilang sebesar 95% dari total potensial gas yang mampu dibangkitkan.
Penurunan daya yang mampu diberikan oleh gas dalam mesin disebabkan:
1. Kurang terisolasinya penerima panas/hot chamber dari udara bebas di
lingkungan sekitar. Hal ini mengakibatkan kalor yang diberikan banyak
terserap oleh udara bebas di lingkungan sekitar d ibandingan diserap oleh
bagian penerima panas.
2. Adanya hilang pada beban inersia sistem mekanik mesin. Dengan
meningkatnya beban inersia maka banyak energi potensial digunakan
untuk memutar beban benda mekanik dalam mencapai kecepatan tertentu.
3. Ketidak-mampuan radiator untuk menyerap panas disebabkan adanya
rongga antara hot chamber dengan radiator tersebut. Penambahan logam
pada bagian yang berongga dari radiator air seperti gambar 5.1 tidak
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
V-2
dapat membantu peningkatan penyerapan panas. Kondisi gas sering
mengalami kelebihan kalor atau over heating. Penggunaan yang sering
dalam kondisi over heating meningkatkan ketidak-rapatan pada bagian
ring piston karena teflon memiliki batas suhu agar tetap mampu bersifat
liat, licin, dan tidak aus.
4. Pengujian dengan pembebanan awal menyebabkan pengumpulan daya
secara maksimal berkurang diakibatkan lintasan pengukuran pengujian
pembebanan terbatas sehingga daya yang dicapai jauh menurun.
Penurunan daya diakibatkan perubahan energi yang terjad i pada displacer
saat didinginkan maupun dipanaskan menjadi kurang ideal (terlalu lama
pergerakan displacer). Lambatnya pergerakan displacer mengakibatkan
penerimaan panas berlebihan sedangkan pelepasan panas kurang
mengimbangi (permasalahan radiator yang kurang sempurna).
Gambar 5.1 Kondisi kurang idealnya radiator
5.2 ANALISIS KELAYAKAN MESIN STIRLING SEBAGAI
PEMBANGKIT LISTRIK
5.2.1 Komparasi Mesin Stirling Dengan Kompetitor
Dalam melakukan komparasi dibutuhkan perbandingan yang seimbang.
Dalam hal ini keseimbangan yang dicari adalah pada keseimbangan kriteria Mesin
Stirling dengan kondisi low pressure yaitu Mesin Stirling milik ATMI sebesar 1
bar. Mesin Stirling yang dipakai oleh ATMI memiliki ukuran diameter 2 meter
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
V-3
dengan langkah sebesar 30 sentimeter. Daya yang dihasilkan oleh mesin tersebut
adalah sebesar 300 watt
Tabel 5.1 Komparasi Mesin Stirling yang dirancang dengan Mesin Stirling milik ATMI
no kriteria Mesin Stirling yg dirancang (50jam)
Mesin Stirling yg dipakai ATMI (kira-kira 5 tahun tanpa perbaikan)
1 Volume (cc) 81.3888 1570000
2 daya yang dihasilkan (watt) 0.1 300 3 normalisasi volume (cc) 1570000 1570000 4 daya setelah normalisasi(watt) 1929.012346 300
5 harga yang dikeluarkan disaat sekarang (rupiah) 4545400 75000000
6 rasio harga dengan energi yg dihasilkan ( rupiah/wH) 909080 20.83333333
Untuk mendapatkan komparasi yang berimbang, maka diperlukan rasio
perbandingan antara daya dengan volume dari masing-masing Mesin Stirling.
Mesin Stirling yang dirancang memiliki power volume rasio sebesar 0,0019,
sedangkan Mesin Stirling yang dipakai ATMI memiliki power volume rasio
0,0001. Jika volume Mesin Stirling yang dirancang mendapatkan perlakuan
normalisasi maka potensi daya yang mampu dihasilkan maksimal sebesar 1929,01
W dengan persyaratan efisiensi sama dengan kondisi Mesin Stirling yang
dirancang sekarang ini. Mesin Stirling yang dirancang memiliki rasio harga
dengan energi listrik yang dihasilkan sebesar Rp. 909.080,00/Wh, sedangkan
Mesin Stirling yang buatan ATMI memiliki ras io harga dengan energi listrik yang
dihasilkan sebesar Rp. 20,83/Wh.
Gambar 5.2 Grafik perbandingan setelah normalisasi volume mesin
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
V-4
Tabel 5.2 Komparasi Mesin Stirling yang dirancang dengan Mesin Stirling surya prototipe buatan Amerika
no kriteria Mesin Stirling yg dirancang (50jam)
Mesin Stirling buatan US
1 Tekanan 1 bar 100 bar 2 Volume (cc) 81.3888 125 3 daya yang dihasilkan (W) 0.1 25000
4 harga yang dikeluarkan disaat sekarang (rupiah) 4545400 1380000000
5 rasio harga dengan energi yg dihasilkan ( rupiah/Wh) 909080
Rp. 945,21/kWh (perkiraan 20 tahun)
Pada Mesin Stirling yang dirancang terdapat perbedaan yang signifikan
dengan Mesin Stirling yang ideal atau terbaik sekarang. Dengan volume
ditingkatkan maupun dengan peningkatan tekanan 100 bar tetap hanya memiliki
daya teoritis sebesar 15,35 watt. Fenomena yang memungkinkan terjadi adalah
efisiensi yang berbeda sehingga capaian perputaran mesin maupun daya yang
dicapai jauh dari perkiraan. Seperti diketahui Mesin Stirling yang dirancang hanya
memiliki efisiensi total 4,3% berbeda jauh pada Mesin Stirling yang ideal
memiliki efisiensi total sebesar 30%.
Efisiensi total meliputi efisiensi termal maupun efisiensi mekanis. Efisiensi
termal meliputi faktor besarnya kalor yang dilepaskan maupun kalor yang diserap
mesin untuk membangkitkan energi potensial gas dalam mesin. Efisiensi mekanis
meliputi faktor inersia mekanik mesin dan faktor gesekan pada sistem gerak.
Secara efisiensi termal, Mesin Stirling yang dirancang mengalami ketidak-
optimalan sistem pendingin mesin sehingga perbedaan temperatur gas yang terjadi
tidak signifikan. Sistem penangkap panas masih terbuka sehingga panas yang
ditangkap masih terbagi panas yang diberikan dengan lingkungan sekitar.
Faktor inersia dari Mesin Stirling yang dirancang masih jauh dari harapan
mengenai beban inersia yang cukup berat maupun kepresisian laju komponen
mesin yang masih terdapat jeda atau tidak presisi. Faktor gesekan paling banyak
berpengaruh karena saat pengujian mesin pergerakan mesin yang seret
mengakibatkan gas banyak kehilangan energi kinetik akibat gesekan. Gesekan
banyak terjadi pada bagian poros terhadap blok mesin, pen-pen pada piston dan
pada cranckshaft, maupun gesekan ring piston terhadap boring mesin yang kurang
licin.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
V-5
Berdasarkan faktor biaya Mesin Stirling buatan US (bertenaga surya)
mampu menghasilkan beban biaya sebesar Rp. 945,21 per kWh dengan durasi
pemakaian 20 tahun jauh lebih murah daripada Mesin Stirling yang dirancang
peneliti.
Tabel 5.3 Komparasi Mesin Stirling yang dirancang dengan panel surya
no kriteria Mesin Stirling yg dirancang (50jam) Panel surya
1 daya (watt) 0.1 1KWp
2 rasio harga dengan energi yg dihasilkan ( rupiah/Wh) 909080
Rp. 2.312,50/kWh ( durasi 10 tahun)
Terhadap panel surya yang ideal, mesin stirling yang dirancang masih
tertinggal jauh antara rasio biaya dengan daya listrik yang dihasilkan. Panel surya
mampu memiliki rasio biaya dengan daya sebesar Rp. 2.312,50 per kWh selama
10 tahun. Efisiensi yang dicapai panel surya tersebut mampu mencapai 15%.
Panel surya yang digunakan dijual di Jakarta dalam bentuk tiap 1 buah memiliki
daya sebesar 80 Wp seharga Rp. 3.000.000,00. Untuk mencapai 1 kWp
membutuhkan 13 buah. Inverter yang digunakan untuk daya 1 kW seharga Rp.
6.500.000,00 (asumsi 1 USD= Rp. 9200,00). Baterai/aki yang digunakan berjenis
12 volt 90 ampere dengan penyimpanan 1 jam seharga Rp. 1.200.000,00 per buah
yang membutuhkan sebanyak 8 buah.
5.2.2 Fisibilitas Pembangkit Listrik Mesin Stirling yang Dirancang
Dalam percobaan menunjukkan pencapaian yang jauh dari harapan dimana
Mesin Stirling yang dirancang hanya dapat menghasilkan listrik jauh dibawah
nilai ekspektasi daya (EPV) yang diperkirakan. Dari segi harga yang dihabiskan
dalam merancang, Mesin Stirling ini terlalu mahal untuk digunakan. Hal ini
disebabkan dalam produksi menggunakan alat produksi yang sederhana dan perlu
dilakukan kalibrasi. Biaya tenaga kerja yang mahal disebabkan pada keterbatasan
alat produksi yang mengakibatkan tenaga kerja banyak menggunakan teknik-
teknik produksi yang kurang optimal, pengulangan set up alat produksi yang
berubah-ubah, pengerjaan yang berulang-ulang, waktu produksi yang memakan
waktu dan tenaga yang terlalu lama, serta hasil pengerjaan yang jauh dari
kepresisian menyebabkan Mesin Stirling tidak dapat bekerja sesuai ekspektasi.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
V-6
Idealnya Mesin Stirling yang dirancang jika dapat berjalan secara kontinyu
terhadap Mesin Stirling penelitian dari Filipina adalah penggunaan 2018 tahun
dan durasi waktu tersebut sangat jauh dari kata layak.
Hambatan yang terjadi selama perancangan adalah:
1. Di Surakarta sulit melakukan komparasi Mesin Stirling yang sudah diuji
dengan kapasitas yang sama.
2. Keterbatasan alat produksi yang masih semi-manual sehingga
kepresisian menjadi hambatan dalam produksi maupun set up mesin
produksi yang berulang-ulang.
3. Penjabaran decision tree yang masih ada ketidaktepatan dalam
adjustment faktor-faktor yang dibuat peneliti utnutk memutuskan pilihan
tipe Mesin Stirling sehingga perhitungan nilai ekspektasi yang muncul
masih memiliki kelemahan perhitungan hasil akhir di lapangan.
Untuk mencapai rancangan Mesin Stirlng yang ideal memiliki syarat
kepresisian yang ketat. Kepresisian yang ketat dapat tercapai jika penggunaan alat
produksi yang telah terkomputerisasi dan terkalibrasi dengan baik akan
memberikan efektif dan efisien produksi tercapai. Dari efektifitas dan efisiensi
produksi yang tinggi dapat menghasilkan biaya produksi yang lebih rendah, waktu
produksi yang lebih sedikit, kepresisian yang lebih ketat daripada penggunaan alat
produksi manual yang kurang baik. Namun untuk mencapai semua kriteria
tersebut harus melakukan investasi awal yang mahal.
Dari segi daya yang ideal, Mesin Stirling memiliki nilai kompetitif berdaya
besar untuk mengimbangi biaya produksi yang tinggi dari tuntutan pencapaian
kepresisian ketat. Mesin Stirling memiliki kerumitan produksi leb ih besar
dibandingkan panel surya dikarenakan banyak dibutuhkan set up yang ideal pada
Mesin Stirling agar dapat mencapai kinerja gerak mekanik yang ideal. Dari
kinerja mekanik yang ideal layaknya pembangkit listrik dengan mesin bakar,
Mesin Stirling baru dapat diharapkan menghasilkan energi listrik daya yang besar,
efisiensi tinggi, dan kompetitif dari segi biaya maupun performa terhadap
kompetitor-kompetitornya.
Pada saat ini belum ada produsen Mesin Stirling yang memproduksi Mesin
Stirling secara massal dan make to stock sebagai sumber pembangkit listrik untuk
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
V-7
konsumsi suatu daerah di dunia. Masih sebatas riset pengembangan dan optimasi
teknologi Mesin Stirling pembangkit listrik dimana harga yang dihasilkan masih
sangat tinggi untuk bersaing dengan kompetitor-kompetitornya. Para periset masih
mencari teknik produksi, teknik material yang baik, dan teknologi-teknologi yang
tepat sebagai pendamping optimasi Mesin Stirling dalam bekerja.
Kelemahan-kelemahan hasil rancangan yang perlu diperbaiki adalah:
1. Perbaikan pada hot chamber yang terisolasi baik sehingga kalor yang
diserap semakin baik.
2. Perbaikan pada radiator yang lebih menyatu sempurna sehingga tidak
terjadi rongga ruang yang tidak tersentuh pendinginan cair.
3. Perbaikan part-part yang berhubungan dengan gesekan dan bergerak
membutuhkan pembuatan dengan kepresisian ketat/toleransi ketat
sehingga dapat mengurangi penurunan kinerja mesin.
Mesin Stirling lebih kompetitif bersaing dengan kompetitor dengan mesin
genset dibandingkan dengan panel surya dengan daya dan sumber panas yang
sama disebabkan:
1. Mesin Stirling yang bersumber panas biogas (fermentasi kotoran ternak,
sampah organik, ampas olahan pangan, dll) memiliki kelayakan lebih
murah dalam penggunaan 20 tahun dibandingkan mesin genset berdaya
sama bensin maupun solar bahkan panel surya di daerah pegunungan.
Hal ini mengacu pada harga minyak bumi dari tahun ke tahun selalu
meningkat akibat keterbatasan jumlah terhadap peningkatan kebutuhan.
Tabel 5.4 Komparasi Mesin Stirling biogas yang ideal dengan genset bensin
no kriteria Mesin Stirling ideal biogas mesin genset(silent) 1 daya (kW) 10 16 2 sumber panas biogas(free) bensin 3 konsumsi (ltr/jam) - 3 4 penggunaan (tahun) 20 20 5 harga sumber panas free 4500 6 harga mesin 322000000 85560000
7
biaya perbaikan per 5 tahun (10% dari harga barang) 32200000 8556000
8 infrastruktur 25000000 0 9 harga listrik (Rp/KWH) 271.58 886.48
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
V-8
2. Biaya pembuatan cermin reflektor untuk mengumpulkan panas berdaya
berdaya besar sangat mahal hingga mendekati 50% dari harga mesin
tersebut
Harapan yang dapat dilakukan di masa yang akan datang adalah mampu
menekan biaya produksi dan performa yang kompetitif jika sudah diproduksi
massal dimana mampu meningkatkan efisiensi kinerja Mesin Stirling.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
VI-1
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN PENELITIAN
6.1 KESIMPULAN PENELITIAN
Dari perancangan yang dibuat dihasilkan beberapa kesimpulan sebagai
berikut:
1. Perancangan Mesin Stirling yang dipilih adalah Mesin Stirling tipe gamma
dengan komponen cranckshaft standar, piston set standar, berpendingin air.
Mesin Stirling ini dipilih karena memiliki resiko nilai ekspektasi biaya
(EMV) terendah yaitu sebesar Rp. 593.500,00.
2. Mesin Stirling yang diuji menghasilkan daya sebesar 0,1 W, sedangkan
nilai daya ekspektasi terendah (EPV) sebesar 0,21 W. Secara teori daya gas
yang dapat dihasilkan sebesar 2,37 W. Efisiensi termal yang dapat dicapai
sebesar 22,77% dan efisiensi mesin sebesar 4,3%.
3. Mesin Stirling yang dirancang masih belum layak dari segi biaya yaitu
perbandingan harga terhadap performa maupun daya dihasilkan masih
rendah dan masih kurang portabel dibandingkan panel surya yang sudah
diproduksi massal. Mesin Stirling (50 jam) yang dirancang menghasilkan
biaya listrik sebesar Rp. 909.000,00/Wh dengan kondisi menjalankan setiap
2 jam harus diistirahatkan, sedangkan panel surya berumur maksimal 10
tahun berdaya 3 kWp mampu menghasilkan biaya listrik Rp. 1378,78/kWh.
Untuk Mesin Stirling ideal yang dapat dipakai yang bersumber panas
biogas jauh lebih murah dibandingkan Mesin Stirling surya.
6.2 SARAN PENELITIAN
Dari perancangan yang dilakukan perlu pembenahan agar tercapai kinerja
yang maksimal bahkan diharapkan mampu mencapai tujuan pemenuhan
kebutuhan energi listrik masyarakat. Perbaikan yang dibutuhkan sebagai berikut:
1. Tekanan yang digunakan Mesin Stirling harus diatas 1 bar.
2. Perlu perbaikan penjabaran decision tree analysis dengan komparasi
beberapa ahli agar didapatkan angka probabilitas yang lebih objektif.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
VI-2
3. Manufaktur membutuhkan workshop dengan teknologi tinggi dan part-part
mesin membutuhkan bahan material yang terbaik untuk ketahanan durasi
penggunaan panjang.
4. Memerlukan perbaikan efisiensi energi di dalam kinerja mesin baik
pendinginan mesin maupun penyerapan panas dari sumber dan
regenerator.
5. Memerlukan penggunaan gas mulia seperti helium untuk mampu
melakukan penyerapan dan pelepasan energi secara cepat.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
Recommended