## Performance of solar dish stirling engine for remote area needs

## Imansyah Ibnu Hakim, Hafizh Bramantya Rizaldi Putra
Laboratorium Perpindahan Kalor, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia Kampus Baru, Depok, Jawa Barat, 16424 Email korespondensi: imansyah@eng.ui.ac.id

## Abstrak
Kebutuhan listrik merupakan kebutuhan utama masyarakat Indonesia dan setiap orang. Pada tahun 2020, terdapat 433 desa tanpa listrik di Indonesia. Indonesia memiliki potensi besar sebagai sumber energi terbarukan. Menurut Kementerian ESDM, total potensi energi terbarukan Indonesia adalah 417,8 gigawatt (GW). Potensi terbesar berasal dari energi surya atau matahari sebesar 207,8 GW. Salah satu cara untuk memanfaatkan potensi energi surya yaitu dengan menggunakan Solar Dish Stirling Engine. Kajian ini menggunakan mesin stirling tipe alpha  dan  udara  sebagai  fluida  kerja.  Kajian  ini bertujuan  untuk  mengetahui  kecepatan  putaran  mesin, daya output mesin stirling, dan efisiensi daya output mesin stirling dengan menggunakan empat variasi panjang lengan piston yaitu 5 cm – 5 cm (L H -L C ), 5 cm – 4,3 cm (L H -L C ), 4,3 cm – 5 cm (L H -L C ), dan 4,3 cm – 4,3 cm (L H -L C ). Pada kajian ini, digunakan lampu halogen 500 Watt sebagai pengganti sumber panas matahri. Dari hasil kajian, diperoleh kecepatan rpm maksimum pada 852 rpm dengan panjang lengan di 5 cm – 5 cm (L H -L C ). Hasil kajian juga diperoleh bahwa kecepatan  putaran mesin  optimum terdapat pada  panjang lengan 5 cm – 5  cm (L H -L C ) dengan nilai 0,39 W pada 839 rpm. Kinerja atau efisiensi mesin stirling ini terbesar yaitu 6,5% pada panjang lengan 5 cm – 5 cm (L H -L C ).
Kata kunci : mesin stirling, parabolic dish concentrator, energi matahari, mesin pembakaran luar.

## Abstract
The need for electricity is the main need of the Indonesian people, and everyone. In 2020, there are 433 villages without electricity in Indonesia. Indonesia has great potential as a source of renewable energy. According to the Ministry of Energy and Mineral Resources, Indonesia's total renewable energy potential is 417.8 gigawatts (GW). The greatest potential comes from the sun at 207.8 GW. One way to utilize the potential of solar energy is to use the Solar Dish Stirling Engine. This research uses an alpha stirling engine and uses air as the working fluid. This initial research of the solar dish Stirling engine aims to determine engine performance with parameters such as engine rotation speed, Stirling engine output power, and Stirling engine output power efficiency. The experiment was carried out using four variations of the piston arm length, namely 5 cm – 5 cm (L H -L C ), 5 cm – 4.3 cm (L H - L C ), 4.3 cm – 5 cm (L H -L C ) and  4.3 cm – 4.3 cm (L H -L C ), and  used a 500 Watt halogen lamp as a substitute for the solar heat source. From the results of the study, the maximum rpm speed was obtained at 852 rpm with an arm length of 5 cm – 5 cm (L H -L C ). The results of the study also showed that optimum engine rotation speed was found in the length of the arm 5 cm – 5 cm (L H -L C ) with a value of 0.39 W at 839 rpm. Finally, it is known that the largest stirling engine efficiency is 6.5% at arm length 5 cm – 5 cm (L H -L C ).
Keywords : stirling engine, dish concentrator, solar energy, external combustion engine.

## 1. Pendahuluan
Kebutuhan  listrik  merupakan  kebutuhan  utama masyarakat Indonesia, mulai dari penerangan hingga usaha kecil maupun besar, menggunakan listrik untuk berbagai  keperluan.  Sayangnya,  sebagai  pemasok listrik  terkemuka  di  tanah  air,  PLN  belum  dapat memenuhi kebutuhan listrik di beberapa kotamadya. Pada  tahun  2020,  terdapat  433  desa  tanpa  listrik  di Indonesia.  Padahal,  jumlahnya  tidak  banyak  jika dibandingkan dengan jumlah desa di sana. Terdapat desa  tanpa  listrik  di  empat  provinsi  :  325  desa  di Papua,  102  desa  di  Papua  Barat,  5  desa  di  Nusa Tenggara Timur dan 1 desa di Maluku [17]. Situasi ini mempersulit  pembangunan  ekonomi,  sosial  dan budaya di daerah-daerah tersebut. Seiring bertambahnya jumlah penduduk Indonesia,
kebutuhan  listrik  di  Indonesia  juga  semakin meningkat [18].
Saat  ini,  kita  sangat  bergantung  pada  bahan  bakar tradisional seperti batu bara, solar dan gas alam untuk memenuhi  permintaan  listrik  [19].  Secara  khusus, bahan bakar fosil adalah sumber daya alam yang tidak dapat  diperbarui,  sehingga  tidak  mungkin  selalu menggunakan  bahan  bakar  fosil  untuk  produksi energi.  Oleh  karena  itu,  ada  kekurangan  pasokan energi listrik [3].
Konsumsi  listrik  per  kapita  nasional  mencapai  1,08 kWh  per  kapita  pada  tahun  2019  [4].  Konsumsi  ini meningkat  2,26%  dibandingkan  tahun  sebelumnya. Konsumsi  listrik  pada  tahun  2020  diperkirakan sebesar  1,14  kWh  per  orang.  Konsumsi  listrik  per kapita  ini  dihitung  berdasarkan  perbandingan konsumsi  listrik  dibagi  dengan  jumlah  penduduk
negara tersebut [15]. Salah satu cara agar kebutuhan listrik  di  daerah  terpencil  tercukupi  dengan menggunakan energi terbarukan.
Energi  surya  merupakan  bagian  dari  energi terbarukan.  Salah  satu  cara  untuk  memanfaatkan potensi energi surya yaitu dengan menerapkan prinsip mesin stirling [16].  Sistem  mesin Stirling yang menggunakan  energi  surya  adalah  salah  satu  dari solusi yang  paling menjanjikan karena teknologinya menggabungkan  dengan  mudah  sumber  daya  yang tersedia  dengan  siklus  termal  yang  sederhana  dan efisien  [6].  Mesin stirling menyajikan  beberapa keuntungan,  seperti  aspek  termodinamika  dengan efisiensi  tinggi,  kemampuan  untuk  menggunakan sumber  panas  apapun,  termasuk  bahan  bakar,  solar, panas  bumi  atau  panas  buangan,  dan  tingkat kebisingan yang rendah. Mesin stirling memiliki life time 3  sampai  10  tahun  dan  efisiensi  global  yang mencapai 30% [10].
Solar  Dish  Stirling  Engine merupakan  satu  dari  3 teknologi panas  matahari yang  mempunyai  efisiensi tertinggi [7]. Suatu sistem yang  mengumpulkan dan memfokuskan  panas  dari  matahari  pada collector yang dapat digunakan untuk menggerakan generator dan  menghasilkan  listrik  [8].  Teknologi  ini menggabungkan  mesin Stirling dengan  suatu  alat optik  atau reflector yang  akan  membuat  radiasi matahari terkonsentrasi pada sebuah thermal receiver atau absorber yang  terhubung  dengan hot  chamber dari mesin, sehingga menghasilkan suhu yang tinggi [27]. Solar Dish Stirling Engine juga dapat diterapkan untuk pembangkit listrik tenaga berskala kecil sampai sedang. Solar dish Stirling Engine dapat disinergikan dengan  penyimpan  panas  ( thermal  storage )  atau hibridasi  dengan  teknologi  dengan  sumber  daya lainnya [6].
Solar  Dish  Stirling  System (SDSS)  telah  diusulkan sebagai teknologi yang menjanjikan untuk pembangkit  listrik  bersih  komersial  dan  aplikasi terdistribusi smart  grid .  Sistem  ini  memiliki keunggulan dibandingkan pembangkit listrik konvensional  karena  menghasilkan  daya  bersih dengan  modularitas  tinggi  (3–45  kW),  yang  cocok untuk  pembangkitan  terdistribusi  dan  beroperasi dengan tenang dibandingkan dengan mesin diesel atau bensin [29].
Pada  tahun  2010,  Imperial  Valley  Solar/SES  Solar yang  diusulkan  dibangun  di  Imperial  County, California,  Amerika  Serikat.  Ini  memiliki  kolektor berdiameter  11,6  m,  bahan  reflektor  kaca  lengkung segi  cermin,  menghasilkan  sekitar  750  kW  dan efisiensi sistem maksimal 31,25% [9]. Selain itu, Pada tahun  2016  kolektor  parabola  RIPASSO  di  Afrika Selatan.  Dia  memiliki  diameter  kolektor  14,5  m, bahan reflektor aspek cermin kaca melengkung yang menghasilkan  sekitar  60  MW  dan  efisiensi  sistem maksimal 32% [11].
Berdasarkan  uraian  di  atas,  perlu  melakukan  kajian tentang  bagaimana  mengoptimasi  teknologi Solar Dish  Stirling (SDS)  dengan  melihat  pengaruh  dari jenis fluida kerja terhadap efisiensi absorber, efisiensi total dan daya output system [12]. Diharapkan kajian ini dapat membantu lainnya melakukan inovasi baru dalam penggunaan sumber daya matahari menggunakan mesin Stirling .
Matahari memiliki energi yang sangat  besar. Energi ini  dipindahkan  ke  permukaan  bumi  melalui perpindahan  panas  secara  radiasi.  Radiasi  matahari dihasilkan  oleh  gelombang  elektromagnetik  yang memiliki  karakteristik  umum  yang  sama  tetapi efeknya  berbeda  [20].  Hal  ini  karena  panjang gelombang  setiap  cahaya  berbeda.  Semua  panjang gelombang  dalam  rentang  inframerah,  cahaya tampak, dan bagian dari spektrum ultraviolet disebut radiasi  termal  karena  menyebabkan  pemanasan  di wilayah spektrum elektromagnetik ini. Radiasi panas terjadi  pada  spektrum  cahaya  dengan  panjang gelombang 0,1x10 -6 s/d 100x10 -6 m [1].
Indonesia  terletak  di  garis  khatulistiwa,  sehingga Indonesia  mempunyai  sumber  energi  matahari  yang berlimpah dengan intensitas radiasi matahari rata-rata sekitar  4,8  kWh/m 2 per  hari  di  seluruh  wilayah Indonesia.  Pemanfaatan  energi  ini  dapat  dilakukan secara  termal  maupun  melalui  energi  listrik. Pemanfaatan  secara  termal  dapat  dilakukan  secara langsung  dengan  membiarkan  objek  pada  radiasi matahari,  atau  menggunakan  peralatan  yang mencakup kolektor dan konsentrator surya, sehingga dapat digunakan secara langsung untuk memproduksi listrik  atau  untuk  memanaskan  bahan  yang  menjadi sumber energi pada generator listrik.
Mesin pembakaran luar atau yang bisa disebut dengan External Combustion Engine (ECE) merupakan suatu proses di mana ada pembakaran yang terjadi di luar mesin [21]. Hal-hal yang dimiliki mesin pembakaran luar adalah dapat memakai segala jenis bahan bakar, dapat  memakai  bahan  bakar  bermutu  rendah,  cocok digunakan untuk melayani beban-beban besar dalam satu  poros,  serta  cocok  dipakai  untuk  menghasilkan daya tinggi [22].
Secara historis, mesin Stirling adalah mesin pertama dengan regenerator [31]. Regenerator bekerja dengan menyerap energi dari gas yang dikirim dari pemanas ke  pendingin  dan  melepaskan  energi  dari  gas  yang dikirim  dari  pendingin  ke  pemanas,  membantu meminimalkan energi yang dikonsumsi oleh pemanas menjadi wadah dan perangkat penyimpan panas [2]. Proses  suplai  dan  pembuangan  panas  ini  harus dilakukan  dalam  kondisi  isotermal.  Regenerator memainkan peran ini sebagai fitur yang berbeda dari siklus Carnot [30].
Pada  Gambar  1,  memperlihatkan  siklus  ideal  mesin Stirling terdiri  dari  dua  peristiwa  isotermal  dan  dua peristiwa isokhorik [31]. Siklus ideal diagram p-V dan
T-s dari  mesin Stirling tidak  ada  ireversibilitas internal dalam siklus.
Gambar 1 . Diagram P-V dan T-s mesin stirling [31].
Karena energi internal ( u ) gas ideal hanya bergantung pada  suhu u = u ( T ),  pertukaran  panas  yang  terjadi selama  proses  isokhorik  adalah  sama,  tetapi  dalam arah yang berbeda [23].
q 23 = u(T L ) - u(T H ) = -  q 41 [J] (1)
Oleh karena itu, panas yang dihasilkan oleh proses 2- 3  ( q 23 )  yang  dilepaskan  selama  proses  pendinginan volume  konstan  dapat  digunakan  untuk  proses pemanasan volume konstan ( q 41 ). Ini dapat dilakukan dengan  bantuan  regenerator  yang  dapat  bertindak sebagai  penukar  panas  internal.  Jika  regenerator dipasang, kalor q 41 dipertukarkan secara internal dan kalor q 12 diperoleh dari sumber panas eksternal atau dengan  memanaskan  bahan  bakar  secara  eksternal [25].
Dengan T H dan T L adalah suhu dari reservoir yang di dalam  siklus  tersebut  terdapat  pertukaran  kalor. Rumus efisiensi termal sama dengan efisiensi Carnot yang  merupakan  efisiensi  maksimum  bagi  proses perpindahan  panas  beroperasi  antara  reservoir- reservoir dengan suhu T H dan T L .
Harus diperhitungkan bahwa pertukaran panas selama proses volume konstan q 23 dan q 41 hanya dapat dicapai dengan menggunakan gas ideal dengan panas spesifik konstan atau variabel. Dalam hal ini, energi internal proses  tidak  bergantung  pada  panas  spesifik. Konduktivitas  yang  tinggi  dari  gas  dengan  berat molekul rendah menyebabkan pertukaran panas yang cepat. Ini berarti bahwa mesin berjalan pada frekuensi tinggi [32].
Secara  teori,  efisiensi  termal  mesin Stirling dapat mendekati efisiensi Carnot, dan hambatan perpindahan  panas  dan  kehilangan  energi  seperti kebocoran  gas  dan  kehilangan  panas  dapat  dilihat pada  keadaan  mesin Stirling yang  sebenarnya  [1]. Kehilangan panas dapat dikurangi dengan memperluas  silinder  lebih  lanjut  dengan  suhu pemanasan  yang  lebih  tinggi  dan  lebih  banyak percikan  api  yang  dihasilkan  oleh  bahan  bakar campuran  [33].  Jika  ada  hambatan  termal  antara media  kerja  dan  sumber  panas,  yang  ideal,  mesin Stirling harus beroperasi tanpa batas untuk mencapai keluaran nol.  Dengan  kata  lain,  mesin Stirling yang sebenarnya  perlu  dijalankan  untuk  waktu  yang terbatas [34].
Secara  umum,  mesin Stirling dapat  dibagi  menjadi dua  kelompok  yakni  mesin  piston  bebas  dan  mesin kinematik [33]. Untuk piston bebas, piston mesin dan pemindah disinkronkan oleh pegas dan tekanan gas. Motor  kinematik,  di  sisi  lain,  memiliki  berbagai macam  mekanisme  gerak,  yaitu: crank , rhombic , lever , Rose-yoke, Leybold dan lain lain [31].
Mesin stirling memiliki  banyak  mekanisme penggerak piston, jadi ada berbagai prinsip penggerak [31].  Kerja  mesin Stirling dihasilkan  untuk memampatkan  gas  (minyak  hidrolik)  pada  suhu rendah,  kemudian  gas  dipanaskan  dan  tekanannya naik.  Selanjutnya,  gas  panas  bertekanan  tinggi mengembang  dan  mendorong  piston,  melakukan lebih  banyak  pekerjaan  daripada  yang  pertama  dan mengompresi gas dingin. Akhirnya, gas didinginkan sebelum siklus baru dimulai untuk kompresi baru. [2].
Gambar 2 . Prinsip kerja mesin stirling [26].
Salah satu ruang piston seperti pada Gambar 2 diisi dengan oli hidrolik, yang dipanaskan hingga suhu dan tekanan  tinggi.  Antara  langkah  1  dan  2,  panas dipindahkan  dari posisi  semula. Ketika gas (minyak hidrolik) memuai atau pada suhu isotermal, piston di sisi kiri bergerak  ke luar  untuk bekerja dan tekanan gas  turun.  Kemudian,  selama  proses  2  sampai  3, piston  bergerak  ke  kanan  dengan  kecepatan  yang sama  dan  mempertahankan  volume  konstan  sampai semua  gas  bergerak  ke  ruang  piston  kanan (pendinginan  isokhorik).  Saat  gas  mengalir  melalui regenerator  (jika  dipasang),  panas  dari  gas dipindahkan  ke  regenerator  dan  suhu  gas  turun  dari suhu ke suhu [30].
Kemudian, pada proses 3-4, piston di sebelah kanan bergerak ke dalam chamber dan memampatkan gas. Selama  proses  berlangsung,  panas  gas  dialirkan  ke sink pada  suhu  tertentu  untuk  mempertahankan keadaan terkompresi (kompresi isotermal). Akhirnya,
pada  proses  4  ke  1,  seperti  pada  proses  1-2,  kedua piston bergerak ke kiri dengan kecepatan yang sama, sehingga  semua  gas  bergerak  ke  ruang  piston  kiri. Selain itu, selama proses transfer gas, suhu gas naik sampai melewati regenerator, proses menyerap panas dan menyimpannya untuk proses [30].
Mesin stirling dibagi  menjadi  tiga  tipe  yakni  tipe alpha,  tipe  beta,  dan  tipe  gamma,  tergantung  pada konfigurasi  piston.  Mesin stirling memiliki  dua piston, satu atau dua silinder dengan piston panas dan dingin. [33]. Dalam arti, piston panas terkena sumber suhu  panas  dan  piston  dingin  terkena  sumber  suhu dingin  [1].  Silinder  mesin Stirling juga  berperan  di mana daerah suhu tinggi merupakan posisi pemuaian oli hidrolik dan daerah suhu rendah merupakan posisi kompresi. Dua silinder dapat ditempatkan sejajar atau tegak lurus satu sama lain [5].
Mesin Stirling tipe Alpha memiliki dua power piston dengan  pendingin,  pemanas,  dan  pemulihan  panas antara  dua  silinder.  Ruang  atas  piston  panas  dan dingin  masing-masing  terus  dipanaskan  dan didinginkan. Pada tipe alpha, piston secara bersamaan melakukan  tugas  kompresi  dan  ekspansi  fluida  dan juga  tugas  perpindahan  fluida  antara  silinder  dingin dan panas. Tipe Alpha memiliki rasio daya terhadap volume yang lebih tinggi daripada tipe mesin Stirling lainnya, dan dapat dengan mudah diubah menjadi tipe multi-silinder.  Sebagian  besar  mesin  industri bertenaga tinggi menggunakan jenis mesin Stirling ini dibandingkan dengan tata letak lainnya.
Mesin Stirling tipe alpha terdiri dari dua power piston, crankshaft , regenerator dan flywheel . Kegunaan dari bagian-bagian  mesin stirling yakni power piston, sebagai  sarana  untuk  menghasilkan  kerja  dan  daya dari  siklus  mesin. Crankshaft ,  sebagai  pusat shaft yang  akan  diputar  dan  dapat  digunakan  untuk menghasilkan  kerja  awal  dan  daya  output  nantinya. Flywheel ,  sebagai starter dari  mesin Stirling yang memberikan usaha melalui crankshaft . Flywheel dan crankshaft merupakan  suatu part yang  unik. Regenerator, Sebagai tempat pertukaran udara antara silinder panas dan silinder dingin [28].
Belum ditemukan data yang cukup untuk menentukan fluida  mana  yang  cocok  sebagai  fluida  hidrolik sebagai  penggerak  utama  mesin Stirling .  Namun, sebelumnya  telah  dijalankan  model  numerik  yang bertujuan untuk menemukan dan mengevaluasi cairan yang tepat untuk hasil yang optimal untuk kinerja dan efisiensi maksimum. Fluida hidrolik yang diuji adalah hidrogen,  helium,  udara,  dan  karbon  dioksida  [24]. Fluida kerja terbaik diukur dengan tingginya koefisien perpindahan kalor dan friction loss yang lebih besar atau  lebih  kecil.  Koefisien  perpindahan  kalor  dan friction  loss dapat  secara  sederhana  ditentukan  jika fluida mengalir secara laminar dan diam pada ruang geometrika sederhana.
Mesin panas berbasis energi surya adalah salah satu alat  yang  paling  penting  dan  telah  menjadi  fokus
banyak selama bertahun-tahun. Mesin Stirling , yang menggunakan  energi  matahari,  diperkenalkan  oleh Roelf pada tahun 1987. Oleh karena itu, banyak yang bersaing untuk karakteristik kinerja yang optimal dari sistem  mesin  panas  fotovoltaik  Sterling  [24]. Solar Dish  Stirling adalah salah satu cara paling mungkin untuk mengubah energi surya menjadi energi listrik. Solar Dish Stirling ini sudah berhasil dikonstruksi dan dioperasikan  di  beberapa  negara.  Teknologi  ini mempunyai  beberapa  keuntungan  diantaranya efisiensi termal yang tinggi (dibandingkan teknologi yang  lain  dari  energi  surya),  sumber  panas  yang beragam dan kapasitas daya yang cukup besar [13].
Untuk  mengetahui  efisiensi  yang  dihasilkan  dari mesin stirling ,  dibutuhkan  data  kalor  pada  silinder panas dan dingin yang dihasilkan oleh mesin stirling [14].
Q 1 = nRT 1 Ln  + nCp(1 -  )(T 1 – T 2 ) (2)
Setelah  mendapatkan Q 1 silinder  panas,  dicari Q 2 silinder dingin dengan Persamaan 3.
Q 2 = nRT 2 Ln  + nCp(1 -  )(T 1 – T 2 ) (3)
Di  mana 𝑅 , n , 𝐶 ,  dan 𝜆 merupakan  konstansta  gas universal, bilangan mol fluida, specific heat capacity , dan  rasio  volume.  Setelah  mendapatkan 𝑄 dan 𝑄 dapat  dicari  daya  output  dari  mesin striling dengan
Persamaan 4 berikut.
𝑃  = [𝑊] (4)
Selanjutnya,  dapat  dicari  efisiensi  mesin stirling dengan Persamaan 5 berikut.
𝜂 = 𝑥 100% (5)

## 2. Metode
Studi diawali dengan mengidentifikasi permasalahan, menentukan  metode  serta  solusi  yang  ingin digunakan,  kemudian  dilanjutkan  dengan  mencari studi  literatur  yang  berkaitan  dan  dapat  membantu dalam  kajian  ini.  Setelah  dilakukan  studi  literatur, langkah  selanjutnya  adalah  membuat  desain Solar Dish dan  sistem  insulasi.  Untuk  memastikan pengujian  berjalan  dengan  baik  dan  alat-alat  ukur berfungsi  dengan  baik,  maka  perlu  dilakukan preliminary  experiment .  Kemudian  dilakukan pengujian  pengambilan  data  yang  nantinya  akan digunakan sebagai data eksperimen. Data eksperimen ini  kemudian  diolah  dan  dianalisis  hingga  dapat ditarik  kesimpulan  dari  percobaan  yang  telah dilakukan.
Skema  pengujian  dapat  dilihat  pada  Gambar  3, pengambilan data suhu diambil menggunakan sensor termokopel  tipe  K  yang  disambungkan  ke  NI-DAQ 9213,  kemudian  disambungkan  ke  NI-cDAQ  9174
sebagai data  logger yang  kemudian  akan disambungkan  ke  komputer.  Sedangkan  untuk pengambilan  data  putaran  mesin  menggunakan Tachometer .  Pengambilan  data  daya  output menggunakan modul MAX471. Modul MAX471 ini dapat digunakan untuk mengukur tegangan dan arus.
Gambar 3 . Skema pengambilan data.
Pada  pengambilan  data  kecepatan  mesin stirling , tachometer digunakan  sebagai  alat  ukur  untuk mengukur  kecepatan  mesin stirling . Tachometer diarahkan tegak lurus ke flywheel mesin stirling . Suhu mesin stirling diukur  dengan  menggunakan termokopel tipe k yang ditempel di bagian absorber mesin stirling . Data diambil setiap kenaikan suhu 5 o C di absorber mesin stirling.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pada kajian ini, digunakan empat variasi dari lengan piston  silinder  panas  dan  dingin.  Terdapat  dua panjang  lengan  yang  dikaji  pada  masing-masing lengan  piston.  Lengan  piston  yang  diuji  memiliki panjang  4,3  cm  dan  5  cm  di  setiap  piston.  Lengan piston  silinder  panas  ditulis  dengan  simbol L H dan lengan piston dingin ditulis dengan simbol L C . Empat variasi lengan piston adalah 5 cm – 5 cm ( L H - L C ), 5 cm – 4,3 cm ( L H - L C ), 4,3 cm – 5 cm ( L H - L C ), dan 4,3 cm – 4,3 cm ( L H - L C ).
Gambar 4 . Grafik perbandingan suhu ( o C) dan kecepatan putaran mesin (rpm).
Pada  Gambar  4,  terlihat  bahwa  kenaikan  suhu berbanding  lurus  dengan  kecepatan  putaran  mesin. Saat panjang lengan di 5 cm – 5 cm ( L H - L C ), mesin stirling mulai bekerja di suhu 186 o C. Panjang lengan 5  cm  -  5  cm  ( L H -  L C )  memiliki  kecepatan  putaran mesin terendah pada 804 rpm dan tertinggi pada 852 rpm. Saat panjang lengan di 5 cm – 4,3 cm ( L H - L C ), mesin stirling mulai  bekerja  saat  suhu absorber di 212 o C.  Panjang  lengan  5  cm  –  4,3  cm  ( L H -  L C ) memiliki kecepatan mesin minimal pada 659 rpm dan maksimal pada 785 rpm. Pada panjang lengan 4,3 cm – 5 cm ( L H - L C ) mesin mulai bekerja di suhu 215 o C. Panjang  lengan  4,3  cm  –5  cm  ( L H -  L C )  memiliki kecepatan mesin minimal pada 548 rpm dan maksimal pada 633 rpm. Saat panjang lengan di 4,3 cm – 4,3 cm ( L H -  L C ),  mesin stirling mulai  bekerja  saat  suhu absorber di 230 o C. Panjang lengan 4,3 cm – 4,3 cm ( L H - L C ) memiliki kecepatan mesin minimal pada 540 rpm dan maksimal pada 565 rpm.
Kecepatan  putaran  mesin  maksimum  terdapat  pada 852 rpm dengan panjang lengan di 5 cm - 5 cm ( L H - L C ). Sedangan putaran mesin minimal terdapat pada 540 rpm dengan panjang lengan di 4,3 cm – 4,3 cm ( L H - L C ). Dapat dilihat bahwa dengan naiknya suhu absorber akan  berpengaruh  dengan  kenaikan kecepatan putaran mesin.
Data daya output Solar Dish Stirling Engine diambil dengan menggunakan modul Arduino MAX471 yang disambungkan ke Arduino Uno sebagai data logger . Arduino MAX471 dapat membaca data tegangan dan arus.  Arduino  MAX471  disambungkan  pada generator yang  terdapat  pada  mesin stirling untuk membaca daya yang dihasilkan. Gambar 5 merupakan grafik  daya  output  yang  dihasilkan  empat  variasi lengan piston.
0 180 190 200 210 220 230 240 250 260 0 550 600 650 700 750 800 850 E ng in e Sp ee d (r pm ) Temperature ( o C) 5 cm - 5 cm (L H - L C ) 5 cm - 4,3 cm (L H - L C ) 4,3 cm - 5 cm (L H - L C ) 4,3 cm - 4,3 cm (L H - L C )
Gambar 5 . Grafik perbandingan daya output dan kecepatan putaran mesin.
Perbandingan  antara  daya  output  dengan  kecepatan putaran  mesin  pada  Gambar  5.  dapat  dilihat  bahwa panjang lengan 5  cm  -5  cm ( L H - L C ) menghasilkan daya 0,39 W di 839 rpm dan daya minimum 0,28 W di 804 rpm. Pada panjang lengan 5 cm - 4,3 cm ( L H - L C )  menghasilkan  daya  maksimun  0,336  W  di  778 rpm  dan  daya  minimum  0,226  W  di 659  rpm.  Pada panjang lengan 4,3 cm – 5 cm ( L H - L C ) menghasilkan daya  maksimun  0,21  W  di  582  rpm  dan  daya minimum 0,12 W di  548 rpm. Pada  panjang lengan 4,3  cm-  4,3  cm  ( L H -  L C )  menghasilkan  daya maksimun  0,11  W  di  557  rpm  dan  daya  minimum 0,03 W di 540 rpm.
Dari  data  yang  diperoleh,  daya  output  maksimum terdapat  pada  panjang  lengan  5  cm  - 5cm ( L H -  L C ) dengan nilai 0,39 W pada 839 rpm, sedangkan daya minimum terdapat pada lengan 4,3 cm - 4,3 cm ( L H - L C )  dengan  nilai  0,03  W  di  540  rpm.  Daya  output mesin stirling akan  meningkat  seiring  dengan bertambahnya  kecepatan  putaran  mesin,  tetapi  akan menurun dikarenakan karena laju perpindahan panas yang  tidak  mencukupi.  Kecepatan  putaran  mesin optimum  berada  pada  839  rpm  yang  menghasilkan 0,39 W pada panjang lengan 5 cm - 5 cm ( L H - L C ).
Efisiensi  mesin stirling dapat  dihitung  dengan menggunakan rumus yang terdapat pada Persamaan 5. Perhitungan Q 1 silinder panas dengan menggunakan rumus yang terdapat pada Persamaan 2 dan mencari Q 2 silinder  dingin  dengan  rumus  Persamaan  3. Mencari Q 1 silinder  panas  dengan  perhitungan sebagai berikut.
𝑄 = 0,0004 𝑥 8,314 𝑥 343 𝑥 0,05 𝑥 0,0004 𝑥 1,9 + 0,0004 𝑥 1000(1 − 0,82)(343 − 311) = 12.3 𝐽
Setelah  mendapatkan Q 1 silinder  panas,  dicari Q 2 silinder  dingin  dengan  Persamaan  3  dengan perhitungan sebagai berikut.
𝑄 = 0,0004 𝑥 8,314 𝑥 311 𝑥 0,05 𝑥 0,0004 𝑥 1,9 + 0,0004 𝑥 1000(1 − 0,88)(343 − 311) = 11,5 𝐽
Selanjutnya  dimasukkan  ke  Persamaan  4  untuk mencari daya output.
𝑃  = 12,3 − 11,5 0,007 = 114,28 𝑊
Setelah  mendapatkan Q 1 dan Q 2 ,  dapat  dihitung efisiensi  dari  mesin stirling setiap  variasi  panjang lengan piston dengan menggunakan rumus Persamaan 5.
𝜂 = 12,3 − 11,5 11,5 𝑥 100% = 6,5 %
Data  efisiensi  setiap  lengan  panjang  piston  dapat dilihat  pada  Tabel  1,  yaitu  efisiensi  mesin stirling terbesar sebesar 6,5% pada panjang lengan 5 cm – 5 cm ( L H - L C ) yang menghasilkan 114,28 W, sedangkan efisiensi  terendah  terdapat  pada  panjang  lengan  4,3 cm  -  4,3  cm  ( L H -  L C )  dengan  nilai  3,6%  yang menghasilkan 41,8 W. Mesin stirling memiliki kinerja terbaik pada panjang lengan 5 cm – 5 cm ( L H - L C ).
Tabel 1 . Efisiensi mesin stirling.
Panjang Lengan ( 𝑳 𝑯 − 𝑳 𝑪 ) Daya Output (W) Efisiensi Mesin Stirling 5 cm – 5 cm ( 𝐿 − 𝐿 ) 114,28 6,5% 5 cm - 4,3 cm ( 𝐿 − 𝐿 ) 71,25 4,6% 4,3 cm - 5 cm ( 𝐿 − 𝐿 ) 50 3,7% 4,3 cm - 4,3cm ( 𝐿 − 𝐿 ) 41,8 3,6%

## 4. Kesimpulan
Kecepatan  putaran  mesin  maksimum  terdapat  pada 852 rpm dengan panjang lengan di 5 cm – 5 cm ( L H - L C ). Sedangan putaran mesin minimal terdapat pada 540 rpm dengan panjang lengan di 4,3 cm – 4,3 cm ( L H - L C ). Kenaikan suhu absorber akan berpengaruh dengan kenaikan kecepatan putaran mesin. Kecepatan putaran  mesin  optimum  berada  pada  839  rpm  yang menghasilkan 0,39 W pada panjang lengan 5 cm - 5 cm  ( L H -  L C ).  Daya  output  mesin stirling akan meningkat  seiring  dengan  bertambahnya  kecepatan putaran mesin, tetapi akan menurun dikarenakan laju perpindahan  panas  yang  tidak  mencukupi.  Efisiensi mesin stirling terbesar  yaitu  6,5%  pada  panjang lengan  5  cm  –  5  cm  ( L H -  L C )  yang  menghasilkan
0 550 600 650 700 750 800 850 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 D ay a O ut pu t ( W ) Engine Speed (rpm) 5 cm – 5 cm (L H -L C ) 5 cm – 4,3 cm (L H -L C ) 4,3 cm – 5 cm (L H -L C ) 4,3 cm – 4,3 cm (L H -L C )
114,28 W, sedangkan efisiensi terburuk terdapat pada panjang lengan 4,3 cm - 4,3 cm ( L H - L C ) dengan nilai 3,6%  yang  menghasilkan  41,8  W.  Mesin stirling memiliki kinerja terbaik pada panjang lengan 5 cm – 5 cm ( L H - L C ).

## Ucapan Terima Kasih
Penulis  ucapkan  terima  kasih  kepada  pihak-pihak yang telah berkontribusi dalam melaksanakan kajian ini, khususnya para peneliti, dosen, dan mahasiswa di Applied  Heat  Transfer  Research  Grup,  Lab.  Heat Transfer,  Departemen  Teknik  Mesin,  Universitas Indonesia.

## Daftar Pustaka
[1] Abuelyamen,  A.,  &  Ben-Mansour,  R.  (2018). Energy efficiency comparison of Stirling engine types (α, β, and γ) using detailed CFD modeling. International  journal  of  thermal  sciences,  132 , 411-423. doi:10.1016/j.ijthermalsci.2018.06.026 [2] Andersen, S. K., Carlsen, H., & Thomsen, P. G. (2006).  Numerical  study  on  optimal  Stirling engine  regenerator  matrix  designs  taking  into account  the  effects  of  matrix  temperature oscillations. Energy Conversion and Management, 47(7–8), 894–908. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2005.06.006
[3] Arif  Nugroho,  A.  (2017).  Pembangkit  Listrik Tenaga  Surya  Menggunakan  Stirlling  Engine. Seminar  Nasional  Peranan  Ipteks  Menuju Industri  Masa  Depan  (PIMIMD-4),  5–8. https://doi.org/10.21063/pimimd4.2017.6-10
[4] Arifin  dkk.  (2014).  Makalah  Pemanfaatan Energi. Makalah Pemanfaatan Energi.
[5] Assal, A. M., Atia, M. R., & Shaaban, S. (2018). Performance  of  solar  dish  Stirling  engine systems  under  Egyptian  operating  conditions. Engineering  Research  Journal,  160 ,  79-104. doi:10.21608/erj.2018.139543
[6] Barreto, G., & Canhoto, P. (2017). Modelling of a Stirling engine with parabolic dish for thermal to  electric  conversion  of  solar  energy.  Energy Conversion  and  Management,  132,  119–135. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.11.011
[7] Bergman, T. L., Lavine, A. S., Incropera, F. P., &  DeWitt,  D.  P.  (2020).  Radiation:  Processes and Properties. In T. L. Bergman, A. S. Lavine, F. P. Incropera, & D. P. DeWitt, Fundamentals of  Heat  and  Mass  Transfer (8th  ed.,  pp.  701- 784). Nashville: John Wiley & Sons.
[8] Breeze,  P.  (2018).  Stirling  Engines  and  Free Piston  Engines.  In  P.  Breeze, Piston  Engine- Based  Power  Plants (pp.  59-70).  Elsevier. doi:10.1016/C2016-0-03647-1
[9] Boretti, A. (2021).  α-Stirling  hydrogen engines for  concentrated  solar  power. International journal  of  hydrogen  energy,  46 (29),  16241- 16247. doi:10.1016/j.ijhydene.2021.02.036
[10] Caetano,  B.  C.,  Lara,  I.  F.,  Borges,  M.  U., Sandoval, O. R., & Valle, R. M. (2019). A novel
methodology  on  beta-type  Stirling  engine simulation  using  CFD.  Energy  Conversion  and Management,  184(November  2018),  510–520. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.01.075 [11] Farsakoglu,  O.  F.,  &  Alahmad,  A.  (2018).
Comprehensive Design of Stirling Engine Based Solar  Dish  Power  Plant  with  Solar  Tracking System.  Journal  of  Electrical  &  Electronic Systems, 07(01), 1–5. https://doi.org/10.4172/2332-0796.1000248 [12] Hafez, A. Z., Soliman, A., El-Metwally, K. A., &  Ismail,  I.  M.  (2016).  Solar  parabolic  dish Stirling  engine  system  design,  simulation,  and thermal  analysis.  Energy  Conversion  and Management, 126, 60–75. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.07.067
[13] Hayat, M. B., Ali, D., Monyake, K. C., Alagha, L.,  &  Ahmed,  N.  (2019).  Solar  energy-A  look into  power  generation,  challenges,  and  a  solar- powered future. International journal of energy research, 43 (3), 1049-1067. doi:10.1002/er.4252
[14] Katooli, M. H., Moghadam, R. A., & Hooshang, M.  (2020).  Investigation  on  effective  operating variables  in  gamma-type  Stirling  engine performance: a simulation approach. SN applied sciences, 2 (4). doi:10.1007/s42452-020-2526-5
[15] Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral Republik  Indonesia.  (2019).  Konsumsi  Listrik Perkapita.
[16] Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral Republik  Indonesia.  (2021).  Potensi  Energi Terbarukan.
[17] Kementrian ESDM. (2020). Elektrifikasi Daerah Terpencil.
[18] Nugroho,  A.  A.  (2017).  Pembangkit  Listrik Tenaga  Surya  Menggunakan  Stirlling  Engine. Seminar  Nasional  Peranan  Ipteks  Menuju Industri  Masa  Depan  (PIMIMD-4) (pp.  6-10). Padang: ITP Press. doi:10.21063/pimimd4.2017.6-10
[19] PT Perusahaan Listrik Negara. (2021). Rencana Usaha Penyediaan Tenaga Listrik PT Perusahaan Listrik Negara (PERSERO) Tahun 2021 Sampai Dengan  Tahun  2030.  Jakarta:  PT  Perusahaan Listrik Negara.
[20] Raghavendra,  H.,  Raju,  P.  S.,  &  Reddy,  K.  H. (2022).  Effect  of  geometric  and  operational parameters  on  the  performance  of  a  beta-type Stirling  engine:  A  numerical  study. Iranian Journal of Science and Technology Transactions of  Mechanical  Engineering,  46 (1),  1-13. doi:10.1007/s40997-020-00406-0
[21] Riyadi Prabowo Moecty, G. A., & Artha, A. N. (2016).  REKAYASA  MESIN  STIRLING UNTUK  PEMBANGKIT  LISTRIK  TENAGA SURYA.  REKAYASA  MESIN  STIRLING UNTUK  PEMBANGKIT  LISTRIK  TENAGA SURYA, 4(2), 147–156.
http://rekayasamesin.ub.ac.id/index.php/rm/artic le/view/193
[22] Singh,  U.  R., &  Kumar,  A.  (2018).  Review  on solar  Stirling  engine:  Development  and performance. Thermal  science  and  engineering progress, 8 , 244-256.
doi:10.1016/j.tsep.2018.08.016
[23] Setiawan,  V.  N.  (2022,  11  28). Lapor  Pak Jokowi,  4.400  Desa  RI  Belum  Teraliri  Listrik! Retrieved from cnbcindonesia.com: https://www.cnbcindonesia.com/news/2022112 8150739-4-391844/lapor-pak-jokowi-4400- desa-ri-belum-teraliri-listrik
[24] Soetedjo,  A.,  Nakhoda,  Y.  I.,  Lomi,  A.,  & Suryanto,  T.  A.  (2016).  Solar  Simulator  Using Halogen Lamp for PV Research. In F. Pasila, Y. Tanoto, R. Lim, M. Santoso, & N. D. Pah (Ed.), Proceedings of Second International Conference on  Electrical  Systems,  Technology  and Information 2015 (ICESTI 2015) (pp. 239-245). Bali: Springer Singapore. doi:10.1007/978-981- 287-988-2_25
[25] Topgül,  T.,  Okur,  M.,  Şahin,  F.,  &  Çınar,  C.
(2022). Experimental investigation of the effects of  hot-end  and  cold-end  connection  on  the performance  of  a  gamma  type  Stirling  engine. Engineering  Science  and  Technology  an International  Journal,  36 ,  101152-101158. doi:10.1016/j.jestch.2022.101152 [26] Yao, L. S., & Abdul Wahab, H. (2020). Design a
Solar  Powered  Stirling  Engine  Prototype  to Produce Electricity. JSE Journal of Science and Engineering, 1(1), 30–37. https://doi.org/10.30650/jse.v1i1.523
[27] Yaqi,  L.,  Yaling,  H.,  &  Weiwei,  W.  (2011).
Optimization  of  solar-powered  Stirling  heat engine  with  finite-time  thermodynamics. Renewable Energy, 36(1), 421–427.
https://doi.org/10.1016/j.renene.2010.06.037
[28] Zayed, M. E., Zhao, J., Elsheikh, A. H., Zhao, Z., Zhong,  S.,  &  Kabeel,  A.  E.  (2021). Comprehensive parametric analysis, design and performance assessment of a solar dish/Stirling system.  Process  Safety  and  Environmental Protection, 146, 276–291. https://doi.org/10.1016/j.psep.2020.09.007
[29] Zayed, M. E., Zhao, J., Li, W., Elsheikh, A. H., Zhao,  Z.,  Khalil,  A.,  &  Li,  H.  (2020). Performance  prediction  and  techno-economic analysis  of  solar  dish/stirling  system  for electricity generation. Applied Thermal Engineering,  164(September  2019),  114427. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.1 14427
[30] Cengel,  Y.  A.,  &  Boles,  M.  A.  (2015). Thermodynamics:  An  Engineering  Approach. New York: McGraw-Hill Education.
[31] Struchtrup,  H.  (2014).  Thermodynamics  and Energy Conversion. Victoria: Springer.
[32] Nazemi,  S.  D.,  &  Boroushaki,  M.  (2016). Design,  Analysis  and  Optimization  of  a  Solar Dish/Stirling System. Int. Journal of Renewable Energy Development 5, 33-42.
[33] Çınar, C., Aksoy, F., Solmaz, H., Yılmaz, E., & Uyumaz,  A.  (2018).  Manufacturing  and  testing of  an  alpha-type  Stirling  engine.  Applied Thermal Engineering, 1373-1379.
[34] Dai,  D.  D.,  &  dkk.  (2018).  Imperfect regeneration  analysis  of  Stirling  engine  caused by  temperature  differences  in  regenerator. Energy Conversion and Management, 60-69.