## Rancangan  Mesin Stirling Memanfaatkan Komponen Mesin Lain Yang Ada Di Pasaran Indonesia Sebagai Pembangkit Listrik
Roni Zakaria *1) , Ilham Priadythama 2) , dan Nugroho Eka Budiyanto 3)
1) Laboratorium Sistem Logistik dan Bisnis, Jurusan Teknik Industri, Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami 36 A, Surakarta 57126, Indonesia
2) Laboratorium Perancangan dan Perencanaan Produk, Jurusan Teknik Industri, Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami 36 A, Surakarta 57126, Indonesia
3) Jurusan Teknik Industri, Universitas Sebelas Maret Jl. Ir. Sutami 36 A, Surakarta 57126, Indonesia

## Abstract
Stirling engine technology is an old technology that was developed to be a power back. In America and in Europe the development of Stirling engine has been done so far by utilizing production technology and advanced materials. This research uses the technology micro-scale workshop and uses the other engine components that exist on the market to accommodate the volume Stirling engine design compressor size. In performance testing, this study used cranckshaft axle load testing methodology. Testing is done by  5 (five) times. From the data at average constant speed, travel time and expense it can be  calculated that the  engine  power  is  generated.  The  results  of  this  study  produced  a  prototype  Stirling  engine  with  a pressure  of  1  bar  gamma  type.  In  addition  to  the  prototype  machine,  the  performance  measurement analysis used as the input source in the development later of the Stirling engine to produce competitive and cheap.
Keywords: Stirling engine, micro-scale workshop, prototype, loading test, development.

## 1. Pendahuluan
Mesin  Stirling  merupakan  teknologi  lama  yang  dikembangkan  kembali  pada  zaman  ini. Teknologi ini kembali dikembangkan karena dibutuhkannya teknologi yang ramah lingkungan, sumber energi fleksibel, dan efisiensi tinggi. Telah diketahui bahwa secara teori, Mesin Stirling merupakan  teknologi  yang  memiliki  efisiensi  mendekati  efisiensi  Carnot  dengan  proses isotermal  dan  isokhorik.  Teknologi  ini  mengkonversi  energi  panas  menjadi  energi  mekanik. Dari  energi  mekanik  dapat  dikonversi  menjadi  energi  listrik  jika  dihubungkan  pada  dinamo generator listrik.
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).  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.
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 ini ditunjukkan pada gambar 1 (Daryus, 2002).
Gambar 1. a) Diagram p-v dan b) Diagram T-s pada siklus stirling Sumber: Daryus, 2002
Udara  berekspansi  secara  isotermal,  pada  temperatur  konstan  T 1 dari  v 1 ke  v 2 .  Kalor  yang diberikan sumber eksternal diserap selama proses. Kalor yang diberikan = kerja yang dilakukan selama  proses  isotermal.  Sekarang  udara  lewat  melalui  regenerator  dan  didinginkan  pada volume konstan ke temperatur T 3 . Proses ini digambarkan oleh grafik 2-3 pada diagram p-v dan T-s.  Pada  proses  ini  kalor  dibuang  ke  generator.  Udara  dikompresi  secara  isotermal  di  dalam silinder mesin dari v 3 ke v 4 . Proses ini digambarkan oleh grafik 3-4 pada diagram p-v dan T-s.
Lagi kalor dibuang oleh udara. Terakhir, udara dipanaskan pada volume konstan ke temperatur T 1 dengan  melewatkan  udara  ke  regenerator  dalam  arah  yang  berlawanan  dengan  proses  2-3.
Pada  proses  ini  kalor  diserap  oleh  udara  dari  regenerator  selama  proses  ini,  yaitu  proses  4-1 (Daryus, 2002).
Apabila Mesin Stirling ini dikembangkan di Indonesia, proses produksi akan dilakukan pada level rumah tangga dengan beberapa bagian mesin disubstitusi komponen  mesin lain bertujuan untuk  menekan  biaya  riset  dan  menekan  lamanya  waktu  produksi.  Hal  ini  memiliki  resiko adanya penurunan kinerja mesin akibat tingkat akurasi perakitan yang belum terjamin.

## 2. Perancangan dan Pengujian Produk

## 2.1 Metode Penelitian
Penelitian  diawali  dengan  mencari  beberapa  sumber  mengenai  perkembangan  Mesin Stirling.  Dari  beberapa  sumber  tersebut  dijadikan  masukan  mengenai  sistem  yang  bekerja, pemilihan material, dan kendala yang mungkin muncul. Untuk produksi melakukan tinjauan dan konsultasi  pada  pihak  workshop  mengenai  efisiensi  produksi  untuk  menghasilkan  produk  yan presisi.
Dalam merancang Mesin Stirling, penelitian ini memanfaatkan beberapa part mesin dari genset, kendaraan bermotor, dan beberapa dibuat sendiri dengan mesin bubut. Pemilihan mesin berdasarkan  tingkat kompatibilitas  dengan  blok  mesin  kompresor  yang  dipakai. Setelah  mesin selesai dirangkai kemudian dilakukan pengujian beban poros mesin untuk mendapatkan tenaga mesin yang mampu dicapai.
Pengujian  beban  membutuhkan  katrol  teflon  yang  licin  untuk  mengurangi  atau  bahkan menghilangkan  gesekan  pada  tali,  beban  uji  sebagai  pembebanan  mesin,  tali  pengerek  beban, dan  papan  lintasan  sebagai  panjang  jalur  yang  ditempuh.  Dalam  pengujian  terdapat  beberapa variabel  yang  diukur  yaitu  variabel  kecepatan  laju,  kecepatan  sudut  putar  mesin,  dan  waktu, sedangkan  untuk  jarak  lintasan  ditetapkan  diawal  dan  beban  uji  dilakukan  pemilihan  dengan menguji  kemampuan  mesin  mengangkat.  Setelah  didapatkan  hasil  pengujian  sebanyak  5  kali kemudian  dihitung  daya  selama  pengujian  dan  daya  rata-rata  mesin  selama pengujian.
Kemudian  dianalisis  efisiensi  mesin  maupun  perbaikan  yang  diperlukan  terhadap  kekurangan pada mesin yang telah dirancang.

## 2.2 Identifikasi Kebutuhan Perancangan
Pada  awal  perancangan,  memilih  Mesin  Stirling  sebagai  penelitian 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 di 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  pembangkit  listrik.  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.
Dalam merancang dilakukan pencarian part-part yang sesuai dengan tersedia di pasaran, melakukan perancangan konstruksi, dan pengujian kinerja mesin yang dirancang.

## 2.3 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 konfigurasi L 90 0 (sembilan puluh derajat) berpendingin air dengan tekanan standar udara luar sistem adalah sebagai berikut:
1. Penggunaan  stirling  tipe  gamma,  displacer  pistonnya  tidak  selalu  terbakar  oleh  gas  panas melainkan dalam fungsinya memindahkan gas panas berpindah ke sisi dingin dengan diikuti displacer  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  dipilih  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.

## 2.4 Prototipe

## 2.4.1 Metodologi Pengujian Mesin
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 .
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  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  terlebih  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/s 2 .
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 akhir berupa kemampuan  meliputi daya dan energi yang dapat dicapai mesin dalam keadaan minimal, maksimal, dan rata-rata.
Gambar 2. Rangkaian lintasan dan katrol uji

## 2.4.2 Hasil Pengujian Prototipe
Dari pengujian didapatkan 5 data percobaan. 5 data yang didapatkan masih dalam bentuk waktu  tempuh  yang  perlu  diolah  dengan  rumus-rumus  hitung  seperti  dibawah  ini  untuk dihasilkan daya mesin pada poros putarnya. Data yang diolah sebagai berikut:
Tabel 1. Hasil pengujian pembebanan pada mesin gamma stirling 53,11 cc
percobaan ke- waktu(detik)  kecepatan(m/s) kecepatan sudut (RPM) daya(watt) 1 11,2 0,089285714 446,4285714 0,089285714 2 13,9 0,071942446 359,7122302 0,071942446 3 9,2 0,108695652 543,4782609 0,108695652 4 8,7 0,114942529 574,7126437 0,114942529 5 10,9 0,091743119 458,7155963 0,091743119 rata-rata 10,78 0,095321892 476,6094605 0,095321892 maksimum 8,7 0,114942529 574,7126437 0,114942529 minimum 13,9 0,071942446 359,7122302 0,07192446
Keterangan:
M bandul : 100 gr g bumi :   10 ms -2
S lintasan :     1 m R poros :  1,2 cm
Contoh perhitungan:
W bandul = m.g [N] (1) = 0,1.10 N = 1 N F=W bandul Percobaan 1: [m/s] (2) = 1/11,2 m/s = 0,089285714 m/s [W] (3) = 1.0,089285714 W = 0,089285714 W .60 [RPM] (4) = 0,089285714.60/0,012 RPM = 446,4285714 RPM = 458,7155963 RPM Rata-rata: [m/s] (5)
=(0,089285714+0,071942446+0,1086957+0,089285714+0,091743119)/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] (6) = 0,095321892/12 A = 0,007943491 A = 7,9 mA
Untuk  pengukuran  energi  yang  mampu  diserap  oleh  mesin  maka  digunakan  perhitungan konduksi benda yang berupa alumunium heat transferer sebagai berikut:
[W] (7) = (237. 2π.0,026.0,18((213-58)+273)/(0,003) = 993.748,2 W [J] (8) = 993.748,2 *1 J = 993.748,2 J
Efisiensi terhadap kinerja yang didapatkan terhadap energi kalor yang diberikan:
(9)
= 100.1/9937482 % = 0,00001%
Efisiensi terhadap kinerja yang didapatkan terhadap energi potensial gas dalam mesin:
(10)
= 100.1/23,6 % = 4,3%

## 3. Simpulan dan Saran
Mesin  Stirling  yang  diuji  menghasilkan  daya  sebesar  0,1  W  @477  RPM  dimana  daya kompetitif  untuk  bersaing dengan  genset 1  HP  masih  terlalu  jauh  capaiannya.  Efisiensi  termal yang  dapat  dicapai  sebesar  22,77%  dan  efisiensi  mesin  sebesar  4,3%  dimana  pada  genset berbahan bakar bensin mampu mencapai efisiensi mesin sekitar 20-30%. 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:  tekanan  yang  digunakan  mesin  stirling  harus  diatas  1  bar;    perlu  perbaikan penjabaran  decision  tree  analysis  dengan  komparasi  beberapa  ahli  agar  didapatkan  angka probabilitas  yang  lebih  objektif;  manufaktur  membutuhkan  workshop  dengan  teknologi  tinggi dan  part-part  mesin  membutuhkan  bahan  material  yang  terbaik  untuk  ketahanan  durasi penggunaan  panjang;    memerlukan  perbaikan  efisiensi  energi  di  dalam  kinerja  mesin  baik pendinginan  mesin  maupun  penyerapan  panas  dari  sumber  dan  regenerator;  dan  memerlukan penggunaan  gas  mulia  seperti  helium  untuk  mampu  melakukan  penyerapan  dan  pelepasan energi secara cepat.

## Daftar Pustaka
Arsdell, H. V. (2002). Stirling Engine . San Diego. Boyle, G. (2004). Renewable Energy: Power For Sustainable Future . Oxford. Daryus, S, (2002). Thermodinamika Teknik 1 . Jakarta. Kontax Engineering, Ltd. Historical of Stirling engine, http://www.stirlingengine.co.uk, Diakses pada tanggal 8 Agustus 2011.
Lucas,  D.M,  Raine,  J.K.  (1994).    Development  of  A  Hermetically  Sealed  Stirling  Engine Battery Charger. Journal of Developing Stirling Engine , Christchurch . Minassians, A.D. (2007). Stirling Engines for Low-Temperature Solar-Thermal-Electric Power Generation . California.
Moran, M.J, Shapiro, H.N. (2000). Fundamental of Engineering Thermodynamics . Ohio.