Mesin stirling bertenaga surya

11 08 2008

Pengantar

Tulisan ini merupakan upaya untuk merancang suatu alat yang bisa menghasilkan energi dari sumber panas matahari. Hasil rancangan akan dipajang secara terbuka di sini, jadi siapapun bisa menggunakannya secara gratis.

Menurut beberapa literatur, cadangan BBM Indonesia paling tinggal bisa bertahan belasan tahun lagi, saatnya kita bersiap-siap untuk menghadapi hal tersebut. Negara kita kebetulan terletak di katulistiwa sehingga mendapat rejeki gratis dari sinar matahari yang berlimpah.

Tulisan ini merupakan usaha untuk mengimplementasikan suatu mesin stirling yang digerakkan oleh panas matahari. Karena blog ini bisa diakses luas oleh umum, harapannya tulisan ini akan bisa bermanfaat bagi masyarakat luas yang saat ini menghadapi masalah energi dan akan segera menghadapi krisis energi yang lebih besar dalam waktu dekat. Memang tidak 100% gratis karena perlu modal untuk pembuatan awalnya, tetapi bisa dikatakan murah karena tidak perlu beli bahan bakar untuk operasionalnya.

Ide ini muncul karena panas matahari ternyata jika dikonsentrasikan panasnya akan mampu melelehkan baja, bayangkan pemborosan rezeki Allah yang kita buang kalau kita tidak memanfaatkan secara maksimal. Harapannya, mesin ini akan bisa menghasilkan tenaga yang cukup besar yang bisa implementable untuk skala rumah tangga. Berikut adalah ilustrasi dari hasil akhir yang diharapkan :

Solar Powered Stirling Engine

Solar Powered Stirling in Action

Usaha ini memerlukan kontribusi dari berbagai disiplin ilmu, antara lain : teknik mesin untuk rancangan mesin stirlingnya, teknik elektro untuk elektronik dari "sun tracking"nya, ilmu komputer / informatika untuk software pengontrol "sun tracking", dan kimia untuk proses pelapisan reflektor sinar surya. Berhubung pada saat tulisan ini dibuat alat ini juga masih dalam rancangan, maka tulisan ini merupakan bagian awal dari rintisan usaha mengimplementasikan "solar powered stirling engine". Monggo bagi semua yang punya bidang keahlian di atas, ditunggu sharingnya. Bidang ilmu saya sendiri lebih ke "sun tracking" dan software kontrolnya sehingga mengharapkan kontribusi dari sisi bidang yang lain.

(Draft) Parameter Rancangan Mesin Stirling :

  1. Diharapkan hasil tenaga mesin ini cukup untuk skala rumah tangga : 1.5 kilowatt - 3.7 kilowatt
  2. Idealnya mesin stirlingnya multi silinder agar tenaganya besar, tetapi tahap awalnya 2 silinder saja.
  3. Perkiraan Rasio relatif ukuran mesin stirlingnya sendiri seperti gambar di bawah ini (diambil dari buku Stirling and Hot Air Engine). Ukuran pasti dari masing-masing komponen sendiri belum ditentukan (tunggu respon, feedback, sharing dari pembaca ).

Recommended Stirling Ratio

Rasio Ukuran Displacer & Power Piston

(Draft) Solar Dish

  1. Rancangan sementara, parabola pengumpul sinar akan dibuat dengan menggunakan fiberglass seperti di video ini dan ini.
  2. Bahan pelapis reflektor untuk parabola ini masih dicari caranya. Penempelan stiker perak sepertinya kurang maksimal hasilnya.

(Draft) Sun Tracking

  1. Rencananya alat ini akan mengarahkan parabola untuk selalu menghadap ke matahari.
  2. Metode yang akan dipakai adalah dengan menggunakan jam, dengan asumsi alat harus bergeser 15 derajat setiap jam. Solusi lain yang menggunakan mikro kontroler sebenarnya lebih elegan, tetapi akan lebih mahal.
  3. Alat ini perlu di align ke arah matahari 1 kali setiap pagi.

Simple Sun Tracker

Simple Sun Tracker

Kontribusi yang diharapkan

  1. Know How ataupun Howto untuk proses pelapisan parabola dengan bahan seperti cermin. Kalau pakai stiker tempelan sepertinya kurang elegan dan efisiensi kurang.
  2. Masukan untuk ukuran pasti rancangan mesinnya, sehingga bisa optimal kerjanya.

Resource yang sudah ada

Beberapa rancangan mesin stirling yang ada di internet sebenarnya siap untuk dibangun dan gratis untuk download, tetapi output powernya rata-rata masih kecil. Ini beberapa situs yang memuat hal itu :

  1. Rancangan mesin stirling gratis, termasuk file autocad (DWG) nya.
  2. Rancangan berikut file CAD untuk mesin stirling dari Japan Marine Research Institute
  3. Mesin stirling 5 silinder dari kaleng
  4. Buku "How I Build 5 HP Stirling Engine" karangan Meryl Lockwood
  5. Ebooks "Stirling and Hot Air Engine"
  6. Ebooks "Stirling Engine Design Manual"
  7. Buku "Build a Two Cylinder Stirling Cycle Engine" karangan David J Gingery.

Realisasi Awal

Karena sampai detik ini (15-10-2009) sama sekali belum ada masukan saran dari pembaca, akhirnya saya putuskan untuk meniru saja langkah yang pernah dilakukan oleh seorang peneliti dari cuyo university (spanyol) yaitu mengkonversi kompresor angin dobel silinder menjadi mesin stirling tipe alfa. Hal ini bahkan pernah ditulis di jurnal internasional di situs ScienceDirect dengan judul "Design and Construction of a Stirling Engine Prototype". Beberapa langkah-langkah yang bisa ditiru dari paper itu antara lain :

  1. Pemilihan tipe kompresor yang akan dikonversi jadi mesin stirling. Pada paper itu disebutkan bahwa author memilih kompresor 2 silinder dengan konfigurasi V160. Tidak disebutkan merk apa, tetapi beberapa parameter disebutkan misal : reference pressure, rpm, dan power inputnya yang sebesar 3 HP. Output dari mesin stirling yang dihasilkan ekspektasinya antara 500 - 1000 watt (karena working pressure dari mesin stirlingnya juga dimodifikasi, diturunkan dari nilai spesifikasi asli kompresor).
  2. Analisa performance dilakukan dengan schmidt analysis, menggunakan program yang ditulis oleh Urieli.
  3. Semua komponen dari kompresor tetap dipakai semua (cylinder, crank, flywheel, piston, piston ring), modifikasi dilakukan dengan menambahkan regenerator panas yang menghubungkan silinder panas dengan silinder dingin. Untuk materi regenerator digunakan wire mesh nomor 35 yang menurut penulis paper itu paling mendekati ukuran diameter dari hasil perhitungan. Tabung regeneratornya sendiri didesain dengan panjang 73 mm, diameter luar tabung regenerator 83.7 mm. Mestinya wire meshnya yang nomor 35 ditaruh didalam tabung regenerator (memenuhi tabung, tetapi tidak solid dimana angin bisa lalu lalang tapi panasnya akan terserap).

Kompresor udara 2 silinder konfigurasi V

Proses Konversi

Sebelumnya perlu saya tekankan bahwa langkah pengkonversian kompresor udara menjadi mesin stirling tipe alfa ini barangkali bukan jalan terbaik untuk merealisasikan ide ini. Jalan ini terpaksa ditempuh karena alasan lebih menghemat waktu dan pekerjaan : tidak perlu memikirkan mekanisme mekanisnya, membubut silinder, membubut piston, dan sebagainya. Meski demikian harap diingat bahwa kompresor udara tidak didesain untuk mesin stirling : bahannya hanya dari besi cor biasa dan aluminium alloy, juga spesifikasi tekanan yang dibolehkan hanya sebatas 8 bar (mestinya setelah dikonversi akan kurang dari nilai itu). Mestinya langkah ini hanya bisa dipakai untuk membuat prototype saja dan harus diganti dengan material lain yang lebih kuat dan tahan panas untuk aplikasi yang sebenarnya.

Pemilihan kompresor

Meski di pasaran Indonesia beredar kompresor dengan 1, 2, dan 3 silinder piston tetapi stirling tipe alfa mensyaratkan adanya 2 silinder yaitu silinder panas dan silinder dingin. Untuk itu dipilih tipe 2 silinder dengan pertimbangan sudah memenuhi persyaratan dan juga lebih murah dari yang 3 silinder. Selain itu sisi kemudahan juga menjadi pertimbangan, karena kalau pakai yang 3 silinder maka akan perlu mengatur aliran udara antara silinder pertama, kedua, dan ketiga agar bisa saling bekerjasama. Kompresor yang dipilih juga bukan V160 seperti yang dipakai oleh leonardo scollo karena yang ada di pasaran Indonesia sepertinya V90 semua. Pompa yang dipilih mempunyai kemampuan tahan tekanan sampai 8 bar.

Untuk keperluan konversi ini hanya unit kompresornya saja yang kita perlukan, jadi tangki udara dan juga mesin diesel penggeraknya tidak diperlukan (tidak perlu dibeli, kalau penggerak yang berupa motor listrik sebenarnya masih akan bisa dipakai/diplesetkan untuk jadi generator listriknya nantinya). Gambar berikut adalah foto dari kompresor udara yang akan dikonversi tampak dari sisi depan dan belakang.

Kompresor tampak depan

Kompresor tampak belakang

Tampak dari gambar di atas bahwa antara silinder yang satu dengan yang lain, terdapat pipa penguhubung yang akan mensuplai udara ke air outlet (pipa yang akan menuju ke tangki udara). Tampak pula 2 lubang air inlet (pipa udara masuk, aslinya ada filter udara disana tapi foto itu kondisi filter udara tidak terpasang). Pada ujung kepala masing-masing silinder juga terdapat one way valve (katup / klep 1 arah) dimana udara hanya bisa mengalir dari air inlet ke silinder, dan dari silinder ke air outlet. Gambar dari air inlet, one way valve (yang bulat), dan pipa penghubung ada di bawah ini.

One way valve

Air Inlet

Pipa penghubung

Observasi awal

Observasi awal terhadap kompresor ini dilakukan dengan membuka tutup atas salah satu silinder. Dari pengukuran yang dilakukan, diketahui bahwa bore size dari pistonnya adalah 5 cm dengan stroke (panjang langkah) 4.5 cm. Saat dicoba memutar-mutar flywheel, ditemukan bahwa titip mati atas (top dead center) piston ke tutup silinder hanya berjarak kurang dari 0.5 mm sehingga dead space yang dihasilkan akan minimal. Perlu diketahui bahwa semakin besar dead space pada mesin stirling bisa mengurangi performanya, sehingga minimalnya dead space di sini mestinya menguntungkan. Ditemukan juga bahwa sisi atas piston rata / datar dan tidak berbentuk dome. Gambar dibawah ini menunjukkan silinder dari kompresor pada posisi terbuka.

Silinder

Bagian bawah dari kompresor ini sengaja tidak diobservasi karena di luar topik bahasan. Tidak ada bagian yang dimodifikasi dari bagian ini, semua crank mechanism akan menggunakan mekanisme bawaan dari kompresor. Bagian lain yang tidak terpakai adalah filter udara. Gas yang ada di dalam mesin stirling justru tidak boleh bocor, sehingga tidak diperlukan lagi lubang udara masuk justru akan ditutup seluruhnya.

Hal lain yang ditemukan adalah rasio antara compression cylinder (silinder dingin) dengan expansion cylinder (silinder panas) bernilai 1 karena ukurannya identik. Terdapat perbedaan pendapat dari 2 kubu dalam masalah ini. Robert stirling yang merupakan penemu dan pemilik patent asli mesin ini berpendapat bahwa rasionya mestinya sesuai dengan sizing recommendation di dalam patent dia, dan beberapa buku yang bersifat practical juga mengutip pendapat ini. Pengalaman empiris menunjukkan bahwa stirling yang rasionya seperti itu memang cenderung lebih mudah bekerja dibandingkan dengan rasio lain yang kadang tidak bisa bekerja (tidak bisa berfungsi sama sekali). Meski demikian, secara analisis termodinamika ditemukan bahwa rasio tersebut tidak ideal dari sisi termodinamika. Kubu yang lain berpendapat bahwa rasio yang mendekati 1 secara mechanical efficiency justru sangat bagus (James R. Senft, Optimum Stirling Engine Geometry). Saya cenderung setuju dengan Senft karena selain penelitiannya juga lebih baru, kita juga tidak bisa memungkiri bahwa gaya gesekan bisa menghambat kerja mesin, dan hal itu diabaikan pada kebanyakan analisis dari sisi termodinamik.

Modifikasi

Beberapa modifikasi yang diperlukan di sini secara garis besar ada 3 hal : menambahkan cooler, menambahkan heater, dan menambahkan regenerator. Cooler akan menggunakan pendinginan udara sehingga yang diperlukan adalah tambahan sirip-sirip logam tembaga yang ditempelkan ke silinder dingin (dan mungkin juga ditambah kipas). Heater memerlukan tambahan sirip-sirip logam tembaga juga yang akan ditempelkan di silinder panas. Regenerator akan dipasang di antara silinder panas dan silinder dingin, pada pipa yang menghubungkan antara kedua silider tersebut.

Sedikit masalah ditemukan terkait dengan regenerator. Stirling tipe alfa mensyaratkan bahwa aliran udara antara silinder panas dan silinder dingin harus bisa dua arah, dan di tengah pipa tersebut terpasang regenerator. Pada kompresor udara terdapat one way valve yang menghalangi aliran udara ke arah yang sebaliknya. Untuk mensiasati kendala ini rencana akan ditempuh 3 alternatif cara :
- Aliran udara akan di silang (cross) : air inlet dari silinder 1 terhubung ke air outlet silinder 2, sedangkan air inlet silinder 2 akan masuk air outlet silinder 1. Mestinya pendekatan ini akan perlu 2 buah pipa penghubung, dan regenerator dipasang di jalur yang arahnya dari sisi panas ke sisi dingin. Pipa hubung yang satunya lagi tanpa regenerator. Variasi lain adalah 2 buah pipa hubung, dan regenerator menjadi titik crossingnya.
- One way valve dibuang : Pendekatan ini hanya memerlukan satu pipa, dengan konsekuensi lubang air outlet harus ditutup semuanya.
- Alternatif terakhir : memodifikasi penutup silinder ke tukang bubut dengan hanya 1 lubang saja dan sekalian menambahkan sirip-sirip cooler dan heater.

Dari ketiga alternatif tersebut, akhirnya dipilih alternatif kedua yaitu klep satu arah (one way valve) di lepas. Alasannya adalah alternatif pertama akan paling banyak menghasilkan dead space tambahan, juga untuk membuka klep akan perlu tekanan tertentu agar membuka. Alternatif ketiga akan membutuhkan pengerjaan yang lebih.

Setelah klep satu arah dilepas, ditemukan bahwa lubang anginnya ternyata lumayan besar dan dalam. Ini menyebabkan masalah tersendiri karena lubang itu menjadi dead space dengan volume yang lumayan besar. Akhirnya diputuskan untuk menutup rata lubang klep yang dulunya untuk air inlet. Penutup lubang terpaksa pesan ke tukang bubut dengan meniru tutup klep asli tetapi dengan perintah tambahan bahwa tidak perlu dilubangi sama sekali. Penutup klep untuk air outlet juga dipasang kembali, tetapi hanya penutupnya saja sedangkan klepnya nggak (sekedar untuk mengurangi dead space). Gambar dari posisi klep setelah dilepas ada di bawah ini.

Tutup silinder dengan klep satu arah yang sudah dibuka

Langkah berikutnya adalah pipa penghubung dan regenerator. Pipa penghubung akan menggunakan pipa asli yang semula ada, sedangkan tabung regenerator akan memanfaatkan komponen dari jet pump yang kebetulan sudah ada ulirnya di kedua sisinya. Kedua sisi tabung akan ditutup dan diberi ulir untuk bisa disambungkan dengan pipa hubung. Berhubung penutupnya juga belum ada, terpaksa bagian ini juga pesan ke tukang bubut. Gambar dari tabung regenerator, dan pipa penghubung ada di bawah ini.

Tabung regenerator, material pengisi regenerator, dan pipa hubung

Hal lain yang perlu ditambahkan adalah mekanisme untuk memompa gas ke dalam mesin stirling, ini diperlukan manakala perlu adanya penambahan gas (untuk mengisi ulang kebocoran, ataupun untuk menambah tekanan). Untuk itu disekitar tabung regenerator juga akan ditambahkan pentil sepeda motor sehingga gas bisa dipompa ke dalam.

Setelah menunggu beberapa hari, akhirnya jadi juga barang yang dipesan ke tukang bubut. Meski demikian, hasil yang didapat sedikit mengecewakan karena presisinya kurang tinggi, kerjaan sedikit kasar finishingnya, dan bahkan ada yang cuma di las saja. Tukang bubut juga menolak memasang pentil sepeda motor dengan alasan bahannya nggak ada. Gambar di bawah ini foto dari hasil pembubutan.

Tutup tabung regenerator yang di bubut

Tutup klep inlet yang juga hasil tukang bubut

Langkah berikutnya adalah mencoba menjalankan mesin stirling. Untuk saat ini tidak mungkin menggunakan tekanan yang tinggi karena fasilitas untuk memompa gas ke dalam belum tersedia, tetapi paling tidak bisa dicoba dengan tekanan atmosfir lebih dulu. Rencananya sumber panas akan menggunakan propane torch.

Todo

- Tes mesin stirling pada tekanan atmosfir

- Tes mesin stirling pada tekanan rendah (selevel ban sepeda)

- Tes mesin stirling pada tekanan agak tinggi, 6 bar.

(to be continued.......)


Actions

Informations

5 responses to “Mesin stirling bertenaga surya”

20 12 2009
anggityuliartono (17:13:48) :

Mas, gimana kelanjutan mesin stirling-nya? bisa dioperasikan atau tidak??

terima kasih.

21 12 2009
sholikhin (09:13:48) :

@anggityuliartono,
Belum bisa dicoba karena tukang bubutnya payah. Mestinya kan mesin ini kedap udara (nggak ada bocor sama sekali).

21 03 2010
komang jhon (21:57:13) :

gmn...udah bisa?berapa harga kompresor 2 silinder itu? saya juga lagi buat TA yang membahas merancang stirling engine alpha tipe mini, karena jika buat yang besar takut ga jalan.posisinya aja inline jadi ga bentuk V.dengan sudut derajat engkol dari masing2 piston bisa divariasikan. saya buat komponennya dari awal.mulai ngecor aluminium,bubut dan komponen yang ga bs dibuat. yang membingungkan adalah untuk ring pistonya..kan katanya stirling ga perlu pake pelumas dan ring baja juga gesekannya tinggi,sedangkan ring karet ga tahan panas..jadi saya putuskan pake teflon. buatnya rumit karena ukuran piston cuma 3cm.dan langkahnya 1,5cm.ga tau nie bisa jalan atau ga...disini sama tukang bubutnya kasar dan ga tepat waktu...

21 03 2010
komang jhon (21:59:40) :

satu lagi...ada rumus ga buat menghitung daya yang dihasilkan?

5 05 2010
sholikhin (15:29:33) :

@komang jhon,
Setahu saya kalau untuk hitung daya ada beberapa variasi teknik perhitungan : misal meteodenya Urieli, hirata, dan satunya lagi yang orang prancis itu. Kalau yang bisa saya pahami detail sampai permodelannya punya si prancis (dia juga berani bilang metodenya hirata ada yang salah, bukan pada rumusnya tapi pada metode hitung volume CC silindernya).

Leave a comment

You can use these tags : <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*