Mesin Stirling

MESIN STIRLING

Oleh : Leonid SP, dari berbagai sumber ( akhir nop 2008 )

Pengantar

Mesin Stirling adalah mesin pembakaran eksternal yang menggunakan udara atau gas ( helium, hydrogen, nitrogen, methanol dsb) sebagai fluida kerjanya, bekerja berdasarkan prinsip peredaran termodinamika (motor udara panas), ditemukan pada tahun 1816 oleh Robert Stirling, Kilmamock-Skotlandia. Jadi pada mesin Stirling, gas hanya disusutkan dan kemudian dikembangkan dengan pemanasan dari luar. 

Sebuah regenerator memungkinkan panas yang dihasilkan disimpan di dalam, sebagian menggantikan energi panas karena sedikitnya alih panas yang dimungkinkan melalui dinding heat-exchanger. Energi panas disimpan di dalam regenerator sementara gas penggerak menyusup ke ruangan yang dingin, dan kemudian dilepaskan sewaktu kembali ke ruangan ekspansi panas. Tenaga terjadi pada temperatur yang tinggi dan konstan, sangat ideal untuk setiap mesin. Kompresi terjadi pada temperatur rendah, dan hampir tidak ada energi panas yang hilang. Tenaga bersih yang dihasilkan adalah akibat perbedaan antara pengembangan gas bertemperatur tinggi dan mengkompresi gas bertemperatur rendah.

Mesin ini dapat membakar setiap bahan bakar padat (solid) atau cairan sebagai sumber pemanasannya. Hal ini menyebabkan mesin stirling sangat menarik, khususnya pada situasi dimana bahan bakar konvensional saat ini sangat mahal dan sulit untuk memperolehnya. Beberapa jenis mesin Stirling , selain demikian efektif juga sangat mudah pembuatannya, sehingga menjadi pilihan yang terbaik untuk sistem pembangkit listrik di beberapa negara berkembang.

Sejarah pengembangannya

Sejak awalnya mesin Stirling memiliki reputasi kerja yang baik dan masa kerja yang lama ( di atas 20 tahun), antara lain digunakan sebagai mesin pompa air dengan kapasitas rendah, yaitu pada pertengahan abad ke sembilanbelas sampai sekitar tahun 1920, yaitu ketika mesin pembakaran internal dan motor listrik mulai menggantikannya.

Mesin dengan udara panas (hot-air machine) dikenal karena cara kerjanya yang mudah, kemampuannya menggunakan berbagai jenis bahan bakar; selain itu operasinya aman, tidak berisik, efisiensinya memadai (moderate) , stabil dan rendah biaya perawatannya. Kekurangannya adalah ukurannya yang sangat besar namun daya keluarannya (output) kecil dan harganya investasinya tinggi / mahal (untuk ukuran saat itu).

Lepas dari pada itu, karena biaya operasinya rendah, maka mesin Stirling dipilih aplikasinya untuk mesin dengan tenaga uap – pilihan satu-satunya pada saat itu- yang boros bahan bakar untuk mesin dengan daya yang sama, dan memerlukan perhatian khusus untuk mencegah terjadinya bahaya ledakan atau kerusakan lainnya.

Kekurangan utama lainnya untuk jenis mesin udara panas adalah kecenderungannya gagal operasi apabila heater head terlalu panas, walaupun hal itu kemudian dapat diatasi setelah dilakukan rekayasa ulang heater head nya, yang dapat mencegah panas lebih, serta aman pada mesin dengan daya rendah . 

 Namun tetap saja penyempurnaan ini tidak mampu meningkatkan daya saing mesin ini terhadap mesin-mesin pembakaran internal lainnya yang bermunculan dipasaran pada waktu itu yang harganya jauh lebih murah.

Penemuan baru baja tahan karat (stainless steel) dan berkembangnya pengetahuan pada proses mesin termodinamik yang kompleks, mengawali temuan mesin-mesin baru, menjelang dan sesudah perang Dunia ke II. Desain mesin udara panas yang disempurnakan , dengan bobot dan harga yang lebih murah, konstruksi dan operasinya yang mudah, dan yang lebih penting lagi adalah variasi bahan bakarnya yang tetap tidak berubah (bisa dengan udara ataupun gas). Ironisnya, beberapa negara maju justru tidak tertarik menggunakan sistem mesin yang “sangat sederhana” ini untuk umpamanya pada mesin otomotif yang canggih, sistem pembangkit daya (listrik,dll, bukan untuk daya dorong primer) pada pesawat ruang angkasa dll.

Situasi ini kemudian berubah tahun 1980, setelah USAID ( Agen AS untuk bantuan pengembangan internasional) mendanai pengembangan pembuatan mesin Stirling untuk negara-negara berkembang , dan itu dimulai dari Bangladesh. Dari sinilah berawal prospek pengembangan dan pemanfaatan mesin Stirling untuk negara-negara berkembang lainnya , di Afrika, Asia dan Amerika Latin, sebagai salah satu solusi mesin yang murah dan hemat energi dengan menggunakan udara atau gas ( helium, hydrogen, nitrogen, methanol dsb) sebagai fluida kerjanya.

Mesin Stirling generasi baru ini jauh lebih kuat, lebih efisien, tidak berisik, mudah penggunaannya, dan memiliki daya tahan yang lebih tinggi, serta mudah diproduksi secara massal. Digunakan antara lain untuk mesin pembangkit listrik, mesin pendingin, mesin pompa dll.

Jenis mesin Stirling

Tergantung kepada penggunaannya, mesin Stirling kemudian berkembang menjadi beberapa jenis , antara lain :

1. Crank-drive Stirling Engine. Mesin jenis ini pembuatan dan operasinya mudah, tidak menggunakan pelumas (oli) pada crankcase nya. Untuk mencegah masuknya oli ke crankcase, digunakan jenis bantalan : sealed roller bearings, ball bearings atau bushing dari bahan teflon yang tidak dilubrikasi. Daya (energi) diperoleh dari gerakan maju-mundurnya piston ( system linier). Untuk operasinya diperlukan bahan bakar.
2. Simple Free-Piston Engine. Bekerja dengan udara atmosfir sebagai bahan bakar kerjanya, dan putarannya sangat rendah. Kelebihan jenis mesin ini adalah daya angkat dan efisiensinya sangat tinggi . Digunakan biasanya untuk pompa (displacement pump). Mesin dengan displacer berdiameter 60 cm, dengan putaran 1 rotasi per detik (cycle per second), mampu menghasilkan daya sekitar 500 watt (50 liter-meter/sec)
3. Free-Cylinder Engine. Mesin jenis resiprokal (berputar), antara lain untuk pompa .
4. Duplex Stirling Engine, untuk mesin freezer penyimpan bahan makanan yang portable.
5. Free-Piston Alternator Engine. Digunakan antara lain dalam pengembangan mesin Stirling pembangkit listrik yang digerakkan dengan bantuan panas surya (matahari). Kapasitas daya sampai 20 kw. Dalam beberapa tahun ke depan diharapkan akan lebih besar lagi kapasitasnya.

Penggunaan mesin Stirling

Antara lain :

1. Mesin pompa untuk irigasi (pengairan) dengan menggunakan Biomasa*)
2. Mesin pembangkit listrik (generator) , ukuran kecil dan pemukiman (daya besar)
3. Mesin pemecah padi, gandum dsb, memakai sekam sebagai bahan bakarnya*)
4. Mesin untuk pendingin / freezer portable.
5. Mesin-mesin dengan tenaga surya (matahari) sebagai pembangkit dayanya. Aplikasinya luas, bisa mesin pompa, generator listrik dll.

Catatan : *) sebagai pemanasnya . Mesin Stirling biasanya digunakan untuk mesin penggerak dengan daya antara 100 watts sampai 20 kW.

Kelebihan mesin Stirling adalah :

· Frekuensinya stabil/ konstan

§ Mesin Stirling dapat bekerja pada sembarang sumber energi panas, termasuk bahan kimia, sinar surya (solar), limbah pertanian (sekam, tempurung kelapa dsb), kayu bakar, berbagai produk minyak bakar (biomassa, biofuel dsb),. panas bumi dan nuklir.

§ Kemungkinan implementasi mesin Stirling banyak sekali, namun sebagian besar masuk pada kategori mesin piston resiprokal.

§ Perbedaan yang menyolok dengan mesin pembakaran internal adalah potensi untuk menggunakan sumber panas terbarukan pada mesin Stirling lebih mudah, suara mesin lebih lembut (tenang), tidak berisik / bising dan biaya perawatannya lebih rendah.

§ Biaya kapital per unit daya ($/kW) dapat ditekan lebih rendah . Dibandingkan dengan mesin pembakaran internal untuk daya yang sama , maka biaya investasi mesin Stirling untuk saat ini umumya masih lebih besar dan lebih berat, namun perawatannya jauh lebih mudah dan ekonomis. Sehingga secara menyeluruh biaya energinya masih dapat bersaing ketat. Efisiensi panasnya juga berimbang (untuk mesin-mesin yang kecil) berkisar antara 15% - 30%. Dengan basis biaya investasi per unit daya di atas, untuk unit generator dengan kapasitas s/d 100 kW., mesin Stirling masih kompetitif harganya.

Mesin Stirling tenaga surya

Sebagaimana yang terlihat pada gambar di bawah ini, mesin Stirling Tenaga Surya (Free-Piston Alternator Engine) menggunakan tenaga surya sebagai pembangkit energi / “bahan bakarnya”. Sebagaimana telah disebutkan di atas, prinsip kerjanya adalah berdasarkan prinsip peredaran termodinamika (motor udara panas). Jadi pada mesin Stirling, gas hanya disusutkan dan kemudian dikembangkan dengan pemanasan dari luar. Sebagaimana kita ketahui, tenaga surya adalah termasuk salah satu sumber daya terbarukan (tidak pernah habis, sampai bermilyar-milyar tahun ke depan) yang paling ekonomis dan mudah didapatkan, gratis lagi. Dan hal ini merupakan nilai lebih dari mesin Stirling tenaga surya, ekonomis dan mudah pengoperasiannya. Mesin Stirling tenaga surya adalah termasuk salah satu dari jenis mesin hemat energi.

Mungkin yang agak mengganggu (dari segi konstruksi dan biaya) adalah sistem parabola sebagai reflektor sinar surya yang terfokus ke mesin stirling, yang terkopel dengan suatu generator listrik (selanjutnya kita sebut generator Stirling). Yang lazim kita ketahui adalah, piringan reflektor sinar pada parabola biasanya dibuat dari bahan yang memantulkan sinar seperti kaca, ataupun pelat logam dengan permukaan mengkilat . Untuk ukuran parabola yang kecil, tentunya tidak banyak masalah yang timbul, dan mungkin masih bisa ditekan biaya pembuatannya. Namun bagaimana bila diperlukan suatu ukuran yang lebih besar, katakan lebih dari 2-3 meter ? Sudah pasti akan menelan biaya produksi yang lebih mahal dan tidak ekonomis.

Ternyata seorang ilmuwan dari Jerman Barat, Prof. dr.Hans Kleinwachter (direktur Bomin Solar GmbH di Lorrach) menemukan ide membuat reflektor sinar surya yang tidak berat, tahan terhadap angin dan perubahan cuaca (hujan dsb). Dia dengan tim yang terdiri atas beberapa insinyur dan konstruktor membuat reflektor ringan dari lembaran semacam plastik yang dilapisi dengan logam , yang ringan dan mampu memantulkan 80% sinar surya yang datang. Untuk melindungi dari terpaan hujan dan angin, ia membuat sebuah kubah tembus pandang yang bias melewatkan sinar. Dari 100% sinar surya yang datang, setidaknya 72% akan sampai ke titik baker reflector

Temuan Prof.Hans Kleinwachter yang kemudian disebut Reflektor Kleinwachter memiliki keunikan, yang dapat memangkas biaya pembuatan (dan produksi secara massal) reflektor dalam bentuk parabola dengan ukuran sedang dan besar.

Keunikannya , seperti disebutkan di atas terletak pada reflektornya. Lembaran tersebut dipasang pada suatu teromol, sedemikian sehingga rapat dan tidak terjadi kebocoran.Udara dalam teromol yang tertutup rapat (kedap udara) disedot dengan pompa vakum. Perbedaan tekanan antara atmosfir luar dan dan isi teromol yang vakum, akan menyebabkan lembaran tersebut tertekan ke dalam teromol. Karena ditahan oleh tepi teromol yang berbentuk lingkaran, lembaran itu akan membentuk bidang mirip parabola. Akibatnya terbentuk titik bakar, yang diperlukan reflektor untuk memanaskan dan menggerakkan mesin-generator (genset) Stirling. Unik dan cukup sederhana bukan?!

Sistem mesin-generator Stirling dengan reflektor Kleinwachter, dengan memanfaatkan sinar surya / matahari mungkin dapat menjadi pilihan yang tepat untuk diadopsi dan diaplikasikan di tanah air. Selain karena sistemnya mengacu kepada pemanfaatan energi alternatif ( & energi terbarukan), mengurangi ketergantungan kita kepada penggunaan energi fosil (minyak & gas bumi) terutama dalam menghadapi krisis energi yang melanda dunia termasuk Indonesia tentunya, yang entah kapan akan berakhirnya.