Hari ini kita akan berbicara tentang jenis mesin yang berbeda dari mesin pembakaran internal yang biasa digunakan. Kendaraan umumnya menggunakan mesin yang digerakkan oleh bahan bakar fosil yang efisiensinya biasanya tidak terlalu tinggi. Dalam hal ini, kami persembahkan untuk Anda mesin Stirling. Mesin jenis ini menawarkan efisiensi yang jauh lebih besar dibandingkan mesin bensin atau diesel dan juga ramah lingkungan.
Pada artikel ini, kita akan membahas fitur-fitur utama mesin Stirling, cara kerjanya, serta kelebihan dan kekurangan utamanya. Kami juga akan mempelajari beberapa kegunaan paling umum dari mesin ini, yang dapat memainkan peran penting dalam transisi energi.
Mesin Stirling
Mesin Stirling adalah jenis mesin pembakaran luar yang menggunakan tekanan yang dihasilkan oleh gas yang dipanaskan dan didinginkan, bukan pembakaran internal dimana bahan bakar dibakar. Ini adalah penemuan yang berasal dari tahun 1816, ketika dirancang dan dipatenkan oleh pendeta Skotlandia Robert Stirling. Ditujukan sebagai alternatif yang lebih aman dibandingkan mesin uap yang mendominasi waktu, Stirling menawarkan efisiensi dan keamanan yang lebih baik berkat konstruksinya yang sederhana.
Meskipun mengalami kesulitan untuk diterapkan dalam skala besar karena keterbatasan teknis dan ekonomi, namun tetap sangat relevan di sektor-sektor tertentu, terutama karena kemampuannya. operasi senyap dan kemampuannya menghasilkan energi dari berbagai sumber, termasuk energi terbarukan.
Saat ini, penggunaannya terfokus pada kapal selam dan pembangkit listrik, terutama pada pembangkit listrik tenaga surya, di mana mesin Stirling memanfaatkan panas matahari untuk menghasilkan energi secara efisien. Di bagian selanjutnya, kita akan mempelajari lebih detail tentang pengoperasian dan aplikasinya.
Pengoperasian mesin Stirling
Mesin Stirling mengikuti siklus termodinamika yang dikenal sebagai Siklus Stirling, yang terdiri dari empat fase dasar: pemanasan, ekspansi, pendinginan dan kompresi. Berbeda dengan mesin pembakaran internal, pada mesin Stirling, gas tetap tersegel di dalam sistem, yang berarti tidak ada emisi polusi, seperti karbon dioksida atau gas beracun, yang dilepaskan. Hal ini menjadikannya pilihan yang menarik dari sudut pandang ekologi.
Prinsip pengoperasian utama: Siklus Stirling didasarkan pada dua prinsip dasar:
- Tekanan di dalam gas meningkat ketika suhunya naik dalam volume tertutup.
- Kompresi gas pada volume konstan juga menaikkan suhunya.
Prinsip-prinsip ini diterapkan melalui dua ruang, satu panas dan satu lagi dingin, yang berisi gas kerja (yang dapat berupa helium, hidrogen, nitrogen, atau bahkan udara). Gas bergerak di antara kedua ruang, yang menyebabkan variasi tekanan yang menggerakkan piston.
Prosesnya dimulai dengan memanaskan gas dalam silinder panas. Saat dipanaskan, gas memuai dan mendorong piston ke bawah. Gas panas kemudian dipindahkan ke ruang dingin, di mana gas tersebut mendingin dan tekanannya menurun sehingga dapat dikompresi kembali. Ini menghasilkan gerakan siklik piston dan mengubah energi panas menjadi energi mekanik yang berguna untuk menghasilkan listrik atau menggerakkan kendaraan.
Bagian-bagian mesin Stirling
Mesin Stirling terdiri dari beberapa bagian penting yang bekerja sama untuk melakukan siklus konversi energi:
- Silinder pemindah: Bertanggung jawab untuk memindahkan gas antara fokus panas dan dingin.
- Kekuatan piston: Pengubah energi panas gas menjadi kerja mekanis yang dapat digunakan untuk menggerakkan suatu mesin.
- Regenerator: Penukar panas yang menyerap panas dari gas ketika berada dalam fase pendinginan dan mengembalikannya ketika gas dipanaskan kembali. Ini membantu meningkatkan efisiensi siklus.
- Pembakar atau sumber panas: Ini menyediakan energi panas yang diperlukan untuk memanaskan gas.
- Roda gila: Bertindak sebagai penstabil yang mempertahankan gerakan putar yang seragam, penting untuk pengoperasian mesin yang berkelanjutan.
- Poros engkol: Pengubah gerak linier piston menjadi gerak putar.
Pada bagian selanjutnya, kami akan merinci setiap fase siklus pengoperasian mesin untuk memahami bagaimana bagian-bagian ini berkolaborasi untuk menghasilkan kerja mekanis.
Tahapan siklus mesin Stirling
Siklus operasi mesin Stirling terdiri dari empat fase berikut:
- Ekspansi gas panas: Panas diterapkan pada sebagian gas dalam silinder panas, menyebabkan pemuaian. Gas panas mendorong piston ke bawah, melakukan kerja mekanis.
- Transfer ke silinder dingin: Gas panas dipindahkan ke silinder dingin, lalu didinginkan dengan cepat.
- Kompresi gas dingin: Gas dingin dikompresi ketika piston naik, menghilangkan sebagian panas yang diperoleh selama fase ekspansi.
- Kembali ke silinder panas: Gas terkompresi kembali ke silinder panas dimana proses diulangi.
Keunggulan mesin Stirling
Mesin Stirling memiliki banyak keunggulan dibandingkan mesin pembakaran internal:
- Operasi senyap: Karena tidak ada pembakaran internal, mesin Stirling beroperasi dengan sangat senyap, sehingga ideal untuk aplikasi yang sensitif terhadap kebisingan seperti kapal selam atau generator listrik di daerah perkotaan.
- Efisiensi tinggi: Kemampuannya untuk memanfaatkan berbagai sumber panas eksternal dan desainnya yang efisien memungkinkannya mencapai kinerja yang mendekati siklus Carnot. Dalam aplikasi seperti kogenerasi, efisiensi ini sangat berharga.
- Fleksibilitas dalam sumber panas: Mesin Stirling dapat dijalankan dengan berbagai sumber panas, mulai dari bahan bakar fosil hingga energi yang sepenuhnya bersih seperti energi matahari.
- Dampak lingkungan yang rendah: Fakta bahwa gas tersebut tersegel berarti tidak mengeluarkan gas yang mencemari, menjadikannya pilihan yang sangat ekologis.
- Mengurangi pemeliharaan: Berkat desainnya yang sederhana dan tidak adanya ledakan internal, mesin Stirling memerlukan perawatan yang relatif sedikit dibandingkan dengan teknologi pembakaran internal tradisional.
- Masa manfaat yang panjang: Desain yang kokoh dan kesederhanaan sistem memungkinkan mesin Stirling memiliki umur yang lebih panjang, sehingga memberikan nilai yang besar dalam aplikasi jangka panjang.
- Keserbagunaan: Mulai dari kapal selam, generator tenaga surya, hingga sistem kogenerasi, mesin Stirling memiliki beragam aplikasi, menjadikannya alat yang berguna untuk berbagai industri.
Kekurangan mesin Stirling
Meskipun memiliki banyak kelebihan, mesin Stirling juga memiliki beberapa kelemahan yang memperlambat adopsi massalnya:
- Biaya awal yang tinggi: Konstruksi mesin Stirling, dengan penukar panas dan bahan khusus untuk menahan tekanan dan suhu, mahal, sehingga membatasi daya saingnya dibandingkan teknologi lain.
- Kurangnya popularitas: Meskipun fitur-fiturnya mengesankan, kurangnya pengetahuan umum tentang mesin Stirling telah menjadi hambatan dalam penerapannya secara luas.
- Masalah penyegelan: Mengawetkan gas kerja dapat menjadi hal yang rumit, terutama pada mesin yang beroperasi pada tekanan tinggi, sehingga mempengaruhi kinerja dan daya tahannya.
- Ukuran dan berat: Mesin Stirling biasanya lebih besar dibandingkan dengan mesin pembakaran internal dengan tenaga yang sama karena kebutuhan akan penukar panas yang lebih besar.
- Waktu respons terbatas: Meskipun efisien untuk aplikasi daya yang konstan, mesin Stirling tidak cocok untuk sistem yang memerlukan perubahan daya yang cepat, seperti kendaraan.
Aplikasi mesin Stirling
Mesin Stirling telah menemukan aplikasi di beberapa bidang utama. Di antara yang paling menonjol adalah:
- Pembangkit energi surya: Di daerah yang terkena sinar matahari, mesin Stirling dapat menggunakan energi matahari terkonsentrasi untuk menghasilkan listrik dengan tingkat efisiensi tinggi. Pabrik percobaan telah menunjukkan bahwa teknologi ini sangat kompetitif dibandingkan dengan sumber energi terbarukan lainnya.
- Penggerak kapal selam: Karena pengoperasiannya yang senyap dan tidak adanya udara untuk pembakaran, mesin Stirling telah digunakan di kapal selam untuk misi bawah air yang lama.
- Pemompaan air: Di daerah pedesaan, dimana kekurangan listrik dapat menjadi masalah, mesin Stirling telah digunakan untuk memompa air karena kemampuannya menggunakan biomassa atau sisa tanaman sebagai sumber panas.
- Aplikasi industri: Mesin Stirling juga sedang diujicobakan dalam aplikasi industri sebagai pembangkit listrik tambahan di pabrik industri yang dapat memanfaatkan limbah panas dari proses industri.
- Pendinginan: Dengan membalikkan siklus termodinamika, mesin Stirling dapat digunakan untuk pendinginan kriogenik, sehingga mencapai suhu yang sangat rendah.
Mesin Stirling menonjol karena keserbagunaannya dan efisiensinya yang tinggi dalam aplikasi khusus yang memerlukan pengoperasian konstan dan emisi rendah. Meskipun memiliki keterbatasan, teknologi ini memiliki potensi besar di masa depan, terutama dalam hal pengurangan jejak karbon dan integrasi dengan sumber energi terbarukan.