-
II-1
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Konsep Umum Generator Linier
Generator linier magnet permanen atau generator gerakan linier
adalah
sebuah mesin listrik yang dapat menghasilkan energi listrik
dengan cara
mengkonversinya dari gerakan linier. Generator linier ini
merupakan mesin
aletrnatif yang memiliki bentuk horizontal yang terdiri dari
translator dan stator,
kebanyakan dari generator linier menggunakan magnet permanen
atau magnet
neodymium yang dierekatkan menggunakan resin ataupun hanya
berdempetan
dengan magnet yang lainnya tergantung konfigurasi magnet yang
digunakan.
Dimana magnet ini digunakan untuk menghasilkan fluks magnetik
yang nantinya
akan memotong kumparan pada stator untuk menghasilkan ggl
induksi sesuai
dengan hukum Faraday (Nugroho et al., 2014).
Generator linier memiliki berbagai macam tipe dan bentuk baik
dari
translator, stator dan airgap, pada dasarnya generator linier
ini hampir sama
dengan generator aksial hanya yang membedakan pada bentuk
konstruksi dan
gerakan translatornya saja. Konstruksi stator dan translator
ditentukan dengan
hasil pemodelan yang telah direncanakan terlebih dulu agar pada
saat pembuatan
generator sesuai dengan bentuk yang diharapkan, generator linier
juga sama
dengan generator pada umumnya yang memiliki airgap, yaitu jarak
antara magnet
permanen dengan kumparan untuk bisa mengatur kerapatan
distribusi fluks
magnet permanen dalam pemotongan pada kumparan stator secara
maksimal
(Nugroho et al., 2014)
-
II-2
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
Pada dasarnya cara dan prinsip kerja dari generator linier sama
dengan
generator pada umumnya, hanya berbeda pada gerakan yang
menggerakan
translatornya. Dimana pada generator konvensional menggunakan
gerakan rotasi
sedangkan pada generator linier menggunkan gerakan linier. Pada
konstruksi
konvensional, sebuah generator linier hampir sama dengan sebuah
motor listrik
yang menghasilkan gerakan translasi. Tetapi pada generator
operasionalnya
dibalik dari konversi gerak menjadi listrik (Nugroho et al.,
2014).
2.2 Prinsip Kerja Generator Linier
Prinsip kerja generator linier sama dengan generator pada
umumnya dengan
menggunakan prinsip induksi elektromagnetik yang mengacu pada
hukum
Faraday dan hukum Lenz.
2.2.1 Hukum Faraday
Menurut percobaan yang dilakukan oleh Faraday, GGL induksi yang
timbul
antara ujung-ujung suatu kumparan berbanding lurus dengan laju
perubahan fluks
magnetik yang dilingkupi oleh kumparan tersebut. Hukum Faraday
menyatakan
bahwa tegangan elektrik imbas didalam sebuah rangkaian adalah
sama (kecuali
tanda negatifnya) dengan kecepatan fluks yang melalui rangkaian
tersebut. Jika
kecepatan fluks dinyatakan didalam weber/detik, maka tegangan
gerak elektrik
akan dinyatakan dalam volt. Besarnya ggl induksi merupakan
perubahan fluks
magnet ( dalam selang waktu ( t ) sehingga dapat dinyatakan
sebagai berikut
(Prasetijo et al., 2012):
(2.1)
Dimana:
Fluks Magnetik (Weber)
-
II-3
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
Tanda negatif pada persamaan (2.1) merupakan pernyataan dari
Hukum
Lenz yang menjelaskan bahwa tegangan gerak elektrik akan selalu
berlawanan
terhadap perubahan medan magnet yang diterima kumparan atau
selenoida. Jika
persamaan (2.1) diberlakukan pada sebuah selenoida yang terdiri
dari N lilitan,
maka sebuah tegangan gerak elektrik totalnya merupakan
penjumlahan dari setiap
lilitan, sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut (Prasetijo
et al., 2012):
(2.2)
Dimana:
Jumlah lilitan
Fluks Magnetik (Weber)
Dengan N menyatakan nilai tautan fluks (fluks linkages) di
dalam
selenoida, N menyatakan jumlah lilitan dan menyatakan fluks
magnetik.
Medan magnet induktif akan selalu melawan arah gerak magnet.
Ketika magnet
digerakkan menjauhi kumparan, maka arus akan berubah arah dan
dengan
demikian pula arah medan magnet juga berubah. Hal ini
mengakibatkan adanya
gaya yang berupaya untuk mencegah magnet bergerak menjauhi
kumparan. Kea
rah manapun magnet digerakkan, maka akan selalu terdapat gaya
yang melawan
pergerakan tersebut yang dibentuk dari medan magnet kumparan.
Hasil dari gaya
tersebut dikonversikan menjadi beda potensial yang dapat diukur
dari ujung-ujung
kumparan (Prasetijo et al., 2012).
Faktor- Faktor yang Menentukan Besarnya GGL (Nugroho et al.,
2014).
Besarnya ggl induksi tergantung pada tiga faktor, yaitu:
Banyaknya jumlah lilitan pada kumparan.
Kecepatan keluar masuk magnet kedalam dan keluar kumparan.
-
II-4
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
Kuat magnet yang digunakan.
2.2.2 Hukum Lenz
Hukum Lenz ditemukan oleh ilmuan fisika bernama Friederich Lenz
pada
tahun 1834. Hukum Lenz merupakan hukum fisika yang memberikan
pernyataan
tentang GGL (Gaya Gerak Listrik) induksi. Hukum ini menjelaskan
arah arus
induksi akibat adanya GGL induksi tersebut (Hukum Lenz,
2014).
Berdasarkan hukum Faraday, perubahan fluks magnetik akan
menyebabkan
timbulnya beda potensial antara ujung kumparan. Apabila kedua
ujung kumparan
itu dihubungkan dengan suatu penghantar yang memiliki hambatan
tertentu, maka
akan mengalir arus yang disebut arus induksi dan beda potensial
yang terjadi
disebut ggl induksi. Faraday pada saat itu baru dapat menghitung
besarnya ggl
induksi yang terjadi, tetapi belum menentukan kemana arah arus
induksi yang
timbul pada kumparan. Lenz menyatakan bahwa (Hukum Lenz,
2014).
“Jika ggl induksi timbul pada suatu rangkaian, maka arah arus
induksi yang
dihasilkan sedemikian rupa sehinngga menimbulkan medan magnet
induksi yang
menentang perubahan medan magnetik (arus induksi berusaha
mempertahankan
fluks magnetik totalnya)”
Gambar 2.1 Arah Arus Induksi Berdasarkan Hukum Lenz
(a) Magnet mendekati kumparan (b) Magnet menjauhi kumparan.
(Sumber: Hukum Lenz, 2014)
Ketika kedudukan magnet dan kumparan diam, tidak ada perubahan
fluks
magnet dalam kumparan. Tetapi ketika kutub utara magnet
digerakkan mendekati
-
II-5
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
kumparan, maka timbul perubahan fluks magnetik yang semakin
membesar
akibatnya timbul fluks magnetik yang menentang pertambahan fluks
magnetik
awal. Oleh sebab itu, arah fluks induksi harus berlawanan dengan
fluks magnetik,
sehingga fluks total yang dilingkupi kumparan selalu
konstan.
Begitu juga saat magnet digerakkan menjauhi kumparan, maka akan
terjadi
pengurangan fluks magnetik dalam kumparan, akibatnya pada
kumparan timbul
fluks induksi yang menentang pengurangan fluks magnet, sehingga
fluks totalnya
selalu konstan (Hukum Lenz, 2014).
Arah simpangan galvanometer sesuai dengan arah arus yang
masuk
galvanometer.
Gambar 2.2 Arah Arus Induksi dan Pergerakan Jarum
Galvanometer
(Sumber: Hukum Lenz, 2014)
(a) Karena ujung kumparan A didekati kutub magnet utara (U),
maka ujung
kumparan A menjadi kutub utara (U) dan B menjadi kutub selatan
(S).
Dengan aturan tangan kanan diperoleh arah arus listrik keluar
dari ujung
kumparan A. Sehingga jarum galavanometer menyimpang kearah
kanan.
(b) Karena ujung kumparan A dijauhi kutub magnet utara (U), maka
ujung
kumparan A menjadi kutub selatan (S) dan B menjadi kutub selatan
(U).
Dengan aturan tangan kanan diperoleh arah arus listrik keluar
dari ujung
kumparan B. Sehingga jarum galavanometer menyimpang kearah
kiri.
-
II-6
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
2.3 Tipe Generator Linier
Pada dasaranya generator linier ini ada 3 tipe (Parthasarathy,
2012), yaitu:
Permanen Magnet Linier Generator Tipe Tabung (Tubular)
Permanen Magnet Linier Generator Tipe Datar (Flat)
Permanen Magnet Linier Generator Tipe Datar Semi Tabung
(Quasi Flat Tubular)
2.3.1 Permanen Magnet Linier Generator Tipe Tabung (Tubular)
Gambar 2.3 PMLG Tipe Tabung
(Sumber: Pharthasarathy, 2012)
Generator linier yang ditunjukkan oleh gambar 2.3 adalah salah
satu jenis
tipe generator linier tabung/tubular. Penamaan generator ini
disarankan karena
dilihat dari bentuknya yaitu tabung/silinder, prinsip kerja dari
generator ini yaitu
translator (slider) bertindak sebagai rotor yang bergerak secara
linier sedangkan
statornya tetap/diam, magnet permanen melekat di
translator/slider dan belitan
kawat tembaga ada di stator (Parthasarathy, 2012).
-
II-7
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
2.3.2 Permanen Magnet Linier Generator Tipe Flat / Datar
Gambar 2.4 PMLG Tipe Datar
(Sumber: Pharthasarathy, 2012)
Generator linier permanen magnet tipe datar ini adalah sebuah
generator
linier tipe single slided permanen magnet, prinsip kerjanya sama
seperti generator
linier tipe tabung. Penamaan generator ini dilihat dari
bentuknya yaitu persegi
panjang dan datar pada stator dan translatornya, sehingga dapat
dikatakan
generator linier tipe flat/datar. Penggunaan magnet permanen
pada translator pun
menggunakan magnet berbentuk persegi panjang dan statornya bisa
diletakkan
disisi luar magnet ataupun diapit oleh dua sisi magnet, konsep
generator linier tipe
flat/datar ini sama seperti generator axial yang membedakan
adalah pada bentuk
dan gerakan translatornya (Parthasarathy, 2012).
2.3.3 Permanen Magnet Linier Generator Tipe Datar Semi
Tabung
Gambar 2.5 Konstruksi PMLG Tipe Datar Semi Tabung
(Sumber: Pharthasarathy, 2012)
-
II-8
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
Generator tipe ini adalah gabungan bentuk antara tipe datar
(flat) dengan
tipe tabung (tubular), prinsip kerjanya sama saja seperti 2 tipe
diatas, namun
magnet permanen pada translator tipe ini mempunyai 4 sisi
penempatan magnet
dan relatif lebih mahal karena penggunaan magnet permanen yang
cukup banyak
(Parthasarathy, 2012).
2.4 Konstruksi Generator Linier
Konstruksi generator linier hampir sama dengan generator
konvensional dan
dibedakan dari cara bergeraknya translator, pada generator
konvensional biasanya
menggunakan gerakan putaran namun translator generator linier
bergerak bolak–
balik secara tegak lurus baik vertikal maupun horizontal. Stator
pada generator
linier juga terdiri dari beberapa kumparan yang dirangkai
sedemikian rupa
sehingga keluarannya menjadi 1 fasa ataupun 3 fasa (Nugroho et
al., 2014).
2.4.1 Translator
Translator merupakan bagian dari generator linier yang bergerak.
Translator
pada generator linier ini tersusun dari sejumlah magnet permanen
konfigurasi
halbach array linier, tujuannya untuk meningkatkan medan magnet
pada satu sisi
sehingga posisi medan magnet terkuat menghadap ke permukaan
stator.
Pemilihan konfigurasi halbach array pada bagian translator agar
dapat dihasilkan
medan magnet serta arah vektor kerapatan fluks yang memusat pada
bagian dalam
stator dan translator. Dengan menyusun halbach array linier pada
bagian
translator maka prinsip kerja dari susunan magnet tersebut akan
menghasilkan
peningkatan kerapatan fluks magnet pada celah udara komponen
linier
(Ekosaputro et al., 2016).
-
II-9
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
2.4.2 Stator
Pada dasarnya stator merupakan tempat penginduksian medan
magnet
terjadi. Rancangan stator tanpa inti besi biasanya digunakan
pada generator
putaran/linier dan torsi beban yang rendah. Hal ini disebabkan
tidak adanya inti
besi pada kumparan. Keunggulan yang diperoleh yakni dapat
meminimalisir rugi-
rugi fluks magnet yang terjadi karena efek tarik-menarik antara
inti besi dengan
magnet permanen yang disebut dengan efek coging torque (Sofian,
2011).
Pada stator tanpa inti besi susunan kumparannya terbagi menjadi
2 macam,
ada yang tersusun secara overalapping dan non-overlapping. Pada
stator yang
susunan kumparannya secara overlapping susunan kumparannya
berada tumpang
tindih dengan kumparan yang lainnya. Tentunya dengan susunan
fasa yang
berbeda pada tiap kumparannya (Sofian, 2011).
Gambar 2.6 Konstruksi Stator Overlapping (Sofian, 2011).
(Sumber: Sofian, 2011)
Pada stator yang susunan kumparannya secara non-overlapping,
suatu
kumparan akan tepat berada disamping dan berimpit dengan
kumparan yang
lainnya. Dengan susunan fasanya saling berurutan sesuai dengan
jumlah
kumparan pada stator (Sofian, 2011).
-
II-10
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
Gambar 2.7 Konstruksi Stator non-Overlapping (Sofian, 2011).
(Sumber: Sofian, 2011)
Untuk menentukan jumlah lilitan per fasa, kerapatan arus pada
kawat
tembaga dan diameter kawat yang akan digunakan, maka dapat
dicari dengan
menentukkan terlebih dulu daya semu, dengan tegangan dan arus
yang diinginkan,
dengan menggunakan persamaan sebagai berikut (Parthasarathy,
2012):
Daya Semu
(2.3)
Dimana :
Tegangan Induksi
Arus Induksi Fasa
Tegangan Induksi
(2.4)
Dimana :
Lebar stator
Jumlah Lilitan per fasa
Kerapatan fluks magnet halbach array pada celah udara
Kecepatan
Jumlah lilitan per fasa
(2.5)
-
II-11
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
Dimana :
Jumlah lilitan per fasa
Tegangan induksi
Nilai puncak kerapatan fluks magnetik pada permukaan aktif
Lebar stator
Kecepatan translator
Kerapatan arus pada kawat tembaga
(2.6)
Dimana :
Arus
Luas permukaan kawat (mm2)
Diameter Kawat
√
(2.7)
Dimana :
Arus
Kerapatan arus pada kawat tembaga
2.4.3 Magnet Permanen
Magnet permanen merupakan komponen utama untuk menghasilkan
medan
magnet pada celah udara. Medan magnet inilah yang kemudian akan
diinduksikan
pada kumparan stator untuk menjadi tegangan listrik. Sebagai
penghasil medan
magnet utama, medan magnet pada translator merupakan medan
magnet
permanen yang kuat. Permanen magnet tidak memiliki kumparan
penguat dan
tidak menghasilkan disipasi daya elektrik. Seperti bahan
ferromagnetik yang lain,
permanen magnet dapat digambarkan oleh B-H hysterisis loop.
Permanen magnet
-
II-12
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
juga disebut hard magnetic material, yang artinya material
ferromagnetik yang
memiliki histerisis loop yang lebar. Histerisis loop yang lebar
menunjukan
sedikitnya pengaruh induksi dari luar terhadap magnet tersebut
(flux residu besar)
(Sofian, 2011).
Ada 3 jenis pembagian material magnet permanen yang biasa
digunakan
pada mesin elektrik (Sofian, 2011), yaitu:
Alnicos (Al, Ni, co, Fe)
Ceramics (ferrites), seperti barium ferrite BaO x 6Fe2O3 dan
strontium
ferrite SrO x 6Fe2O3
Rare-earth material, seperti samarium-cobalt (SmCo) dan
neodymium iron-
boron (NdFeB).
Kurva demagnetisasi dari ketiga bahan ferromagnetik tersebut
dapat dilihat
pada gambar berikut.
Gambar 2.8 Kurva Karaketeristik Material Magnet Permanen
(Sumber: Sofian, 2011)
Dari kurva tersebut dapat terlihat bahwa Neodymium-iron-boron
(NdFeB)
merupakan bahan yang paling baik. NdFeB mempunyai densitas fluks
yang lebih
besar bila dibandingkan dengan bahan ferromagnetik lainnya.
Selain itu,
-
II-13
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
Neodymium (Nd) merupakan unsur rare-earth yang sangat
melimpah
dibandingkan Sm sehingga harga NdFeB saat ini menjadi lebih
terjangkau. Oleh
karena itu, saat ini bahan ferromagnetik jenis NdFeB lebih
banyak digunakan
untuk berbagai macam aplikasi (Sofian, 2011).
2.4.3.1 Fluks Magnet
Setiap magnet memiliki kutub yang saling berlawanan, yaitu kutub
utara (U)
dan kutub selatan (S), yang keduanya memiliki daya untuk menarik
sekeping besi
atau semacamnya. Sama halnya dengan muatan listrik, kutub yang
senama saling
tolak menolak dan kutub yang berlawanan saling tarik menarik.
Daerah diantara
kutub utara dan kutub selatan disebut medan magnet. Medan magnet
tersusun dari
garis-garis yang keluar dari kutub utara menuju kutub selatan,
yang disebut garis-
garis gaya magnet (ggm). Dengan demikian arah medan magnet juga
dari kutub
utara ke kutub selatan. Semakin kuat kemagnetan, semakin banyak
jumlah garis-
garis gaya magnetnya. Jumlah garis gaya magnet yang keluar dari
kutub utara
suatu magnet disebut fluks magnet (magnetic fluxs), yang
dinyatakan dengan
symbol (phi). Satuan internasional untuk fluks magnet adalah
weber (Wb). Satu
Weber sama dengan garis gaya magnet. Satuan cgs unuk fluks
magnet adalah
Maxwell. Satu Maxwell sama dengan Weber (Nugroho et al.,
2014).
Kerapatan Fluks Magnet
Kerapatan fluks magnet (magnetic fluxs density) adalah fluks
magnet per
satuan luas pada bidang yang terletak tegak lurus dengan fluks
magnet tersebut.
Kerapatan fluks magnet sering disebut juga dengan induksi magnet
(magnetic
induction). Kerapatan fluks magnet dapat dinyatakan dengan
(Nugroho et al.,
2014).
-
II-14
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
(2.8)
Dimana:
B = Kerapatan fluks magnet dalam Weber/ (Wb/ atau Telsa (T)
= Fluks magnet dalam Weber (Wb)
Luas penampang dalam meter persegi )
Dalam satuan cgs, kerapatan fluks magnet dinyatakan dengan
Maxwell/
atau gauss. Dengan menggunakan metode konversi didapatkan 1
Maxwell/ =
Wb/
Fluks magnetik berkaitan dengan jumlah garis gaya medan magnet
yang
melewati luasan yang diketahui. Dalam hal ini, fluks magnet (
didefinisikan
sebagai perkalian medan magnetik B dengan luasan A yang dibatasi
oleh
rangkaiannya. Jika garis-garis medan magnet melewati suatu
luasan yang terdiri
atas sebuah kumparan jumlah N lilitan, maka besar fluks magnet
yang dihasilkan
yaitu sebesar (Nugroho et al., 2014).
(2.9)
Dimana:
N
B Induksi Magnetik (T)
A Luas Penampang ( )
2.4.3.2 Hallbach Array
Halbach array merupakan susunan khusus dari magnet permanen
yang
memusatkan medan magnet pada satu sisi dari barisan sementara
meniadakan
medan hampir mendekati nol pada sisi lainnya. Susunan ini dapat
meningkatkan
ikatan magnetik dalam sebuah ruang yang terbatas, selain itu
juga dapat
-
II-15
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
meningkatkan kerapan fluks magnetik, meningkatkan energi
keluaran yang
dibutuhkan pada jenis desain untuk mencapai magnetik fluks
gradient maksimum
(Ekosaputro et al., 2016).
Efek ini awalnya ditemukan oleh John C. Mallinson pada tahun
1973, dan
struktur "satu sisi fluks" ini awalnya digambarkan olehnya
sebagai rasa ingin tahu.
Pada 1980-an, fisikawan Klaus Halbach secara independen
menemukan susunan
Halbach untuk memfokuskan sinar partikel, elektron dan laser
(Arcega, 2018).
Klaus Halbach menemukan bahwa dengan mengorientasikan magnet
permanen dengan cara tertentu, ia dapat memfokuskan hampir semua
medan
magnet ke satu sisi. Dalam melakukannya, Halbach telah menemukan
cara untuk
menciptakan medan magnet 'near-monopole', yang berarti bahwa
sekitar 97% dari
satu kutub ditingkatkan, sementara medan magnet kutub lainnya
berkurang
menjadi sekitar 3 % (Arcega, 2018). Seperti yang ditunjukan pada
gambar
dibawah ini (Arcega, 2018).
Gambar 2.9 Perbandingan rasio konfigurasi magnet.
(Sumber: Arcega, 2018)
Halbach array terdiri dari dua set magnet, yaitu main magnets
dan
transitmagnet. Superposisi dari fluks magnetik disebabkan oleh
main magnets B1,
dan transit magnet B2 memberikan situasi dimana medan magnet
dari satu sisi
-
II-16
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
halbach array merupakan panjumlahan dari medan magnet (B1+B2)
sementara
medan magnet pada sisi lainnya dari halbach array merupakan
pengurangan
antara medan magnet (B1-B2) (Zhu et al., 2012), seperti yang
terlihat pada
gambar dibawah ini.
Gambar 2.10 Prinsip dari Halbach Array. (a) Main magnets,
(b) transit magnets dan (c) Halbach array
(Sumber: Zhu et al., 2012)
Ada dua tipe dari halbach array, yaitu flat (datar) atau linier
halbach array
dan halbach cylinders (Zhu et al., 2012). Ditunjukan pada gambar
di bawah ini.
Gambar 2.11 (a) Flat Halbach array dan (b) Halbach cylinder
(Sumber: Zhu et al., 2012)
-
II-17
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
Gambaran umum dari pola magnetisasi Halbach Array (Winter et
al., 2012).
Ditunjukan pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.12 Halbach Array dengan 4 magnet tunggal per panjang
gelombang,
M = 4, pola magnetisasi dan karakteristik kerapatan fluksi
magnetik.
(Sumber:Winter et al., 2012)
Nilai puncak kerapatan fluks magnetik pada permukaan aktif
ditentukan dengan
persamaan dibawah ini (chen et al., 2017).
[ (
)
] (2.10)
Dimana:
Distribusi medan magnet halbach array pada celah udara
ditentukan dengan
persamaan dibawah ini (chen et al., 2017).
(2.11)
-
II-18
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
Dimana:
Celah Udara
Ketebalan Kumparan (slot)
2.5 FEMM 4.2
Finite Element Method Magnetics (FEMM) 4.2 adalah paket program
untuk
memecahkan masalah elektromagnetik frekuensi rendah pada dua
dimensi planar
dan axisymmetric domain. Program saat ini ditujukan untuk
masalah linier/
nonlinier magnetostatik, linier/nonlinier waktu harmonic
magnetik, masalah linier
elektrostatik dan masalah steady-state aliran panas. FEMM
merupakan paket
open-source finite element yang ditulis oleh David Meeker
(Ekosaputro et al.,
2016).
2.6 Aplikasi Generator Linier
Generator linier atau disebut juga alternator linier, memiliki
daftar aplikasi
modern yang berkembang. Generator linier sangat cocok untuk
kasus-kasus yang
melibatkan gerakan bolak-balik. Beberapa aplikasi yang paling
menonjol atau
menjanjikan adalah dalam mesin Stirling free piston, mesin
pembakaran internal
tanpa engkol dan pemanenan energi, termasuk konverter energi
gelombang dan
attenuator pemanen getaran (Simone & J, 2014).
1. Free Piston Stirling Engine
Free-piston Stirling engine menjadi penggunaan teknologi yang
muncul dari
generator linier. Mesin stirling hanya membutuhkan perbedaan
suhu untuk
beroperasi, yang memungkinkan berguna dalam sejumlah besar
situasi. Free-
-
II-19
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
piston Stirling engine dapat beroperasi dengan sumber bahan
bakar tradisional
misalnya: pembakaran bahan bakar fosil atau sumber panas yang
lebih luar biasa
seperti peluruhan radioisotop atau sinar matahari pekat dan juga
berguna untuk
memanfaatkan limbah panas dari berbagai proses.
Dua kegunaan menonjol di mesin Stirling piston, yang pertama
adalah
aplikasi luar angkasa, generator radioisotop Stirling (SRG),
ditunjukkan pada
Gambar 16. SRG adalah pengaplikasian yang baru dan lebih efisien
dari generator
termoelektrik radioisotop (RTG) yang NASA telah gunakan selama
bertahun-
tahun.
Gambar 2.13 Mesin Stirling Piston Bebas dan bagian generator
linier dari SRG
(Sumber: Simone & J, 2014)
Aplikasi kedua dari mesin Stirling piston bebas adalah
penggunaannya
dalam konsentrator surya. Ketika digunakan dengan konsentrator
surya, kekuatan
matahari dipantulkan oleh parabola dan difokuskan pada mesin
Stirling piston
bebas, yang mengoperasikan generator linier untuk menghasilkan
listrik dari
energi surya tanpa memerlukan sel fotovoltaik yang mahal,
gambaran dari
pengaturan ini dapat dilihat pada Gambar 2.14.
-
II-20
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
Gambar 2.14 Penggambaran konsentrator surya yang menggunakan
parabola
reflektif dan mesin Stirling
(Sumber: Simone & J, 2014)
2. Mesin Pembakaran Internal Crankless
Dalam aplikasi pintar generator linear ini, mesin pembakaran
internal
standar dirancang ulang untuk mengganti piston dengan generator
linier. Mesin
yang dihasilkan menghilangkan kebutuhan untuk gear box, poros
penggerak, dan
generator tambahan. Manfaatnya tiga kali lipat. Manfaat pertama
adalah
pengurangan ukuran dan berat yang menambah efisiensi dan daya
tanggap
kendaraan secara keseluruhan. Manfaat kedua adalah pengurangan
bagian yang
bergerak yang dapat mengarah pada biaya yang lebih rendah,
kesederhanaan yang
lebih besar dan keandalan yang lebih tinggi pada dasar
aplikasinya. Manfaat
ketiga adalah peningkatan efisiensi dengan menghilangkan
kerugian mekanis
yang tidak perlu yang disebabkan oleh sistem mekanik yang sudah
ketinggalan
zaman. Contoh generator linear piston bebas yang dirancang untuk
aplikasi
kendaraan hybrid dapat dilihat pada Gambar 4, di mana TDC adalah
singkatan
dari Top Dead Center dan BDC untuk Bottom Dead Center, mewakili
masing-
masing ekstrem dari langkah piston. Volume pegas bertindak
sebagai pegas udara
yang membatasi gerakan piston di salah satu ujung siklus (Simone
& J, 2014).
-
II-21
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
Gambar 2.15 Contoh generator linear piston bebas kendaraan
hybrid
(Sumber: Simone & J, 2014)
Aplikasi generator linier ini sangat relevan mengingat tren
yang
berkembang dari pabrik kendaraan untuk memasukkan teknologi
penggerak listrik
ke dalam kendaraan mereka. Kendaraan seperti BMW i3 saat ini
menggunakan
range extender tanpa langsung koneksi ke drivetrain, sebagai
gantinya mesin
pembakaran internal ini semata-mata generator listrik yang pada
gilirannya
memberikan daya hanya untuk mengisi baterai kendaraan dan motor
penggerak
listrik (Simone & J, 2014).
3. Pemanen Getaran (Vibration Harvesters)
Pemanen getaran adalah perangkat khusus yang menghasilkan energi
listrik
dari energi mekanik yang terbuang dalam bentuk getaran. Paling
umum,
perangkat ini menggunakan bahan piezoelektrik untuk mengubah
getaran mekanik
menjadi energi listrik, di mana tekanan mekanik yang diterapkan
menghasilkan
muatan listrik. Metode pemanenan energi yang sangat rendah ini
memiliki
aplikasi sebagian besar pada sensor jarak jauh, di mana daya
listrik tidak tersedia
misalnya: Sensor nirkabel pada gerbong kereta. Sementara pemanen
piezoelektrik
terutama digunakan dalam situasi dengan getaran frekuensi
tinggi, situasi dengan
frekuensi yang relatif rendah getaran cocok untuk generator
linier kecil.
-
II-22
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi
Perusahaan seperti LORD MicroStrain memproduksi kedua jenis
teknologi secara
komersial untuk digunakan dalam sistem sensor yang
menyertainya.
Sementara pemanenan getaran dapat sangat berguna untuk
menyediakan
daya ke sensor jarak jauh, menggunakan generator linier untuk
melakukan
tindakan ini, bila sesuai, dapat mewujudkan beberapa keuntungan.
Alternator
linier memiliki potensi untuk memberikan daya lebih besar
daripada sistem
piezoelektrik yang diberi input mekanis yang cukup besar. Lebih
menarik lagi,
generator linier dapat memberikan redaman mekanis yang
terkendali dalam suatu
sistem. Banyak aplikasi peredam yang ada dapat mengambil manfaat
dari
mengganti peredam yang ada dengan peredam aktif yang
dikendalikan komputer,
seperti mengganti peredam kejut dalam kendaraan dengan generator
linier
kompak (Simone & J, 2014).
4. Pengonversi Energi Gelombang (WEC)
Konsep generator linier untuk pembangkit tenaga ombak
biasanya
menggunakan generator linier tipe tubular/tabung dimana
generator tersebut
diletakkan didasar laut ataupun terapung diatas air secara
vertikal, posisi translator
terletak didalam kumparan dan disambungkan dengan buoy/pelampung
yang
berfungsi untuk penggerak naik dan turun saat ada ombak (Simone
& J, 2014).
(Chapman, 2005) (Sitorus & Warman, 2013)
-
II-23
Jurusan Teknik Elektro Universitas Siliwangi