Konversi Energi Gerak Sapi Menjadi Listrik

 

Konversi Gerak Sapi Menjadi Listrik

Beberapa jenis hewan memiliki kelebihan berupa tenaga atau daya yang lebih besar dibanding tenaga manusia. Kelebihan tersebut sejak dahulu kerap dimanfaatkan oleh manusia sebagai penggerak pesawat sederhana untuk membantu berbagai macam pekerjaan, seperti kuda digunakan untuk menarik delman, sapi untuk menarik pedati, kerbau untuk membajak sawah dan memeras tebu, dan banyak contoh lainnya. Dalam terminasi internasional, tenaga gerak hewan tersebut umumnya disebut dengan istilah draft animal power.

 

Di era terdahulu, daya gerak hewan dimanfaatkan sebagai sumber energi penggerak mekanik. Artinya, tidak terjadi perubahan bentuk energi. Namun di era sekarang, kebutuhan energi kita mulai didominasi oleh satu bentuk energi lain, yaitu energi listrik. Oleh karena itu, dalam tulisan kali ini, kami ingin membahas tentang pemanfaatan tenaga gerak hewan (energi mekanik) sebagai sumber energi listrik. Adapun untuk pembahasan yang lebih spesifik, hewan yang akan kami bahas adalah sapi (draft oxen power). Beberapa poin utama yang akan dibahas secara sistematis adalah potensi energi gerak sapi, kelebihan dan kekurangannya, teknik konversinya, dan efisiensi sistem konversinya.

 

Potensi Energi Gerak Sapi Sebagai Sumber Energi Listrik

 

Sebelum kita membahas mengenai konversi energi gerak sapi menjadi listrik, mari kita Analisa terlebih dahulu seberapa besar potensi daya gerak sapi. Berdasarkan penelitian, besarnya daya sapi dipengaruhi oleh berat badan dan kecepatan geraknya. Semakin gemuk ukuran sapi, semakin besar daya atau tenaganya, juga semakin cepat gerakannya, semakin besar dayanya. Berikut data mengenai besar daya sapi rata-rata terangkum dalam table dibawah ini.

 

Tabel daya rata-rata sapi berdasarkan berat badan dan kecepatan gerak

Dari tabel tersebut, bila kita perhitungkan seekor sapi dengan ukuran sedang hingga besar (berat badan 450 - 900 kg), dan kecepatan gerak berkisar antara 0,7 – 1,1 m/s, maka kita akan mendapatkan sumber daya dengan kuantitas berkisar antara 448 – 970 Watt. Kita akan ambil nilai rata-rata sumber daya nya, yaitu sebesar 709 Watt, nilai ini akan kita gunakan sebagai referensi nilai perhitungan dalam pembahasan berikutnya.

 

Kemudian, penelitian lain menyatakan bahwa rata-rata seekor sapi dapat melakukan kerja selama 6 jam/hari. Sebagaimana kalian tahu, energi adalah besarnya kerja (daya) dikalikan dengan waktu. Jadi, dengan daya 709 W, dan kemampuan kerja selama 6 jam/hari, maka seekor sapi rata-rata dapat menghasilkan energi sebesar 4.254 W/hari atau bisa kita sederhanakan menjadi 4,3 kWh/hari. Dengan sumber energi sebesar 4,3 kWh/hari, maka akan dapat mencukupi kebutuhan sehari hari sebuah rumah, yaitu berupa kebutuhan penerangan dan elektronika berdaya rendah.

 

Kelebihan Dan Kekurangan Energi Gerak Sapi

 

Beberapa wilayah terbelakang di Indonesia, belum dapat menikmati listrik dari PLN. Hal ini terjadi karena jaringan distribusi listrik PLN belum menjangkau seluruh pelosok negeri. Saat ini, rasio elektrifikasi Indonesia masih berkisar pada nilai 88,5%, yang artinya masih terdapat sebanyak 11,5% rakyat Indonesia, belum menikmati listrik. Untuk mengatasi masalah ini, masayarakat dapat turut serta menggunakan sumber energi listrik mandiri, khususnya energi baru dan terbarukan (renewable energy). Salah satu bentuk energi terbarukan yang menurut hemat penulis cocok digunakan di Indonesia adalah tenaga gerak hewan, khususnya yaitu sapi sebagaimana topik pembahasan dalam artikel ini. Menurut hemat penulis, beberapa kelebihan penggunaan energi gerak sapi sebagai sumber energi listrik adalah sebagai berikut:

 

1. Populasi sapi di Indonesia sangat banyak dan luas

2. Energi terbarukan, ramah lingkungan, dan sistem konversi sederhana

3. Pemeliharaan mudah dan menguntungkan dari sisi bisnis ternak

4. Kecepatan gerak rendah, sehingga mudah dikontrol dan dilatih

5. Cocok digunakan di daerah pedalaman

6. Dapat dilakukan sistem konversi hybrid dengan Teknik biogas dari kotoran sapi

7. Pertumbuhan sapi cukup cepat, sehingga dapat mengoptimalkan penggunaan sapi berukuran besar, dan membiarkan sapi yang masih kecil dan sedang tumbuh untuk menjaga sustainabilitasnya.

 

Adapun kekurangan energi gerak sapi sebagai sumber energi listrik adalah sebagai berikut:

 

1. Tidak seperti energi terbarukan dari alam, sapi dapat mengalami sakit

2. Penulis belum pernah meneliti pengaruh penggunaan daya sapi terhadap pertumbuhan dan kualitas dagingnya

3. Waktu kerja terbatas sekitar 6 jam/hari

4. Sapi merupakan hewan diurnal, artinya hanya bisa bekerja pada siang hari

5. Kecepatan gerak tidak terkontrol dan tidak konstan, sehingga memerlukan sistem penyimpanan energi dalam Teknik konversinya

 

Teknik Konversi Energi Gerak Sapi Menjadi Listrik

 

Seperti kita ketahui, pada dasarnya sapi bergerak dengan melangkahkan kakinya dan gerakannya bersifat lurus (gerak translasi). Energi yang kerjakan pun merupakan energi mekanik. Untuk mengubah energi mekanik menjadi listrik, maka mesin yang diperlukan adalah sebuah generator. Shaft rotor generator harus berputar pada kecepatan sudut (rpm) tertentu untuk menghasilkan keluaran daya listrik. Oleh karena gerak sapi merupakan gerak translasi, maka komponen pertama dalam konversi energi gerak sapi menjadi listrik adalah sebuah alat yang dapat mengubah gerak translasi menjadi gerak rotasi. Kami akan menyebut komponen ini dengan nama prime mover shaft.

 

Kemudian, komponen kedua yang diperlukan adalah sebuah gearbox, yang akan bersungsi untuk meningkatkan kecepatan sudut (rpm) dari keluaran prime mover shaft yang cenderung rendah, menjadi kecepatan tinggi sesuai kebutuhan input daya generator. Adapun komponen ketiga adalah generator itu sendiri seperti yang sudah kita singgung sedikit. Lalu komponen ke empat adalah battery, yang berfungsi sebagai penyimpan energi listrik dalam bentuk energi elektrokimia. Dan komponen yang terakhir adalah, kita perlu merubah listrik dc dari battery menjadi listrik ac, agar lebih sesuai dengan kebutuhan penggunaan rumah tangga (220Vac). untuk melakukan itu, dibutuhkan sebuah inverter.

 

Untuk perhitungan lebih detail mengenai desain masing-masing komponen, tidak akan kami bahas disini, karena akan sangat panjang dan penuh data. Namun, untuk gambaran konsep dasar, kami akan bahas masing-masing komponen sebagai berikut.

 

1. Prime Mover Shaft

 

Sketsa sederhana 2 dimensi dibawah ini merupakan  ilustrasi untuk prinsip kerja prime mover shaft. Bila seekor sapi dihubungkan dengan bagian konektor, dan sapi bergerak, maka gerak translasi sapi akan berubah menjadi gerak rotasi, menghasilkan rpm rendah pada bagian roda mula.

 

Ilustrasi konsep prime mover shaft

Kecepatan rpm roda mula akan sama dengan rpm lengan penggerak, dan berbanding lurus dengan kecepatan gerak translasi sapi, lalu berbanding terbalik dengan panjang lengan penggerak (R_L). Dari tabel daya dan ukuran sapi, kita tahu kecepatan gerak translasi sapi berkisar antara 0,7 – 1,1 m/s, maka panjang lengan penggerak harus ditentukan dalam desain sesuai kebutuhan rpm pada roda mula yang ingin dihasilkan.

 

2. Gearbox

 

Gearbox adalah susunan roda-roda gigi dengan jari-jari yang berbeda, berfungsi untuk mengubah daya mekanik yang bersifat lower speed dan higher torque, majadi daya mekanik yang bersifat higher speed dan lower torque. Output dari prime mover shaft adalah gerak rotasi dengan rpm rendah. Sedangkan generator membutuhkan kecepatan tinggi. Sebagai contoh, bila kita menggunakan alternator (generator ac) mobil, maka kita membutuhkan kecepatan 1000 – 7000 rpm, semakin tinggi rpm, maka akan semakin besar daya listrik yang dihasilkan. Namun, alternator mobil memiliki efisiensi terbaik pada kecepatan antara 1000 – 2000 rpm. Oleh karena itu, desain gearbox perlu menghasilkan kecepatan output yang ideal sesuai kebutuhan generator yang digunakan.

 

3. Generator

 

Generator adalah mesin yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. berdasarkan listrik yang dihasilkan, generator memiliki 2 jenis, yaitu generator dc (menghasilkan listrik dc), generator ac atau biasa juga disebut alternator (menghasilkan listrik ac). Bila kita menggunakan generator dc, maka kita perlu menyesuaikan tegangan outputnya, agar cocok digunakan langsung untuk charging baterai. Namun, bila kita menggunakan alternator, dan ingin menyimpan energi listrik dalam baterai, maka kita membutuhkan unit rectifier (penyearah), untuk mengubah listrik ac menjadi listrik dc. Kemudian, desain yang sangat penting adalah kapasitas daya generator yang digunakan, perlu hampir sama atau lebih besar dari daya rata-rata sapi yang digunakan, agar sistem konversi memiliki efisiensi yang tinggi.

 

4. Battery

 

Baterai digunakan untuk menyimpan energi listrik dalam bentuk energi elektrokimia. Bila kita menggunakan baterai mobil, umumnya memiliki tegangan kerja 12Vdc. Hal terpenting dalam desain spesifikasi baterai adalah kapasitas penyimpanan baterai, yang biasanya dinyatakan dalam satuan ampere-hours (Ah). Semakin besar kapasitas baterai yang digunakan, maka akan semakin besar energi yang dapat disimpan, dan akan semakin lama penggunaannya dalam satu siklus discharging. Namun, kapasitas baterai yang terlalu besar juga akan menjadi tidak efisien. Oleh karena itu, penentuan kapasitas baterai harus memperhitungkan total energi listrik yang dapat dihasilkan oleh alternator (dimana sumber energinya adalah gerak sapi). Selain kuantitas energi sumber, faktor lain berupa deep of discharge dari jenis baterai yang digunakan juga akan memengaruhi desain kapasitas yang tepat.

 

5. Inverter

 

Di Indonesia, hampir semua peralatan elektronika rumah tangga menggunakan suplai tegangan listrik sekitar 220 Vac (dengan toleransi yang bervariasi). Sementara bila kita menggunakan baterai, tegangan yang dihasilkan sekitar 12 Vdc (bervarian sesuai desain). Maka dari itu, tegangan dc yang bersumber dari baterai, perlu diubah menjadi tagangan ac, agar dapat digunakan untuk keperluan sehari-hari dengan inverter. Inverter juga bukan terbatas fungsinya sebagai pengubah listrik dc menjadi ac, melainkan dapat juga meregulasi nilai tegangan ac keluaran, agar sesuai dengan kebutuhan. Penentuan kapasitas inverter ditentukan oleh total beban listrik yang akan disuplai. Bila total beban listrik dalam 1 rumah adalah 900VA, maka kapasitas inverter harus sedikit lebih besar dari 900VA. Umumnya, kapasitas inverter dinyatakan dalam besaran ampere (arus maksimal yang dapat mengalir melalui unit inverter).

 

Estimasi Efisiensi Sistem Konversi

 

Efisiensi suatu sistem konversi energi merupakan perbandingan antara total energi output dan total energi input. Pada bagian Teknik konversi yang telah dibahas, kita tahu bahwa sistem konversi energi gerak sapi menjadi listrik terdiri dari unit prime mover shaft, gearbox, generator, rectifier (bila digunakan), baterai, dan inverter. Perhitungan mengenai efisiensi sistem ini, akan sangat bergantung pada spesifikasi masing-masing teknologi yang digunakan.

 

Pada kesempatan ini, kami hanya membahas sesuai pengalaman desain penulis sendiri. Yang pertama adalah efisiensi prime mover shaft, tipikalnya sekitar 96%. Yang kedua adalah efisiensi gearbox, tipikalnya sekitar 98%. Yang ketiga adalah efisiensi alternator, dalam hal ini penulis menggunakan alternator mobil (sudah include rectifier sebagai satu paket)sebagai referensi, tipikalnya sekitar 68%. Yang keempat adalah efisiensi baterai, dalam hal ini penulis menggunakan lead-acid battery (baterai timbal) sebagai referensi, yaitu sekitar 88%. Dan yang terakhir adalah efisiensi unit inverter, tipikalnya adalah sekitar 90%. Dari semua data tipikal tersebut, maka efisiensi total sistem dapat kita hitung sebagai berikut:

 

Efisiensi Total = 96% x 98% x 68% x 88% x 90%

Efisiensi Total = 50,7%

 

Pada awal pembahasan, yaitu bagian potensi energi gerak sapi sebagai sumber energi listrik, kita tahu bahwa rata-rata seekor sapi dapat menghasilkan energi sebesar 4,3 kWh/hari (energi mekanik). Maka, dengan efisiensi sitem konversi total sebesar 50,7%, maka energi listrik yang dapat dihasilkan adalah sebesar 2,2 kWh/hari. Nilai ini sangat cukup untuk memenuhi kebutuhan listrik rumah tangga sederhana, dimana beban listriknya adalah berupa lampu penerangan dan peralatan elektronika berdaya rendah.

 

Demikian pembahasan yang dapat kami sampaikan pada postingan kali ini. Untuk melengkapi pembahasan kami, mari kita berdiskusi lebih dalam. Silahkan tinggalkan komentar kalian, atau hubungi kontak kami. Bagi kalian yang tertarik mendalami artikel konversi energi gerak sapi menjadi listrik ini, kami juga bersedia berbagi referensi kami, yang sebenarnya bersumber dari tugas akhir penulis sendiri saat kuliah dulu.

 

Penulis : ER

Share this post