PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR DENGAN MENGGUNAKAN DINAMO SEPEDA
YOGI SAHFRIL PRAMUDYA PEMBIMBING 1. Dr. NUR SULTAN SALAHUDDIN 2. BAMBANG DWINANTO, ST.,MT
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Gunadarma, Margonda Raya 100 Depok 16424 telp (021) 78881112, 7863788
Krisis energi listrik telah diprediksikan akan melanda dunia. Hal ini dikarenakan semakin langkanya minyak bumi dan semakin meningkatnya permintaan energi. Untuk itu diperlukan sebuah terobosan untuk memanfaatkan energi lain yang dapat diperbaharui untuk dikonversi menjadi energi listrik. Untuk mengatasi permasalahan krisis energi listrik tersebut, tentunya diperlukan alat untuk mengkonversi energi yang tidak akan habis di permukaan bumi seperti air, angin dan matahari untuk menghasilkan energi listrik. Energi yang paling mudah didapat dan dimanfaatkan di Indonesia yaitu energi air. Maka dari itu pembangkit listrik tenaga air dengan dinamo sepeda dapat berguna untuk membantu mengurangi krisis energi listrik, dengan keunggulan menggunakan energi air yang melimpah di Indonesia dan ramah lingkungan. Komponen utama dari alat ini adalah dinamo sepeda (sebagai generator yang mengubah energi mekanik ke energi listrik), rangkaian indikator baterai (sebagai pengontrol penuhnya baterai), baterai (12 volt dan arus 7,5 Ah), rangkaian inverter (sebagai pengubah tegangan DC 12V dari baterai ke tegangan AC 220 V dengan menggunakan bantuan dari IC CD4047 dan trafo). Berdasarkan hasil penelitian semakin cepat putaran dari dinamo sepeda maka semakin besar pula tegangan yang dihasilkan
1.1
Latar Belakang Masalah
Krisis energi listrik telah diprediksikan akan melanda dunia pada tahun 2015. Hal ini dikarenakan semakin langkanya minyak bumi dan semakin meningkatnya permintaan energi. Untuk itu diperlukan sebuah terobosan untuk memanfaatkan energi lain yang dapat diperbaharui untuk dikonversi menjadi energi listrik. Karena jika kita tergantung pada energi tidak terbarukan, maka di masa depan
kita juga akan kesulitan untuk memanfaatkan energi tersebut karena keterbatasannya di permukaan bumi. Untuk mengatasi permasalahan krisis energi listrik tersebut, tentunya diperlukan alat untuk mengkonversi energi yang tidak akan habis di permukaan bumi seperti air,angin dan matahari untuk menghasilkan energi listrik. Energi yang paling mudah didapat dan dimanfaatkan di Indonesia yaitu energi air.
Air menyelimuti lebih dari ¾ luas permukaan bumi kita,dengan luas dan volumenya yang besar air menyimpan energi yang sangat besar dan merupakan sumber energi yang terbarukan yang menunggu untuk dimanfaatkan, maka sangat wajar bila Indonesia mengandalkan air untuk memenuhi
yaitu peristiwa dihasilkannya GGL induksi jika terjadi perubahan fluks magnet dalam suatu daerah yang dibatasi oleh suatu kawat penghantar. Besarnya GGL induksi dapat dihitung dengan rumus :
E = -N kebutuhan hidup penduduknya, karena Indonesia merupakan Negara kepulauan yang memiliki luas perairan lebih besar dari luas daratannya. Salah satu energi yang dapat dimanfaatkan dari air adalah energi potensial air, maka energi tersebut dapat dikonversi menjadi energi listrik untuk memenuhi kebutuhan manusia akan energi listrik. Ini adalah sebuah solusi yang sangat tepat dan strategis bagi bangsa dan negara Indonesia. Berdasarkan rincian masalah yang telah dipaparkan, maka penulis berinisiatif untuk membuat alat “Pengkonversi Energi Air Menjadi Energi Lisrik” dengan menggunakan energi potensial dari air yang mengerakkan kincir sebagai turbin penggerak generator (dinamo) yang akan dapat menghasilkan energi listrik.
2.
………………………2.6
Ket: E = Besarnya GGL induksi (volt) B = Induksi magnet (tesla) A = Luas daerah (m²) = Lamanya waktu (sekon) Berkebalikan dengan motor listrik, generator (dinamo) adalah alat yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Energi mekanik didapat dari angin atau air yang memutar turbin dan turbin tersebut akan memutar generator. Berdasarkan arus yang dihasilkan, generator dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu generator AC dan generator DC. Generator AC menghasilkan arus bolak balik (AC) dan generator (DC) menghasilkan arus searah (DC). Baik arus bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk penerangan dan alat-alat pemanas. Pada alat ini penulis menggunakan dinamo sepeda sebagai sumber tegangan AC yang akan disimpan dalam bentuk DC pada baterai dan dapat dipakai untuk penerangan di rumah karena tegangan sudah diubah kedalam bentuk AC dengan inverter sehingga outputnya 220 volt AC.
Landasan Teori
Generator atau pembangkit listrik yang sederhana dapat ditemukan pada sepeda. Pada sepeda, biasanya dinamo digunakan untuk menyalakan lampu sepeda. Caranya ialah bagian atas dinamo (kepala dinamo) dihubungkan ke ban sepeda. Pada proses itulah terjadi perubahan energi gerak menjadi energi listrik. Generator (dinamo) merupakan alat yang prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik
Gambar 2.3 Dinamo Sepeda
2.7.
Inverter
Inverter digunakan untuk mengubah tegangan masukan DC menjadi tegangan AC. Keluaran inverter dapat berupa tegangan yang dapat
diatur dan tegangan yang tetap. Sumber tegangan masukan inverter dapat menggunakan baterai, sel bahan bakar, tenaga surya, atau sumber tegangan DC yang lain. Tegangan keluaran yang biasa dihasilkan adalah 120 V 60 Hz, 220 V 50 Hz, 115 V 400 Hz. Ada dua jenis inverter yang umum digunakan pada sistem tenaga listrik yaitu: Inverter dengan frekuensi dan tegangan keluar yang konstan CVCF (Constant Voltage Constant Frequency). Inverter dengan frekuensi dan tegangan keluaran yang berubah-ubah. Umumnya inverter dengan frekuensi dan tegangan keluaran yang berubah-ubah digunakan pada pemakaian khusus seperti pemakaian pada pompa listrik 3 fasa dengan menggunakan sumber tegangan DC. Kerugian cara ini adalah bahwa sistem hanya dapat digunakan pada pemakaian khusus saja, sedangkan keuntungannya adalah kemampuannya untuk menggerakkan sistem (beban) dengan sumber yang berubah-ubah 3.
Rangkaian indikator baterai yang ditunjukkan pada gambar 3.5 dirancang untuk melihat kondisi baterai dengan menggunakan indikator LED. Tegangan masukan baterai adalah 12 Volt dihubungkan antara kutub positif dan negatif, dan potensiometer 10 KΩ diatur agar LED di kaki 10 menyala yang menandakan kondisi baterai maksimum.
Perancangan Alat Gambar 3.5 Rangkaian indikator baterai
Gambar 3.1 blok diagram secara keseluruhan
Led 6 sampai 10 menujukkan bahwa kapasitas baterai lebih dari 50 % dan led 1 sampai 5 menujukkan bahwa kapasitas baterai kurang dari 50%. Jika led 10 menyala, maka transistor 2N3904 akan mentriger ke relay, lalu relay akan hubung tertutup (NC) sehingga baterai berhenti mengisi. Jika kondisi baterai kurang penuh (Led 10 tidak menyala), maka relay akan hubung terbuka (NO) sehingga baterai mengisi. IC LM7815 berfungsi sebagai pembatas tegangan pada pengisian baterai dari dinamo sepeda, dimana tegangan di dinamo lebih dari 15 volt maka tegangan keluaran dibatasi sampai 15 volt sehingga tegangan output dari dinamo yang lebih dari 15 volt akan diturunkan sampai 15 volt ,tetapi penurunan tegangan pada rangkaian ini tidak terlalu berpengaruh besar.
3.3.
Rangkaian Indikator Baterai
3.5.
Perancangan Inverter 4.
Pada gambar 3.8 menunjukkan rangkaian inverter. Rangkaian inverter mendapatkan masukan berupa tegangan DC 12 volt dari baterai (aki) yang masuk ke IC CD4047 yang berfungsi sebagai multivibrator. Sinyal keluaran dari IC CD4047 kemudian diteruskan ke IC LM358 yaitu Op Amp yang berfungsi sebagai voltage follower. Pada rangkaian ini terdapat rangkaian transistor darlington dan transistor paralel yang disusun sedemikian rupa untuk mendapatkan sinyal dan penguatan tegangan, sehingga dapat menghasilkan sinyal AC yang bisa digunakan sebagai sumber tegangan pengganti PLN untuk beban. Pada rangkaian inverter tersebut, trafo yang digunakan untuk menaikan tegangan dari 12 volt AC ke 220 volt AC adalah trafo CT step down, karena harga trafo step up di pasaran sangat mahal maka penulis merancang rangkaian menggunakan trafo CT step down dengan membalik keluaran trafo 12V menjadi inputan dari sumber tegangan lalu keluaran trafo menjadi 220V AC. Sumber tegangan AC dari transistor daya dihubungkan pada masukan 12 volt trafo tersebut dan CT dihubungkan pada ground, maka trafo tersebut akan menaikan tegangan menjadi 220 volt AC dengan frekuensi 50 Hz yang telah diatur pada IC CD4047.
Hasil Uji Coba dan Pembahasan
Uji coba pembangkit listrik tenaga air ini dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan pembuktian bahwa konstruksi mesin-mesin penggerak dari turbin air dapat memutar dinamo yang dipakai berfungsi dengan baik dan menghasilkan tegangan AC sesuai dengan yang diharapkan dan diubah menjadi tegangan DC untuk disimpan pada baterai sehingga dapat mengubah tegangan DC dari baterai menjadi tegangan AC 220V dengan menggunakan inverter 4.1
Pengujian Dinamo Sebagai Generator
Pengujian ini dilakukan langsung di laboratorium, dengan menggunakan alat pemutar manual agar dapat mengatur kecepatan putar dinamo untuk mendapatkan rpm dan hasil tegangan yang diinginkan,sehingga dapat mengetahui dinamo ini dapat berfungsi atau tidak. Pengujian dinamo sebagai generator dapat dilihat pada gambar 4.1 dibawah ini
Gambar 4.1 pengujian dinamo sebagai generator menghasilkan tegangan AC
Gambar 3.8 Rangkaian inverter
Dinamo sepeda ini menghasilkan tegangan AC yang disesuaikan dengan kecepatan rpm putarannya, makin cepat putaran dinamo, maka makin besar pula tegangan yang dihasilkan oleh dinamo tersebut. Dan hasil tegangan yang dihasilkan oleh dinamo akan
diubah menjadi tegangan DC, yang akan disimpan ke dalam baterai.
Table 4.1 hasil uji coba dinamo menurut kecepatan putarnya
dinamo, jadi arus yang tersimpan setelah diubah menjadi DC pada baterai sekitar 0,4A. Pengukuran ini menggunakan alat berupa multimeter digital, pengukuran ini dilakukan secara bertahap sampai baterai terisi penuh.
Tebel 4.3 Pengukuran Lama Waktu Pengisian Baterai per menit
Kecepatan (rpm)
putaran
Tegangan AC (volt)
0
0
651
16
680
16,6
761
17,1
775
18,4
805
18,6
4.3
Kecepatan putaran dinamo 651
680
761
775
805
10,87
11,20
11,67
11,87
11,94
0,38
0,43
0,44
0,47
0,49
(rpm) Tegangan(V) baterai per menit
Arus(A) pada baterai per menit
Pengujian Lama Waktu Pengisian Baterai dan Pemakaian Baterai pada Alat Listrik
Pengujian lamanya waktu pengisian baterai ini dilakukan pada saat pengisian berlangsung yaitu pada saat dinamo berputar yang menyuplai sumber tegangan dan arus yang akan disimpan pada baterai sebelumnya diubah menjadi DC.
Berdasarkan pengujian ini dapat diketahui kenaikan arus sebesar 0,02A permenit, sehingga untuk mengisi baterai hingga penuh dengan kapasitas baterai sebesar 7,5 A , maka dari hasil pengujian dapat diketahui baterai dapat terisi penuh Selama kurang lebih 7 jam dengan arus rata-rata yang masuk ke dalam baterai kurang lebih sebesar 0,02 A permenit.
4.4
Gambar 4.2 baterai 12V/7,5Ah
Sumber arus yang dihasilkan oleh dinamo rata-rata 0,4 A – 0,5 A tergantung dari kecepatan putaran
Pengujian Rangkaian Inverter
Gambar 4.3 rangkaian inverter
Pada pengujian IC CD4047, akan dilihat bentuk gelombang keluaran. Pada penjelasan dari bab 3, dapat diketahui bahwa IC ini dapat dioperasikan sebagai multivibrator astable atau monostable. Untuk rangkaian inverter ini maka digunakan multivibrator astable. Secara teori multivibrator astable merupakan rangkaian pembangkit gelombang masukan berasal dari tegangan DC yang menghasilkan gelombang kotak. Pada rangkaian ini frekuensi diatur sebesar 50 Hz.
Tabel 4.4 Skala gelombang IC CD4047 pada osiloskop
Time / Div
Volt / Div
5 mS
5 Volt
Dari keterangan gambar 4.4 (a) dan (b) diketahui bahwa kedua gambar tersebut memenuhi 4 kotak osiloskop untuk satu gelombang penuh. Jika periode dalam satu gelombang osiloskop adalah T, maka didapat persamaan T = Jumlah kotak dalam satu gelombang penuh x (Time / div) . . . . …………………………. . . . .(4.1) Maka, untuk mencari frekuensi persamaannya adalah (a)
(b)
Gambar 4.4 Gelombang keluaran pada IC CD4047; (a) Gelombang pada kaki 10; (b) Gelombang pada kaki 11; beda fasa gelombang (a) dan (b) 180° dengan periode 20 ms dan amplitudo 13.5 Vpp.
Dengan cara mengubah nilai resistor dan kapasitor pada pin 1 dan 2, sedangkan keluaran dari IC CD4047 terdapat di pin 10 dan 11. Dari pengamatan pada gambar 4.4 (a) dan (b) memiliki bentuk gelombang yang sama, yang berbeda hanya fasa. Kedua gelombang memiliki memiliki beda fasa sebesar 180° atau saling berkebalikan. Kedua gelombang pada gambar 4.4 (a) dan (b) memiliki skala yang tertera pada skala osiloskop seperti tabel 4.3.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(4.2) dimana: ƒ
: Frekuensi (Hertz)
t
: Periode (Sekon)
Dengan demikian dapat dihitung nilai frekuensi berdasarkan pengamatan dari osiloskop. Karena kedua gambar mempunyai jumlah kotak dalam satu gelombang sama maka keluaran frekuensi dari pin 10 dan 11 adalah sama, maka nilai periode dari IC CD4047 adalah T = 3.9 x 5 mS
T = 19.5 mS Maka nilai frekuensi IC CD4047 dari hasil pengamatan adalah ƒ = 1 / 19.5 mS
= 2.40 %
ƒ = 51.28 Hertz Jadi hasil dari nilai pengamatan adalah 51.28 Hertz. Lalu dibandingkan dengan nilai perhitungan. Dari hasil teori pada bab 3 bahwa IC CD4047 mempunyai keunggulan yang salah-satunya adalah mempunyai eksternal kapasitor dan resistor pada pin 1 dan 3 untuk mengatur nilai frekuensi. Maka untuk mencari frekuensi dari IC CD4047 dengan menggunakan persamaan 3.2 pada bab 3. Dengan menggunakan nilai resistor 30 KΩ dan kapasitor 150 nF pada pin eksternal IC CD4047, maka nilai frekuensi dari hasil perhitungan adalah
Dari gambar juga dapat dilihat besar tegangan yang dihasilkan oleh IC multivibrator tersebut. Bila dilihat pada gambar 4.3 (a) dan (b), dapat diketahui kedua gambar memiliki tingkat tegangan yang sama, yaitu 2.7 kotak untuk satu gelombang penuh (peak to peak) pada osiloskop. Dengan demikian dapat diketahui bahwa tegangan tersebut adalah V = Jumlah kotak peak to . .. . . . . . . . . . . . . . (4.4) V = 2.7 x 5 V = 13.5 Vp-p.
T = 4.40 R.C T = 4.40 x 30 KΩ x 150 nF
Jadi Tujuan dari pengujian ini untuk membuktikan bahwa IC CD4047 dapat merubah tegangan DC menjadi AC, dan dapat diamati pada gambar 4.4 yaitu mengeluarkan output gelombang kotak AC.
T = 4.40 x 30 x 103 x 150 x 10-9 T = 1.998 x 10-2 S Maka nilai frekuensinya adalah
5.
ƒ = 1 / 1.998 x 10-2 S
Kesimpulan
ƒ = 50.05 Hertz. Berdasarkan teori kesalahan dan pengambilan data terdapat perbedaan nilai dengan persentase kesalahan. Persentase =
kesalahan ×100.. (4.3)
Dimana nilai frekuensi pada data perhitungan adalah 50.05 Hertz. Sedangkan nilai frekuensi pada data pengamatan adalah 51.28 Hertz. Maka, nilai persentase kesalahannya adalah
Berdasarkan hasil uji coba dan pembahasan terhadap data yang telah diperoleh pada Bab 4, maka dapat ditarik kesimpulan bahwa penulis telah berhasil membangun Pembangkit Listrik Tenaga Air dengan Menggunakan Dinamo Sepeda dengan jenis dinamo sepeda ontel yang keluaran tegangan 12 VAC dan arus sebesar 0,5 A yang diputar dengan kecepatan kurang lebih 600 rpm. Pembangkit ini dapat menghasilkan 0,02 A permenit untuk mengisi baterai hingga baterai penuh dengan kapasitas arus 7,5A selama kurang lebih 7 jam.
[6]
[7]
DAFTAR PUSTAKA
[8] [9]
[10] [1]
[2] [3]
[4] [5]
Pudjanarsa, Astu dan Nursuhud, Djati, Mesin Konversi Energi, PT ANDI Yogyakarta, Yogyakarta, 2006 --http://id.wikipedia.org/wiki/Energi_terbarui [28 Juli 2011] Fazman, Mohammad, Thesis S2 Design and Development of Sollar Tracking, Universiti Teknologi Malaysia, 2010 repository.upi.edu/operator/upload/s_e5231_0 02065_chapter2.pdf [31 Juli 2011] Widyastuti, Tugas Akhir S1 Perencanaan dan Pembuatan Uninterruptable Power Supply 220 v dengan Frekuensi 50 Hz, Universitas Gunadarma, Jakarta, 2010
[11]
[12]
Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1993 http://www.electronicecircuits.com/electroniccircuits/lm3914-12v-battery-monitorcircuit/ [22 Juni 2011] charger-circuit-diagram [22 Juni 2011] Tim Asisten Laboratorium Fisika Dasar Universitas Gunadarma, Buku Pedoman Praktikum Fisika Dasar, Laboratorium Fisika Dasar Universitas Gunadarma, Jakarta, 2006 Nugraha, Heru, Tugas Akhir S1 Rancang Bangun Pendeteksi Posisi Sinar Matahari Untuk Mengoptimalkan Penyerapan Energi Matahari Pada Solar Sel, Universitas Gunadarma, Jakarta, 2011 Malvino, Albert Paul, Prinsip-prinsip Elektronik, Edisi pertama, PT Salemba Teknika, Jakarta, 2003 http://www.alldatasheet.com [26 Juli 2011]
(a) ( b )
