ALAT PERAGA OSCILLATING WATER COLUMN UNTUK MATA KULIAH ENERGI BARU DAN TERBARUKAN
oleh Wang Darmasin Gunadi NIM: 612010023
Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
Oktober 2015
i
ii
iii
INTISARI Krisis global yang dihadapi oleh dunia saat ini adalah global warming dan krisis energi. Sebagian besar wilayah Indonesia merupakan Lautan. Mata kuliah Energi Baru dan Terbarukan merupakan mata kuliah baru di FTEK-UKSW pada awal tahun 2014. Dosen pengampu berpandangan bahwa perlunya alat peraga yang dapat memberikan pemahaman dan gambaran secara nyata dan jelas dari teori yang didapat pada perkuliahan, Khususnya mahasiswa FTEK-UKSW. Oleh sebab itu, dalam skripsi ini direalisasikan sebuah alat peraga Oscillating Water Column. Alat yang dirancang adalah sebuah wadah (kotak) berisi air sebagian. Dalam wadah tersebut, air yang diam diubah menjadi air yang bergelombang menyerupai ombak laut. Motor Power Window sebagai penggeraknya. Gelombang air yang berosilasi akan dikonversikan menjadi energi baru (energi angin) pada kolom udara, sehingga turbin yang terletak pada bagian atas lubang kolom udara berputar dan menghasilkan energi baru yaitu energi listrik. Energi listrik dipanen dengan menggunakan supercapacitor yang nantinya akan digunakan untuk menghidupkan LED 1 watt. Dilakukan pengukuran arus dan tegangan pada alat pembuat gelombang, keluaran generator, supercapacitor dan beban sebagai pedoman praktikum Energi Baru dan Terbarukan. Pengukuran dilakukan sebanyak 3 kali dengan perubahan kecepatan motor yang telah ditentukan. Hasil pengujian yang telah dilakukan, konfigurasi yang dipilih adalah PWM cepat yaitu 100%, kondisi surut tanpa beban karena mempunyai daya keluaran generator yang maksimal yaitu 112 mWatt.
i
ABSTRACT The global crisis faced by the world today is global warming and the energy crisis. Most of Indonesia is the Ocean. Subjects New and Renewable Energy is a new course in FTEK-UKSW in early 2014. Lecturer the opinion that the necessity of props that can provide insight and tangible and clear description of the theory learned in lectures, student Particularly FTEK-institution. Therefore, in this thesis realized an Oscillating Water Column props. Tool designed is a container partially filled with water. In the container, standing water is converted into water that resemble ocean waves surging. Motor Power Window as a driving force. Wave oscillating water will be converted into new energy (wind energy) on a column of air, so that the turbine located at the top of the rotating column of air holes and generate new energy that is electrical energy. Electrical energy harvested by using a supercapacitor which will be used to turn the LED 1 watt. Current and voltage measurements performed on a wave maker, generator output, supercapacitor and load as practical guidelines for New and Renewable Energy. Measurements were performed 3 times with changes in motor speed that has been determined. Results of the testing that has been done, the selected configuration is fast PWM is 100%, no-load conditions recede because it has a generator maximum power output is 112 mili-Watts.
ii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Allah Bapa, Yesus Kristus dan Roh Kudus atas segala hikmat, karunia, mujizat dan penyertaanNya sehingga skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik. Segala yang telah dicapai oleh penulis tidak terlepas dari dorongan semangat, bantuan , perhatian dan dukungan dari berbagai pihak. Maka, perkenankanlah penulis menyampaikan rasa ucapan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Pembimbing I, Bapak Deddy Susilo, S.T., M.Eng dan pembimbing II, Bapak Ir. Lukas B.Setyawan, M.Sc Terima kasih atas bimbingan, arahan, saran, nasihat, waktu dan kesabaran yang telah diberikan kepada penulis. 2. Terima kasih yang tidak terhingga untuk Ayah Ong Bing Gie di surga yang selalu bersama menemani dan Ibu Tjahja Rini Kijoetami, atas segala perhatian, dorongan semangat,
dukungan material dan doa. Kiranya Tuhan Yesus
senantiasa memberkati. 3.
Terimakasih yang sebesar-besarnya untuk Paman Bing Kiem (Buana Wang) dan Isterinya Bibi Julik, Paman Guan dan Isterinya Bibi Lely Lianawati, Paman Bing Seng dan Bibi Nanik Lianawati, Paman Buana Heksa dan isterinya Bibi Rita serta Paman Liep dan Bibi Jiu, atas segala dorongan semangat, dukungan material, saran, waktu
dan doa. Kiranya Tuhan Yesus
senantiasa memberkati. 4. Kakakku yang terkasih, Wang Yanuar Gunadi. Terima kasih untuk dukungan, saran, waktu dan doa serta kasihnya. 5. Terimakasih untuk Bapak Yohanes Bengkel Queen, Tingkir, Salatiga, atas segala dukungan material, pikiran, waktu dan doa. 6. Terimakasih kepada Bapak Pdt. Surya Kusuma, atas dukungan doa, kasih dan semangatnya. 7. Teman-teman Epafras, terimakasih semangat.
iii
atas segala dukungan doa, kasih dan
8. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK, Mbak Rista, Mbak Dita, Mbak Yola, Pak Budi, Pak Harto, Pak Bambang, Mas Hari. 9. Teman-teman angkatan 2010, β Ayo cepetan LULUS! β. 10. Pihak-pihak yang tidak bisa disebutkan satu per satu, yang turut andil dalam usaha penulis menyelesaikan studi di Universitas Kristen Satya Wacana. Selama studi dan penulisan tugas akhir ini, tentunya ada begitu banyak pihak yang membantu penulis. Penulis mengucapkan terimakasih. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata βsempurnaβ, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran dari pembaca sekalian sehingga skripsi ini dapat berguna bagi kemajuan teknik elektronika.
Salatiga,
Oktober 2015
Penulis
iv
DAFTAR ISI INTISARI
i
ABSTRACT
ii
KATA PENGANTAR
iii
DAFTAR ISI
v
DAFTAR GAMBAR
vii
DAFTAR TABEL
xi
DAFTAR ISTILAH
xii
BAB I
1
PENDAHULUAN 1.1. Tujuan ................................................................................................... 1 1.2. Latar Belakang ...................................................................................... 1 1.3. Batasan Masalah .................................................................................. 3 1.4. Sistematika Penulisan ........................................................................... 3
BAB II
DASAR SISTEM
5
2.1. Prinsip Bernoulli ................................................................................... 5 2.2. Wave Motion ......................................................................................... 8 2.3. Wave Energy and Power .................................................................... 13 2.4. ACS712 .............................................................................................. 16 2.5. PCDUINO3 ........................................................................................ 18 BAB III
PERANCANGAN ALAT
20
3.1. Gambaran Alat .................................................................................... 20 3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras ...................................... 21 3.2.1.
Perangkat Keras Modul Mekanik ......................................... 21
3.2.2.
Perangkat Keras Modul Elektronik ...................................... 24 3.2.2.1. Pengendali Utama ................................................. 24 3.2.2.2. Sensor Arus .......................................................... 25 3.2.2.3. Sensor Tegangan ................................................... 27 3.2.2.4. IC Mux 4067 ......................................................... 28 3.2.2.5. Sensor Kecepatan .................................................. 30 3.2.2.6. Storage System ..................................................... 30 3.2.2.7. Aktuator ................................................................ 33
3.3. Perancangan dan Realisasi Perangkat Lunak ..................................... 36 v
3.3.1. BAB IV
Perangkat Lunak pcDuino ................................................... 36
PENGUJIAN DAN ANALISIS
41
4.1. Pengujian Dimensi Mekanik Oscillating Water Column ................... 41 4.2. Pengujian Keluaran Generator ........................................................... 43 4.3. Pengujian ADC pcDuino .................................................................... 44 4.3.1.
Pengujian ADC dengan Nilai Tegangan pada Multimeter ... 44
4.3.2. Pengujian Konversi Tegangan pcDuino dengan Nilai Tegangan Multimeter. ......................................................................... 45 4.4. Pengujian Sensor ACS712 .................................................................. 46 4.5. Pengujian Konverter Tegangan ........................................................... 49 4.5.1.
Pengujian Konverter Tegangan 5 VDC to 3.3 VDC ............ 49
4.5.2.
Pengujian Konverter Tegangan 12 VDC to 3.3 VDC .......... 51
4.6. Pengujian Keseluruhan Sistem ........................................................... 52
BAB V
4.6.1.
Pengujian Keseluruhan Sistem dengan PWM Cepat ............ 52
4.6.2.
Pengujian Keseluruhan Sistem dengan PWM Sedang ......... 57
4.6.3.
Pengujian Keseluruhan Sistem dengan PWM Lambat ......... 62
KESIMPULAN DAN SARAN
67
5.1. Kesimpulan ......................................................................................... 67 5.2. Saran Pengembangan .......................................................................... 67 DAFTAR PUSTAKA
69
LAMPIRAN A
71
LAMPIRAN B
84
LAMPIRAN C
92
vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1.
Ilustrasi konservasi energi: aliran naik dari π³π ke π³π
6
Gambar 2.2.
Permukaan Gelombang air
8
Gambar 2.3.
Karakteristik Gelombang
9
Gambar 2.4.
Gaya Resultan pada permukaan partikel
9
Gambar 2.5.
Percepatan dan kecepatan dari partikel permukaan air
9
Gambar 2.6.
Dasar gerakan air, menunjukkan penurunan eksponensial amplitude dengan
kedalaman
13
Gambar 2.7.
Tabel sensitivitas keluaran pada ACS712
16
Gambar 2.8.
Block Diagram ACS712
16
Gambar 2.9.
Deskripsi pin-out ACS712
17
Gambar 2.10. Grafik keluaran tegangan ACS712 terhadap arus yang mengalir
17
Gambar 2.11. Grafik sensitivitas tegangan keluaran terhadap arus pada ACS712
18
Gambar 2.12. Perangkat pcDuino3 tampak depan
19
Gambar 2.13. Perangkat pcDuino3 tampak belakang
19
Gambar 3.1.
Blok diagram keseluruhan alat yang dirancang
21
Gambar 3.2.
Desain mekanik tampak depan dan keterangan
22
Gambar 3.3.
Realisasi mekanik keseluruhan Oscillating Water Column tampak samping 22
Gambar 3.4.
Realisasi mekanik keseluruhan Oscillating Water Column tampak atas
kanan
23
Gambar 3.5.
Realisasi mekanik keseluruhan Oscillating Water Column tampak atas kiri 23
Gambar 3.6.
Skema pcDuino
25
Gambar 3.7.
Rangkaian pada ACS712
26
Gambar 3.8.
Realisasi rangkaian ACS712
26
Gambar 3.9.
Rangkaian sensor tegangan dengan converter 5VDC to 3,3VDC
27
Gambar 3.10. Rangkaian sensor tegangan dengan converter 12VDC to 3,3VDC
28
Gambar 3.11. Realisasi rangkaian sensor tegangan
28
Gambar 3.12. Skema input dan output pada IC4067
29
Gambar 3.13. Realisasi rangkaian mux 4067
29
Gambar 3.14. Realisasi Sensor Proximity sebagai sensor kecepatan
30
Gambar 3.15. Rangkaian Boost Converter
31
Gambar 3.16. Realisasi Boost Converter
31 vii
Gambar 3.17. Rangkaian Storage system pada supercapacitor dengan beban
32
Gambar 3.18. Realisasi Storage system pada supercapacitor dengan beban
32
Gambar 3.19. Realisasi motor power window
33
Gambar 3.20. Rangkaian driver motor
34
Gambar 3.21. Realisasi driver motor
34
Gambar 3.22. Realisasi lubang piringan
35
Gambar 3.23. Realisasi lubang tuas penggerak
35
Gambar 3.24. Realisasi turbin
36
Gambar 3.25. Diagram alir subrutin controller pengukuran
39
Gambar 3.26. Diagram alir subrutin controller PWM
40
Gambar 4.1.
Pengujian panjang mekanik Oscillating Water Column
41
Gambar 4.2.
Pengujian lebar mekanik Oscillating Water Column
42
Gambar 4.3.
Pengujian tinggi mekanik Oscillating Water Column
42
Gambar 4.4.
Grafik arus terhadap beban
43
Gambar 4.5.
Grafik tegangan terhadap beban
43
Gambar 4.6.
Grafik Nilai ADC terhadap Nilai Tegangan Multimeter
45
Gambar 4.7.
Grafik ADC konversi Tegangan terhadap Nilai Tegangan Multimeter
46
Gambar 4.8.
Grafik Konversi Arus ACS1, ACS2, ACS3, ACS4, ACS5 dengan Nilai
Arus pada Multimeter terhadap Beban Resistor yang Terpasang Gambar 4.9.
47
Grafik Konversi Arus ACS1, ACS2, ACS3, ACS4, ACS5 dengan Nilai
Arus pada Multimeter terhadap Beban Resistor yang Terpasang Setelah Pendekatan Pengukuran
49
Gambar 4.10. Grafik Keluaran konverter 5VDC to 3.3 VDC terhadap Input Supply
50
Gambar 4.11. Grafik Keluaran konverter 12VDC to 3.3 VDC terhadap Input Supply
52
Gambar 4.12. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa Beban
53
Gambar 4.13. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa Beban
53
Gambar 4.14. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut dengan Beban
54
Gambar 4.15. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut dengan Beban
55
viii
Gambar 4.16. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang tanpa Beban
55
Gambar 4.17. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang tanpa Beban
56
Gambar 4.18. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang dengan Beban
56
Gambar 4.19. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang dengan Beban
57
Gambar 4.20. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa Beban
58
Gambar 4.21. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa Beban
59
Gambar 4.22. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut dengan Beban
59
Gambar 4.23. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut dengan Beban
60
Gambar 4.24. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang tanpa Beban
60
Gambar 4.25. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang tanpa Beban
61
Gambar 4.26. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang dengan Beban
61
Gambar 4.27. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang dengan Beban
62
Gambar 4.28. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa Beban
63
Gambar 4.29. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa Beban 63 Gambar 4.30. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut dengan Beban
64
Gambar 4.31. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut dengan Beban
64
ix
Gambar 4.32. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang tanpa Beban
65
Gambar 4.33. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang tanpa Beban
65
Gambar 4.34. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang dengan Beban
66
Gambar 4.35. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang dengan Beban
66
x
DAFTAR TABEL Tabel 3.1.
Konfigurasi penggunaan pin pcDuino3 pada bagian pengendali utama
25
Tabel 4.1.
Keluaran Turbin terhadap beban
43
Tabel 4.2.
Keluaran pin ADC pcDuino dengan nilai tegangan multimeter
44
Tabel 4.3.
Keluaran pin ADC pcDuino berupa tegangan dengan nilai tegangan
multimeter Tabel 4.4.
45 Keluaran konversi arus ACS1, ACS2, ACS3, ACS4, ACS5 dengan nilai arus
pada multimeter Tabel 4.5.
47
Keluaran konversi arus ACS1, ACS2, ACS3, ACS4, ACS5 dengan nilai arus
pada multimeter seletah pendekatan pengukuran
48
Tabel 4.6.
Keluaran konverter 5 VDC to 3.3 VDC terhadap input supply
50
Tabel 4.7.
Keluaran konverter 12 VDC to 3.3 VDC terhadap input supply
51
xi
DAFTAR ISTILAH
πΈπΎ
Kinetic Energy
πΈπ
Potential Energy
π¬π
Friction Energy
ADC
Analog to Digital Converter
F
Gaya
LED
Light Emiting Diode
OWC
Oscillating Water Column
PWM
Pulse Width Modulation
SC
Supercapacitor
π΄
Luas penampang
π
Volume
π
Usaha
π
Percepatan gravitasi
π
Massa
π
Tekanan
π’
Kecepatan udara
π₯
Jarak
π§
Ketinggian
π»
Periode
π
Amplitudo
π
Kecepatan fase gelombang
π
Ketinggian permukaan xii
π
Konstanta Gelombang
π
Kecepatan Linear
π
Panjang Gelombang
π
Kerapatan jenis
π
Kecepatan Angular / Kecepatan sudut
π
Kemiringan sudut
xiii
