BAB II LANDASAN TEORI Dalam merealisasikan suatu alat diperlukan dasar teori untuk menunjang hasil yang optimal. Pada bab ini akan dibahas secara singkat mengenai teori dasar yang digunakan untuk merealisasikan Alat Peraga Pasang Surut ( Tidal Power ) untuk Mata Kuliah Energi Baru dan Terbarukan ( New and Renewable Energy ). 2.1. Energi Potensial Energi potensial merupakan sebuah fungsi koordinat/letak sedemikian sehingga perbedaan antara nilai/harga di posisi awal dan di posisi akhir sama dengan sama dengan usaha yang dilakukan sebuah benda untuk menggerakkan dari posisi awal ke posisi akhir.[2] W(A
= (Ep)A - (Ep)B ……………….. (2.1)
B) =
Di mana F merupakan gaya sistem dari benda itu sendiri (Fluar)
F=mg
h m
Gambar 2.1. Potensial Gravitasi Apabila persamaan 2.1 kita terapkan pada potensial gravitasi maka diperoleh …… (2.2)
Ep = Ep =
…… (2.3)
Ep = Di mana Ep = Energi potensial (Joule) m = Massa (Kg) 7
…… (2.4)
g = Gravitasi Bumi (
)
h = Tinggi benda (m) 2.2. Gerak Rotasi Benda Tegar Gerak rotasi merupakan gerak suatu benda yang berputar terhadap sumbu putarnya, gerak rotasi ini dibagi menjadi 2 jenis. Yang pertama adalah gerak rotasi benda tegar sekitar sumbu tetap dan yang kedua adalah gerak rotasi benda tegar sekitar sumbu bergerak. [3] Dalam gerak rotasi benda tegar pada sumbu tetap memiliki besaran fisika sebagai berikut.
Gambar 2.2. Rotasi Benda Tegar [12] Posisi sudut (θ) dapat dinyatakan dengan persamaan:
θ = (radian) …… (2.5) di mana s adalah panjang segmen lingkaran yang disapu jari-jari r.
kecepatan sudut rata-rata dapat dinyatakan oleh persamaan: ω = (radian/detik) …… (2.6) Nilai energi kinetik dari sebuah benda yang berotasi adalah …… (2.7)
Ek =
Untuk benda tegar berbentuk piringan I =
, maka energi kinetiknya adalah ……. (2.8)
Ek =
Di mana I = momen inersia benda tegar berbentuk piringan (Kgm2) ω = kecepatan sudut rata-rata (rad/detik) m = massa benda tegar (Kg) r = jarak dari sumbu rotasi (m) 8
2.3. Perbandingan Pulley Pulley merupakan suatu benda dari logam atau bukan logam dengan bentuk bulat pipih dan pada pingiranya beralur. Pulley sangat berguna untuk memnindahkan daya atau energi dari suatu penggerak kepada yang digerakkan.
B
A
Gambar 2.3. Kombinasi Pulley Pulley dapat dikombinasikan untuk memperoleh hasil akhir sesuai kebutuhan. Kombinasi pulley digambarkan pada Gambar 2.3. Perbandingan pulley dalam kombinasi dapat dihitung dengan prinsip berikut. [4] ……. (2.9) Di mana GR = Gear Ratio atau rasio gir N1 = Diameter pulley yang memutar N2 = Diameter pulley yang diputar 2.4. Generator Generator listrik merupakan mesin yang dapat mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Terdapat 2 komponen utama pada generator listrik, yaitu: stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Rotor akan berhubungan dengan poros generator listrik yang berputar pada pusat stator. Kemudian poros
generator listrik
tersebut
menggunakan usaha yang berasal dari luar. [5]
9
biasanya diputar dengan
Gambar 2.4. Generator Tegangan listrik yang dihasilkan oleh generator listrik AC ini berjenis bolak - balik dengan bentuk seperti gelombang sinus. Amplitudonya bergantung pada kuat medan magnet, jumlah lilitan kawat, dan luas penampang kumparan. Frekuensi gelombangnya sama dengan frekuensi putaran kumparan. Pada generator berlaku persamaan GGL (Gaya Gerak Listrik) sebagai berikut Ɛ = N B A ɷ …… (2.10) Di mana,
Ɛ = Gaya gerak listrik (Volt) N = Jumlah lilitan B = Kuat medan magnet (Tesla) A = Luas penampang kumparan (m2) ɷ = Kecepatan putaran (rad/detik)
2.5. Mikrokontroler Pada skripsi ini digunakan board mikrokontroler arduino dengan IC ATMega2560 sebagai pengendali utama. Board tersebut mempunyai spesifikasi sebagai berikut : 1.
Tegangan operasi
:5V
2.
Tegangan input (saran)
: 7-12 V
3.
Tegangan input (batas)
: 6-20 V
4.
Digital I/O pins
: 54 (15 digunakan untuk PWM)
5.
Analog input pins
: 16
6.
Arus DC setiap I/O pins
: 40 mA
7.
Arus DC untuk 3,3 V pins
: 50 mA
10
8.
Flash Memory
: 256 Kb (8 Kb digunakan untuk
bootloader) 9.
SRAM
: 8 Kb
10. EEPROM
: 4 Kb
11. Clock speed
: 16 MHz
Gambar 2.5. Board Atmega 2560 Pengendali yang digunakan berjenis arduino 2560. Mikrokontroler berfungsi sebagai pengendali alat ini di mana, bertugas mengolah data dari generator yang akan di tampilkan menggunakan seven segment, sebagai pengontrol pompa air dan valve elektrik.
2.6. Sensor Kapasitif Kapasitif sensor ini bekerja berdasarkan perubahan muatan energi listrik
yang
dapat
disimpan
oleh
sensor
akibat
perubahan
jarak
lempeng,perubahan luas penampang dan perubahan volume dielektrikum sensor kapasitif tersebut. Konsep kapasitor yang digunakan dalam sensor kapasitif adalah proses menyimpan dan melepas energi listrik daalam bentuk muatan – muatan listrik pada kapasitor yang dipengaruhi oleh luas permukaan, jarak dan bahan dielektrikum. Sifat sensor kapasitif yang dapat dimanfaatkan dalam proses pengukuran di antaranya adalah sebagai berikut. Sifat sensor kapasitif yang dimanfatkan dalam pengukuran:
11
-
Jika luas permukaan dan dielektrika (udara) dalam dijaga konstan, maka perubahan kapasitansi ditentukan oleh jarak antara dua lempengan logam.
-
Jika luas dan permukaan kedua lempengan logam dijaga konstan dan volume dielektrikum dapat dipengaruhi maka perubahan kapasitansi ditentukan oleh volume atau ketinggian cairan elektrolit yang diberikan.
-
Jika jarak dan dielektrikum (udara) dijaga konstan, maka perubahan kapasitansi ditentukan oleh luas permukaan kedua lempeng yang saling berdekatan.
Gambar 2.6. Sensor Kapasitif Konstruksi sensor kapasitif yang di gunakan berupa dua buah lempengan logam yanug diletakkan sejajar dan saling berhadapan. Jika diberi tegangan antara kedua lempenug logam tersebut, maka akan timbul kapasitansi antara kedua logam tersebut. Nilai kapasitansi yang ditimbulkan berbanding lurus dengan luas permukaan lempeng logam, dan berbanding terbalik dengan jarak antara kedua lempeng dan berbanding lurus dengan zat antara kedua lempeng tersebut (dielektrika), seperti di tunjukkan oleh persamaan berikut: 12
C = εr
............(2.11)
Dimana:
εr = pemitifitas relatif (air = 18) A = luas plat / lempeng (
)
d = jarak antara plat / lempeng (m)
2.7. Sensor Arus Sensor arus ini merupakan modul sensor untuk mendeteksi besar arus yang mengalir lewat terminal block menggunakan current sensor chip ACS712-20 yang memanfaatkan efek Hall.
Gambar 2.7. Sensor Arus Besar arus maksimum yang dapat dideteksi sebesar 20A di mana tegangan pada pin keluaran akan berubah secara linear mulai dari 2,5 Volt (½×VCC, tegangan catu daya VCC = 5V) untuk kondisi tidak ada arus hingga 4,5V pada arus sebesar +20A atau 0,5V pada arus sebesar −20A (positif / negative tergantung polaritas, nilai di bawah 0,5V atau di atas 4,5V dapat dianggap lebih dari batas maksimum). Perubahan tingkat tegangan berkorelasi linear terhadap besar arus sebesar 100 mV / Ampere
13
2.8. Valve Elektrik Solenoid valve merupakan katup yang dikendalikan dengan arus listrik baik AC maupun DC melalui kumparan / selenoida. Solenoid valve ini merupakan elemen kontrol yang paling sering digunakan dalam system fluida. Seperti pada system pneumatik, system hidrolik ataupun pada system control mesin yang membutuhkan elemen control otomatis. Contohnya pada system pneumatik, solenoid valve bertugas untuk mengontrol saluran udara yang bertekanan menuju aktuator pneumatic (cylinder). Atau pada sebuah tandon air yang membutuhkan solenoid valve sebagai pengatur pengisian air, sehingga tendon tersebut tidak sampai kosong.
Gambar 2.8. Valve Elektrik Pada perancangan sekripsi ini digunakan Solenoid valve dengan kran elektrik straight metal base AC 220 V 3/4 inchi, sepesifikasi sebagai berikut:
Merk Vsuplay Orifice Ukuran Operating pressure Temp Dimensi body Berat
: Kloid : AC 220 V : 20 mm : Drat In – Out pipe size ¾ Inch : Min 0 kg/cm2 – max 10 kg/ cm2 : -5 derajat celsius sampai 100 derajat celcius : panjang 9 cm x diameter 4,5 cm : 700 gr
14
2.9. Pompa Air Pompa air AC adalah pompa yang digerakan oleh catu daya AC atau jala – jala listrik PLN.
Gambar 2.9. Pompa Air Dalam perancangan tugas akhir ini menggunakan pompa air AC typesingle phase, Pompa air menggunakan pompa AC merk DAB dengan sepesifikasi sebagai berikut : Daya = 125 watt Tegangan = 220 volt Daya hisap = 9 meter Daya dorong = 24 meter Total head = 33 meter Kapasitas = 35 liter / menit Ukuran pipa = 1 inchi x 1 inchi 2.10. Turbin Turbin Cross-Flow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin aksi ( impule turbin ). Pemakaian jenis Turbin Cross-Flow lebih menguntungkan dibanding dengan penggunaan kincir air maupun jenis turbin mikro hidro lainya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan 15
bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran Turbin CrossFlow lebih kecil dan lebih kompak disbanding kincir air. Diameter kincir yakni roda jalan atau runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapi diameter Turbin Cross-Flow dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahan – bahan yang dibutuhkan jauh lebih sedikit,itulah sebabnya bisa lebih murah. Demikian juga daya guna atau effisiensi rata – rata turbin ini lebih tinggi dari pada daya guna kincir air. Hasil pengujian laboratorium yang dilakukan oleh pabrik turbin Ossberger Jerman Barat yang menyimpulkan bahwa daya guna kincir air dari jenis yang paling unggul sekalipun hanya mencapai 70 % sedangkan effisiensi turbin Cross-Flow mencapai 82 % ( Haimerl, L.A., 1960 ). Tingginya effisiensi Turbin Cross- Flow ini akibat pemanfaatan energi air pada turbin ini dilakukan dua kali, yang pertama energi tumbukan air pada sudu – sudu pada saat air akan meninggalkan runner. Adanya kerja air yang bertinggkat ini ternyata memberikan
keuntungan
dalam
hal
effektifitasnya
yang tinggi
dan
kesederhanaan pada sistem pengeluaran air dari runner. Kurva di bawwah ini akan lebih menjekaskan tentang perbandingan effisiensi dari beberapa turbin konvensional. Sumbu y menunjukkan effisiensi turbin dan sumbu x menunjukkan debit air yang mengalir.
Gambar 2.10 Effisiensi beberapa turbin dengan penggunaan debit sebagai variabel (sumber: Haimerl,L.A, 1960)
16
Dari kurva tersebut ditunjukka hubungan antara effisiensi dengan pengurangan debit akibat pengaturan pembukaan katup yang dinyatakan dalam perbandingan debit terhadap debit maksimumnya. Untuk Turbin Cross-Flow dengan Q/Qmak = 1 menunjukkan effisiensi yang cukup tinngi sekitar 80 % disamping itu untuk perubahan debit sampai dengan Q/Qmak = 0.2 menunjukkan harga effisiensi yang relatif tetap ( Meier, Ueli, 1981). Pada perancangan skripsi ini turbin yang digunakan adalah turbin cross flow dengan bahan plat besi dengan diameter 13 cm dan tinggi 10 cm, turbin memiliki 11 sirip.
Gambar 2.11. Turbin cross flow
17
