BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA Pada bab ini akan dibahas mengenai pengujian alat serta analisis dari hasil pengujian. Tujuan dilakukan pengujian adalah mengetahui sejauh mana kinerja hasil perancangan yang telah dibahas pada Bab III serta mengetahui tingkat keberhasilan setiap spesifikasi yang telah diajukan. Pengujian yang dilakukan meliputi pengujian perbagian maupun keseluruhan sistem.
4.1.
Pengujian Turbin Vertikal Turbin yang digunakan dalam perancangan skripsi ini adalah turbin vertikal
yaitu jenis turbin yang memiliki sumbu tegak ke atas.
Gambar 4.1 pengujian mekanik turbin
Sebelum mengetahui daya turbin vertikal yang dihasilkan perlu di bandingkan terlebih dahulu dengan daya angin yang tersedia dengan cara mencari kecepatan aliran angin, kerapatan udara, serta luas penampang obyek yang diterpa angin dengan mengacu persamaan 2.3 dan persamaan 2.4.
Dimana : P
= daya
(watt)
ρ
= kerapatan udara
(kg/m3)
v
= kecepatan angin
(m/s) 28
A
= luas penampang
(m2)
d
= diameter sudu
(m)
h
= tinggi sudu
(m)
sehingga didapat: d
= 66 cm =0,66 m
h
= 35 cm =0,35 m
A
= 0,66m x 0,35m = 0,231 m2
ρ
= 1,29 kg/m3
v
= 5,4 m/s
P
= ½.ρ.A.v3
P
= ½. 1,29kg/m3. 0,231 m2. (5,4m/s)3
P
= 23,461 Watt
Daya angin yang tersedia adalah 23,461 Watt, berikutnya dapat dicari besar daya dari turbinnya.
4.1.1. Turbin Ventilator Turbin yang digunakan memiliki dimensi diameter 66 cm = 0,66m, tinggi 35cm=0,35m, lebar sudu 7cm= 0,07m, berat 4616 gr=4,616 kg dan memiliki blade atau bilah sebanyak 26. Kecepatan sudut yang dihasilkan turbin tersebut saat menggunakan kipas angin dengan kecepatan maksimal sebesar ± 70 rpm dengan kondisi telah digabungkan ke generator. Berikut adalah perhitungan matematis turbinnya.
P
= daya
(watt)
ρ
= kerapatan udara
(kg/m3)
v
= kecepatan angin
(m/s)
A
= luas penampang
(m2)
29
)(
(
)
Sehingga: A
= ⁄
Po =
(
⁄)
Po = 1,655 Watt -
Efisiensi daya turbin
4.2.
Pengujian Generator Pengujian generator secara terkontrol di dalam ruangan dengan mengasumsikan
semua sumber adalah ideal bertujuan untuk mengetahui efisiensi dan performa dari mekanik yang telah direalisasikan. Namun minim disini adalah dengan diameter kipas angin 0,5 m, apakah turbin mampu memanfaatkan tenaga angin yang ada. Dengan kecepatan angin yang berubah-ubah. kecepatan angin (kipas) m/s
5,4
3,4
2,4
kecepatan angin tegangan (terekstrak) CP m/s DC V 2,5 0,57469961 2,39 2,4 0,57956104 2,37 2 0,59119545 1,87 1,2 0,58093278 1,5 1 0,57227049 0 2,3 0,45464838 1,13 1,7 0,5625 0,74 0 0,5 0 0 0,5 0 0 0,5 0 1,3 0,54466869 0 0 0,5 0 0 0,5 0 0 0,5 0 0 0,5 0 Tabel 4.1 Pengujian Generator
30
arus
jarak
DC-mA 128 128 128 128 0 43,52 43,52 0 0 0 0 0 0 0 0
cm 25 50 90 100 150 25 50 90 100 150 25 50 90 100 150
Pengujian daya yang dihasilkan dengan sumber kipas angin menggunakan beban resistor 5W 1Ω : 1.
Menggunakan kipas angin dengan kecepatan 2,4 m/s (terbaca anemometer)
⁄
⁄)
(
2,059 Watt
⁄
(
⁄)
0.145 Watt
7% 2.
Menggunakan kipas angin dengan kecepatan 3,4 m/s (terbaca anemometer)
⁄
⁄)
(
5,856 Watt
⁄
(
0.413 Watt
31
⁄)
7%
Gambar 4.2 Rangkaian pengujian VOUT generator.
Gambar 4.3 Rangkaian pengujian IOUT generator
Pengujian mekanik secara terkontrol bagian ke dua di dalam ruang dengan cara menembakkan angin dari kipas angin ke turbin ventilator dengan kecepatan angin konstan sebesar 5,4 m/s terbaca anemometer. Turbin dapat berputar seperti yang diharapkan dan generator setelah disearahkan menunjukkan hasil keluaran tegangan sebesar 2,4V pada 70 RPM dan arus 0,023A= 23mA dalam kondisi generator telah disearahkan dengan rangkaian bridge yang dirancang menggunakan dioda germanium dan beban resistor 1 ohm. Kemudian output generator diberikan beban berupa resistor 5 W yang nilainya divariasikan dan memperoleh hasil sebagai berikut:
32
Gambar 4.4 Rangkaian penyearah tiga fase dengan dioda germanium
R Vo Daya (watt) (Ω) (Volt) 1 1 0,04 0,0016 2 2 0,09 0,00405 3 4,7 0,2 0,008510638 4 5,6 0,25 0,011160714 5 5,7 0,25 0,010964912 6 6,6 0,27 0,011045455 7 6,7 0,29 0,012552239 8 7,6 0,3 0,011842105 9 8,2 0,33 0,013280488 10 9,4 0,37 0,01456383 11 9,2 0,35 0,013315217 12 10 0,38 0,01444 13 10,2 0,38 0,014156863 14 11 0,4 0,014545455 15 11,2 0,42 0,01575 16 12 0,42 0,0147 17 14,7 0,46 0,014394558 18 15,6 0,5 0,016025641 19 16,4 0,53 0,017128049 20 17,4 0,55 0,017385057 21 17,6 0,55 0,0171875 22 18,2 0,56 0,017230769 23 19,2 0,58 0,017520833 24 19,4 0,6 0,018556701 25 20 0,6 0,018 Tabel 4.2 Pengujian Generator dengan Beban Resistor NO
33
daya (mW)
daya generator setelah disearahkan (penyearah dengan dioda germanium)
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0
5
10
15
20
25
resistor (Ω)
Gambar 4.5. Grafik daya Generator dengan Beban Resistor 5 Watt (penyearah menggunakan dioda germanium)
Daya yang dihasilkan pada generator adalah :
Dimana : P
= Daya
(Watt)
I
= Arus listrik
(A)
V
= Tegangan
(V)
= 55,2 mW
Pengujian mekanik secara terkontrol bagian ke tiga masih seperti percobaan yang dilakukan sebelumnya dengan menggunakan kecepatan angin konstan sebesar 5,4 m/s terbaca anemometer. Turbin dapat berputar seperti yang diharapkan dan generator setelah disearahkan menunjukkan hasil keluaran tegangan sebesar 2,4 VDC pada 70 RPM dan arus sebesar 117 DCmA terbaca multimeter dalam kondisi generator telah disearahkan dengan rangkaian bridge yang dirancang menggunakan dioda schottky tipe 1N5821 dan beban resistor 1 ohm. Kemudian output generator diberikan beban berupa resistor 5 W yang nilainya divariasikan dan memperoleh hasil sebagai berikut:
34
Gambar 4.6 Rangkaian Penyearah Tiga Fase dengan dioda 1n5821
R (Ω) 1 2 4,7 5,6 6,6 7,6 8,2 9,4 10 12 14,7 15,6 16,4 17,4 18,2 19,2 20
Vo (V) 0,139 0,192 0,458 0,621 0,721 0,812 0,822 0,922 0,943 1,013 1,27 1,12 1,194 1,331 1,26 1,336 1,304
P (mW) 19,321 18,432 44,63064 68,86446 78,76379 86,75579 82,40049 90,43447 88,9249 85,51408 109,7211 80,41026 86,92902 101,8139 87,23077 92,96333 85,0208
Arus (mA) 139 96 97,44681 110,8929 109,2424 106,8421 100,2439 98,08511 94,3 84,41667 86,39456 71,79487 72,80488 76,49425 69,23077 69,58333 65,2
Tabel 4.3 Pengujian Generator dengan Beban Resistor dengan Penyearah Menggunakan dioda 1n5821
35
daya generator dengan beban resistor 5 watt (penyearah menggunakan dioda 1n5821) 120
14,7
Daya (mW)
100 80 5,6
60
7,6 9,410 6,6 8,2
17,4 19,2 16,4 18,2 20; 85,0208 15,6
12
4,7
40 20
1 2
0 0
5
10
15
20
25
resistor (Ω)
Gambar 4.7 grafik daya yang dihasilkan generator
Mengacu pada hasil pengamatan gambar di atas maka daya masimal yang dihasilkan oleh genertor sebesar 110 mWatt ketika generator diberi beban sebuah resistor 5 Watt 14,7Ω.
Gambar 4.8 Tegangan keluaran generator (kanan) dan arus keluaran (kiri)
4.3.
Pengujian Boost Converter Pengujian yang dilakukan terhadap modul boost converter dengan IC BL-8530
yang dilakukan adalah dengan mengukur tegangan masukan (VIN) dan tegangan keluaran (VOUT) yang dihasilkan oleh modul ini serta besarnya arus keluaran (IOUT) yang 36
mengalir seperti ditunjukkan Gambar. Modul boost converter ini diuji dengan memberikan tegangan masukan menggunakan generator AC yang telah di searahkan. Sesuai datasheet, IC ini akan bekerja jika terdapat tegangan masukan minimal (VIN(min)) sebesar 0,3V. Akan tetapi pada realisasinya, saat terdapat masukan sebesar 0,97V2,11V modul ini sudah mampu bekerja menaikkan tegangan keluaran menjadi sebesar 5,27V.
generator (V)
regulator (V)
0 0 0,23 0,15 0,32 0,26 0,38 0,29 0,44 0,32 0,47 0,38 0,5 0,44 0,56 0,5 0,9 2,33 0,97 5,27 1,73 5,27 1,93 5,27 2,11 5,27 Tabel 4.4 Pengujian Boost Regulator Tanpa Beban
Tegangan Regulator(V)
6 5 4 3 Series1
2 1 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
Tegangan Generator (V)
Gambar 4.9 Uji performa modul boost regulator
37
Gambar 4.10. Rangkaian pengujian Iout Boost Regulator
Gambar 4.10 menunjukkan rangkaian pengujian arus keluaran IOUT dari modul boost converter. Besarnya nilai RL yang digunakan adalah 5Watt 1Ω. Sedangkan Gambar 4.11 menunjukkan rangkaian pengujian tegangan keluaran (VOUT) modul boost converter
Gambar 4.11 Rangkaian pengujian VOUT Boost Regulator
Gambar 4.12 tegangan keluaran regulator (kanan) dan arus keluaran (kiri)
38
Gambar 4.13 tegangan keluaran generator dan tegangan keluaran boost regulator
Gambar 4.13 menunjukkan bahwa saat terdapat VIN dari generator sebesar 2.63V, VOUT dari boost converter terukur sebesar 5,39V. Dengan menguji besarnya PIN dan POUT , dapat dihitung besarnya efisiensi dari modul boost converter ini.
Dimana Pout dan Pin diperoleh dengan persamaan
Hasil pengujian pada Gambar 4.9 menunjukkan bahwa saat tegangan masukan (VIN) sebesar 0,23V, modul sudah mampu bekerja dengan memberikan tegangan keluaran (VOUT) sebesar 0,15V dan modul boost converter bekerja. Saat tegangan masukan (VIN) sebesar 0.97 V maka tegangan keluaran (VOUT) sebesar 5,27. Dengan demikian jangkauan tegangan dapat digunakan untuk memberi masukan rangkaian Boost Converter agar menghasilkan tegangan keluaran stabil di sekitar 5,27V.
39
R(Ω)
Vo (V)
P (mW)
1 0,1 10 2 0,18 16,2 4,7 0,33 23,17021 5,6 0,37 24,44643 6,6 0,38 21,87879 7,6 0,39 20,01316 8,2 0,46 25,80488 9,4 0,47 23,5 10 0,5 25 12 0,54 24,3 14,7 0,56 21,33333 15,6 0,61 23,85256 16,4 0,56 19,12195 17,4 0,56 18,02299 18,2 0,61 20,44505 19,2 0,6 18,75 20 0,67 22,445 Tabel 4.5 Pengujian Boost Regulator dengan Beban
uji modul boost converter
30
Daya (mW)
25 20 15 10 5 0 0
5
10
15
20
25
resistor (Ω)
Gambar 4.14 Uji performa modul boost regulator untuk mengetahui daya maksimal yang dihasilkan
Pada gambar 4.14 terlihat berapa besar daya maksimum sebesar 26 mWatt yang dihasilkan regulator ketika diberi beban resistor 5 watt 8,2 Ω.
40
4.4.
Pengujian Penyimpanan Energi pada Baterai Tegangan keluaran yang telah diproses oleh rangkaian rangkaian Boost
Converter selanjutnya digunakan untuk mengisi baterai. Pengujian dilakukan dengan mengamati tegangan dan arus baterai selama periode tertentu saat dilakukan pengisian. Terdapat LED sebagai indikator yang akan menyala ketika proses pengisian baterai.
tegang(Volt)
Gambar 4.15 Rangkaian pengujian pengisian batere
tegangan pengisian
1,58 1,57 1,56 1,55 1,54 1,53 1,52 1,51 1,5
300; 1,57
Series1 0
100
200
300
400
t(sec)
arus(mA)
Arus pengisian 1,48 1,46 1,44 1,42 1,4 1,38 1,36 1,34
300; 1,46
Series1
0
100
200
300
400
t(sec)
Gambar 4.16 Grafik tegangan batere (atas) dan arus batere (bawah) ketika pengisian.
41
Gambar 4.16 menunjukkan bahwa tegangan awal baterai (Vbat) adalah 1,45 V dengan arus (Ibat) 1,30 mA. Hal ini menunjukkan proses pengisian baterai sudah dimulai sebelumnya. Kemudian pada detik ke 30s, tegangan baterai berubah menjadi 1,509V dengan arus 1.36 mA. Hal ini berarti baterai sudah mengalami pengisian. Proses pengisian kemudian berlangsung sampai 300s, tegangan baterai menjadi sebesar 1.57V dengan arus sebesar 1.46 mA. Besarnya arus yang mengalir dalam proses pengisian mengalami penurunan dikarenakan saat mula-mula baterai harus terisi dahulu untuk dipancing. Ketika baterai semakin terisi tegangannya naik sehingga arus pengisian menurun. Dari hasil pengujian ini dapat disimpulkan bahwa penyimpanan energi ke dalam baterai sudah dapat dilakukan oleh alat yang dibuat.
Gambar 4.17 Arus puncak yang terbaca ketika dibebani baterai saat kondisi kosong atau saat memulai pengisian
4.5.
Pengujian Keseluruhan Alat Pengujian keseluruhan dilakukan dengan menggabungkan keseluruhan modul.
Pengujian keseluruhan alat yang pertama dilakukan adalah dengan menggunakan kipas Angin dengan kecepatan maksimum yaitu 5,4m/s terbaca anemometer dan diposisikan pada jarak 25 cm dengan turbin angin, agar memperoleh tegangan keluaran generator 42
secara maksimum setelah generator disearahkan, untuk kemudian dihubungkan pada boost converter dan kemudian digunakan untuk mengisi baterai. Pengisian dilakukan dengan menghidupkan alat selama 24 jam yang dimulai pukul 15.00 pada hari sebelumnya sampai dengan 15.00 dihari berikutnya. Nilai arus maksimal yang tersimpan selama pengisian (Ibat) adalah sebesar 104 mA, Jadi hanya menggunakan 8,67% dari kapasitas baterai sedangkan tegangan baterai sebesar 3,68V .
Gambar 4.18 Arus terbaca setelah proses pengisian selama 24 jam
(
)
(
)
Estimasi waktu agar batere terisi penuh dengan arus masukan sebesar 28,81 mA adalah
Kapasitas baterai yang digunakan sebesar 3,7 V 1200mAh.
Perhitungan Energi yang tersimpan pada baterai adalah
43
Saat proses pengosongan baterai menggunakan beban berupa resistor sebesar 5 watt 1 Ω dan sebuah led senter 1 Watt
RL 1
D1 LED1
DC A 1.383 A
+ V1 3.7V
Gambar 4.19 rangkaian saat proses pengosongan baterai
t (sec) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660
arus (mA) 104 103,9 103,9 103,9 103,8 103,5 103,3 103 102,6 102,2 101,7 101,2 100,8 100,3 99,8 99,4 98,9 98,6 98,2 97,8 97,4 97,1 96,7
690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 990 1020 1050 1080 1110 1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320 1350 1380 1410
96,5 96,2 95,9 95,6 95,4 95,2 94,9 94,7 94,5 94,3 94,1 93,9 93,6 93,4 93,2 93,1 92,9 92,8 92,6 92,4 92,3 92,1 91,8 91,6 91,4
44
1440 1470 1500 1530 1560 1590 1620 1650 1680 1710 1740 1770 1800 1830 1860 1890 1920 1950 1980 2010 2040 2070 2100 2130 2160
91,2 91,1 90,9 90,8 90,6 90,5 90,3 90,2 90 89,9 89,7 89,6 89,6 89,4 89,1 89,1 88,8 88,7 88,6 88,4 88,3 88,3 88 88 87,9
2190 2220 2250 2280 2310 2340 2370 2400 2430 2460 2490 2520 2550 2580 2610 2640
87,8 87,6 87,6 87,4 87,3 87,1 87 86,8 86,7 86,6 86,5 86,4 86,3 86,2 86 85,9
2670 2700 2730 2760 2790 2820 2850 2880 2910 2940 2970 3000 3030 3060 3090 3120
85,7 85,6 85,5 85,4 85,3 85,1 84,9 84,8 84,7 84,6 84,5 84,3 84,2 84 83,9 83,7
3150 3180 3210 3240 3270 3300 3330 3360 3390 3420 3450 3480 3510 3540 3570 3600
83,6 83,5 83,3 83,2 83,1 82,9 82,8 82,7 82,5 82,4 82,3 82,2 82 81,9 81,6 81,4
Tabel 4.6 Arus Pengosongan
Arus 104,5 Arus Baterai (mA)
104 103,5 103 102,5 102 300; 101,7
101,5 0
50
100
150
200
250
300
350
t(s)
Gambar 4.20 Grafik arus saat proses pengosongan dalam waktu tertentu
45
Gambar 4.21 tegangan saat diberi beban baterai
Pada gambar 4.21 menunjukkan yang terjadi ketika alat dibebani sebuah baterai dan tegangan yang terbaca sebelum dibebani baterai adalah seperti gambar 4.13. Pada gambar 4.22 menunjukkan arus yang masuk selama proses pengisian. Pada proses pengisian arus yang terbaca berubah-ubah dari yang paling rendah dirunjukkan dengan nilai 8,98 mA dan tertinggi adalah 12,04mA.
Gambar 4.22 arus yang masuk selama proses pengisian
46
Gambar 4.23 arus terbaca setelah pengisian 1 jam
Pengisian Baterai selama 1 jam diperoleh arus yang tersimpan sebesar 86,1mA dengan alat yang direalisasikan dan percobaan secara terkontrol atau lebih tepatnya percobaan di dalam ruangan diperoleh:
Energi yang tersimpan di baterai
4.6.
Pengujian Aktual Pada pengujian aktual dilakukan pada tanggal 1 maret 2016 akan tetapi hanya
melakukan pengujian sebatas mekanik saja dengan cara menggabungkan turbin dengan generator. Terlihat bahwa turbin dapat berputar seperti yang diharapkan pada kecepatan 2 m/s dan 3,3 m/s, akan tetapi hembusan angin tidak kontinyu. Ketika kecepatan angin turun maka turbin angin tidak dapat berputar.
47
4.7.
Rencana Perubahan Spesifikasi Perbandingan dengan No
spesifikasi awal
Spesifikasi awal
1 1. Menggunakan ventilator turbin
2
Dimensi
angin dengan dimensi mekanis yang panjang 66 cm memiliki ukuran panjang diameter
tinggi 35 cm
45 cm dan tinggi 35 cm 2. Bahan pembuatan turbin terbuat dari alumunium dengan ketebalan 0,3 mm atau stainless dengan ketebalan 0,3 mm. 3. Menggunakan gear yang terbuat
Jumlah gigi
Menggunakan
dari bahan kuningan dengan
n1= 110 dan
pulley dengan
perbandingan 10:1 dengan asumsi
n2 =10
diameter d1=
satu putaran turbin dapat
9,2 mm dan
memutaarkan rotor generator
d2= 12,5cm
sepuluh kali (jumlah gigi n1=100 dan n2 = 10) 4. Menggunakan penyimpan energi berupa baterai sebesar 3,7 v 1,2 Ah 5. Menggunakan generator DC dengan Menggunakan spesifikasi tegangan kaluaran
Menggunakan
generator AC 3 dinamo sepeda
sebesar 12V-24V dan daya keluaran phase dengan
onthel 12 V-
sebesar 20 watt
6watt
daya keluaran 300 watt
6. Dapat menyalakan lampu led secara
Dapat
Langsung
oromatis ketika baterai telah terisi
menyalakan
digunakan
penuh
led pada waktu
intuk
tertentu (hidup
menghidupkan
pukul 17.00
LED
mati 04.00)
48
