Konsep Desain Mobil Listrik Bersistem Dual-Battery “Bima”, dengan Memanfaatkan Panel Surya dan Turbin Udara yang Telah Didesain Ulang
DIUSULKAN OLEH : AZHAR MUHAMMAD FUAD (6611040005)
POLITEKNIK PERKAPALAN NEGERI SURABAYA SURABAYA 2014 i
HALAMAN PENGESAHAN 1. Judul Karya Tulis 2. 3. 4. 5. 6.
: Bima, Desain Kosep Mobil Listrik Sistem Dual-battery Nama Lengkap : Azhar Muhammad Fuad NRP : 6611040005 Prodi / Jurusan : T. Desain & Manufaktur Perguruan Tinggi : Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya Alamat Rumah / No. Telepon : Perumahan Puri Indah Blok AN-28 _Sidoarjo / 085731961493
7. Alamat Email 8. Dosen Pembimbing a. Nama Lengkap b. NIDN c. Alamat Rumah d. Telepon
:
[email protected] : Budianto, ST., MT. : 0002098203 : Jl. Ploso Timur II / 24a Surabaya : 085852330030 Surabaya, 12 April 2014
Menyetujui, Dosen Pembimbing
Penulis
(Budianto, ST., MT.)
(Azhar Muhammad Fuad)
NIP. 198209022010121003
NRP.6611040005
Mengetahui, Pembantu Direktur III PPNS
Projek Priyonggo SL., ST., MT NIP.196106161988031002
ii
KATA PENGANTAR
Assalamaualaikum wr. wb. Pertama-tama, mari kita panjatkan puji dan syukur kita kepada Allah SWT, karena berkat rahmat dan kehendak-Nya lah penulis mampu menyelesaikan karya tulis ini dengan baik. Yang kedua, penulis mengucapkan terima kasih sebesarbesarnya kepada pihak yang mendukung penulis untuk mampu menyelesaikan karya tulis ini, baik keluarga penulis, dosen pembimbing, BEM PPNS, hingga pihak manejemen Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya. Penulis membuat karya tulis ini dengan tujuan untuk mengingatkan kembali masyarakat Indonesia tentang pentingnya masyarakat yang mandiri energi mengingat kebutuhan listrik dan bahan bakar semakin meningkat. Dengan pemikiran yang kreatif, inovatif, serta berani, penulis percaya bahwa masyarakat Indonesia yang mandiri tidaklah lagi sebatas angan, namun pasti terwujud di masa mendatang. Untuk selebihnya, penulis mengucapkan mohon maaf sebesar-besarnya bila terdapat kesalahan kata, dan menantikan saran dan kritik para pembaca yang bersifat membangun. Wassalamualaikum wr. wb.
Azhar Muhammad Fuad
iii
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL.............................................................................................i HALAMAN PENGESAHAN ...............................................................................ii KATA PENGANTAR ..........................................................................................iii DAFTAR ISI .........................................................................................................iv DAFTAR GAMBAR ............................................................................................v DAFTAR TABEL .................................................................................................vi RESUME ..............................................................................................................vii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah ............................................................................1 1.2 Identifikasi Masalah ..................................................................................2 1.3 Tujuan .......................................................................................................2 1.4 Manfaat .....................................................................................................2 BAB II DESKRIPSI PRODUK 2.1 Produk yang ditawarkan ............................................................................3 2.1.1 Deskripsi Umum Mobil....................................................................3 2.1.2 Penjelasan Sistem Dual-Battery .......................................................4 2.1.3 Perencanaan Turbin Udara ...............................................................5 2.1.4 Identifikasi Masalah Turbin Udara ..................................................7 2.1.5 Solusi Yang Ditawarkan ..................................................................8 2.2 Hasil dan pembahasan ...............................................................................10 2.3 Penutupan ..................................................................................................10 DAFTAR PUSTAKA ..........................................................................................11
iv
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Desain Konsep Mobil Listrik ............................................................ 3 Gambar 2.2 Skema Alur Distribusi Pengisian dan Energi Penggerak Mobil Listrik ..................................................................................... 5 Gambar 2.3 Desain Aerodinamicity dari Kendaraan............................................. 6 Gambar 2.4 Baling-baling tipe 3-Bladed yang Digunakan ................................... 7 Gambar 2.5 Desain turbin angin pada mobil ........................................................ 7 Gambar 2.6 Gambar Komponen Dalam Turbin Udara ......................................... 8 Gambar 2.7 Desain Shaft Utama Turbin Udara .................................................... 9 Gambar 2.8 Desain Keseluruhan........................................................................... 9 Gambar 2.9 Desain Pengunci serta Pemutar Gear ................................................ 10 Gambar 2.10 Desain Gear ..................................................................................... 10
v
DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Tabel Perkembangan Kuantitas Kendaraan Bermotor tahun 2010 – 2012 ....................................................................................... 1 Tabel 2.1 Kelebihan Mobil Bima .......................................................................... 9
vi
RESUME Within the spin of time, transportation has become basic needs for Indonesian. Many Indonesian activities involved far distances such as business, education, or even entertainment makes Indonesian really depend on vehicles. And for that purpose also, Indonesian utilize personal vehicles or even public transportation to reach their destination. Between 2010 until 2012, the growth of cars in Indonesia is reaching 900.000 unit each year, and in 2012, the total quantity of cars that noted by BPS (Badan Pusat Statistik) Indonesia are 10.432.259 unit. The problem now is the fuel that those cars consume, and the stock of fuel that left on Earth. From the calculation of fuel stock on each state, Indonesia’s general secretary of energy council, Hadi Purnomo, said that the stock of world fuel will only last for 53 years ahead. Due those problems, we might think that electric car is the best alternative. But the electric car right now also faces some problems. For example, the charging time of the battery that’s not instant, also the availability of the charging place just like fuel station. Based on that problem, the writer proposes a solution that could answer those complexities, which is “Bima”, a concept design of Dual-Battery system electric car. Bima was designed to only consumes the energy that this car selfproduced, and focused on renewable energies such as wind and heat. By proposing dual-battery concept, the battery will replenish each other by utilising the power that the car obtain while moving. Beside calculating the capability of turbine, we also need to solve the problem that the turbine would face, especially wind turbine. Wind turbine would face the problem due the dimension of turbine that makes the shaft of the blades too small to be able to turn the rotation gear. And the function of the gear set is to create secondary high-speed shaft. The high-speed rotation would create maximum electric energies that can be utilized for energy supplier on Bima. So the writer propose to re-design the wind turbine with more compatible and light material, but strong enough to rotate the gear set. Re-designing the wind turbine was inspired by the regular room fan that was carried with motorcycle. The wind was able to turn the blades, and the faster the wind comes, and so the blades will spin even faster.
vii
1
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Kebutuhan masyarakat Indonesia terhadap alat transportasi semakin meningkat seiring berjalannya waktu. Banyak sekali kegiatan masyarakat mencakup jarak yang cukup jauh baik berkaitan dengan bisnis, aktifitas, ataupun rekreasi. Dengan kepentingan seperti itu, masyarakat Indonesia sangatlah bergantung pada alat transportasi, baik kendaraan pribadi ataupun umum. Jumlah mobil di Indonesia tahun 2012 lalu telah mencapai 10.432.259 unit. Dengan melihat data yang disajikan BPS Indonesia, perkembangan jumlah mobil mencapai 900.000 unit/tahun. Tak hanya itu, setelah dilakukan perhitungan terhadap stok serta bahan bakar diseluruh negara, sekretaris jendral dewan energi Indonesia, Hadi Purnomo, mengatakan bahwa stok minyak bumi yang tersisa hanya mampu bertahan sekitar 53 tahun kedepan. Tabel 1.1 : Tabel perkembangan kuantitas kendaraan bermotor tahun 2010 - 2012 (Sumber : www.bps.go.id) Tahun
Mobil Penumpang
Bus
Truk
Sepeda Motor
Jumlah
2010
8.891.041
2.250.109
4.687.789
61.078.188
76.907.127
2011
9.548.866
2.254.406
4.958.738
68.839.341
85.601.351
2012
10.432.259
2.237.821
5.286.061
76.381.183
94.373.324
Melihat permasalahan tersebut, banyak yang berfikir mobil listrik adalah alternatif terbaik. Walaupun mobil listrik mempunyai potensi hebat, hingga saat ini mobil listrik masih dihadapkan dengan permasalahan terkait pengisian baterai yang tak bisa instan, serta tak tersedia secara umum layaknya pom bensin. Untuk itu penulis menawarkan sebuah solusi terkait permasalahan tersebut, berdasarkan
2
pengalaman penulis, serta berkaitan dengan tema “Indonesia yang mandiri”, yakni sebuah konsep mobil listrik bersistem Dual-Battery yang dinamakan Bima. 1.2 Identifikasi Masalah Setelah melihat latar belakang masalah yang sudah di uraikan, maka didapati beberapa permasalahan yaitu : 1. Bagaimana bentuk dan sistem kerja konsep mobil listrik Bima? 2. Mengapa perlu adanya desain ulang turbin pada mobil Bima? 3. Bagaimana bentuk dan manfaat dari desain turbin yang sudah dirancang ulang? 4. Bagaimana konsep mobil listrik ini mampu menciptakan masyarakat yang mandiri di sektor energi, khususnya pada bidang transportasi? 1.3 Tujuan Tujuan penulisan Karya Tulis ini adalah sebagai berikut : 1. Menciptakan konsep mobil listrik Bima lengkap dengan sistem kerja yang diunggulkan 2. Memberikan gambaran terkait permasalahan yang dihadapi dengan rancangan turbin awal 3. Memberikan gambaran terkait solusi dari permasalahan turbin udara awal dengan cara merancang ulang 4. Memberikan gambaran bagaimana mobil Bima mampu menciptakan masyarakat yang mandiri di sektor energi, khususnya di bidang transportasi 1.4 Manfaat Karya tulis ini bermanfaat sebagai gambaran solusi permasalahan terkait mobil listrik saat ini. Selain itu, karya tulis ini juga bermanfaat untuk mengembangkan kreatifitas pembaca untuk terus berkreasi mencari solusi permasalahan yang ada saat ini.
3
BAB II DESKRIPSI PRODUK 2.1 Produk Yang Ditawarkan 2.1.1 Deskripsi Umum Mobil Bima merupakan sebuah nama dewa perang yang sangat kuat. Maksud nama Bima pada mobil ini merupakan gambaran bahwa layaknya dewa perang yang memanfaatkan seluruh kekuatannya, mobil listrik Bima memanfaatkan energi yang didapatnya untuk menjadi tenaganya sendiri. Konsep mobil listrik Bima menerapkan teknologi penangkap energi udara dan panas dengan menggunakan turbin udara dan panel surya. Mobil Bima memanfaatkan konsep Dual-Battery, yaitu konsep pemanfaatan dua buah baterai, dimana baterai utama akan mengisi baterai kedua seiring perjalanan ataupun dalam keadaan stand by. Bima mempunyai dimensi sebesar 3602 x 1590 x 1790 mm, dengan kapasitas penumpang 5 orang.
Gambar 2.1 Desain Konsep Mobil Listrik (Desain oleh penulis, Azhar Muhammad Fuad via Autocad)
Mobil bima akan terfokus pada energi udara dan energi panas matahari. Hal tersebut bila diintegrasikan dengan Dual-Battery System akan menciptakan sebuah
4 kemugkinan baru yakni kontinuitas energi pengisi baterai mobil. Dua buah turbin udara kecil yang sudah di desain ulang yang terinspirasi dari kipas angin ruangan, akan diinstalasi pada sisi kanan dan kiri mobil Bima. Hal ini bertujuan agar mobil Bima mampu memenuhi kebutuhan listriknya.
2.1.2 Penjelasan Sistem Dual-Battery Sistem Dual-Battery atau baterai ganda merupakan konsep alternatif yang ditawarkan guna menyiasati habisnya daya energi yang ada pada baterai yang digunakan mobil listrik, serta sebagai alternatif pemanfaatan baterai dengan kapasitas lebih lemah dikarenakan saat ini baterai mobil listrik tergolong mahal karena kapasitas baterai yang tinggi. Switch otomatis akan dipasang sebagai penentu alur listrik yang ditangkap oleh panel surya ataupun turbin udara untuk mengisi baterai A ataupun baterai B. Saat perjalanan, mobil akan menggunakan baterai A untuk menggerakkan motor, dan selama perjalanan itu pula energi pengisian akan dialirkan menuju baterai B (lihat jalur 2 pada gambar 2.3). Saat daya baterai A sudah habis, secara otomatis tenaga penggerak akan beralih ke baterai B, dan pada saat itu baterai A akan diisi (lihat jalur 1 pada gambar 2.3).
Gambar 2.2 Skema alur distribusi pengisian dan energi Penggerak mobil listrik
5
2.1.3 Perencanaan Turbin Udara Turbin udara akan didesain dengan pendekatan kipas angin ruangan dengan maksud pendekatan dimensi dan kemampuan turbin dengan kipas. Saat kipas angin ruangan diangkut dengan kendaraan dan terkena udara bebas, baling-baling akan berputar, dan putaran semakin cepat saat kecepatan kendaraan semakin cepat. Hal tersebut yang mendasari desain ulang turbin udara pada mobil Bima. Dalam perencanaan turbin udara pada mobil harus melakukan studi terkait kecepatan udara yang akan ditangkap, massa jenis udara yang ditangkap, serta luasan baling-baling penangkap udara. Saat ini, mobil listrik umumnya dapat melaju dengan kecepatan 0-100 km/jam. Sebagai data pengujian, kecepatan yang akan dijadikan perhitungan perbandingan adalah kecepatan 30 km/jam atau 8,33 m/s (minimum) dan kecepatan 100 km/jam atau 27,77 m/s (maksimum). Udara akan dialirkan menuju wind tunnel (terowongan udara) yang terletak di kedua sisi kanan dan kiri mobil guna memutar baling-baling turbin didalamnya.
Gambar 2.3 Desain Aerodinamicity dari kendaraan
Jenis baling-baling yang akan digunakan adalah tipe 3-bladed (3 buah balingbaling) dengan sudut kemiringan 30º, dengan panjang 7 cm/baling, serta lebar umum sepanjang 3 cm/baling. Massa jenis udara secara umum di Indonesia adalah 1,16 kg/m3. Dengan demikian, dapat dilakukan perhitungan dengan menggunakan rumus konversi energi putar ke listrik :
Ptot = mKEi =
................................................................................... (1)
6
Dimana : Ptot : Total Power (W) m : Mass-flow rate (kg/s) Vi : Incoming Velocity (m/s) gc : conversion factor = 1 kg/(N.s2) m = ρAVi .................................................................................................. (2) Dimana : ρ : Incoming wind density (kg/m3) A : cross-sectional area of stream (m2) Yang dilakukan pertama adalah menghitung m (mass-flow ratio). Maka, m = 1,16 kg/m3 x (0,0042 m2 x 3) x Vi maka mminimum = 8,458333 kg/s dan mmaks = 313.2716 kg/s
Selanjutnya masukkan pada rumus utama, Ptot =
=m
Maka didapatkan Ptot minimum = 293 Watt dan Ptot maksimum = 120.861 Watt
Gambar 2.4 Baling – baling tipe 3-Bladed
Gambar 2.5 Desain turbin angin pada mobil
yang digunakan *Desain oleh penulis, Azhar Muhammad Fuad via Autocad
7
2.1.4 Identifikasi Masalah Turbin Udara Ukuran baling-baling yang digunakan hampir sama dengan kipas ruangan biasa. Dengan demikian, muncul permasalah baru terkait dengan shaft / poros turbin. Saat ini, poros yang digunakan untuk memutar kipas ruangan memiliki diameter kecil, yakni sekitar 5-8 mm. Hal tersebut menjadi permasalahan pada mini turbin mobil Bima dikarenakan poros turbin angin tersebut tidak cukup kuat memutar gear set sehingga dapat melahirkan putaran shaft sekunder yang jauh lebih cepat daripada shaft utama. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada gambar berikut :
2.6 Gambar Komponen Dalam Turbin Udara (Sumber : http://ezkhelenergy.blogspot.com)
Pada gambar 2.6, angka 5 menunjukkan shaft utama yang berkontak langsung dengan baling-baling, dan akan memutar gear utama. Selanjutnya, gear tersebut akan memutar gear dengan gigi yang lebih sedikit dengan maksud mampu mengubah energi putaran menjadi lebih cepat (lihat angka 12). Poros putaran cepat (high-speed shaft) berfungsi untuk memaksimalkan energi yang dapat dijadikan energi listrik dengan memaksimalkan kecepatan putaran shaft. Keadaan inilah yang tak bisa dicapai turbin dengan desain awal. Oleh karena itu, penulis melakukan re-design mini
8
turbin dengan mengganti komponen shaft utama dan sekunder agar mampu dipasangi dengan gear yang sesuai.
2.1.5 Solusi Yang Ditawarkan Berkaitan dengan permasalahan shaft, penulis melakukan re-design pada shaft turbin. Material baling-baling turbin tetap menggunakan plastik, sedangkan material shaft menggunakan alumunium profil O hollow. Material tersebut memiliki sifat (material properties) yang cukup kuat dan massa yang ringan sehingga mendukung turbin yang diinginkan dapat terealisasi.
2.7 Desain Shaft Utama Turbin Udara
2.8 Desain Keseluruhan
*Desain oleh penulis, Azhar Muhammad Fuad via Catia
Profil shaft utama dan kedua menggunakan material alumunium profil O hollow, dengan berat sekitar 0,2 kg/meter untuk profil dengan diameter 20 mm dengan ketebalan 1,2 mm. Pada turbin ini, panjang shaft yang digunakan hanya sekitar 25-30 cm. Dengan demikian, massa dari shaft utama sangat ringan yakni Generator
seberat 0,06 kg, atau setara dengan 60 gram. Walaupun massa ringan, profil alumunium tersebut cukup kuat untuk memutar gear set yang ada dengan melihat material
properties
alumunium.
Pengunci-pengunci
gear serta shaft akan
menggunakan ukuran profil yang yang diameter lubangnya sama dengan ukuran
9
profil shaft yang akan dikunci bersama menggunakan baut, dan hanya memiliki panjang sekitar 2 cm mengingat fungsinya yang hanya sebatas pengunci posisi. Untuk pemutar gear, akan menggunakan plat alumunium dengan panjang menyesuaikan gear, dan akan dikunci bersama dengan profil pengunci.
2.10 Desain Gear 2.9 Desain Pengunci serta Pemutar Gear *Desain oleh penulis, Azhar Muhammad Fuad via Catia
2.2 Hasil dan Pembahasan Konsep mobil Bima memiliki berbagai macam kelebihan yang mampu mewujudkan masyarakat Indonesia yang mandiri di sektor energi. Beberapa hal tersebut antara lain : Tabel 2.1 Kelebihan mobil Bima
No
Kelebihan Mobil Bima
1
Dual-Battery System
Keterangan
Hasil Kontinuitas pengisi baterai
energi Solusi permasalah
terhadap terkait
pengisian daya baterai pada mobil listrik biasa
10
2
Panel Surya
Energi
Energi terbarukan pengisi baterai
3
Turbin Udara (Desain 1. Daya yang dihasilkan :
Energi terbarukan pengisi
ulang)
baterai
Ptot minimum : 293 Watt Ptot maksimum : 120.861 Watt
2. Berat sekitar 60 gram / Lebih shaft
efisien
dengan
berat yang ringan namun mampu memutar gear set
3. Mampu memutar gear agar
high-speed
shaft
set pencipta high-speed dapat terealisasi shaft
4
Mobil
listrik
independen
tenaga Mobil mampu mengisi Masyarakat daya baterai sendiri
Indonesia
yang mandiri di sektor energi dapat terealisasi
2.3 Penutup Dengan adanya konsep mobil llistrik Bima, sebuah alternatif terkait energi kembali hadir. Tak seharusnya masyarakat Indonesia khawatir akan krisis bahan bakar bila melihat potensi energi terbarukan yang ada saat ini. Konsep ini hadir sebagai solusi permasalahan terkait permasalahan mobil listrik pada umumnya. Tentu selain ramah lingkungan, mobil Bima sangat membantu dalam bidang energi karena dapat memberikan manfaat layaknya alat transportasi lainnya, namun tidak mengkonsumsi bahan bakar. Bila kita dapat memanfaatkan apa yang kita punya, maka masyarakat Indonesia yang mandiri dalam sektor energi bukanlah lagi sebuah angan.
11
DAFTAR PUSTAKA Administrator. 2012. Perkembangan Jumlah Kendaraan Bermotor Menurut Jenis Tahun
1987
-
2012.
http://www.bps.go.id/tab_sub/view.php?tabel=1&id_subyek=17¬ab=12 . Diakses pada tanggal 12 April 2014 Bambang Aris Sasangka. 2014. Kebutuhan Terus Meningkat, Impor Minyak Indonesia
2013
Bakal
Membengkak.
http://www.solopos.com/2013/01/06/konsumsi-bbm-kebutuhan-terusmeningkat-impor-minyak-indonesia-2013-bakal-membengkak-365108 . Diakses pada tanggal 12 April 2014 Ezkhel.
2011.
Pembangkit
Listrik
Tenaga
Angin.
http://ezkhelenergy.blogspot.com/2011/07/pembangkit-listrik-tenagaangin.html. Diakses pada 23 Maret 2014 M. M. El-wakil. 1985. Powerplant Technology. McGraw-Hill Book Company Rista Rama Dhany. 2013. Cadangan Minyak Dunia Habis 53 Tahun Lagi. http://finance.detik.com/read/2013/12/03/155024/2431263/1034/cadanganminyak-dunia-habis-53-tahun-lagi. Diakses pada tanggal 12 April 2014
