STUDI KARAKTERISTIK ENERGI YANG DIHASILKAN MEKANISME PEMBANGKIT SINYAL LISTRIK AKIBAT BEBAN IMPAK DENGAN METODE PIEZOELECTRIC Alain irjik Program Sarjana Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya E-mail:
[email protected] Abstrak Sebagai alternatif dari keterbatasan energi fosil, manusia mencoba untuk menciptakan beberapa alat pemanen energi (energy harvesting) dengan mengubah energi yang tidak termanfaatkan menjadi energi yang berguna bagi kehidupan. Beban impak yang terjadi pada suatu benda menyimpan potensi energi yang dapat dibangkitkan dan dapat dijadikan energi alternatif. Pada Tugas Akhir ini dilakukan studi karakteristik tentang besarnya energi yang dihasilkan oleh piezoelectric material yang dikenakan gaya tekan dari pegas dan putaran disk yang berputar . Posisi peletakan piezoelectric material yaitu dengan arah lateral. Parameter yang divariasikan adalah Clearence antara body penekan dan piezoelectric, jumlah lapisan piezoelectri, dan frekuensi gaya tekan yang berasal dari putaran motor sebesar 100rpm, 150rpm dan 200rpm. Dari Penelitian ini didapat alternatif pembangkit sinyal listrik akibat beban impak dengan metode piezoelektric. Pada clearence 6 mm dengan jumlah lapisan 3 dan frekuensi 200 rpm memiliki nilai voltase bangkitan terbesar yaitu 411.12 mV tetapi hanya memiliki arus bangkitan yang relatif kecil yaitu 2.3 µ A. Kata kunci : Getaran, piezoelectric, gaya tekan, beban impak I.1 Latar Belakang Semangat pencarian energi baru pada era modernisasi seperti saat ini semakin mencuat karena juga didorong oleh situasi global yang mengindikasikan cadangan energi fosil (khususnya minyak bumi) makin lama makin menipis karena sifatnya yang tak terbarukan. Sebagai alternatif dari keterbatasan energi fosil, manusia mencoba untuk menciptakan beberapa alat pemanen energi (energy harvesting). Energy Harvesting adalah proses dimana energi berasal dari sumber eksternal (tenaga surya, energi panas, energi angin, salinity gradients, energi potensial, dan energi kinetik), ditangkap, dan dikonversikan menjadi energi listrik ataupun sinyal listrik yang akan berguna untuk peralatan lainnya. Sumber external yang berupa energy kinetic tersebut sering dijumpai dalam kehidupan sehari-hari salah satu contohnya adalah pada saat kendaraan melintasi polisi tidur (speed bump) akan terjadi beban impak pada kendaraan. Beban impak yang terjadi disebabkan oleh energy kinetic yang berasal dari kendaraan yang melaju melintasi speed bump . beban impak tersebut memiliki gaya yang sangat besar, dan terjadi dalam waktu yang relative singkat. Sedangkan frekuensinya mempunyai frekuensi yang rendah . Dari permasalahan diatas munculah ide untuk memanfaatkan beban impak tersebut untuk mendapatkan sinyal listrik yang tidak kontinyu dan merubah frekuensi rendah menjadi frekuensi tinggi. Dengan frekuensi yang tinggi, sinyal listrik yang dihasilkan menjadi kontinyu,
sehingga energi listrik yang dihasilkan dapat digunakan. Sedangkan metode piezoelectric dipilih dalam penelitian ini, disebabkan karena bentuknya yang kompak dan lebih sederhana dibandingkan metode yang lain. Pada penelitian Tugas Akhir ini akan dilakukan studi karakteristik energi yang dihasilkan mekanisme pembangkit sinyal listrik akibat beban impak dengan metode piezoelektrik. Dengan memvariasikan jumlah lapisan Piezoelectric, frekuensi motor dan Clearence maka didapat perbedaan besar sinyal listrik yang dihasilkan dari beberapa variasi yang berbeda. II.
Tinjauan Pustaka Apabila sebuah benda A terpasang pada titik diam B oleh sebuah pegas. Diasumsikan pegas tersebut tidak mengalami peregangan saat benda A berada pada A o (Gambar 1).
(Sumber: Ferdinand, “Vector Mechanics – Kinematics & Dynamics” Sixth Edition.2003) Hal ini dilakukan dengan menghitung nilai F 1 dan F 2 dan dikalikan dengan∆x dari trapesium dimana berarti tinggi ½( F 1 + F 2 ). Apabila gaya F adalah positif dari nilai negative∆x, maka persamaan dapat ditulis menjadi U 1-2 = - ½( F 1 + F 2 ) ∆x III. III.1. Gambar 1 Gaya yang disebabkan oleh pegas (Sumber: Ferdinand, “Vector Mechanics – Kinematics & Dynamics” Sixth Edition.2003)
Metodologi Rancangan eksperimen Setelah ditentukan permodelan mekanisme dan perencanaan pengujian yang akan dilakukan, langkah selanjutnya adalah merancang bagaimana merealisasikan rancangan atau desain tersebut. Adapun rancangan mekanisme yang telah direncanakan adalah sebagai berikut :
Percobaan eksperimen menunjukkan bahwa besar gaya F yang disebabkan oleh pegas pada benda A adalah sebandingdengan defleksi x yang dialami pegas dari posisi A o . Maka didapat F = kx Dimana k adalah konstanta pegas, dengan satuan N/m jika sistem satuan yang digunakan adalah SI, dan lb/ft atau lb/in jika sistem satuan yang digunakan adalah US. Gaya F yang disebabkan oleh spring selama peregangan dari benda A1(x = x 1 ) ke A2(x = x 2 ) didapat dari dU = - F dx = -kx dx U 1-2 = - x1 ∫x2 kx dx = ½kx 1 2 – ½kx 2 2
Gambar 3 Rancangan Mekanisme yang Sedang Diukur Dengan Oscilloscope III.2.
Gambar Skema Peralatan
Dimana persamaan tersebut adalah garis lurus dengan kemiringan k, maka U 1-2 dari F selama peregangan dari A 1 ke A 2 bisa didapat dari evaluasi trapesium yang ditunjukkan gambar 2.2.2.
Gambar 4 Gambar seluruh skema pengujian alat yang akan dilakukan
Gambar 2 Grafik Fspring vs ∆x
III.3. Flowchart Perancangan dan Pembuatan Alat IV. Hasil Percobaan Hasil percobaan di plotkan dalam bentuk grafik yang akan di analisa sbb:
Start
Studi Literatur
Perencanaan dan Perancangan kontruksi alat
IV.1 Analisa Grafik Voltase Bangkitan Dari data yang didapat dari hasil pengujian voltase bangkitan untuk piezomaterial dengan 3 susunan piezomaterial akan dibuat menjadi satu grafik sebagai berikut untuk menganalisa hubungan antara variasi clearance dan frekuensi pada body penekan yang digunakan terhadap voltase yang dibangkitkan.
Penentuan massa dari peralatan dan kekakuan Pegas yang dipakai
Pemilihan Motor dan Adaptor
Pembelian bahan baku
pemesinan
perakitan
Grafik Voltase vs Clearence Pengujian 3 susunan
Voltase (mV)
Pengujian Mekanisme
Pemasangan Piezoelectric
selesai
500 400 300 200 100 0
120 rpm 180 rpm 240 rpm
2
III.3. Flowchart Pengambilan Data
4
6
Clearence (mm)
Mulai
Persiapan Peralatan
Gambar 4.8 Voltase Bangkitan pada Piezomaterial 3 susunan
Pasang disk = 15 mm ke motor DC
Atur Clearence n=2 mm
Atur Jumlah Lapisan n=1
Sambungkan Motor DC Dengan Variable Adaptor
Nyalakan Osciloscope
Atur Kecepatan Motor Dengan Adaptor n=100rpm
Sambungkan Probe Osciloscope dengan Piezoelectric
n=n+2
n = n + 50
Nyalakan Motor
Ambil Data Stroboscope
Ambil Data Amperemeter
Matikan Motor
n=200
n=3
n=6
Matikan Osciloscope, Stroboscope
Perbandingan Voltase dan Arus Bangkitan antara 1,2, dan 3 lapisan
Selesai
n = n+1
Ambil Data Osciloscope Sebanyak 3 Kali
Dari data yang didapat seperti ditunjukkan grafik diatas, Voltase bangkitan yang dihasilkan pada mekanisme piezomaterial 3 susunan dengan frekuensi body penekan 120 rpm pada Clearence 2 mm sebesar 142.39 mV, pada Clearence 4 mm sebesar 153.65 mV, dan pada Clearence 6 mm sebesar 264.77 mV. Voltase bangkitan yang dihasilkan pada mekanisme piezomaterial 3 susunan dengan frekuensi body penekan 180 rpm pada Clearence 2 mm sebesar 157.145 mV, pada Clearence 4 mm sebesar 204.72 mV, dan pada Clearence 6 mm sebesar 321.312 mV. Voltase bangkitan yang dihasilkan pada mekanisme piezomaterial 3 susunan dengan frekuensi body penekan 240 rpm pada Clearence 2 mm sebesar 169.91 mV, pada Clearence 4 mm sebesar 229.16 mV, dan pada Clearence 6 mm sebesar 411.24 mV. Dapat disimpulkan dari keseluruhan grafik diatas bahwa semakin besar Clearence yang digunakan akan semakin memperbesar Voltase yang dibangkitkan. Penjelasan ini didukung dengan persamaan : 2 𝐹𝐹(𝑡𝑡). 𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋 𝑉𝑉 = 𝑘𝑘31� 𝐶𝐶 Sesuai persamaan tersebut, voltase yang dibangkitkan piezomaterial berbanding lurus dengan
gaya tekan yang dikenakan pada piezomaterial. Sedangkan gaya tekan memiliki persamaan sebagai berikut : F(t) = m {- ω b 2 Xb sin (ω b t – θ)} + 3K { Xb Sin (ω b t – θ)}- 3k {y b Sin (ωt)} Pada persamaan tersebut frekuensi body penekan (ω b )dan frekuensi motor (ω) tidak berbanding lurus dengan gaya tekan, akan tetapi frekuensi body penekan (ω b ) dan frekuensi motor (ω) bersama dengan waktu membentuk sebuah sinusoidal dimana itu berarti hasil yang disebabkan sangat fluktuatif. Dan dari grafik percobaan diatas dapat disimpulkan bahwa semakin besar frekuensi body penekan (ω b ) maka akan semakin besar pula voltase yang dibangkitkan.
6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00
Grafik Arus Bangkitan vs Clearence (240 rpm)
1 piezo
2 piezo
IV.2 Analisa Grafik Daya Bangkitan Dari data yang didapat dari hasil pengujian daya yang dihasilkan untuk mekanisme dengan frekuensi 1240 rpm akan dibuat menjadi satu grafik sebagai berikut untuk menganalisa hubungan antara variasi susunan piezoelectric material dan Clearence yang digunakan terhadap daya Output yang dihasilkan.
3 piezo
2
4 Clearence (mm)
Grafik Daya Output Pada Frekuensi 240 rpm
6
Gambar 4.11 Arus Bangkitan pada Piezomaterial dengan frekuensi Body Penekan (ω b ) 240 rpm Dari data yang didapat seperti ditunjukkan grafik diatas, Arus bangkitan yang dihasilkan pada mekanisme dengan Frekuensi penekan 240 Rpm dengan Clearence 2mm, 4mm, dan 6mm pada 1 susunan membangkitkan arus secara berturut - turut sebesar 3.2μA, 2.47μA, dan 2.1μA. Pengambilan data dengan Clearence 2mm, 4mm, dan 6mm pada 2 susunan membangkitkan arus secara berturut - turut sebesar 4.5μA, 2.23μA, dan 2.1μA. Dan pengambilan data dengan Clearence 2mm, 4mm, dan 6mm pada 3 susunan membangkitkan arus secara berturut - turut sebesar 5.4μA, 2.7μA, dan 2.4μA. Dari keseluruhan analisa grafik arus bangkitan diatas dilihat bahwa arus yang dihasilkan menurun seiring dengan bertambahnya Clearence. Hal ini terjadi sesuai prinsip elektrostatis piezoelectric material, bahwa ketika piezoelectric material mengalami defleksi, ia akan
10,00
Daya Output (µW)
Arus (µA)
IV.2 Analisa Grafik Arus Bangkitan Dari data yang didapat dari hasil pengujian arus bangkitan untuk mekanisme dengan frekuensi 240 rpm akan dibuat menjadi satu grafik sebagai berikut untuk menganalisa hubungan antara variasi susunan piezoelectric material dan Clearence yang digunakan terhadap arus yang dibangkitkan.
mempunyai beda tegangan dan menghasilkan arus listrik. Tetapi arus listrik hanya muncul tepat saat defleksi itu terjadi. Apabila setelah defleksi tersebut piezoelectric material tidak mengalami defleksi lagi (statis), maka arus yang dihasilkan oleh piezoelectric material sangatlah kecil walaupun beda tegangan besar. Hal tersebut dikarenakan karena Hambatan-hambatan (R loss )yang terdapat pada piezo juga semakin besar. Oleh karena itu semakin jarang terjadinya defleksi pada pezoelectric material, akan semakin kecil pula arus yang dihasilkan. Sesuai dengan data hasil percobaan pada penelitian ini, terlihat semakin besar Clearence antara Body penekan dengan Piezoelectric, maka akan terjadi penurunan arus listrik yang dihasilkan secara signifikan. Pada grafik juga dapat dilihat bahwa semakin banyak lapisan susunan piezomaterial, arus yang dihasilkan juga meningkat. Hal ini karena adanya akumulasi arus listrik yang dihasilkan tiap – tiap piezoelectric material, sehingga arus listrik yang dihasilkan semakin besar walau peningkatannya tidak begitu signifikan.
1 Lapisan
8,00
2 lapisan 3 lapisan
6,00 4,00 2,00 2
4 Clearenece (mm)
6
Gambar 4.14 Grafik Daya Output Yang dihasilkan dari Piezomaterial Pada Frekuensi 240 rpm Dari data yang didapat seperti ditunjukkan grafik diatas, Daya yang dihasilkan pada mekanisme dengan Frekuensi penekan 240 Rpm dengan Clearence 2mm, 4mm, dan 6mm pada 1 susunan membangkitkan Daya secara berturut - turut sebesar 4.95 μW,5.11 μW, dan 5.17 μW. Pengambilan data dengan Clearence 2mm, 4mm, dan 6mm pada 2 susunan membangkitkan daya secara berturut - turut sebesar 7.14 μW, 7.23 μW, dan 7.35 μW. Dan pengambilan data dengan Clearence
2mm, 4mm, dan 6mm pada 3 susunan membangkitkan daya secara berturut - turut sebesar 8.89μW, 8.92μW, dan 9.43μW. Dari keseluruhan analisa grafik Daya yang dihasilkan oleh Piezomaterial diatas dilihat bahwa Daya yang dihasilkan mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya Clearence walau peningkatannya tidak begitu signifikan. Hal ini terjadi karena meskipun Arus bangkitan yang dihasilkan menurun seiring dengan bertambahnya jarak clearence akan tetapi peningkatan voltase bangkitan yang dihasilkan jauh lebih besar dibandingkan dengan penurunan arus bangkitan yang terjadi Pada grafik juga dapat dilihat bahwa semakin banyak lapisan susunan piezomaterial, daya yang dihasilkan juga meningkat. Hal ini terjadi karena adanya akumulasi arus listrik dan Voltase bangkitan yang dihasilkan tiap – tiap piezoelectric material, sehingga daya yang dihasilkan semakin besar walau peningkatannya tidak begitu signifikan.
V.
Kesimpulan Dari percobaan yang dilakukan serta pembahasan terhadap data yang didapatkan, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Dari hasil perhitungan dan pengukuran didapatkan bahwa semakin besar kecepatan putaran motor maka voltase dan arus bangkitan yang dihasilkan juga semakin besar. Hal tersebut disebabkan karena semakin besar kecepatan putaran motor maka defleksi yang terjadi pada piezoelectric semakin sering terjadi. 2. Dari hasil pengukuran didapatkan bahwa semakin banyak lapisan piezoelectric maka voltase dan arus bangkitan yang dihasilkan juga semakin besar. 3. Dari hasil perhitungan dan pengukuran didapatkan semakin besar clearance antara body penekan dan piezoelectric maka semakin besar voltase bangkitan yang dihasilkan, Tetapi arus bangkitan yang dihasilkan semakin kecil. 4. Dari keseluruhan hasil perhitungan voltase dan arus bangkitan yang dihasilkan didapatkan Daya keluaran yang terjadi mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya Clearence walau peningkatannya tidak begitu signifikan.
DAFTAR PUSTAKA 1. D. Dimargonas, Andrew, “Vibration for Engineers”, Prentice Hall PTR, New jersey, 2002. 2. Ferdinand, “Vector Mechanics – Kinematics & Dynamics” Sixth Edition. McGraw-Hill, New York,2003. 3. Kinbrell, Jack T., “Kinematics Analysis and Synthesis”, McGraw-Hill Inc, New York, 1991. 4. S. Rao, Singiresu, “Mechanical Vibration”, Prentice Hall PTR, Singapore, 2004. 5. Yang, Jiashi, “An Introduction To The Theory of Piezoelectricity”, Springer Science+Business Media Inc., Boston. 2005. 6. Tichi, Jan, “Fundamental of Piezoelectric Sensorics”, Springer Science+Business Media Inc., Boston. 2010. 7. Keawboonchuay, C, “Exploration of High Power Piezoelectric Kinetic to Electrical Energy Converter”, M.S. thesis, University of Missouri., Columbia, 2000.
