STUDI KARAKTERISTIK ENERGI YANG DIHASILKAN MEKANISME VIBRATION ENERGY HARVESTING DENGAN METODE PIEZOELECTRIC UNTUK PEMBEBANAN FRONTAL DAN LATERAL Andy Noven Krisdianto
Wiwiek Hendrowati, ST. MT
Prof. Ir. I. N. Sutantra, M.Sc., Ph.D.
JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2011
Abstrak Energi tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat berubah bentuk dari energi satu ke energi lainnya. Hal ini menyebabkan manusia berusaha mencari energi baru dengan mengubah energi yang tidak termanfaatkan menjadi energi yang berguna bagi kehidupan. Getaran pada suatu benda menyimpan potensi energi yang dapat dibangkitkan dan dapat dijadikan energi alternatif. Piezoelectric material adalah material yang apabila dikenai tegangan mekanik akan mengalami deformasi sehingga dapat menghasilkan energi listrik. Berdasar sifat tersebut pada Tugas Akhir ini piezoelectric material akan dikenai gaya tekan yang berasal dari pegas dan putaran disk yang berputar secara eksentrik. Parameter yang divariasikan adalah gaya tekan arah frontal dan lateral, frekuensi gaya tekan yang berasal dari putaran motor sebesar 100rpm, 150rpm, 200rpm, 250rpm, 300rpm, 350rpm dan 400rpm. Dari pengujian tersebut kemudian akan dicari voltase bangkitan dan arus yang dihasilkan. Dari Penelitian ini didapatkan bahwa semakin tinggi kecepatan motor maka voltase bangkitan dan arus yang dihasilkan akan semakin besar. Disamping itu dari perhitungan dan percobaan didapatkan bahwa arah pembebanan lateral menghasilkan voltase bangkitan lebih tinggi daripada arah pembebanan frontal, tetari arus yang dihasilkan arah pembebanan frontal lebih tinggi daripada arah pembebanan lateral. Kata Kunci : Getaran, piezoelectric, gaya tekan Latar Belakang Energi yang kekal telah lama diyakini orang. Sebagaimana mengacu pada hukum kekekalan energi dan hukum pertama termodinamika yang menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, energi hanya dapat berubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya. Hukum alam inilah yang memotivasi manusia untuk terus berusaha memanfaatkan energi yang ada disekitar baik terbuang secara percuma maupun yang belum termanfaatkan untuk menjadi sumber energi baru yang berguna bagi kehidupan. Semangat pencarian energi baru makin 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. Salah satu media converter energi harvesting yang dikembangkan saat ini adalah material piezoelectric. Piezoelektric mengubah strain mekanik menjadi arus listrik atau voltase. Sebagian besar sumber listrik piezoelektric
menghasilkan daya pada ukuran miliwatt. Daya dalam ukuran miliwatt masih terlalu kecil untuk aplikasi sistem, tapi cukup untuk perangkat genggam seperti beberapa jam tangan otomatis tersedia secara komersial. Namun masih diperlukan daya dan voltase yang lebih besar lagi. Hingga saat ini masih perlu dipelajari bagaimana cara mendapatkan energi listrik yang lebih besar dari material piezoelectric. Pada penelitian Tugas Akhir ini akan dibuat rancang bangun mekanisme vibrasi energi dengan metode piezoelectric untuk pembebanan tekan arah frontal dan lateral. Sehingga didapat perbedaan besar energi yang dihasilkan dari dua variasi pembebanan yang berbeda. Selain itu juga akan diteliti pengaruh besarnya frekuensi terhadap energi yang dapat dihasilkan. 1.2 Perumusan Masalah Dalam Tugas Akhir ini akan dilakukan beberapa hal, diantaranya : 1. Rancang bangun vibrasi energy harvesting metode piezoelectric dengan pembebanan tekan arah frontal dan lateral. 2. Voltase yang dapat dibangkitkan dari mekanisme vibrasi energy harvesting akibat pengaruh pembebanan tekan arah frontal dan lateral.
3. Voltase yang dapat dibangkitkan dari mekanisme vibrasi energy harvesting akibat pengaruh frekuensi 1.3 Tujuan Penulisan Tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah : 1. Membuat prototip alat penekan piezoelectric dengan pembebanan tekan arah frontal dan lateral. 2. Pengaruh pembebanan tekan arah frontal dan lateral. 3. Pengaruh frekuensi terhadap voltase. 1.4 Batasan Masalah Agar permasalahan tidak terlalu meluas, maka perlu diberikan batasan masalah, diantaranya : 1. Energi listrik yang dihitung adalah voltase listrik dan daya yang dihasilkan. 2. Gaya tekan yang terjadi dianggap gaya terdistribusi pada piezoelectric. 3. Parameter yang divariasikan adalah jenis pembebanan tekan dan frekuensi. 4. Tidak ada lonjakan antara disk eksentrik dengan tuas penekan. 5. Oscilloscope, dan motor DC digunakan dalam keadaan normal. 6. Gaya tekan yang divariasikan hanya frontal dan lateral. 1.5 Manfaat Penulisan Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini antara lain: 1. Mengetahui karakteristik energi yang dihasilkan mekanisme vibrasi energy harvesting untuk variasi pembeban tekan arah frontal dan lateral. 2. Mengetahui karakteristik energi yang dihasilkan mekanisme vibrasi energy harvesting untuk variasi frekuensi.
Gambar 2.1 Gaya yang disebabkan oleh pegas (Sumber: Ferdinand, “Vector Mechanics – Kinematics & Dynamics” Sixth Edition.2003) Percobaan eksperimen menunjukkan bahwa besar gaya F yang disebabkan oleh pegas pada benda A adalah sebandingdengan defleksi x yang dialami pegas dari posisi Ao. Maka didapat F = kx (2.1) 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 = x1) ke A2(x = x2) didapat dari dU = - F dx = -kx dx U1-2 = - x1∫x2 kx dx = ½kx12 – ½kx22 (2.2) Dimana persamaan tersebut adalah garis lurus dengan kemiringan k, maka U1-2 dari F selama peregangan dari A1 ke A2 bisa didapat dari evaluasi trapesium yang ditunjukkan gambar 2.2.
BAB II KAJIAN DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Gaya Pegas Apabila sebuah benda A terpasang pada titik diam B oleh sebuah pegas. Diasumsikan pegas tersebut tidak mengalami peregangan saat benda A berada pada Ao (Gambar 2.1).
Gambar 2.2 Grafik Fspring vs ∆x
(Sumber: Ferdinand, “Vector Mechanics – Kinematics & Dynamics” Sixth Edition.2003) Hal ini dilakukan dengan menghitung nilai F1 dan F2 dan dikalikan dengan ∆x dari trapesium dimana berarti tinggi ½( F1 + F2). Apabila gaya F adalah positif dari nilai negative ∆x, maka persamaan dapat ditulis menjadi U1-2 = - ½( F1 + F2) ∆x 2.3 Gerak Harmonik Gerak osilasi dapat berulang secara teratur, seperti pada roda pengimbang arloji atau juga sangat tidak teratur seperti pada gempa bumi. Jika gerak tersebut berulang dalam selang waktu yang sama ( τ ), maka disebut gerak periodik. Waktu pengulangan τ disebut periode osilasi dan kebalikannya, f =
1
τ
x = A sin ωt Besaran ω diukur dalam radian per detik dan disebut frekuensi lingkaran. Karena gerak berulang dalam 2π radian, maka didapat hubungan :
ω=
2π
τ
= 2πf
Kecepatan dan percepatan gerak harmonik dapat diperoleh secara mudah dengan menurunkan persamaan 2.5, sehingga didapat :
x& = ωA cos ωt = ωA sin(ωt +
π
) 2 &x& = −ω 2 A sin ωt = ω 2 A sin(ωt + π )
yang disebut frekuensi.
Bentuk gerak periodik yang paling sederhana adalah gerak harmonik Hal ini dapat diperagakan dengan sebuah massa yang digantung pada sebuah pegas seperti terlihat pada gambar 2.5. Jika massa tersebut dipindahkan dari posisi diam dan dilepaskan, maka massa tersebut akan berosilasi naik turun. Dengan menempatkan suatu sumber cahaya pada massa yang berosilasi, maka geraknya dapat direkam pada suatu keping film peka cahaya yang bergerak pada kecepatan konstan.
Gambar 2.5. Rekaman gerak harmonik Gerakan yang terekam pada film dapat dinyatakan oleh persamaan :
x = A sin 2π
t
τ
dengan A adalah amplitudo atau simpangan terbesar diukur dari posisi setimbang dan, τ adalah periode. Gerak diulang pada t = τ . Gerak harmonik sering dinyatakan sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak melingkar dengan kecepatan konstan terhadap suatu garis lurus seperti ditunjukkan pada gambar 2.14. Dengan kecepatan sudut garis op sebesar ω, perpindahan simpangan x dapat dituliskan sebagai :
Gambar 2.6. Proyeksi gerak harmonik pada lingkaran Dalam gerak harmonik kecepatan dan percepatan juga harmonik dengan frekuensi osilasi yang sama tetapi mendahului simpangan berturut-turut dengan π/2 dan π radian. Dari gambar 2.7, terlihat bahwa pada saat simpangan berharga maksimum dan minimum, kecepatan berharga nol dan saat simpangan berharga nol, maka kecepatan berharga maksimum dan minimum. Sedangkan pada percepatan, ketika simpangan berharga maksimum, maka percepatan berharga minimum dan sebaliknya ketika simpangan berharga nol maka percepatan juga berharga nol.
2.4.2 Piezoelectric Constants Keramik piezoelectric merupakan material yang anisotropic. Untuk itu diperlukan konstanta phisik yang dapat menyatakan hubungan antara arah gaya mekanik dan gaya listrik yang diberikan atau dihasilkan. Hubungan tersebut tergantung dari sifat keramik piezoelectric, ukuran dan bentuk elemen, serta arah dari eksitasi mekanik atau elektrik. Identifikasi arah pada elemen piezoceramic mengacu pada 3 sumbu yang analog dengan sumbu X, Y dan Z pada sistem sumbu ortogonal. Untuk gaya / tegangan normal ketiga sumbu yang bersesuaian dengan sumbu X, Y, Z dinotasikan sebagai 1, 2, dan 3. Sedangkan untuk gaya / tegangan geser, ketiga sumbu koordinat tersebut direpresentasikan oleh subscript 4,
5, dan 6. Pada umumnya polarisasi keramik ditentukan sejajar dengan sumbu 3, yang mana arah polarisasi tersebut ditetapkan selama proses produksi untuk mengaktifkan material. Pendefinisian konstanta piezoelectric biasanya ditandai dengan dua buah subscript. Subscript pertama menyatakan arah medan listrik yang berhubungan dengan voltase atau arus listrik yang diberikan atau yang dihasilkan, yaitu sumbu 3. Sedangkan subscript kedua menyatakan arah tegangan atau regangan mekanik, yang dalam hal ini merupakan arah yang searah dengan serat material atau arah yang tegak lurus terhadap bidang yang dibentuk oleh sumbu 3 dan sumbu yang searah dengan serat material.
Gambar 2.13 Definisi Arah Pada Elemen Piezoelectric Beberapa konstanta material piezoceramic ditandai dengan superscript yang menyatakan spesifikasi kondisi mekanik dan elektrik. Superscript yang digunakan adalah T, S, E, dan D yang menyatakan T : tegangan konstan (sistem bebas secara mekanik) S : regangan konstan (sistem dibatasi secara mekanik) E : medan listrik konstan (short circuit) D : perpindahan elektrik konstan (open circuit) Sebagai contoh, KT3 menyatakan konstanta dielectric relatif diukur dalam arah polarisasi (3), pada tegangan konstan.
Beberapa definisi tentang konstanta beserta persamaan yang sering digunakan dipaparkan pada uraian berikut. b. Piezoelectric Voltage Constant Piezoelectric voltage constant, g, adalah medan listrik yang dibangkitkan oleh material piezoelectric per-unit tegangan mekanik yang diberikan, atau regangan mekanik yang ditunjukkan oleh material piezoelectric per-unit perpindahan listrik yang diberikan. Sebagai contohnya, g31 : medan listrik yang terinduksi pada arah 3 (paralel terhadap arah polarisasi elemen) per unit tegangan normal yang diberikan pada arah 1, atau regangan yang terjadi dalam arah 1 per-unit perpindahan listrik yang diberikan pada arah 3 g33 : medan listrik yang terinduksi pada arah 3 (paralel terhadap arah polarisasi elemen) per-unit tegangan normal yang diberikan pada arah 3, atau regangan yang terjadi dalam arah 3 per-unit perpindahan listrik yang diberikan pada arah 3 g15 : medan listrik yang terinduksi pada arah 1 (tegak lurus terhadap arah polarisasi elemen) per-unit tegangan geser yang diberikan pada arah 2 (tegak lurus terhadap arah polarisasi elemen) atau regangan geser yang terjadi dalam arah 2 per-unit perpindahan listrik yang diberikan pada arah 1 Formula umum untuk piezoelectric voltage constant (47) adalah g = d / ε T Dan jika diterapkan pada konstanta yang disebutkan diatas menjadi g31 = d 31 / ε T 33
g 33 = d 33 / ε T 33 g15 = d15 / ε T 11 dimana g (Vm/N) d
ε
:
piezoelectric
voltage
constant
: piezoelectric charge constant (C/N) : permittivity (f/m)
3.1.4 Perancangan dan Pembuatan Mekanisme 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 3.1.5 Pengujian Mekanisme Pengujian akan dilakukan setelah mekanisme telah selesai dibuat. Mekanisme harus berjalan sesuai permodelan, jika tidak maka diperlukan Permodelan kembali, dan kemudian melakukan perubahan pada perencanaan pengujian dan pada mekanisme. Perbaikan akan terus dilakukan hingga tercapai kondisi yang sangat mendekati permodelan awal.
Gambar 3.6 Pengujian Mekanisme Alat Uji Tekan Piezoelectric 3.1.6 Pengambilan Data dan Perhitungan Teoritis Apabila Mekanisme sudah memenuhi permodelan awal, maka pengambilan data berupa voltase bangkitan dan arus dapat dilakukan. Berbagai variasi yang akan dilakukan adalah jenis pembebanan tekan, frekuensi, dan putaran dari motor DC. Tidak lupa perhitungan secara teoritis juga akan dilakukan. Hal ini dilakukan dengan tujuan untuk membandingkan antara hasil secara praktik dengan secara teoritis. Sehingga apabila terjadi perbedaan yang sangat jauh, berarti terdapat suatu kesalahan dalam mekanisme, maupun dalam proses pengambilan data. Dengan demikian bila ada kesalahan dapat segera diatasi. 3.1.7 Analisa dan Pembahasan Setelah dilakukan pengambilan data dan perhitungan teoritis maka peril dilakukan analisa dan pembahasan. Dalam analisa dan pembahasan akan ditentukan jenis pembebanan yang paling efektif dan memiliki voltase bangkitan dan arus yang paling besar. 3.1.8 Kesimpulan Dalam kesimpulan akan diberikan analisa fenomena apa yang terjadi dari tugas akhir dan bagaimana tren yang
ada dari sejumlah data yang diambil. Dengan memiliki data yang diambil langsung secara praktik dan data yang didapat dari perhitungan teoritis, maka kita akan mendapatkan perbedaan dari kedua data tersebut. Dan dari perbedaan tersebut akan dapat dicari penyebab perbedaan tersebut. BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN
Dalam proses pengambilan data dilakukan dengan menggunakan alat digital oscilloscope sebagai alat pengukur voltase yang dibangkitkan oleh mekanisme pemanen energy. Mekanisme dijalankan oleh motor DC dengan kecepatan putar poros motor antara 100 rpm – 400 rpm. Mekanisme ini akan menghasilkan energi yang dapat dipanen yaitu berupa voltase dan arus yang terbangkitkan pada spesimen uji yang berupa piezoelectric material. Jenis piezoelectric material yang digunakan berupa PVDF (polyvinylidene fluoride). Spesimen uji akan divariasikan arah tekanannya, yaitu arah frontal dan arah lateral. Pengambilan data dilakukan sebanyak 3 kali untuk setiap variasi kecepatan dan variasi arah tekanan pada mekanisme pemanen energi getaran. Hasil dari pengambilan data yang didapat adalah berupa data voltase dan arus yang dipanen dalam bentuk excel dan diolah hingga mendapatkan grafik yang menunjukkan perbandingan hasil dari 2 (dua) variasi arah tekanan dan 7 (tujuh) variasi kecepatan poros. Dari hasil pengujian ini akan diperoleh 14 (empat belas) data voltase dan arus yang dihasilkan oleh mekanisme pemanen energi getaran. Hasil pengujian dapat dilihat pada sub bab dibawah ini. 4.4 Analisa Grafik 4.4.1 Analisa Grafik Voltase Bangkitan 4.4.1.1 Voltase Bangkitan Pengujian pada Arah Pembebanan Frontal Aktual Dari pengujian pada penelitian yang telah dilakukan pada mekanisme alat ukur Digital Oscilloscope, didapat output voltase bangkitan mekanisme pada putaran motor dengan kecepatan 100 rpm hingga 400 rpm seperti yang ditunjukkan grafik berikut ini:
Gambar 4.16 Grafik Voltase vs Putaran Motor pada Arah Pembebanan Frontal Dari data seperti yang didapat seperti ditunjukkan grafik diatas, Voltase bangkitan rata-rata yang dihasilkan pada piezoelectric material arah pembebanan frontal pada putaran motor 100 rpm didapat voltase bangkitan rata-rata 46.623 mV, pada putaran motor 150 rpm didapat voltase bangkitan ratarata 55.84 mV, pada putaran motor 200 rpm didapat voltase bangkitan rata-rata 64.157 mV, pada putaran motor 250 rpm didapat voltase bangkitan rata-rata 73.943 mV, pada putaran motor 300 rpm didapat voltase bangkitan rata-rata 84.887 mV, pada putaran motor 350 rpm didapat voltase bangkitan rata-rata 93.793 mV, dan pada putaran motor 400 rpm didapat voltase bangkitan rata-rata 107.68 mV. Dapat disimpulkan bahwa semakin besar kecepatan putaran motor akan semakin memperbesar voltase yang dibangkitkan. Penjelasan ini didukung dengan persamaan:
Sesuai persamaan tersebut, voltase yang dibangkitkan piezoelectric material berbanding lurus dengan gaya tekan yang dikenakan piezoelectric material. Sedangkan gaya tekan memiliki persamaan sebagai berikut: Persamaan gaya tekan berbanding lurus dengan kecepatan sudut mekanisme. Hal ini dikarenakan semakin besar kecepatan sudut, maka semakin besar pula voltase bangkitan rata-rata yang dihasilkan. 4.4.1.2 Voltase Bangkitan Pengujian pada Arah Pembebanan Lateral Aktual Dari pengujian pada penelitian yang telah dilakukan pada mekanisme alat ukur Digital Oscilloscope, didapat output voltase bangkitan mekanisme pada putaran motor dengan kecepatan 100 rpm hingga 400 rpm seperti yang ditunjukkan grafik berikut ini:
Gambar 4.17 Grafik Voltase vs Putaran Motor pada Arah Pembebanan Lateral Dari data seperti yang didapat seperti ditunjukkan grafik diatas, Voltase bangkitan rata-rata yang dihasilkan pada piezoelectric material arah pembebanan frontal pada putaran motor 100 rpm didapat voltase bangkitan rata-rata 52.247 mV, pada putaran motor 150 rpm didapat voltase bangkitan ratarata 63.303 mV, pada putaran motor 200 rpm didapat voltase bangkitan rata-rata 74.017 mV, pada putaran motor 250 rpm didapat voltase bangkitan rata-rata 81.22 mV, pada putaran motor 300 rpm didapat voltase bangkitan rata-rata 94.513 mV, pada putaran motor 350 rpm didapat voltase bangkitan rata-rata 109.533 mV, dan pada putaran motor 400 rpm didapat voltase bangkitan rata-rata 124.813 mV. Dapat disimpulkan bahwa semakin besar kecepatan putaran motor akan semakin memperbesar voltase yang dibangkitkan. Penjelasan ini didukung dengan persamaan: Sesuai persamaan tersebut, voltase yang dibangkitkan piezoelectric material berbanding lurus dengan gaya tekan yang dikenakan piezoelectric material. Sedangkan gaya tekan memiliki persamaan sebagai berikut: Persamaan gaya tekan berbandinglurus dengan kecepatan sudut mekanisme. Hal ini dikarenakan semakin besar kecepatan sudut, maka semakin besar pula voltase bangkitan rata-rata yang dihasilkan. 4.4.1.3 Analisa Perbandingan Voltase Bangkitan Frontal dan Lateral Dari data yang didapat dari hasil pengujian voltase bangkitan untuk piezoelectric material dengan arah pembebanan frontal dan lateral dibuat suatu
grafik yang membandingkan hubungan antara besarnya voltase bangkitan terhadap besarnya putaran motor.
Gambar 4.19 Perbandingan Arus Bangkitan Arah Pembebanan Frontal dan Lateral Gambar 4.18 Perbandingan Voltase Bangkitan Arah Pembebanan Frontal dan Lateral Dari data yang didapat seperti ditunjukkan graik diatas, voltase bangkitan yang dihasilkan pada mekanisme piezoelectric material arah pembebanan frontal dengan putaran motor dari 100 rpm hingga 400 rpm secara berturut-turut adalah 46.623 mV, 55.84 mV, 64.157 mV, 73.943 mV, 84.887 mV, 93.793 mV, dan 107.68 mV. Sedangkan volase bangkitan yang dihasilkan pada mekanisme piezoelectric material arah pembebanan lateral dengan putaran motor dari 100 rpm hingga 400 rpm secara berturut-turut adalah 52.427 mV, 62.303 mV, 74.017 mV, 81.22 mV, 94.513 mV, 109.533 mV, dan 124.813 mV. Dapat disimpulkan bahwa pembebanan piezoelectric material arah lateral memiliki voltase bangkitan lebih besar dibandingkan dengan arah pembebanan frontal. Penjelasan ini didukung dengan persamaan: Sesuai dengan persamaan tersebut, semakin tinggi piezoelectric maka voltase yang dibangkitkan maka voltase bangkitan yang dihasilkan akan semakin besar. 4.4.2 Analisa Grafik Arus Bangkitan pada Arah Pembebanan Frontal dan Lateral Dari data yang didapat dari hasil pengujian arus bangkitan (Tabel 4.1 dan Tabel 4.2) untuk mekanisme dengan arah pembebanan frontal dan lateral akan dibuat menjadi satu grafik sebagai berikut untuk menganalisa hubungan antara variasi susunan piezoelectric material dan putaran motor yang digunakan terhadap arus yang dibangkitkan.
Dari data yang didapat seperti ditunjukkan grafik diatas, Arus bangkitan yang dihasilkan pada mekanisme dengan arah pembebanan lateral dengan putaran 100 rpm hingga 400 rpm secara berturut turut sebesar 25.733µA, 30.1µA, 36.767µA, 39.8µA, 43.3µA, 48.467µA, dan 51.433µA. Pengambilan data dengan arah pembebanan frontal dengan putaran 100 rpm hingga 400 rpm secara berturut - turut sebesar 29.533µA, 33.5µA, 37.333µA, 41.367µA, 45.433µA, 50.033µA, dan 54.333µA. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa arus yang dihasilkan meningkat seiring dengan peningkatan frekuensi dari putaran motor dan juga luas penampang dari piezoelectric yang dikenai pembebanan. Hal ini terjadi sesuai prinsip elektrostatis piezoelectric material, bahwa ketika piezoelectric material mengalami defleksi, ia akan 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 piezoelectric material hanya memiliki beda tegangan tanpa menghasilkan arus. Oleh karena itu semakin intens terjadinya defleksi pada pezoelectric material, akan semakin besar pula arus yang dihasilkan. Sesuai dengan data hasil percobaan pada penelitian ini, terlihat semakin besar frekuensi dari putaran motor , maka akan terjadi kenaikan arus listrik yang dihasilkan secara signifikan. 4.4.3 Analisa Grafik Perbandingan Daya pada Arah Pembebanan Frontal dan Lateral Dari pengujian telah didapat data voltase dan arus bangkitan aktual, dan dari perhitungan hasil perkalian antara voltase bangkitan dan arus maka didapatkan daya yang dihasilkan oleh mekanisme.
Dari kedua data yang diambil pada arah pembebanan frontal dan lateral akan dibuat menjadi satu grafik sebagai berikut :
Gambar 4.20 Perbandingan Daya Arah Pembebanan Frontal dan Lateral Dari data yang didapat seperti ditunjukkan grafik diatas, Daya yang dihasilkan pada mekanisme dengan arah pembebanan lateral dengan putaran 100 rpm hingga 400 rpm secara berturut - turut sebesar 1.344µW, 1.875µW, 2.573µW, 3.233µW, 4.092µW, 5.309µW, dan 6.420µW. Pengambilan data dengan arah pembebanan frontal dengan putaran 100 rpm hingga 400 rpm secara berturut - turut sebesar 1.377µW, 1.871µW, 2.395µW, 3.059µW, 3.857µW, 4.693µW, dan 5.851µW. Dapat disimpulkan bahwa pembebanan piezoelectric material arah lateral memiliki voltase bangkitan lebih besar dibandingkan dengan arah pembebanan frontal. Penjelasan ini didukung dengan persamaan: Sesuai dengan persamaan tersebut, daya yang dihasilkan berbanding lurus dengan besarnya voltase dan arus yang dihasilkan, semakin besar voltase bangkitan dan arus makan daya yang dihasilkan juga semakin besar 4.4.4 Analisa Perbandingan Grafik Pengujian dan Teoritis 4.4.4.1 Analisa Perbandingan Grafik Pengujian dan Teoritis Arah Pembebanan Frontal Dari pengujian telah didapat data voltase bangkitan aktual, dan dari perhitungan berdasar teori yang telah ada juga didapat voltase bangkitan piezoelectric material secara teoritis. Dari kedua data yang diambil pada arah pembebanan frontal akan dibuat menjadi satu grafik sebagai berikut :
Gambar 4.21 Grafik Voltase Bangkitan Pengujian dan Teoritis pada Arah Pembebanan Frontal Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa voltase bangkitan teoritis lebih besar dari voltase bangkitan hasil pengujian. Hal ini disebabkan adanya loses yang terjadi pada mekanisme pemanen energi getaran. Adanya gesekan antara roda dengan dinding akrilik kemungkinan telah terjadi gesekan, sehingga gaya tekan yang dikenakan pada piezomaterial tidak maksimal. Selain itu kemungkinan juga terdapat loses akibat hambatan dalam kabel yang tidak diperhitungkan, sehingga mempengaruhi voltase yang dibangkitkan piezomaterial dari pengujian pada mekanisme pemanen energi getaran. 4.4.4.2 Analisa Perbandingan Grafik Pengujian dan Teoritis Arah Pembebanan Lateral Dari pengujian telah didapat data voltase bangkitan aktual, dan dari perhitungan berdasar teori yang telah ada juga didapat voltase bangkitan piezoelectric material secara teoritis. Dari kedua data yang diambil pada arah pembebanan lateral akan dibuat menjadi satu grafik sebagai berikut :
Gambar 4.22 Grafik Voltase Bangkitan Pengujian dan Teoritis pada Arah Pembebanan Lateral Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa voltase bangkitan teoritis lebih besar dari voltase bangkitan hasil pengujian. Hal ini disebabkan adanya loses yang terjadi pada
mekanisme pemanen energi getaran. Adanya gesekan antara roda dengan dinding akrilik kemungkinan telah terjadi gesekan, sehingga gaya tekan yang dikenakan pada piezomaterial tidak maksimal. Selain itu kemungkinan juga terdapat loses akibat hambatan dalam kabel yang tidak diperhitungkan, sehingga mempengaruhi voltase yang dibangkitkan piezomaterial dari pengujian pada mekanisme pemanen energi getaran.
yang kecil, perakitan antara kabel dan piezoelectric yang baik dan penggantian karet silicon dengan material yang lebih baik untuk menghasilkan peregangan yang maksimal. 2. Pengambilan data dilakukan dengan lebih banyak dan lebih lengkap lagi. 3. Hendaknya dilakukan perhitungan komponen elektronik yang digunakan untuk mengubah voltase bangkitan yang fluktuatif agar menjadi stabil.
DAFTAR PUSTAKA BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Dari pembahasan hingga analisa data yang telah didapatkan, dapat disimpulkan bahwa: 1. Dari hasil perhitungan dan pengukuran didapatkan piezoelectric dengan arah pembebanan lateral mampu membangkitkan voltase lebih tinggi dibandingkan dengan arah pembebanan frontal karena tinggi piezoelectric yang ditekan berbanding lurus dengan voltase bangkitan yang dihasilkan. Maka semakin tinggi piezoelectric yang dikenai gaya tekan maka voltase bangkitan yang dihasilkan akan semakin besar. 2. Dari hasil perhitungan dan pengukuran didapatkan piezoelectric dengan arah pembebanan frontal mampu membangkitkan arus lebih tinggi dibandingkan dengan arah pembebanan lateral karena semakin tipis piezoelectric maka ion-ion akibat polarisasi bergerak lebih bebas dan banyak dibandingkan dengan piezoelectric yang lebih tinggi sehingga arus yang dihasilkan juga lebih tinggi. 3. Dari hasil perhitungan dan pengukuran didapatkan bahwa semakin besar kecepatan putaran motor maka voltase bangkitan yang dihasilkan juga semakin besar. 4. Dari hasil pengukuran didapatkan bahwa semakin besar kecepatan putaran motor maka arus yang dihasilkan akan semakin besar karena semakin besar kecepatan putaran motor maka defleksi yang terjadi pada piezoelectric juga terjadi semakin intens. 5.2 Saran Beberapa saran yang dapat diajukan untuk memperbaiki pengujian dalam tugas akhir ini antara lain: 1. Pengambilan data yang dilakukan hendaknya lebih disempurnakan dengan posisi peletakan piezoelectric yang disempurnakan sesuai literatur, penggunaan kabel dengan hambatan
D. Dimargonas, Andrew, “Vibration for Engineers”, Prentice Hall PTR, New jersey, 2002. Ferdinand, “Vector Mechanics – Kinematics & Dynamics” Sixth Edition. McGraw-Hill, New York,2003. Kinbrell, Jack T., “Kinematics Analysis and Synthesis”, McGraw-Hill Inc, New York, 1991. S. Rao, Singiresu, “Mechanical Vibration”, Prentice Hall PTR, Singapore, 2004. Yang, Jiashi, “An Introduction To The Theory of Piezoelectricity”, Springer Science+Business Media Inc., Boston. 2005. Tichi, Jan, “Fundamental of Piezoelectric Sensorics”, Springer Science+Business Media Inc., Boston. 2010.
