pembangkit listrik tenaga air dengan menggunakan dinamo sepeda

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR DENGAN MENGGUNAKAN DINAMO
SEPEDA
YOGI SAHFRIL PRAMUDYA
PEMBIMBING
1. Dr. NUR SULTAN SALAHUDDIN
2. BAMBANG DWINANTO, ST.,MT
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Gunadarma, Margonda Raya 100 Depok 16424
telp (021) 78881112, 7863788
Krisis energi listrik telah diprediksikan akan melanda dunia. Hal ini dikarenakan semakin langkanya
minyak bumi dan semakin meningkatnya permintaan energi. Untuk itu diperlukan sebuah terobosan untuk
memanfaatkan energi lain yang dapat diperbaharui untuk dikonversi menjadi energi listrik. Untuk mengatasi
permasalahan krisis energi listrik tersebut, tentunya diperlukan alat untuk mengkonversi energi yang tidak akan
habis di permukaan bumi seperti air, angin dan matahari untuk menghasilkan energi listrik. Energi yang paling
mudah didapat dan dimanfaatkan di Indonesia yaitu energi air.
Maka dari itu pembangkit listrik tenaga air dengan dinamo sepeda dapat berguna untuk membantu
mengurangi krisis energi listrik, dengan keunggulan menggunakan energi air yang melimpah di Indonesia dan ramah
lingkungan.
Komponen utama dari alat ini adalah dinamo sepeda (sebagai generator yang mengubah energi mekanik ke
energi listrik), rangkaian indikator baterai (sebagai pengontrol penuhnya baterai), baterai (12 volt dan arus 7,5 Ah),
rangkaian inverter (sebagai pengubah tegangan DC 12V dari baterai ke tegangan AC 220 V dengan menggunakan
bantuan dari IC CD4047 dan trafo).
Berdasarkan hasil penelitian semakin cepat putaran dari dinamo sepeda maka semakin besar pula tegangan
yang dihasilkan
1.1
Latar Belakang Masalah
Krisis energi listrik telah diprediksikan akan
melanda dunia pada tahun 2015. Hal ini dikarenakan
semakin langkanya minyak bumi dan semakin
meningkatnya permintaan energi. Untuk itu
diperlukan sebuah terobosan untuk memanfaatkan
energi lain yang dapat diperbaharui untuk dikonversi
menjadi energi listrik. Karena jika kita tergantung
pada energi tidak terbarukan, maka di masa depan
kita juga akan kesulitan untuk memanfaatkan energi
tersebut karena keterbatasannya di permukaan bumi.
Untuk mengatasi permasalahan krisis energi
listrik tersebut, tentunya diperlukan alat untuk
mengkonversi energi yang tidak akan habis di
permukaan bumi seperti air,angin dan matahari untuk
menghasilkan energi listrik. Energi yang paling
mudah didapat dan dimanfaatkan di Indonesia yaitu
energi air.
Air menyelimuti lebih dari ¾ luas
permukaan bumi kita,dengan luas dan volumenya
yang besar air menyimpan energi yang sangat besar
dan merupakan sumber energi yang terbarukan yang
menunggu untuk dimanfaatkan, maka sangat wajar
bila Indonesia mengandalkan air untuk memenuhi
yaitu peristiwa dihasilkannya GGL induksi jika
terjadi perubahan fluks magnet dalam suatu daerah
yang dibatasi oleh suatu kawat penghantar. Besarnya
GGL induksi dapat dihitung dengan rumus :
E = -N
kebutuhan hidup penduduknya, karena
Indonesia merupakan Negara kepulauan yang
memiliki luas perairan lebih besar dari luas
daratannya. Salah satu energi yang dapat
dimanfaatkan dari air adalah energi potensial air,
maka energi tersebut dapat dikonversi menjadi energi
listrik untuk memenuhi kebutuhan manusia akan
energi listrik. Ini adalah sebuah solusi yang sangat
tepat dan strategis bagi bangsa dan negara Indonesia.
Berdasarkan rincian masalah yang telah
dipaparkan, maka penulis berinisiatif untuk membuat
alat “Pengkonversi Energi Air Menjadi Energi
Lisrik” dengan menggunakan energi potensial dari air
yang mengerakkan kincir sebagai turbin penggerak
generator (dinamo) yang akan dapat menghasilkan
energi listrik.
2.
………………………2.6
Ket: E = Besarnya GGL induksi (volt)
B = Induksi magnet (tesla)
A = Luas daerah (m²)
= Lamanya waktu (sekon)
Berkebalikan dengan motor listrik, generator
(dinamo) adalah alat yang mengubah energi mekanik
menjadi energi listrik. Energi mekanik didapat dari
angin atau air yang memutar turbin dan turbin
tersebut akan memutar generator. Berdasarkan arus
yang dihasilkan, generator dapat dibedakan menjadi
dua macam, yaitu generator AC dan generator DC.
Generator AC menghasilkan arus bolak balik (AC)
dan generator (DC) menghasilkan arus searah (DC).
Baik arus bolak-balik maupun searah dapat
digunakan untuk penerangan dan alat-alat pemanas.
Pada alat ini penulis menggunakan dinamo
sepeda sebagai sumber tegangan AC yang akan
disimpan dalam bentuk DC pada baterai dan dapat
dipakai untuk
penerangan di rumah karena tegangan sudah diubah
kedalam bentuk AC dengan inverter sehingga
outputnya 220 volt AC.
Landasan Teori
Generator atau pembangkit listrik yang
sederhana dapat ditemukan pada sepeda. Pada
sepeda, biasanya dinamo digunakan untuk
menyalakan lampu sepeda. Caranya ialah bagian atas
dinamo (kepala dinamo) dihubungkan ke ban sepeda.
Pada proses itulah terjadi perubahan energi gerak
menjadi energi listrik.
Generator (dinamo) merupakan alat yang
prinsip kerjanya berdasarkan induksi elektromagnetik
Gambar 2.3 Dinamo Sepeda
2.7.
Inverter
Inverter digunakan untuk mengubah
tegangan masukan DC menjadi tegangan AC.
Keluaran inverter dapat berupa tegangan yang dapat
diatur dan tegangan yang tetap. Sumber tegangan
masukan inverter dapat menggunakan baterai, sel
bahan bakar, tenaga surya, atau sumber tegangan DC
yang lain. Tegangan keluaran yang biasa dihasilkan
adalah 120 V 60 Hz, 220 V 50 Hz, 115 V 400 Hz.
Ada dua jenis inverter yang umum digunakan pada
sistem tenaga listrik yaitu:
 Inverter dengan frekuensi dan tegangan
keluar yang konstan CVCF (Constant
Voltage Constant Frequency).
 Inverter dengan frekuensi dan tegangan
keluaran yang berubah-ubah. Umumnya
inverter dengan frekuensi dan tegangan
keluaran yang berubah-ubah digunakan pada
pemakaian khusus seperti pemakaian pada
pompa listrik 3 fasa dengan menggunakan
sumber tegangan DC. Kerugian cara ini
adalah bahwa sistem hanya dapat digunakan
pada pemakaian khusus saja, sedangkan
keuntungannya adalah kemampuannya
untuk menggerakkan sistem (beban) dengan
sumber yang berubah-ubah
3.
Rangkaian
indikator
baterai
yang
ditunjukkan pada gambar 3.5 dirancang untuk
melihat kondisi baterai dengan menggunakan
indikator LED. Tegangan masukan baterai adalah 12
Volt dihubungkan antara kutub positif dan negatif,
dan potensiometer 10 KΩ diatur agar LED di kaki 10
menyala yang menandakan kondisi baterai
maksimum.
Perancangan Alat
Gambar 3.5 Rangkaian indikator baterai
Gambar 3.1 blok diagram secara keseluruhan
Led 6 sampai 10 menujukkan bahwa
kapasitas baterai lebih dari 50 % dan led 1 sampai 5
menujukkan bahwa kapasitas baterai kurang dari
50%. Jika led 10 menyala, maka transistor 2N3904
akan mentriger ke relay, lalu relay akan hubung
tertutup (NC) sehingga baterai berhenti mengisi. Jika
kondisi baterai kurang penuh (Led 10 tidak menyala),
maka relay akan hubung terbuka (NO) sehingga
baterai mengisi.
IC LM7815 berfungsi sebagai pembatas
tegangan pada pengisian baterai dari dinamo sepeda,
dimana tegangan di dinamo lebih dari 15 volt maka
tegangan keluaran dibatasi sampai 15 volt sehingga
tegangan output dari dinamo yang lebih dari 15 volt
akan diturunkan sampai 15 volt ,tetapi penurunan
tegangan pada
rangkaian ini tidak terlalu
berpengaruh besar.
3.3.
Rangkaian Indikator Baterai
3.5.
Perancangan Inverter
4.
Pada gambar 3.8 menunjukkan rangkaian
inverter. Rangkaian inverter mendapatkan masukan
berupa tegangan DC 12 volt dari baterai (aki) yang
masuk ke IC CD4047 yang berfungsi sebagai
multivibrator. Sinyal keluaran dari IC CD4047
kemudian diteruskan ke IC LM358 yaitu Op Amp
yang berfungsi sebagai voltage follower.
Pada rangkaian ini terdapat rangkaian
transistor darlington dan transistor paralel yang
disusun sedemikian rupa untuk mendapatkan sinyal
dan
penguatan
tegangan,
sehingga
dapat
menghasilkan sinyal AC yang bisa digunakan sebagai
sumber tegangan pengganti PLN untuk beban. Pada
rangkaian inverter tersebut, trafo yang digunakan
untuk menaikan tegangan dari 12 volt AC ke 220 volt
AC adalah trafo CT step down, karena harga trafo
step up di pasaran sangat mahal maka penulis
merancang rangkaian menggunakan trafo CT step
down dengan membalik keluaran trafo 12V menjadi
inputan dari sumber tegangan lalu keluaran trafo
menjadi 220V AC. Sumber tegangan AC dari
transistor daya dihubungkan pada masukan 12 volt
trafo tersebut dan CT dihubungkan pada ground,
maka trafo tersebut akan menaikan tegangan menjadi
220 volt AC dengan frekuensi 50 Hz yang telah
diatur pada IC CD4047.
Hasil Uji Coba dan Pembahasan
Uji coba pembangkit listrik tenaga air ini
dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan
pembuktian
bahwa
konstruksi
mesin-mesin
penggerak dari turbin air dapat memutar dinamo yang
dipakai berfungsi dengan baik dan menghasilkan
tegangan AC sesuai dengan yang diharapkan dan
diubah menjadi tegangan DC untuk disimpan pada
baterai sehingga dapat mengubah tegangan DC dari
baterai menjadi tegangan AC 220V dengan
menggunakan inverter
4.1
Pengujian Dinamo Sebagai Generator
Pengujian ini dilakukan langsung di
laboratorium, dengan menggunakan alat pemutar
manual agar dapat mengatur kecepatan putar dinamo
untuk mendapatkan rpm dan hasil tegangan yang
diinginkan,sehingga dapat mengetahui dinamo ini
dapat berfungsi atau tidak. Pengujian dinamo sebagai
generator dapat dilihat pada gambar 4.1 dibawah ini
Gambar 4.1 pengujian dinamo sebagai generator menghasilkan tegangan AC
Gambar 3.8 Rangkaian inverter
Dinamo sepeda ini menghasilkan tegangan AC yang
disesuaikan dengan kecepatan rpm putarannya, makin
cepat putaran dinamo, maka makin besar pula
tegangan yang dihasilkan oleh dinamo tersebut. Dan
hasil tegangan yang dihasilkan oleh dinamo akan
diubah menjadi tegangan DC, yang akan disimpan
ke dalam baterai.
Table 4.1 hasil uji coba dinamo menurut kecepatan putarnya
dinamo, jadi arus yang tersimpan setelah diubah
menjadi DC pada baterai sekitar 0,4A. Pengukuran
ini menggunakan alat berupa multimeter digital,
pengukuran ini dilakukan secara bertahap sampai
baterai terisi penuh.
Tebel 4.3 Pengukuran Lama Waktu Pengisian Baterai per menit
Kecepatan
(rpm)
putaran
Tegangan AC (volt)
0
0
651
16
680
16,6
761
17,1
775
18,4
805
18,6
4.3
Kecepatan
putaran
dinamo
651
680
761
775
805
10,87
11,20
11,67
11,87
11,94
0,38
0,43
0,44
0,47
0,49
(rpm)
Tegangan(V)
baterai per
menit
Arus(A)
pada baterai
per menit
Pengujian Lama Waktu Pengisian Baterai
dan Pemakaian Baterai pada Alat Listrik
Pengujian lamanya waktu pengisian baterai
ini dilakukan pada saat pengisian berlangsung yaitu
pada saat dinamo berputar yang menyuplai sumber
tegangan dan arus yang akan disimpan pada baterai
sebelumnya diubah menjadi DC.
Berdasarkan pengujian ini dapat diketahui
kenaikan arus sebesar 0,02A permenit, sehingga
untuk mengisi baterai hingga penuh dengan
kapasitas baterai sebesar 7,5 A , maka dari hasil
pengujian dapat diketahui baterai dapat terisi penuh
Selama kurang lebih 7 jam dengan arus rata-rata yang
masuk ke dalam baterai kurang lebih sebesar 0,02 A
permenit.
4.4
Gambar 4.2 baterai 12V/7,5Ah
Sumber arus yang dihasilkan oleh dinamo rata-rata
0,4 A – 0,5 A tergantung dari kecepatan putaran
Pengujian Rangkaian Inverter
Gambar 4.3 rangkaian inverter
Pada pengujian IC CD4047, akan dilihat bentuk
gelombang keluaran. Pada penjelasan dari bab 3,
dapat diketahui bahwa IC ini dapat dioperasikan
sebagai multivibrator astable atau monostable. Untuk
rangkaian inverter ini maka digunakan multivibrator
astable. Secara teori multivibrator astable merupakan
rangkaian pembangkit gelombang masukan berasal
dari tegangan DC yang menghasilkan gelombang
kotak. Pada rangkaian ini frekuensi diatur sebesar 50
Hz.
Tabel 4.4 Skala gelombang IC CD4047 pada osiloskop
Time / Div
Volt / Div
5 mS
5 Volt
Dari keterangan gambar 4.4 (a) dan (b)
diketahui bahwa kedua gambar tersebut memenuhi 4
kotak osiloskop untuk satu gelombang penuh. Jika
periode dalam satu gelombang osiloskop adalah T,
maka didapat persamaan
T = Jumlah kotak dalam satu gelombang penuh x
(Time / div) . . . . …………………………. . . . .(4.1)
Maka, untuk mencari frekuensi persamaannya adalah
(a)
(b)
Gambar 4.4 Gelombang keluaran pada IC CD4047; (a) Gelombang
pada kaki 10; (b) Gelombang pada kaki 11; beda fasa gelombang
(a) dan (b) 180° dengan periode 20 ms dan amplitudo 13.5 Vpp.
Dengan cara mengubah nilai resistor dan kapasitor
pada pin 1 dan 2, sedangkan keluaran dari IC
CD4047 terdapat di pin 10 dan 11.
Dari pengamatan pada gambar 4.4 (a) dan
(b) memiliki bentuk gelombang yang sama, yang
berbeda hanya fasa. Kedua gelombang memiliki
memiliki beda fasa sebesar 180° atau saling
berkebalikan. Kedua gelombang pada gambar 4.4 (a)
dan (b) memiliki skala yang tertera pada skala
osiloskop seperti tabel 4.3.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(4.2)
dimana:
ƒ
: Frekuensi (Hertz)
t
: Periode (Sekon)
Dengan demikian dapat dihitung nilai
frekuensi berdasarkan pengamatan dari osiloskop.
Karena kedua gambar mempunyai jumlah kotak
dalam satu gelombang sama maka keluaran frekuensi
dari pin 10 dan 11 adalah sama, maka nilai periode
dari IC CD4047 adalah
T = 3.9 x 5 mS
T = 19.5 mS
Maka nilai frekuensi IC CD4047 dari hasil
pengamatan adalah
ƒ = 1 / 19.5 mS
= 2.40 %
ƒ = 51.28 Hertz
Jadi hasil dari nilai pengamatan adalah 51.28
Hertz. Lalu dibandingkan dengan nilai perhitungan.
Dari hasil teori pada bab 3 bahwa IC CD4047
mempunyai keunggulan yang salah-satunya adalah
mempunyai eksternal kapasitor dan resistor pada pin
1 dan 3 untuk mengatur nilai frekuensi. Maka untuk
mencari frekuensi dari IC CD4047 dengan
menggunakan persamaan 3.2 pada bab 3. Dengan
menggunakan nilai resistor 30 KΩ dan kapasitor 150
nF pada pin eksternal IC CD4047, maka nilai
frekuensi dari hasil perhitungan adalah
Dari gambar juga dapat dilihat besar
tegangan yang dihasilkan oleh IC multivibrator
tersebut. Bila dilihat pada gambar 4.3 (a) dan (b),
dapat diketahui kedua gambar memiliki tingkat
tegangan yang sama, yaitu 2.7 kotak untuk satu
gelombang penuh (peak to peak) pada osiloskop.
Dengan demikian dapat diketahui bahwa tegangan
tersebut adalah
V = Jumlah kotak peak to . .. . . . . . . . . . . . . . (4.4)
V = 2.7 x 5
V = 13.5 Vp-p.
T = 4.40 R.C
T = 4.40 x 30 KΩ x 150 nF
Jadi Tujuan dari pengujian ini untuk
membuktikan bahwa IC CD4047 dapat merubah
tegangan DC menjadi AC, dan dapat diamati pada
gambar 4.4 yaitu mengeluarkan output gelombang
kotak AC.
T = 4.40 x 30 x 103 x 150 x 10-9
T = 1.998 x 10-2 S
Maka nilai frekuensinya adalah
5.
ƒ = 1 / 1.998 x 10-2 S
Kesimpulan
ƒ = 50.05 Hertz.
Berdasarkan
teori
kesalahan
dan
pengambilan data terdapat perbedaan nilai dengan
persentase kesalahan.
Persentase
=
kesalahan
×100.. (4.3)
Dimana nilai frekuensi pada data perhitungan adalah
50.05 Hertz. Sedangkan nilai frekuensi pada data
pengamatan adalah 51.28 Hertz. Maka, nilai
persentase kesalahannya adalah
Berdasarkan hasil uji coba dan pembahasan
terhadap data yang telah diperoleh pada Bab 4, maka
dapat ditarik kesimpulan bahwa penulis telah berhasil
membangun Pembangkit Listrik Tenaga Air dengan
Menggunakan Dinamo Sepeda dengan jenis dinamo
sepeda ontel yang keluaran tegangan 12 VAC dan
arus sebesar 0,5 A yang diputar dengan kecepatan
kurang lebih 600 rpm. Pembangkit ini dapat
menghasilkan 0,02 A permenit untuk mengisi baterai
hingga baterai penuh dengan kapasitas arus 7,5A
selama kurang lebih 7 jam.
[6]
[7]
DAFTAR PUSTAKA
[8]
[9]
[10]
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Pudjanarsa, Astu dan Nursuhud, Djati, Mesin
Konversi
Energi,
PT
ANDI
Yogyakarta, Yogyakarta, 2006
--http://id.wikipedia.org/wiki/Energi_terbarui
[28 Juli 2011]
Fazman, Mohammad, Thesis S2 Design and
Development of Sollar Tracking,
Universiti Teknologi Malaysia, 2010
repository.upi.edu/operator/upload/s_e5231_0
02065_chapter2.pdf [31 Juli 2011]
Widyastuti, Tugas Akhir S1 Perencanaan dan
Pembuatan Uninterruptable Power
Supply 220 v dengan Frekuensi 50 Hz,
Universitas Gunadarma, Jakarta, 2010
[11]
[12]
Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan
Elektronika Daya, PT Gramedia
Pustaka Utama, Jakarta, 1993
http://www.electronicecircuits.com/electroniccircuits/lm3914-12v-battery-monitorcircuit/ [22 Juni 2011]
charger-circuit-diagram [22 Juni 2011]
Tim Asisten Laboratorium Fisika Dasar
Universitas
Gunadarma,
Buku
Pedoman Praktikum Fisika Dasar,
Laboratorium Fisika Dasar Universitas
Gunadarma, Jakarta, 2006
Nugraha, Heru, Tugas Akhir S1 Rancang
Bangun Pendeteksi Posisi Sinar
Matahari Untuk Mengoptimalkan
Penyerapan Energi Matahari Pada
Solar Sel, Universitas Gunadarma,
Jakarta, 2011
Malvino, Albert Paul, Prinsip-prinsip
Elektronik, Edisi pertama, PT Salemba
Teknika, Jakarta, 2003
http://www.alldatasheet.com [26 Juli 2011]
(a)
(
b
)