studi karakteristik energi yang dihasilkan mekanisme

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.