Alat Peraga Tenaga Pasang Surut ( Tidal Power ) untuk Mata Kuliah

BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Bab ini akan membahas mengenai perancangan dan realisasi sistem
yang dibuat. Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram sistem secara
keseluruhan.
Mekanik
Turbin
Generator
Beban
Step up
keypad
mikronkotroler
Acs 712
Display
Gambar 3.1. Blok Diagram Sistem Secara Keseluruhan
18
3.1. Mekanik
Pada bagian mekanik ini akan ditinjau dalam 2 bagian, yang pertama
bak penampung yang berfungsi sebagai penampung air dari proses pasang dan
surut. Terbentuknya energi potensial yang dihasilkan oleh pompa air dan valve
elektrik di ubah menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, dan yang kedua
adalah pulley di mana energi kinetik dari turbin dikuatkan secara mekanis yang
akan menentukan kecepatan putar generator. Gambar 3.2 menunjukkan blok
diagram mekanik, dan Gambar 3.3 menunjukkan dimensi mekanik.
Bak penampung
turbin
Pompa
Bak pasang surut
turbin
valve
Gambar 3.2. Blok Diagram Mekanik
Gambar 3.3. Realisasi Mekanik
19
pulley
Mekanik memiliki dimensi panjang 100 cm, lebar 50 cm, dan tinggi
120 cm. Dimensi mekanik ini sekaligus menjadi dimensi keseluruhan alat.
3.1.1. Mekanik Bak Pasang Surut
Bak simulasi pasang surut dengan dimensi panjang 100 cm, lebar 50
cm, tinggi 50 cm diharapkan dapat menampung air sebanyak 0,25
, dengan
perhitungan sebagai berikut:
V = sisi x sisi x sisi
= 50 cm x 50 cm x 100 cm
= 250.000
= 0.25
...................................(3.1)
Untuk menghitung massa air yang terdapat bak simulasi sebagai berikut:
ρ = massa jenis air 1000 kg/
m=ρxV
= 1000 kg/
x 0.25
= 250 kg.....................................(3.2)
Gambar 3.4. Mekanik bak pasang surut
20
3.1.2. Mekanik Bak Penampung
Bak penampung dengan dimenensi panjang 100 cm, lebar 50 cm,
panjang 33 cm diharapkan dapat menampung air sebanyak 0,165
, dengan
perhitungan sebagai berikut:
V = sisi x sisi x sisi
= 50 cm x 33 cm x 100 cm
= 165.000
= 0.165
........................................(3.3)
Untuk menghitung massa air yang terdapat bak simulasi sebagai berikut:
ρ = massa jenis air 1000 kg/
m=ρxV
= 1000 kg/
x 0.165
= 165 kg............................................(3.4)
Gambar 3.5. Mekanik bak penampung
3.1.3. Pompa Air
Pompa air AC adalah pompa yang digerakan oleh catu daya AC atau
jala – jala listrik PLN. Dalam perancangan tugas akhir ini menggunakan pompa
air AC typesingle phase, Pompa air menggunakan pompa AC merk DAB
dengan sepesifikasi sebagai berikut:
21
 Daya = 125 watt
 Tegangan = 220 volt
 Daya hisap = 9 meter
 Daya dorong = 24 meter
 Total head = 33 meter
 Kapasitas = 35 liter / menit
 Ukuran pipa = 1 inchi x 1 inchi
Untuk menghitung energi potensial yang di hasilkan oleh pompa air sebagai
berikut:
g = gravitasi bumi 9,78 m/
h = ketinggian bak penampung ke bak simulasi
Ep = m g h
= 165 kg x 9,78 m/
x 0,6 m
= 968,22 Joule................................................(3.5)
Gambar 3.5. Pompa air
3.1.4. Turbin (cross flow )
Turbin yang digunakan adalah turbin jenis cross flow dengan diameter
13 cm dan tinggi 10 cm, turbin memiliki 11 sirip di harapkan dapat menerima
gaya maksimal dari gaya yang dihasilkan oleh pompa air. Perhitungan
kecepatan putar turbin sebagai berikut :
22
Perhitungan torsi yang dihasilkan oleh turbin cross flow sebagai
berikut:
P=τxω
3.02 w = τ x 8.45
τ =
= 0.36 Nm.................................(3.6)
Dimana : P = usaha per waktu (W)
ω = kecepatan sudut turbin (rad / s)
τ= torsi (Nm)
n= banyaknya putaran per menit (rpm)
Perhitungan daya yang dihasilkan oleh turbin cross flow sebagai
berikut:
P=
=
= 3.02 w.............................................(3.7)
Perhitungan banyaknya putaran per menit yang dihasilkan oleh turbin
cross flow sebagai berikut:
Diameter pully x n pully = Diameter turbin x n turbin
10 cm x 105 rpm = 13 cm x V turbin
n turbin = 80.77 rpm
Perhitungan kecepatan sudut yang dihasilkan oleh turbin cross flow
sebagai berikut:
ω=2π
23
=2π
= 8.45
............................................(3.8)
Gambar 3.6. Turbin ( cross flow )
3.1.5. Pulley
Dalam perancangan sekripsi ini terdapat satu pasang pulley. Pulley
berdiameter 10 cm yang langsung dikaitkan ke turbin dengan menggunakan as
dan pulley berdiameter 5 cm yang langsung dikaitkan dengan generator. Dalam
pembutan pulley ini antara pulley satu dengan yang satu dikaitkan dengan
menggunakan karet ban, hal ini bertujuan untuk menghindari slip dan dapat
mendapatkan putaran yang maksimal. Realisasi pulley ditunjukkan oleh
Gambar 3.7.
Gambar 3.7. Realisasi pulley
24
Secara sederhana realisasi pulley ditunjukkan dalam Gambar 3.8.
B
A
Gambar 3.8. Gambaran pulley Secara Sederhana
Perancangan pulley ini bertujuan untuk dimaksudkan memperoleh
putaran akhir yang banyak hanya dengan sedikit putaran di awal. Dengan kata
lain, pulley ini dimaksudkan untuk memberikan percepatan. Dengan
mengetahui bahwa pulley besar memiliki diameter 10 cm dan pulley kecil
berdiameter 5 cm, maka dengan menggunakan persamaan 2.9 rasio pulley
adalah
.......................(3.9)
Diameter pulely x n pulley = Diameter generator x n turbin
10 cm x 105 rpm = 5 cm x V turbin
n generator = 210 rpm..........................(3.10)
Dengan demikian kecepatan akhir pada pulley adalah
ω=2π
=2π
= 21.98
25
...........................(3.11)
3.1.6. Valve Elektrik
Pada perancangan sekripsi ini digunakan Solenoid valve dengan kran
elektrik straight metal base AC 220 V 3/4 inchi, sepesifikasi sebagai berikut:








Merk
Vsuplay
Orifice
Ukuran
Operating pressure
Temp
Dimensi body
Berat
: Kloid
: AC 220 V
: 20 mm
: Drat In – Out pipe size ¾ Inch
: Min 0 kg/cm2 – max 10 kg/ cm2
: -5 derajat celsius sampai 100 derajat celcius
: panjang 9 cm x diameter 4,5 cm
: 700 gr
Gambar 3.9. Valve elektrik
3.2. Generator
Generator yang akan digunakan pada tugas akhir ini merupakan
generator DC dengan merk SANYO DENKI BL SUPER 63BM007FXE00
dengan spesifikasi sebagai berikut: maksimal tegangan output DC 200 volt,
maksimal arus output sebesar 1,6 Ampere dan menghasilkan daya maksimal
sebesar 200 Watt. Dengan memenuhi persyaratan percepatan sebesar 3000
RPM.
26
Gambar 3.10. Generator SANYO DENKI BL SUPER
3.3. Kontrol Utama
3.3.1. Modul mikrokontroler
Kontrol utama adalah Arduino Mega 2560 yang digunakan untuk
pengambilan dan pengolahan data sensor,Terdapat tampilan berupa seven
segment dan indikator led. Tombol ON OFF untuk menghidupkan alat.
Catu daya AC 220 V
220 V AC ke 5 V DC
Sensor ketinggian air
Arduino mega
2560
Generator
Pompa air
valve
220 V AC ke 5 V DC
keypad
Display
220 V AC ke 5 V DC
Gambar 3.11. Blok diagram sistem kontroler utama
27
Gambar 3.12. Arduino mega 2560 sebagai kontroler utama
Tabel 3.1. Konfigurasipenggunaan pin/port Arduino Mega 2560
Nama port
Fungsi
Port .2
Sensor ketinggian air bawah
Port .3
Sensor ketinggian air atas
Port. 4
Output Pompa air
Port. 5
Output Valve
Port. 6 – port. 7
Sensor Arus
Port. 8 – port. 25
Display
3.3.2. Modul Sensor Arus
Besar arus maksimum yang dapat dideteksi sebesar 20A di mana
tegangan pada pin keluaran akan berubah secara linear mulai dari 2,5 Volt
(½×VCC, tegangan catu daya VCC = 5V) untuk kondisi tidak ada arus hingga
4,5V pada arus sebesar +20A atau 0,5V pada arus sebesar −20A (positif /
negative tergantung polaritas, nilai di bawah 0,5V atau di atas 4,5V dapat
dianggap lebih dari batas maksimum). Perubahan tingkat tegangan berkorelasi
linear terhadap besar arus sebesar 100 mV / Ampere.
28
Gambar 3.13. Sensor arus ACS 712
3.3.3. Modul driver beban AC
Modul driver beban AC berguna untuk menghidupkan pompa air dan
valve elektrik yang bekerja pada tegangan kerja 220 VAC memerlukan
rangkaian driver yang bertujuan untuk pemutus dan penyambung beban pada
pompa air dan valve elektrik. Gambar 3.4 menunjukkan rangkaian driver
pompa air dan valve elektrik yang digunakan dalam perancangan alat peraga
pasang surut air laut ( Tidal Power ) ini, MOC 3020 digunakan sebagai saklar
otomatis yang akan aktif bila ada beda potensial. Fungsi dari MOC 3020 ini
adalah sebagai isolator dengan bagian DC dari rangkaian kendali utama agar
tidak terhubung secara langsung ke jaringan AC sehingga, dapat mencegah
agar tegangan AC tidak berhubungan langsung dengan mikrokontroler
sehingga tidak rusak. Selain sebagai isolator MOC 3020 tersebut sebagai
antarmuka antara bagian kendali (rangkaian DC) agar dapat berkomunikasi
dengan jaringan AC. TRIAC berfungsi sebagai pengendali utama pompa air
dan valve elektrik untuk menggantikan fungsi saklar pemutus dan penyambung
arus listrik yang besar namun, dalam rangkaian ini TRIAC berfungsi untuk
mengaktifkan tegangan 220 VAC.
Gambar 3.14. Rangkaian driver beban AC untuk pompa air.
29
Nilai-nilai komponen pada rangkaian driver pompa air dan valve
elektrik dapat dicari dengan menggunakan perhitungan sebagai berikut:
VRMS =
Sehingga, didapat harga tegangan puncak jala-jala PLN = 220
V
Keluaran arus maksimum dari MOC 3020 = 1A
Untuk aktif, MOC 3020 membutuhkan arus (If) = 10 mA
Forward voltage (Vf) MOC 3020 = 1,5 V
R1 =
=
= 350 Ω
330 Ω..................................(3.12)
Maka, didapatkan nilai
R1 = 330 Ω
R2 =
= 311,13 Ω ≈ 330Ω.....................(3.13)
Maka, didapatkan nilai R2 = 330Ω
Saat triac off, maka tegangan pada C1 naik secara eksponensial yang dapat
dicari menggunakan rumus:
VC = 220
(1-
x (1-
=
)
)
max =
Dari datasheet TRIAC BT 136 diketahui
V/s
30
(minimum) = 50 V/µs = 50 x
maka,
50 x
=
R3.C1 = 6,22 x
R3 + R2
R3 + R2
R3 + R2
428,57 Ω (minimum)
470 Ω................................(3.14)
Oleh karena nilai dari R3 + R2 telah didapatkan maka, nilai dari R3 dapat
dicari dengan perhitungan sebagai berikut:
R3 + R2 = 470 Ω
R3 + 330 = 470 Ω
R3 = 140 Ω
150 Ω............................(3.15)
Maka, didapatkan nilai R3 = 150 Ω. Nilai yang akan dicari selanjutnya adalah
nilai dari C1, perhitungannya sebagai berikut :
R3.C1 = 6,22 x
150.C1 = 6,22 x
C1 = 41,47nF (minimum) ....................(3.16)
Maka, didapatkan nilai C1 yang didekatkan dengan C1
1µF.
Prinsip kerja MOC 3020 pada perancangan ini adalah MOC 3020 akan
aktif jika ada beda tegangan antara masukan kaki 1 dan 2. Jika ada beda
tegangan, maka keluaran dari MOC 3020 akan memicu gate pada TRIAC
sehingga TRIAC aktif dan pompa air akan hidup. Input MOC 3020 berupa
keluaran tegangan dari sensor ketinggian air yang dikontrol oleh suatu
mikrokontroler.
Sedangkan, cara kerja TRIAC pada pengendali fase ini adalah dengan
cara memotong sebagian luasan dari tegangan AC yang berbentuk sinusoida
sebab TRIAC dapat berubah dari kondisi tidak menghantar ke kondisi
menghantar dan sebaliknya. Saat tegangan AC berada pada titik nol (zero
crossing), TRIAC dimatikan sebesar α derajat, setelah itu TRIAC dipicu. Besar
tegangan yang dihasilkan adalah:
31
Vo =
Vo =
Dari persamaan didapatkan :
Vo = VRMS
Dengan mengubah nilai α dan memicu TRIAC dengan delay di mikro
maka, tegangan rata-rata akan berubah. Semakin besar α maka tegangan ratarata AC akan semakin kecil. Nilai α yang digunakan berkisar antara 0 -
rad.
3.3.4. Modul Sensor Kapasitif
Sensor ini dibuat untuk mendeteksi level ketinggian air sebagai batas
pada saat pasang dan surut. Terdapat dua sensor yaitu sensor batas atas dan
sensor batas bawah. Batas atas sebagai inputan valve elektrik yang telah diolah
oleh mikrokontroler dan batas bawah sebagai inputan pompa air yang telah
diolah oleh mikrokontroler.
Sensor ini memiliki ukuran panjang 2 cm dan lebar 1 cm pada masing –
masing level. Jarak antara level satu dan yang satu berjarak 1 cm hal ini
bertujuan untuk mempermudah pembacaan volume air yang ditampung oleh
bak simulasi pasang surut.
32
Gambar 3.15. Sensor Kapasitif
Konstruksi sensor kapasitif yang di gunakan berupa dua buah
lempengan logam yanug diletakkan sejajar dan saling berhadapan. Jika diberi
tegangan antara kedua lempenug logam tersebut, maka akan timbul kapasitansi
antara kedua logam tersebut. Nilai kapasitansi yang ditimbulkan berbanding
lurus dengan luas permukaan lempeng logam, dan berbanding terbalik dengan
jarak antara kedua lempeng dan berbanding lurus dengan zat antara kedua
lempeng tersebut (dielektrika), seperti di tunjukkan oleh persamaan berikut:
A = sisi x sisi
= 0.02 m x 0.01 m
= 0.0002
...........................(3.17)
C = εr
= 18
= 0.36 F..............................(3.18)
33
Di mana:
εr = pemitifitas relatif (air = 18)
A = luas plat / lempeng (
)
d = jarak antara plat / lempeng (m)
34