STUDI KARAKTERISTIK ENERGI YANG DIHASILKAN PADA MAGNETIC SPRING MICROGENERATOR Ryan Mirza Rahmansyah Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Kampus Sukolilo, Surabaya Jawa Timur, Indonesia Telp. (031)5946230, Fax. (031) 5922941, E-mail : [email protected] Abstrak Getaran dalam kehidupan di sekitar kita sering kali terbuang percuma dan tidak termanfaatkan. Bahkan banyak yang menyebut bahwa getaran tersebut merupakan sesuatu yang merugikan. Dari permasalahan tersebut, muncul gagasan untuk memanfaatkan energi yang timbul akibat getaran oleh sebuah mekanisme pemanen energi getaran. Mekanisme tersebut akan mengkonversikan getaran menjadi energi listrik. Pada Tugas Akhir ini dilakukan studi karakteristik dari pengujian mekanisme pemanen energi getaran tentang besarnya voltase dan daya bangkitan dengan memvariasikan panjang kumparan (L), jumlah massa magnetik (Mn) dan frekuensi putaran (f). Kuantitas tegangan listrik yang dibangkitkan diukur menggunakan digital oscilloscope dan arus yang dihasilkan diukur menggunakan digital multimeter dimana dari tegangan listrik dan arus bangkitan ini akan didapatkan daya bangkitan dari mekanisme pemanen energi getaran. Dari Penelitian ini didapatkan data voltase dan daya bangkitan dari mekanisme pemanen energi getaran. Semakin besar panjang kumparan (L), jumlah massa magnetik (Mn) dan frekuensi putaran (f) maka semakin besar voltase dan daya yang dapat dibangkitkan dari mekanisme pemanen energi getaran, yaitu sebesar 0,74Volt dan 0,145 mWatt. Sedangkan semakin kecil panjang kumparan (L), jumlah massa magnetik (Mn) dan frekuensi putaran (f) maka semakin kecil voltase dan daya yang dapat dibangkitkan dari mekanisme pemanen energi getaran, yaitu sebesar 0,32 Volt dan 0,038 mWatt Kata Kunci : vibration energy harvesting, magnetic spring, massa magnetik, panjang kumparan, frekuensi, microgenerator, induksi elektromagnetik 1. Pendahuluan Menurut “BP Statistical Review of World Energy 2005” ada 10 negara dengan konsumsi energi dunia terbesar. Diantaranya adalah Amerika Serikat, Jepang, Korea Utara, Korea Selatan, Canada dan Jerman dengan konsumsi energi utama yaitu minyak bumi. Selanjutnya adalah Inggris dan Rusia dengan konsumsi energi utama yaitu gas alam. Terakhir yaitu India dan China dengan konsumsi terbesar berupa batubara. Kesepuluh Negara tersebut total menghabiskan energi dunia sebesar 64,76 % dan 35,24 % sisanya digunakan oleh negara-negara lainnya di dunia termasuk Indonesia. Semua energi tersebut menjadi energi primer bagi banyak negara di dunia khususnya Indonesia dan mayoritas digunakan pada setiap aktivitas manusia, misalnya untuk transportasi, industri, rumah tangga dan pada mesin-mesin perkakas lainnya. Dalam aktivitas disekitar kita banyak sekali peralatan maupun mesin yang pada pengoperasianya menimbulkan getaran. Mulai dari peralatan yang memiliki ukuran yang sangat besar sampai peralatan yang memiliki ukuran sangat kecil sekalipun. Getaran yang timbul pada peralatan-peralatan tersebut sebenarnya memiliki potensi yang sangat besar. Berdasar pada kenyataan tersebut timbul gagasan bagaimana membuat agar getaran tersebut tidak terbuang percuma. Namun membuat agar getaran tersebut dapat dimanfaatkan kembali yaitu dengan memanen (harvesting) energi dari getaran menjadi energi lain yang dapat digunakan kembali untuk aktifitas manusia. Dalam perkembangan teknologi saat ini, telah banyak berkembang berbagai macam cara untuk memanen energi. Objek energi yang akan dipanen juga cukup beragam, mulai dari KERS (Kinetic Energy Recovery System), TERS (Thermal Energy Recovery System) dan VERS (Vibration Energy Recovery System). Telah banyak kita ketahui bahwa setiap peralatan yang beroperasi akan menimbulkan getaran, meskipun getaran tersebut sangatlah sedikit. Maka sudah dapat diperkirakan bahwa potensi yang dimiliki oleh getaran atau VERS (Vibration Energy Recovery System) sangatlah besar untuk dimanfaatkan dan berbagai fenomenanya yang belum dikembangkan. Langkah yang digunakan untuk memanen energi khususnya VERS (Vibration Energy Recovery System) sendiri cukup beragam. Mulai dari digunakannya mekanisme pemanen energi, memanfaatkan material piezoelectric dan dengan memanfaatkan sifat-sifat yang ada pada magnet. Salah satu cara untuk memanfaatkan getaran yang timbul adalah dengan mengkonversi kedalam bentuk energi lain dengan menggunakan energy converter berupa mekanisme pemanen energi getaran dengan prinsip induksi elektromagnetik. Pengujian pada mekanisme pemanen energi getaran dengan prinsip induksi elektromagnetik pada solenoid dibahas dalam penelitian [6], dimana dihasilkan bahwa mekanisme satu magnet tetap (magnetic spring) pada sisi bawah selongsong dengan magnet tunggal (massa magnetik) yang bergerak di tengah selongsong, kemudian digetarkan dengan gerak manusia berjalan lambat akan menghasilkan voltase bangkitan terbesar. pengaruh panjang Penelitian tentang kumparan terhadap voltase bangkitan yang dihasilkan pada mekanisme Vibration Energy Harvesting dibahas pada penelitian [3], dimana hasil penelitian mengindikasikan bahwa panjang kumparan yang secara geometris pendek (dengan jumlah lilitan tertentu/konstan) akan memaksimalkan voltase yang dapat di-harvest oleh mekanisme VEH metode electromagnetic. Pada penelitian Tugas Akhir ini akan dilakukan studi empirik pengaruh panjang kumparan, jumlah massa magnetik (sebagai pengaruh magnetic spring) dan frekuensi putaran terhadap voltase bangkitan maksimum dari mekanisme Vibration Energy Harvesting (VEH) sehingga energi yang dihasilkan dari mekanisme ini dapat lebih efektif dan maksimal. posisi setimbang dan, T adalah periode. Gerak diulang pada t = T. Gerak harmonik sering dinyatakan sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak melingkar dengan kecepatan konstan terhadap suatu garis lurus, dapat dituliskan sebagai : x = A sin ω Besaran ω diukur dalam radian per detik dan disebut frekuensi lingkaran. Karena gerak berulang dalam 2π radian, maka didapat hubungan : 1 ππ = 2ππ = 2ππππ ππ Kecepatan dan percepatan gerak harmonik dapat diperoleh secara mudah dengan menurunkan persamaan 2.4, sehingga didapat : ππ αΊ = ππππππππππππππ = ππππππππππ(ππππ + ) 2 αΊ = −ππ2 π΄π΄π΄π΄π΄π΄π΄π΄π΄π΄π΄π΄ = ππ2 π΄π΄π΄π΄π΄π΄π΄π΄(ππππ + ππ) Pada tugas akhir ini, eksitasi harmonik y(t) didapat dari disk yang berputar secara eksentrik, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 2. 2. Dasar Teori Gerak Harmonik Gerak harmonik adalah gerak bolak - balik benda melalui suatu titik keseimbangan tertentu dengan banyaknya getaran benda dalam setiap sekon selalu konstan. Waktu pengulangan T 1 disebut periode osilasi dan kebalikannya, ππ = ππ yang disebut frekuensi. Hal ini dapat diperagakan dengan sebuah massa yang digantung pada sebuah pegas seperti terlihat pada gambar 2.3. Jika massa tersebut dipindahkan dari posisi diam dan dilepaskan, maka massa tersebut akan berosilasi naik turun. Gambar 2. Eksitasi gerak harmonik Gambar 1. Rekaman gerak harmonik Gerakan osilasi dapat dinyatakan oleh 1 persamaan π₯π₯ = π΄π΄ π π π π π π 2ππ , dengan A adalah ππ amplitudo atau simpangan terbesar diukur dari Elektromagnetik Jika displacement (posisi) sebuah massa magnetik berubah dengan waktu dan massa tersebut bergerak di dalam/dikelilingi oleh suatu kumparan yang dialiri dengan arus listrik, maka suatu medan magnet akan terbangkitkan atau terinduksikan. F = B I L sin θ Sehingga didapat arus yang melewati konduktor sebesar : πΉπΉ I= π΅π΅ πΏπΏ π π π π π π π π Arus listrik ini berharga nol ketika medan magnet yang memotong kawat membentuk sudut θ = 0o dan berharga maksimum pada θ = 90o. Dimana : I = Arus listrik F = Gaya Magnetik (Gaya Lorentz) B = Kuat Medan Magnet L = Panjang kumparan Medan Magnet Pada Rangkaian Solenoidal Rangkaian solenoidal adalah rangkaian yang terdiri dari beberapa loop melingkar koaksial, dengan jari-jari yang sama dan mengalir arus yang sama juga. Jika L adalah panjang dan N jumlah loop, jumlah loop per unit panjang adalah N/L dan jumlah loop dipenampang sepanjang dR adalah (N/L)dR. Tenaga listrik ini berasal dari tenaga mekanik yaitu tenaga untuk menggerakkan magnet di dalam kumparan. W = F.s W = B.i.l.s W = B.i.l.v.Δt (2) Dari substitusi persamaan 1 dan 2, maka GGL induksi akibat pengaruh panjang kumparan adalah e.i.Δt = B.i.l.v.Δt e=B.l.v Gambar 3. Penghitungan medan magnet pada titik P yang terletak pada sumbu solenoid Hukum Kekekalan Energi "Energi tidak dapat diciptakan dan juga tidak dapat dimusnahkan" Jadi perubahan bentuk suatu energi dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain tidak merubah jumlah atau besar energi secara keseluruhan. Perumusan atau persamaan mekanik (berhubungan dengan hukum kekekalan energi) : Dari Gambar 2.8, R = a cot β, dR = -a csc2 β dβ, dan a2+R2 = a2 csc2. Dengan mensubstitusikan harga-harga tersebut maka didapatkan : ππ0 πΌπΌπΌπΌ (−π π π π π π π π ππππ) ππππ = 2πΏπΏ Dengan mengintegralkan maka didapat : β µ IN 2 µ IN − sin β dβ = 0 (cos β 2 − cos β 1 ) B= 0 2 L β∫1 2L dengan menganggap β1 = π dan β2 = 0 akan menghasilkan µ 0 IN B= Em = Ep + Ek dimana : Em Ek Ep = Energi mekanik = Energi kinetik = Energi potensial L Dan untuk titik di ujung dengan β1 = π/2 dan β2 = 0 atau β1 = π dan β2 = π/2 maka menjadi : µ IN B= 0 2L Gaya Gerak Listrik (GGL) Induksi Jika GGL induksi yang terjadi adalah e dan kuat arusnya I, tenaga listrik yang terjadi dalam Δt detik adalah : W = e.I.Δt (1) Gambar 4. menjelaskan sebuah kumparan N ππΦ lilitan ditembus fluks magnetik dengan laju ππππ sehingga akan menimbulkan GGL induksi. Gambar 4. Kumparan yang ditembusi fluks magnetik dengan laju v Bila penghantar PQ (panjang = β) digeser ke kiri dengan kelajuan v di dalam medan B, maka akan terjadi GGL induksi. 3. Metodologi Pada tugas akhir ini bertujuan untuk merancang dan mengetahui karakteristik alat pemanen energi listrik dengan memanfaatkan energi dari getaran yang ada di lingkungan sekitar kita. Pada tahap ini mekanisme pengujian bangkitan energi listrik dimodelkan dengan rangkaian variasi panjang kumparan (L) dan jumlah massa magnetik (Mn) serta frekuensi putaran (f) pada mekanisme pemanen energi getaran. Variasi panjang kumparan yang digunakan adalah 2 mm, 4 mm, 6 mm, 8 mm dan 10 mm. Terdapat juga variasi lainnya yaitu variasi jumlah massa magnetik (Mn) dan frekuensi putaran (f) yang telah ditentukan. Untuk jumlah massa magnetik, digunakan kepingan disk magnetik dengan tebal masingmasing 1 mm dan ditumpuk dengan jumlah 20 keping (20 mm), 25 keping (25 mm) dan 30 keping (30 mm). Sedangkan untuk variasi kecepatan putaran, digunakan stroboscope untuk menentukan nilai rpm-nya yaitu 150 rpm, 250 rpm dan 350 rpm. Jumlah lilitan yang digunakan telah ditentukan yaitu sebanyak 2000 lilitan. Pemilihan variasi ini diambil karena belum adanya penelitian yang dilakukan untuk variasi panjang kumparan dan jumlah massa magnetik pada spesimen yang akan di uji serta variasi frekuensi putaran pada mekanisme pemanen energi getaran. Oleh karena itu, diambil variasi tersebut untuk meneliti apakah dengan variasi tersebut nilai optimum voltase dapat dibangkitkan dengan mekanisme ini. Mekanisme pemanen energi getaran ini terdiri dari beberapa peralatan yang berperan sangat penting untuk menunjang jalannya mekanisme ini. Peralatan – peralatan tersebut terdiri dari motor DC, disk eksentrik, papan pendorong, dan mekanisme pembangkit daya. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini : merupakan interprestasi dari getaran yang akan dipanen atau di harvest energinya, dimana massa magnetic bergerak secara osilatif di dalamsebuah kumparan yang terbuat dari kawat konduktif. Akibat dari pergerakan massa magnetic ini, arus listrik akan mengalir pada kumparan. Akibatnya voltase dan daya bangkitan yang timbul pada mekanisme ini dapat dipanen dan ditampun guntuk dimanfaatkan pada kebutuhan energy lainnya. Gambar 5. Skema mekanisme pemanen energi getaran metode elektromagnetik Untuk proses pengambilan data voltase bangkitan dari mekanisme Vibration Energy Harvesting (VEH), maka bagian-bagian mekanisme Vibration Energy Harvesting (VEH) dirangkai dengan peralatan-peralatan untuk mengambil data voltase bangkitan. Skema pengujian mekanisme Vibration Energy Harvesting (VEH) dapat dilihat pada gambar di bawah ini : Gambar 7. Rangkaian mekanisme pembangkit daya 4. Hasil dan Pembahasan Dari hasil eksperimen didapatkan grafik dari oscilloscope kemudian diolah dan didapatkan grafik fungsi panjang kumparan, frekuensi putaran terhadap voltase dan daya bangkitan. Gambar 7, Gambar 8 dan Gambar 9 merupakan grafik 3D voltase yang dihasilkan dari seluruh variasi panjang kumparan, jumlah massa magnetik dan frekuensi putaran. Dari grafik terlihat bahwa variasi yang dapat membangkitkan voltase terbesar adalah variasi panjang kumparan (L) 10 mm dan frekuensi putaran (f) 350 rpm pada jumlah massa magnetik 30 mm (30 Keping) yaitu 0,74 Volt. sedangkan voltase bangkitan terkecil diperoleh pada variasi panjang kumparan (L) 2 mm dan frekuensi putaran (f) 150 rpm pada jumlah massa magnetik 20 mm (20 Keping) yaitu 0,32 Volt. Gambar 6. Skema pengujian mekanisme VEH Voltase (Volt) Dalam garis besarnya, cara kerja mekanisme Vibration Energy Harvesting (VEH) yang dirancang adalah sebagai berikut : Osilasi translatif didapat dari papan pendorong yang terhubung dengan sebuah disk eksentrik yang diputar oleh sebuah motor DC. Selongsong dengan dililiti kumparan dan di dalamnya terdapat massa magnetic yang menginduksi kumparan bergerak bolak-balik secara harminik akibat dari pergerakan translasi papan pendorong akibat amplitude yang ditimbulkan oleh pputaran disk eksentrik. Gerak translasi linear dari massa magnetic dengan pantulan yang disebabkan oleh magnetic spring Voltase Bangkitan VS Panjang Kumparan dan Frekuensi Putaran Disk - Mn = 20 mm (20 keping) 0.60-0.80 0.40-0.60 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0.20-0.40 0.00-0.20 2 4 6 8 350 RPM 250 RPM 150 RPM 10 Panjang Kumparan (mm) Gambar 7. Grafik komparasi voltase bangkitan akibat dari variasi panjang kumparan dan frekuensi 0.40-0.60 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0.20-0.40 0.00-0.20 2 4 6 8 350 RPM 250 RPM 150 RPM 10 Panjang Kumparan (mm) Gambar 8. Grafik komparasi voltase bangkitan akibat dari variasi panjang kumparan dan frekuensi putaran pada jumlah massa magnetik 25 mm (25 keping) Voltase (Volt) Voltase Bangkitan VS Panjang Kumparan dan Frekuensi Putaran Disk - Mn = 30 mm (30 keping) 0.60-0.80 0.40-0.60 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0.20-0.40 0.00-0.20 2 4 6 8 350 RPM 250 RPM 150 RPM 10 Panjang Kumparan (mm) Gambar 9. Grafik komparasi voltase bangkitan akibat dari variasi panjang kumparan dan frekuensi putaran pada jumlah massa magnetik 30 mm (30 keping) Pada trend grafik kali ini, nilai voltase bangkitan semakin kecil seiring dengan menurunnya nilai panjang kumparan (L). Fenomena ini disebabkan karena pada titik panjang kumparan (L) 10 mm, mekanisme pemanen energi getaran sudah melewati batas optimum voltase bangkitan pengaruh panjang kumparan (L). Pada titik ini nilai kuat medan magnet (B) yang semakin meningkat akibat pengaruh panjang kumparan (L) yang semakin mengecil tidak lagi berlaku, karena massa magnetik sudah terlalu jauh melewati kumparan sehingga pengaruh medan magnet pada kumparan semakin berkurang. Fenomena semakin meningkatnya nilai voltase bangkitan (e) akibat pengaruh bertambahnya jumlah massa magnetik (Mn) disebabkan karena semakin bertambahnya jumlah massa magnetik (Mn) nilai kuat medan magnet (B) yang dihasilkan akan semakin meningkat. Jarak antara massa magnetik dengan kumparan yang semakin meningkat akan semakin dekat. Akibatnya pengaruh kuat magnet terhadap kumparan akan semakin besar. Hal inilah yang menyebabkan jumlah massa magentik (Mn) yang Gambar 10, Gambar 11 dan Gambar 12 merupakan grafik 3D voltase yang dihasilkan dari seluruh variasi panjang kumparan, jumlah massa magnetik dan frekuensi putaran. Dari grafik terlihat bahwa variasi yang dapat membangkitkan daya terbesar adalah variasi panjang kumparan (L) 10 mm dan frekuensi putaran (f) 350 rpm pada jumlah massa magnetik 30 mm (30 Keping) yaitu 0,145 mWatt. sedangkan daya bangkitan terkecil diperoleh pada variasi panjang kumparan (L) 2 mm dan frekuensi putaran (f) 150 rpm pada jumlah massa magnetik 20 mm (20 Keping) yaitu 0,038 mWatt. Daya Bangkitan VS Panjang Kumparan dan Frekuensi Putaran Disk - Mn = 20 mm (20 keping) Daya (mWatt) Voltase (Volt) Voltase Bangkitan VS Panjang Kumparan dan Frekuensi Putaran Disk - Mn = 25 mm (25 keping) 0.60-0.80 semakin bertambah akan menghasilkan voltase bangkitan (e) semakin besar pula. 0.100-0.150 0.150 0.050-0.100 0.100 0.000-0.050 0.050 350 RPM 250 RPM 150 RPM 0.000 2 4 6 8 10 Panjang Kumparan (mm) Gambar 10. Grafik komparasi daya bangkitan akibat dari variasi panjang kumparan dan frekuensi putaran pada jumlah massa magnetik 20 mm (20 keping) Daya Bangkitan VS Panjang Kumparan dan Frekuensi Putaran Disk - Mn = 25 mm (25 keping) 0.100-0.150 Daya (mWatt) putaran pada jumlah massa magnetik 20 mm (20 keping) 0.150 0.050-0.100 0.100 0.000-0.050 0.050 350 RPM 250 RPM 150 RPM 0.000 2 4 6 8 10 Panjang Kumparan (mm) Gambar 11. Grafik Komparasi Daya Bangkitan akibat dari Variasi Panjang Kumparan dan Frekuensi Putaran Pada Jumlah Massa Magnetik 25 mm (25 Keping) Daya (mWatt) Daya Bangkitan VS Panjang Kumparan dan Frekuensi Putaran Disk - Mn = 30 mm (30 keping) 0.100-0.150 0.150 0.050-0.100 0.100 0.000-0.050 0.050 350 RPM 250 RPM 150 RPM 0.000 2 4 6 8 10 Panjang Kumparan (mm) Gambar 12. Grafik Komparasi Bangkitan Daya akibat dari Variasi Panjang Kumparan dan Frekuensi Putaran Pada Jumlah Massa Magnetik 30 mm (30 Keping) Fenomena meningkatnya daya (P) bangkitan akibat bertambahnya panjang kumparan (L) ini disebabkan karena dengan semakin bertambahnya panjang kumparan (L), semakin banyak kuat medan yang memotong kumparan. Dengan semakin banyaknya perpotongan kuat medan magnet yang memotong kumparan maka arus yang mengalir pada kumparan juga semakin besar. Hal inilah yang menyebabkan daya (P) bangkitan yang dihasilkan akan semakin meningkat. 5. Konklusi Pada penelitian yang telah dilakukan yaitu analisa pengaruh variasi panjang kumparan, jumlah massa magnetic dan frekuensi putaran terhadap volatase dan daya yang dihasilkan pada mekanisme Vibration Energy Harvesting (VEH) didapatkan kesimpulan bahwa semakin besar panjang kumparan (L), jumlah massa magnetik (Mn) dan frekuensi putaran (f) maka semakin besar voltase dan daya yang dapat dibangkitkan dari mekanisme Vibration Energy Harvesting (VEH). Daftar Pustaka [1] D. Dimargonas, Andrew. 2002. Vibration for Engineers. New jersey : Prentice Hall PTR. [2] Halliday, David, Robert Resnick. 1978. Physics Parts 1 and 2. New York : John Wiley & Sons. [3] Hendrowati, Wiwiek, Bambang Daryanto W., Harus Laksana G. Pengaruh Variasi Panjang Kumparan Terhadap Voltase yang Dihasilkan Mekanisme Vibration Energy Harvesting 978-602-97742-0-7. [4] Kinbrell, JackT. 1991. Kinematics Analysis and Synthesis. New York : McGraw-Hill Inc. [5] Reitz R. Jhon. 1979. Foundations of Electromagnetic Theory 3rd edition. Washington D.C, Inc : Adison-Wesley. [6] Saha, C.R., T. O’Donnell, N. Wang, and P. McCloskey. “Electromagnetic Generator for Harvesting Energy from Human Motion”. Sensors and Actuators A 147, 248-253, 2008. [7] S. Rao, Singiresu. 2004. Mechanical Vibration. Singapore : Prentice Hall PTR. [8] Vierck Robert K. 1995. Analisis Getaran. Bandung : Refika Aditama, Eresco.