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

BAB II
LANDASAN TEORI
Dalam merealisasikan suatu alat diperlukan dasar teori untuk menunjang
hasil yang optimal. Pada bab ini akan dibahas secara singkat mengenai teori
dasar yang digunakan untuk merealisasikan Alat Peraga Pasang Surut ( Tidal
Power ) untuk Mata Kuliah Energi Baru dan Terbarukan ( New and Renewable
Energy ).
2.1. Energi Potensial
Energi potensial merupakan sebuah fungsi koordinat/letak sedemikian
sehingga perbedaan antara nilai/harga di posisi awal dan di posisi akhir sama
dengan sama dengan usaha yang dilakukan sebuah benda untuk menggerakkan
dari posisi awal ke posisi akhir.[2]
W(A
= (Ep)A - (Ep)B ……………….. (2.1)
B) =
Di mana F merupakan gaya sistem dari benda itu sendiri (Fluar)
F=mg
h
m
Gambar 2.1. Potensial Gravitasi
Apabila persamaan 2.1 kita terapkan pada potensial gravitasi maka diperoleh
…… (2.2)
Ep =
Ep =
…… (2.3)
Ep =
Di mana Ep = Energi potensial (Joule)
m = Massa (Kg)
7
…… (2.4)
g = Gravitasi Bumi (
)
h = Tinggi benda (m)
2.2. Gerak Rotasi Benda Tegar
Gerak rotasi merupakan gerak suatu benda yang berputar terhadap
sumbu putarnya, gerak rotasi ini dibagi menjadi 2 jenis. Yang pertama adalah
gerak rotasi benda tegar sekitar sumbu tetap dan yang kedua adalah gerak
rotasi benda tegar sekitar sumbu bergerak. [3] Dalam gerak rotasi benda tegar
pada sumbu tetap memiliki besaran fisika sebagai berikut.
Gambar 2.2. Rotasi Benda Tegar [12]
Posisi sudut (θ) dapat dinyatakan dengan persamaan:
θ = (radian) …… (2.5)
di mana s adalah panjang segmen lingkaran yang disapu jari-jari r.
kecepatan sudut rata-rata dapat dinyatakan oleh persamaan:
ω = (radian/detik) …… (2.6)
Nilai energi kinetik dari sebuah benda yang berotasi adalah
…… (2.7)
Ek =
Untuk benda tegar berbentuk piringan I =
, maka energi kinetiknya adalah
……. (2.8)
Ek =
Di mana I = momen inersia benda tegar berbentuk piringan (Kgm2)
ω = kecepatan sudut rata-rata (rad/detik)
m = massa benda tegar (Kg)
r = jarak dari sumbu rotasi (m)
8
2.3. Perbandingan Pulley
Pulley merupakan suatu benda dari logam atau bukan logam dengan
bentuk bulat pipih dan pada pingiranya beralur. Pulley sangat berguna untuk
memnindahkan daya atau energi dari suatu penggerak kepada yang digerakkan.
B
A
Gambar 2.3. Kombinasi Pulley
Pulley dapat dikombinasikan untuk memperoleh hasil akhir sesuai
kebutuhan. Kombinasi pulley digambarkan pada Gambar 2.3. Perbandingan
pulley dalam kombinasi dapat dihitung dengan prinsip berikut. [4]
……. (2.9)
Di mana GR = Gear Ratio atau rasio gir
N1 = Diameter pulley yang memutar
N2 = Diameter pulley yang diputar
2.4. Generator
Generator listrik merupakan mesin yang dapat mengubah energi kinetik
menjadi energi listrik. Terdapat 2 komponen utama pada generator listrik,
yaitu: stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Rotor akan
berhubungan dengan poros generator listrik yang berputar pada pusat stator.
Kemudian poros
generator listrik
tersebut
menggunakan usaha yang berasal dari luar. [5]
9
biasanya diputar dengan
Gambar 2.4. Generator
Tegangan listrik yang dihasilkan oleh generator listrik AC ini berjenis
bolak - balik dengan bentuk seperti gelombang sinus. Amplitudonya
bergantung pada kuat medan magnet, jumlah lilitan kawat, dan luas penampang
kumparan. Frekuensi gelombangnya sama dengan frekuensi putaran kumparan.
Pada generator berlaku persamaan GGL (Gaya Gerak Listrik) sebagai berikut
Ɛ = N B A ɷ …… (2.10)
Di mana,
Ɛ = Gaya gerak listrik (Volt)
N = Jumlah lilitan
B = Kuat medan magnet (Tesla)
A = Luas penampang kumparan (m2)
ɷ = Kecepatan putaran (rad/detik)
2.5. Mikrokontroler
Pada skripsi ini digunakan board mikrokontroler arduino dengan IC
ATMega2560 sebagai pengendali utama. Board tersebut mempunyai
spesifikasi sebagai berikut :
1.
Tegangan operasi
:5V
2.
Tegangan input (saran)
: 7-12 V
3.
Tegangan input (batas)
: 6-20 V
4.
Digital I/O pins
: 54 (15 digunakan untuk PWM)
5.
Analog input pins
: 16
6.
Arus DC setiap I/O pins
: 40 mA
7.
Arus DC untuk 3,3 V pins
: 50 mA
10
8.
Flash Memory
: 256 Kb (8 Kb digunakan untuk
bootloader)
9.
SRAM
: 8 Kb
10. EEPROM
: 4 Kb
11. Clock speed
: 16 MHz
Gambar 2.5. Board Atmega 2560
Pengendali yang digunakan berjenis arduino 2560. Mikrokontroler
berfungsi sebagai pengendali alat ini di mana, bertugas mengolah data dari
generator yang akan di tampilkan menggunakan seven segment, sebagai
pengontrol pompa air dan valve elektrik.
2.6. Sensor Kapasitif
Kapasitif sensor ini bekerja berdasarkan perubahan muatan energi
listrik
yang
dapat
disimpan
oleh
sensor
akibat
perubahan
jarak
lempeng,perubahan luas penampang dan perubahan volume dielektrikum
sensor kapasitif tersebut. Konsep kapasitor yang digunakan dalam sensor
kapasitif adalah proses menyimpan dan melepas energi listrik daalam bentuk
muatan – muatan listrik pada kapasitor yang dipengaruhi oleh luas permukaan,
jarak dan bahan dielektrikum. Sifat sensor kapasitif yang dapat dimanfaatkan
dalam proses pengukuran di antaranya adalah sebagai berikut.
Sifat sensor kapasitif yang dimanfatkan dalam pengukuran:
11
-
Jika luas permukaan dan dielektrika (udara) dalam dijaga konstan,
maka perubahan kapasitansi ditentukan oleh jarak antara dua
lempengan logam.
-
Jika luas dan permukaan kedua lempengan logam dijaga konstan
dan volume dielektrikum dapat dipengaruhi maka perubahan
kapasitansi ditentukan oleh volume atau ketinggian cairan elektrolit
yang diberikan.
-
Jika jarak dan dielektrikum (udara) dijaga konstan, maka perubahan
kapasitansi ditentukan oleh luas permukaan kedua lempeng yang
saling berdekatan.
Gambar 2.6. 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:
12
C = εr
............(2.11)
Dimana:
εr = pemitifitas relatif (air = 18)
A = luas plat / lempeng (
)
d = jarak antara plat / lempeng (m)
2.7. Sensor Arus
Sensor arus ini merupakan modul sensor untuk mendeteksi besar arus
yang mengalir lewat terminal block menggunakan current sensor chip
ACS712-20 yang memanfaatkan efek Hall.
Gambar 2.7. 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
13
2.8. Valve Elektrik
Solenoid valve merupakan katup yang dikendalikan dengan arus listrik
baik AC maupun DC melalui kumparan / selenoida. Solenoid valve ini
merupakan elemen kontrol yang paling sering digunakan dalam system fluida.
Seperti pada system pneumatik, system hidrolik ataupun pada system control
mesin yang membutuhkan elemen control otomatis. Contohnya pada system
pneumatik, solenoid valve bertugas untuk mengontrol saluran udara yang
bertekanan menuju aktuator pneumatic (cylinder). Atau pada sebuah tandon air
yang membutuhkan solenoid valve sebagai pengatur pengisian air, sehingga
tendon tersebut tidak sampai kosong.
Gambar 2.8. 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
14
2.9. Pompa Air
Pompa air AC adalah pompa yang digerakan oleh catu daya AC atau
jala – jala listrik PLN.
Gambar 2.9. Pompa Air
Dalam perancangan tugas akhir ini menggunakan pompa air AC
typesingle phase, Pompa air menggunakan pompa AC merk DAB dengan
sepesifikasi sebagai berikut :
 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
2.10. Turbin
Turbin Cross-Flow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin aksi (
impule turbin ). Pemakaian jenis Turbin Cross-Flow lebih menguntungkan
dibanding dengan penggunaan kincir air maupun jenis turbin mikro hidro
lainya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya
pembuatan penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan
15
bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran Turbin CrossFlow lebih kecil dan lebih kompak disbanding kincir air. Diameter kincir yakni
roda jalan atau runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapi diameter Turbin
Cross-Flow dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahan – bahan yang
dibutuhkan jauh lebih sedikit,itulah sebabnya bisa lebih murah. Demikian juga
daya guna atau effisiensi rata – rata turbin ini lebih tinggi dari pada daya guna
kincir air. Hasil pengujian laboratorium yang dilakukan oleh pabrik turbin
Ossberger Jerman Barat yang menyimpulkan bahwa daya guna kincir air dari
jenis yang paling unggul sekalipun hanya mencapai 70 % sedangkan effisiensi
turbin Cross-Flow mencapai 82 % ( Haimerl, L.A., 1960 ). Tingginya effisiensi
Turbin Cross- Flow ini akibat pemanfaatan energi air pada turbin ini dilakukan
dua kali, yang pertama energi tumbukan air pada sudu – sudu pada saat air
akan meninggalkan runner. Adanya kerja air yang bertinggkat ini ternyata
memberikan
keuntungan
dalam
hal
effektifitasnya
yang tinggi
dan
kesederhanaan pada sistem pengeluaran air dari runner. Kurva di bawwah ini
akan lebih menjekaskan tentang perbandingan effisiensi dari beberapa turbin
konvensional. Sumbu y menunjukkan effisiensi turbin dan sumbu x
menunjukkan debit air yang mengalir.
Gambar 2.10 Effisiensi beberapa turbin dengan penggunaan debit
sebagai variabel (sumber: Haimerl,L.A, 1960)
16
Dari kurva tersebut ditunjukka hubungan antara effisiensi dengan
pengurangan debit akibat pengaturan pembukaan katup yang dinyatakan dalam
perbandingan debit terhadap debit maksimumnya. Untuk Turbin Cross-Flow
dengan Q/Qmak = 1 menunjukkan effisiensi yang cukup tinngi sekitar 80 %
disamping itu untuk perubahan debit sampai dengan Q/Qmak = 0.2
menunjukkan harga effisiensi yang relatif tetap ( Meier, Ueli, 1981).
Pada perancangan skripsi ini turbin yang digunakan adalah turbin cross
flow dengan bahan plat besi dengan diameter 13 cm dan tinggi 10 cm, turbin
memiliki 11 sirip.
Gambar 2.11. Turbin cross flow
17