T1_612009007_BAB III

BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan realisasi dari skripsi
meliputi gambaran alat, cara kerja sistem dan modul yang digunakan. Gambar 3.1
merupakan diagram cara kerja dari alat yang akan dibuat.
Gambar 3.1 Diagram Sistem
Secara garis besar, hembusan angin menghantam sudu guna menggerakkan turbin dan
kemudian turbin menggerakkan generator untuk kemudian dikonversikan menjadi
energi listrik, kemudian energi yang dihasilkan akan diproses dalam rangkaian regulator
untuk kemudian disimpan pada sebuah baterai.
3.1.
Cara Kerja Alat
Alat ini nantinya akan bekerja seperti turbin angin sumbu vertikal pada
umumnya. Sumber angin berasal dari hembusan angin dialam terbuka dan kipas angin.
Sumber angin dari alam digunakan untuk pengujian alat pada tuangan terbuka
sedangkan sumber dari kipas angin digunakan untuk pengujian terkontrol didalam
ruangan. Selanjutnya angin akan menumbuk turbin angin guna menggerakkan generator
untuk menghasilkan sumber energi listrik dengan cara menrubah gerak menjadi listrik.
Kemudian energi yang telah dihasilkan akan distabilkan oleh konverter DC-DC voltage
regulator supaya keluarannya dapat disimpan ataupun langsung dapat dimanfaatkan
guna menghidupkan lampu LED sebagai penerangan. Alat tersebut dirancang portable
sehingga mudah untuk dipindahkan dan mudah untuk dibongkar dan dipasang kembali
agar pengguna dapat membongkar ketika akan disimpan dan mudah dirakit kembali
ketika akan digunakan seandainya akan digunakan sebagai media peraga pembelajaran.
16
3.2.
Perancangan Perangkat Keras
Pada sub bab ini akan dijelaskan perangkat keras yang digunakan sistem, secara
garis besar terdiri dari beberapa bagian yaitu turbin ventilator, generator, modul
regulator.
3.2.1. Turbin Ventilator
Turbin ventilator yang digunakan memiliki dimensi diameter 66 cm =0,66m,
tinggi 35cm=0,35m, panjang celah sudu 7cm= 0,07m, berat 4616 gr=4,616 kg dan
memiliki blade atau bilah sebanyak 26 buah.
Gambar 3.2 Turbin ventilator yang telah dimodifikasi
Berikut ini adalah contoh perhitungan daya angin yang diekstrak oleh
turbin ventilator:
17
Dimana:
Po = daya
(watt)
Ρ
= kerapatan udara
(kg/m3)
V
= kecepatan angin
(m/s)
A
= luas penampang
(m2)
Sehingga:
A=
⁄
Po=
⁄
Po=1,655 watt
3.2.2. Modul Regulator
Regulator menggunakan BL-8530 yang merupakan CMOS berbasis
PFM pulse frequncy modulation step-up DC - DC converter. Step-up DC-DC
converter merupakan rangkaian yang dapat menaikkan tegangan DC dengan
mengatur besarnya duty cycle pada switch-nya. Modul ini bertugas mengubah
keluaran dari generator menjadi sebesar 5V.
Gambar 3.3 Untai boost converter BL -8530
Nilai maksimum duty cycle dapat dihitung dengan asumsi sebagai berikut:
18
Diperoleh nilai D yaitu 0,52 dan besarnya nilai
Persamaan yang digunakan untuk menghitung
,
adalah sebagai berikut :
Nilai C didapat dari persamaan berikut:
Akan tetapi besarnya nilai C sudah di rekomendasikan sebesar 100 μF sehingga
perhitungan yang di dapat adalah sebagai berikut:
Dimana:
R
= ripple
Gambar 3.4 Modul Regulator
19
3.2.3. Generator
Menggunakan generator AC magnet permanen 3 phase berdaya
maksimal 300 Watt dengan tegangan maksimal 200 V pada 3000 rpm.
Gambar 3.5 Generator AC Pada Bracket
Gambar 3.6 Skema Generator
Generator yang dipilih adalah generator yang ringan dengan kata lain tidak
membutuhkan daya yang sangat besar agar generator mau berputar. Generator
ini mampu berputar dengan torsi minimal 1,3 Nm. Sehingga dengan
menggunakan generator ini dapat memanfaatkan tenaga angin minimal 1,4 m/s
atau 5 km/jam dengan asumsi mengenai keseluruhan turbin.
3.2.4. Penyearah 3 fasa
Penyearah 3 fasa merupakan salah satu teknik merubah tegangan AC
menjadi tegangan DC. Rangkaian penyearah 3 fasa merupakan rangkaian dasar
pada sebagian besar rangkaian penyearah fasa banyak (polyphase rectifier).
20
V1
D1
50 Hz
V2
50 Hz
D2
D3
D4
D5
D6
V3
C2
C1
50 Hz
Rload
Vo
Gambar 3.7 Rangkaian penyearah 3 fasa
Sumber tegangan 3 fase memiliki keseimbangan daya karena di pasok oleh tiga
fasa a,b dan c. Sumber tegangan dioda diasumsikan ideal dalam analisis awal
rangkaian. Hanya satu dioda di bagian kiri bridge yang bekerja pada satu waktu
(D1, D3 dan D5), Dan hanya satu dioda di bagian kanan bridge yang dapat
bekerja pada satu waktu (D2, D4 dan D6).
D1 dan D4 tidak dapat dilewati arus pada saat yang sama, demikian pula D3 dan
D6 tidak dapat pula dilewati arus secara bersamaan, begitu juga D5 dan D2.
Beban output tegangan adalah salah satu line-to-line tegangan dari sumber. Ada
6 kombinasi line-to-line tegangan (setiap 60o).
21
Gambar 3.8 Sinyal keluaran generator 3 fasa setelah di searahkan
Tegangan masukan
√
√
Arus masukan
√
√
Daya masukan
Tegangan dan arus keluaran
Daya Keluaran
3.2.5. Sensor Tegangan dan Arus
Sensor tegangan yang digunakan adalah dengan rangkaian pembagi
tegangan. Rangkaian ini digunakan untuk mengurangi besarnya tegangan yang
masuk ke input analog pada mikrokontroler arduino yang hanya bisa mendeteksi
tegangan sebesar 5V.
22
Rumus pembagi tegangan:
Gambar 3.9 Sensor Tegangan
sensor arus yang digunakan untuk pembacaan arus yang masuk ke baterai
menggunakan rangkaian non-inverting. Dengan memberi beban sebesar 1 ohm
untuk dilihat perbandingan nilai tegangan yang masuk sesudah resistor dan
sebelum resistor dan dikuatkan sebesar 100 kali untuk kemudian dimasukkan
pada input ADC.
V1
5V
+V
5V
+V
5V
+V
22 ohm
+
LM324
+
LM324
ADC
1 ohm
2k
2k
18k
18k
Gambar 3.10 Sensor Arus dengan rangkaian Non-Inverting
23
3.2.6. Display
Display tegangan dan arus dari menggunakan LCD karakter 16 x 2, dan
untuk menghemat penggunaan I/O pada arduino digunakan modul I2C LCD
backpack.
Gambar 3.11 rangkaian i2c LCD Backpack
Gambar 3.12 LCD Backpack
3.3.
Kipas Angin
Untuk mensimulasikan angin digunakan kipas dengan 3 kecepatan yaitu
2,4 m/s; 3,4 m/s; dan 5,4 m/s. Kipas angin ini memiliki diameter 50 cm=0,5m
dan jari – jari 25 cm = 0,25 m.
24
Gambar 3.13 Kipas Angin
Masing-masing kecepatan memiliki daya angin sebagai berikut:
Luas penampang kipas angin
(
)
Dipakai kerapatan angin pada suhu kamar ( 27 °C ) adalah 1,743 kg/
Pada kecepatan angin 2,4 m/s (pembacaan anemometer)
Daya (
)
=
.ρ.A.
=
.(1,743 kg/
).(0,196
).
= 2.361 W
Pada kecepatan angin 3,4 m/s (pembacaan anemometer)
Daya (
)
=
.ρ.A.
=
.(1, 743 kg/
).(0,196
= 6,714W
25
).
Pada kecepatan angin 5,4 m/s (pembacaan anemometer)
Daya (
)
=
.ρ.A.
=
.(1, 743 kg/
).(0,196
).
= 26.897 W
3.4.
Perancangan Perangkat Lunak
Pada bagian ini akan dijelaskan tentang perangkat lunak yang ada pada sistem.
Perangkat lunak ini meliputi perancangan perangkat lunak yang ditanamkan pada
mikrokontroler arduino nano.
START
Baca Data Sensor
tegangan dan arus
Data Ditampilkan
di LCD
END
Gambar 3.14 Diagram Alir Perangkat Lunak
Dimulai dengan menghidupkan sistem, kipas angin akan menghembuskan angin
dan menumbuk turbin ventilator untuk kemudian menggerakkan. Sensor kemudian
membaca data tegangan dan arus yang kemudian diolah oleh mikrokontroler dan
ditampilkan pada LCD.
26
3.5.
Pembacaan Arduino
Arduino memiliki karakteristik 10 bit ADC dan dapat menerima input maksimal
5 V sehingga untuk mendeteksi tegangan di atas 5 volt diperlukan pembagi
teganganguna mengurangi tegangan masuk yang diinputkan pada port ADC.
Cara membaca inputan ADC pada arduino, dikarenakan memiliki 10 bit ADC
dan maksimal tegangan 5 volt maka data yang terbaca pada arduino jika di konversi
adalah 10 bit=210 =1024 digit= 0 – 1023 ketika tegangan maksimal sebesar 5 volt.
Sehingga setiap proses dihitung
untuk setiap proses. Berikut
adalah merupakan contoh source code pembacaan input tegangan ADC:
Int read_adc(int adc_parameter)
{
Int sum=0;
Int sample;
For (int i=0;i<100;i++) //diulang pengambilan sample 100x
{
sample=analogRead(adc_parameter);//baca pin input
sum +=sample; //disimpan penjumlahan data yang disample
delayMicroseconds(50); //ditahan untuk 50 micro detik
}
return (sum/100);
//merata-rata datayang telah di sample
}
27