Pemanfaatan Energi Kinetik Menjadi Energi Listrik Menggunakan

BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan realisasi sistem yang
dibuat. Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram sistem secara keseluruhan.
Anak Tangga I
Anak Tangga II
Anak Tangga III
Gambar 3.1. Blok Diagram Sistem Secara Keseluruhan.
10
3.1. Mekanik
Bagian mekanik pada anak tangga terbagi menjadi 2, yang pertama adalah anak
tangga yang menonjol karena adanya pegas sehingga terbentuk energi potensial yang
kemudian berubah menjadi energi kinetik pada tuas yang terhubung pada gir flywheel.
Bagian kedua dari mekanik adalah gearbox yang menguatkan energi kinetik dari tuas
dan kemudian memutar generator.
Alat yang terealisasi terdiri dari 4 buah anak tangga yang terdiri dari 1 anak
tangga statis tempat rangkaian elektrik dan 3 buah anak tangga dinamis berpegas. Dari
ketiga anak tangga dinamis berpegas, terdapat 2 anak tangga yang saling terhubung
dengan 1 buah generator dan 1 anak tangga yang memiliki generator sendiri. Dilengkapi
dengan tiang lampu setinggi 2 meter. Dimensi keseluruhan anak tangga adalah panjang
50 cm, lebar 100 cm, dan tinggi 72 cm. Anak tangga yang terealisasi ditunjukkan
melalui Gambar 3.2.
Gambar 3.2. Realisasi Keseluruhan Alat
3.1.1 Pegas
Pegas berada pada 4 sudut anak tangga seperti yang ditunjukkan pada Gambar
3.3. Pegas inilah yang akan memberi perbedaan ketinggian yang menghasilkan energi
11
potensial. Ketika anak tangga dipijak, tuas akan memutar gir
flywheel
seperti
ditunjukkan pada Gambar 3.4. Energi potensial yang dihasilkan saat anak tangga dipijak
dengan massa 48 kg menurut Persamaan 2.1 adalah
Gambar 3.3. Pegas Pada Sudut Anak Tangga
Gambar 3.4. Tuas Penggerak Flywheel
Gaya gravitasi akan menggerakkan tuas penggerak gir flywheel. Gerakan inilah
yang menghasilkan energi kinetik akibat rotasi benda tegar. Untuk mengetahui berapa
besarnya energi kinetik yang dihasilkan digunakan Persamaan 2.5. Besarnya energi
potensial dari perubahan ketinggian pegas akan sama dengan besarnya energi kinetik
pada flywheel. Diketahui berat dari gir flywheel adalah 138,6 gram dan diameter 5,4 cm.
......................................................... (3.1)
12
.................................................. (3.2)
....................................................... (3.3)
⁄
Apabila 1 rpm = 0,1047 radian / detik, maka diketahui
3.1.2 Gearbox
Terdiri atas sepasang gir, gir yang porosnya terhubung dengan gir flywheel
adalah gir besar bergigi 60. Kemudian gir tersebut menggerakkan gir kecil bergigi 16
yang porosnya merupakan rotor generator. Realisasi susunan gearbox ditunjukkan oleh
Gambar 3.5.
Gambar 3.5. Realisasi Gearbox
Gearbox disusun seperti ini agar dengan putaran awal sedikit mampu
memberikan putaran akhir lebih banyak. Percepatan yang timbul akan memutar rotor
generator lebih cepat dan putarannya juga lebih banyak. Dengan Persamaan 2.6 dan
13
jumlah gigi gir yang digunakan, yaitu gir besar bergigi 60 dan gir kecil bergigi 16 dapat
diketahui rasio gearbox.
Variabel R merupakan jari-jari cakram, yaitu 2,7 cm. Sedangkan S merupakan
jarak tempuh tuas akibat pijakan pada anak tangga dimana terukur 7 cm. Dengan
Persamaan 2.2 maka akan diperoleh
Bila satu pijakan untuk menghasilkan nilai S membutuhkan waktu 0,5 detik,
maka kecepatan sudut rata-rata dengan menggunakan Persamaan 2.3 adalah
Dengan demikian kecepatan akhir gearbox adalah
.................................................. (3.4)
⁄
Dengan menggunakan Persamaan 2.5, energi kinetik dari gearbox adalah
(
)
(
................................................. (3.5)
)
14
Setelah diketahui besarnya energi potensial dan kinetik yang didapat dari mekanik anak
tangga, maka efisiensi mekanik adalah
............................................................. (3.6)
Hasil perhitungan menunjukkan bahwa efisiensi mekanik yang dirancang adalah 85%.
3.2. Generator
Generator yang diaplikasikan adalah generator yang didapat dari blok silinder
mesin sepeda motor Suzuki RC 100. Kedua buah generator dibuat memiliki hasil
tegangan keluaran yang berbeda. Generator yang pertama lebih ringan sehingga putaran
yang dihasilkan pada sekali pijakan lebih banyak daripada generator kedua yang lebih
berat putarannya. Rotor dari generator ada kumparan sedangkan bagian statisnya adalah
magnet.
Gambar 3.6. Realisasi Generator
15
Gambar 3.7. Realisasi Multi Generator
Untuk mendapatkan besarnya keluaran yang dihasilkan oleh generator,
dilakukan pengujian tanpa beban. Pengujian dengan cara mengukur tegangan AC yang
dihasilkan generator saat anak tangga dipijak menggunakan multimeter FLUKE 26 III.
Tabel 3.1. Hasil Pengujian Generator I dan II Tanpa Beban
Pengujian ke1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Rata-rata
Generator I
Generator II
Tegangan (VAC) Tegangan (VAC)
5,1
4,4
5,3
4,5
5,0
4,6
4,8
4,8
5,5
4,5
5,3
4,5
5,0
5,3
5,2
4,6
5,3
4,7
5,4
4,3
5,2
4,6
3.3. Konverter
Modul konverter akan mengolah hasil keluaran dari generator untuk kemudian
digabungkan lalu disimpan pada akumulator. Ada 2 bagian konversi dalam modul ini,
yang pertama konversi dari tegangan AC menjadi DC dan konversi tegangan DC
menjadi DC.
16
3.3.1. Konverter AC - DC
Rangkaian ini untuk mengubah keluaran generator yang berupa tegangan AC
menjadi tegangan DC. Komponen utama dalam rangkaian ini adalah dioda schottky
yang disusun menjadi penyearah gelombang penuh sistem jembatan. Dioda 1N5401
digunakan dengan tegangan buka maksimal (Vf) 1,2 volt [6]. Rangkaian konverter ACDC ditunjukkan oleh Gambar 2.2.
Dengan menggunakan Persamaan 2.12 dan hasil perhitungan pada Tabel 3.1
maka tegangan DC yang dihasilkan adalah
(
(
))
3.3.2. Konverter DC – DC
3.3.2.1. Konverter Penaik Tegangan
Konverter penaik tegangan (boost converter) digunakan untuk menaikkan
tegangan keluaran generator yang masih dibawah tegangan yang diperlukan untuk
mengisi akumulator. Dalam perancangan ini digunakan IC LM2577-Adj[5]. Rangkaian
penaik tegangan yang telah dibuat ditunjukkan oleh Gambar 3.8 berikut. Untuk
menentukan besarnya nilai komponen yang digunakan, menggunakan pedoman rumus
yang ada di datasheet pada Lampiran 1.
Gambar 3.8. Rangkaian Penaik Tegangan.[5]
17
Arus maksimum keluaran IC ini dapat dihitung dengan Persamaan 2.9
(
)
(
)
Nilai maksimum duty cycle dapat dihitung dengan Persamaan 2.10.
(
)
(
)
Nilai minimum induktor untuk kestabilan regulasi dihitung dengan Persamaan 2.11
(
Kemudian mencari nilai
)
melalui Persamaan 2.12
Dengan melihat grafik pada Gambar 2.4 maka didapatkan nilai induktor adalah 68 uH.
Nilai Rc dan Cc yang terhubung dengan pin 1, dapat dihitung dengan Persamaan
2.13 dan 2.14 sebagai berikut
Resistor yang digunakan adalah 5.600 Ω, dengan menggunakan Persamaan 2.14
18
Nilai Cout berdasarkan Persamaan 2.15 dan 2.16 berikut
dan
(
(
))
(
(
))
Menurut datasheet nilai kapasitor minimum yang diambil adalah yang paling
besar yaitu 794 µF. Tegangan keluaran dari IC ini dapat dihitung dengan Persamaan
2.17 berikut
(
)
3.4. Penyimpanan Energi
Energi listrik yang telah disearahkan dan nilai tegangannya sesuai akan disimpan
ke akumulator. Akumulator yang di gunakan merupakan akumulator (aki) kering 12V
5Ah seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.10.
Untuk mencegah adanya tegangan balik dari akumulator yang menuju ke modul
konverter, digunakan dioda yang dipasang seri dengan akumulator. Dengan aki 12V
5Ah maka energi total aki ketika penuh adalah.
....................................................... (3.7)
19
Gambar 3.9. Akumulator Kering
3.5. Penerangan
Sebagai penerangan digunakan lampu LED 12VDC 3W seperti yang
ditunjukkan oleh Gambar 3.11. Diasumsikan akumulator dalam kondisi penuh, maka
lamanya lampu menyala dapat dihitung sebagai berikut
............................................. (3.8)
Gambar 3.10. Lampu LED 3 Watt
20