PROPOSAL PENELITIAN ANALISIS TEKANAN AIR HUJAN SEBAGAI PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK DENGAN TRANDUSER PIEZOELEKTRIK
Diusulkan oleh : AHMAD NURIKHSAN MAULANA
NIM: 4213020022
JURUSAN TEKNIK MESIN PROGRAM STUDI PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK POLITEKNIK NEGERI JAKARTA 2016
i
LEMBAR PENGESAHAN
PROPOSAL PENELITIAN
Disusun oleh : Ahmad Nurikhsan Maulana NIM :4213020022
Telah disetujui oleh Dosen Pembimbing Penelitian. Depok, 8 April 2016 Dosen Pembimbing,
Candra Damis Widyawati, M.T. NIP. 198201052014042001
ii
Daftar Isi
LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................................. i Daftar Isi ............................................................................................................................. ii Daftar Gambar ................................................................................................................... iii Daftar Tabel ........................................................................................................................iv BAB I .................................................................................................................................. 1 PENDAHULUAN .............................................................................................................. 1 1.1.
Latar belakang Masalah ...................................................................................... 1
1.2.
Perumusan Masalah ............................................................................................ 2
1.3.
Tujuan ................................................................................................................. 2
1.4.
Manfaat ............................................................................................................... 2
1.5.
Hipotesis ............................................................................................................. 2
BAB II................................................................................................................................. 3 TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................................................... 3 2.1.
Piezoelectricity .................................................................................................... 3
2.2.
Piezo Generator ................................................................................................... 4
2.3.
Skematik Sensor Desain...................................................................................... 5
2.4.
Sistem Desain...................................................................................................... 7
BAB III ............................................................................................................................... 8 METODE PENELITIAN .................................................................................................... 8 3.1.
Alur Penelitian .................................................................................................... 8
3.2.
Pengolahan Data ................................................................................................. 9
3.3.
Peralatan Penelitian ............................................................................................. 9
BAB IV ............................................................................................................................. 10 ANGGARAN BIAYA DAN JADWAL KEGIATAN ..................................................... 10 4.1.
Rincian Biaya .................................................................................................... 10
4.2.
Jadwal Kegiatan ................................................................................................ 10
Daftar Pustaka ................................................................................................................... 11
iii
Daftar Gambar
Gambar 2.1. Piezoelektrik Disk yang Menghasilkan Voltase karena Tekanan Gambar 2.2. Penampang Penyebaran Muatan Listrik dari Kristal Piezoelektrik Gambar 2.3. Persamaan Sistematis dalam Piezoelectric Effect Gambar 2. 4. Skematik Sensor Desain (a) untuk Tekanan dan (b) Sensor Akselerasi Gambar 2.5. Energy Harvesting System Gambar 3.1 Alur Tahapan Penelitian
iv
Daftar Tabel
Tabel 4.1. Rincian Biaya Penelitian Tabel 4.2. Jadwal Kegiatan Penelitian
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar belakang Masalah Kebutuhan energi di dunia terus meningkat, hal ini terjadi disebabkan oleh pertambahan penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pola konsumsi energi yang meningkat. Menurut Blueprint Pengelolaan Energi Nasional yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral (DESDM) pada tahun 2005, cadangan minyak bumi di Indonesia pada tahun 2004 diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 18 tahun. Sedangkan gas diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 61 tahun dan batubara 147 tahun. Sementara tingginya kebutuhan migas tidak diimbangi oleh kapasitas produksinya sehingga menyebabkan kelangkaan di hampir semua negara. Supaya kebutuhan energi tetap terpenuhi, maka manusia perlu mencari sumber energi alternatif yang dapat menyediakan sumber energi secara terus menerus. Hal tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan energi baru terbarukan, salah satu contohnya yaitu dengan memanfaatkan air hujan. Selain itu, Indonesia memiliki musim penghujan selama hampir setengah tahun. Air hujan dapat dimanfaatkan sebagai penghasil energi alternatif yang dapat menghasilkan energi listrik.1 Bahan piezoelektrik yang mampu mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Banyaknya energi yang dihasilkan dari benturan air hujan dapat dihitung menggunakan model mekanik-elektrik. Besarnya energi yang bisa dihasilkan bergantung secara langsung kepada ukuran membran piezoelektrik, ukuran titik air hujan dan frekuensinya.
Berdasarkan
masalah
tersebut,
penelitian
ini
akan
mempelajari energi listrik yang dihasilkan dari konversi gaya tekan dari
2
ukuran titik air hujan berdasarkan frekuensinya terhadap ukuran membran piezoelektrik.
1.2. Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang masalah, maka rumusan masalah dari penelitian ini adalah: 1. Bagaimana pengaruh tekanan rintik hujan terhadap voltase yang dihasilkan tranduser piezoelektrik? 2. Bagaimana pengaruh frekuensi rintik hujan terhadap voltase yang dihasilkan tranduser piezoelektrik? 3. Bagaimana pengaruh luas penampang tranduser piezoelektrik yang terkena air hujan terhadap voltase yang dihasilkan? 1.3. Tujuan Adapun tujuan yang akan dibahas dari penelitian ini adalah: 1.
Menganalisa aspek konversi gaya tekan air hujan yang mengenai tranduser piezoelektrik menjadi besaran energi listrik yaitu voltase.
2.
Membuat prototipe rancangan dalam skala kecil sebagai hasil akhir voltase yang dihasilkan.
1.4. Manfaat Hasil
penelitian
diharapkan
dapat
memberikan
manfaat
diantaranya: 1.
Sebagai bukti bahwa energi alternatif air hujan dapat dimanfaatkan sebagai energi listrik.
2.
Menambah pengetahuan tentang analisis konversi energi gaya tekan air hujan dalam bentuk tegangan listrik.
1.5. Hipotesis Hipotesis yang akan diungkapkan dalam penelitian ini adalah “ Gaya tekan air hujan yang mengenai tranduser piezoelektrik dapat dikonversi menjadi besaran energi listrik”.
3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Piezoelectricity Piezoelectricity adalah kemampuan suatu material yang dapat menghasilkan medan listrik atau potensial listrik sebagai respon akibat tekanan mekanik.2 Efek piezoelektrik adalah suatu efek yang reversibel, dimana terdapat efek piezoelektrik langsung (direct piezoelectric effect) dan efek piezoelektrik balikan (converse piezoelectric effect). Efek piezoelektrik langsung adalah produksi potensial listrik akibat adanya tekanan mekanik. Sedangkan efek piezoelektrik balikan adalah produksi tekanan akibat pemberian tegangan listrik, contohnya adalah kristal lead zirconate titanate yang akan mengalami perubahan dimensi sampai maksimal 0.1 % jika diberi tegangan listrik.
Gambar 2.1. Piezoelektrik Disk yang Menghasilkan Voltase karena Tekanan Pada sebuah kristal piezoelektrik, muatan listrik positif dan muatan listrik negatif adalah terpisah, namun tersebar secara simetris. Sehingga secara keseluruhan kristal bersifat netral.
4
Gambar 2.2. Penampang Penyebaran Muatan Listrik dari Kristal Piezoelektrik 2.2. Piezo Generator Piezoelectricity dapat menghasilkan voltase yang sangat tinggi. Jumlah tekanan yang diperlukan untuk mengubah elemen keramik piezoelektrik dengan 0.05 mm bisa menghasilkan hampir 100.000 volt, namun saat ini sangat kecil. Jumlah tegangan ini sudah cukup untuk menciptakan bunga api listrik untuk menyalakan gas di oven, grill atau saku lebih ringan.3 Faktor kunci yang terlibat dalam jumlah energi yang dihasilkan oleh bahan piezoelectrik ada hubungannya dengan tekanan pada elemen. Ini adalah rasio dari gaya diterapkan ke area permukaan elemen. Ketika komposisi keramik, volume elemen keramik, dan gaya yang digunakan adalah konstan, unsur yang memiliki luas permukaan terkecil akan menghasilkan energi listrik yang paling besar. Jumlah energi listrik tertinggi yang dapat dicapai dengan elemen piezoelektrik yakni saat jumlah tegangan sangat tinggi dihasilkan oleh bahan piezoelektrik. Misalnya, kekuatan 2 kN bekerja pada kristal piezoelektrik berukuran sentimeter kubik menghasilkan lebih dari 12,5 kV.
5
Gambar 2.3. Persamaan Sistematis dalam Piezoelectric Effect Voltase yang dihasilkan piezoelektrik dapat diketahui melalui persamaan: .......................... (2.1) ...............................(2.2) Keterangan: u
: Voltase (V)
q
: Muatan (C)
F
: Gaya tekan (N)
A
: Luas area elektroda (m2)
d
: Ketebalan elektroda (m)
d33, e33
: Konstan piezo
2.3. Skematik Sensor Desain Berdasarkan teknologi piezoelektrik, Gambar 2.4 menunjukkan konfigurasi skematis dari sensor dalam konfigurasi melintang. Untuk
6
accelerometer, massa seismik terpasang untuk elemen kristal. Ketika accelerometer mengalami gerakan, beban gempa massa invarian unsur menurut hukum kedua Newton tentang gerak, yaitu: F = m x a .....................................(2.3) Keterangan: F
: Gaya tekan (N)
m
: Massa (kg)
a
: Percepatan (m/s2)
Gambar 2. 4. Skematik Sensor Desain (a) untuk Tekanan dan (b) Sensor Akselerasi Pada kedua sensor tekanan piezoelektrik (a) dan piezoelektrik accelerometers (b), unsur-unsur kristal yang digunakan dalam modus transversal. Perbedaan utama prinsip kerja antara kedua skema sensor desain adalah kekuatan cara yang diterapkan pada elemen penginderaan. Dalam sensor tekanan, selaput tipis yang digunakan untuk memandu elemen-elemen, sedangkan pada accelerometers, gaya diaplikasikan tergantung pada besarnya massa seismik yang terpasang. Sensor cenderung sensitif terhadap lebih dari satu dimensi fisik. Sebagai contoh, sensor tekanan canggih sering menggunakan percepatan elemen. Sebuah unit pendukung pengukuran adalah ditambahkan ke
7
sensor perakitan yang hanya mengalami percepatan. Sensor ini dapat aktif apabila menerima tekanan mekanik.4
2.4. Sistem Desain
Gambar 2.5. Energy Harvesting System Sistem desain yang akan dibuat adalah seperti pada Gambar 2.5. energy source (sumber energi) yang akan digunakan adalah piezoelektrik. Fungsi piezoelectric menghasilkan tenaga listrik yang akan di simpan dalam energy storage atau penyimpan tegangan. Output piezoelektrik adalah arus AC (alternating current).5 Dengan demikian diperlukan rangkaian pengubah arus AC ke DC. Komponen yang digunakan adalah rectifier circuit. Tegangan listrik arus DC dalam rectifier circuit akan digunakan sebagai sumber listrik aplikasi sebagai LED (Light Emiting Diode), Namun diperlukan voltase regulator untuk mengatur voltase yang dibutuhkan oleh komponen.
8
BAB III METODE PENELITIAN
3.1.
Alur Penelitian
Mulai
Pemilihan transduser piezoelektrik
Pengkajian transduser piezoelektrik
Tidak
Pembuatan circuit diagram
Trial prototipe
Menganalisis hasil
Pembuatan perhitungan prototipe dalam skala besar
Selesai
Gambar 3.1 Alur Tahapan Penelitian Alur perencanaan kegiatan dalam penelitian ini dimulai dengan pemilihan dan pengkajian tranduser piezoelektrik per pcs, kemudian dilakukan pembuatan rangkaian susunan piezoelektrik yang tepat untuk hasil voltase yang maksimal. Selanjutnya dilakukan pembuatan circuit diagram yang diaplikasikan dengan pembuatan prototipe. Setelah itu dilakukan trial prototipe pada kondisi yang sebenarnya.Langkah terakhir
9
adalah menganalis dan menghitung output yang dihasilkan jika prototipe dibuat dalam skala besar.
3.2.
Pengolahan Data Pengolahan data dilakukan secera kuantitatif, yaitu dengan cara menghitung output voltase yang dihasilkan akibat gaya tekan air hujan yang jatuh pada permukaan transduser piezoelektrik. Selain itu akan dibandingkan voltase yang dihasilkan transduser piezoelektrik akibat dari frekuensi air hujan, dan luas penampang transduser piezoelektrik.
3.3.
Peralatan Penelitian Bahan dan peralatan
Lampu LED 3V
Kabel
Test Pen
Kapasitor 10W
Compac Disk
Multi Tester (AVO)
Tranduser
Circuit electric diagram
Trafo Step Up
10
BAB IV ANGGARAN BIAYA DAN JADWAL KEGIATAN
4.1. Rincian Biaya Tabel 4.1. Rincian Biaya Penelitian
No. A 1 2 3 4 5 B 1 2 3
Uraian Transduser Kapasitor 10 W Lampu LED 3V Kabel Komponen Test Pen Compact Disk Multi Tester (AVO) Trafo Step up
Jumlah Satuan Bahan Habis Pakai 10 Buah 10 Buah 50 Buah 2 Roll 1 Buah Biaya Penunjang 1 Paket 1 1 Total
Buah Buah
Satuan Biaya (Rp.)
Biaya Total (Rp.)
250000 5000 2000 150000 50000
2500000 50000 100000 300000 50000
100000
100000
280000 200000
280000 200000 3580000
4.2. Jadwal Kegiatan Tabel 4.2. Jadwal Kegiatan Penelitian No . 1 2 3 4
Kegiatan Analisa Cuaca Pembelian Peralatan Perakitan Peralatan Proses Trial Proses 5 Penyempurnaan 6 Evaluasi Hasil
Mei
Juni
Juli
Agustus
11
Daftar Pustaka 1
Fahrulloh, Abdul Muchlis dkk, 2013 “Pemanfaatan energi hujan sebagai
penghasil energi listrik” Universitas Muhammadiyah Jakarta, Jakarta 2
Vives, Antonio Arnau (Ed.).(2004).Piezoelectric Transducers and Applications.
Heidelberg : Springer 3
Yang, Jiashi (2005). An Introduction To The Theory Of Piezoelectricity.
Heidelberg : Springer 4
Segel, J. E. (2011). Piezoelectric Actuators.New York : Nova Science Pub Inc
5
Nelson, W. G. (2010). Piezoelectric Materials: Structure, Properties and
Applications. New York : Nova Science Pub Inc
