PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MODEL TANGGUL PEMANEN ENERGI KINETIK SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK DENGAN MEKANISME GETARAN DAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK.
TUGAS AKHIR
PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MODEL TANGGUL
PEMANEN ENERGI KINETIK SEBAGAI PEMBANGKIT
LISTRIK DENGAN MEKANISME GETARAN DAN INDUKSI
ELEKTROMAGNETIK
Diajukan sebagai Salah Satu Syarat untuk Menyelesaikan
Pendidikan Tahap Sarjana
Oleh:
M. Taufik Esman
0910912039
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS ANDALAS
PADANG, 2014
SARI
Munculnya krisis energi konvensional sebagai permasalahan global dewasa ini
serta meningkatnya penggunaan kendaraan bermotor yang sebanding dengan
peningkatan aktivitas di jalan raya telah memunculkan suatu tantangan dan
peluang baru. Tantangan muncul dari bagai mana mengurangi ketergantungan
akan energi konvensional dengan mencari sumber energi baru serta peluang yang
bisa dimanfaatkan dari besarnya aktivitas kendaraan di jalan raya.
Pada tugas akhir ini, sebuah model pembangkit listrik yang mengadopsi bentuk
tanggul jalan direkayasa secara mekanik sebagai sebuah sistem pemanen energi
kinetik dari tumbukan kendaraan yang melaluinya. Komponen tanggul berupa
massa tanggul yang ditumpu dengan pegas, dipasangkan empat buah generator
linier dengan posisi tertentu di bagian bawahnya. Bagian atas tanggul yang dibuat
lebih tinggi dari permukaan jalan memudahkan kendaraan mengeksitasi sistem
dan menghasilkan getaran. Eksitasi sekaligus ikut menggetarkan subsistem
generator yang terdiri dari massa magnet yang ditumpu pegas serta lilitan kawat
konduktor. Pergerakan osilasi massa magnet menghasilkan induksi
elektromagnetik sehingga menghasilkan energi listrik. Pengujian dilakukan
dengan simulasi lindasan satu sepeda motor.
Perhitungan numerik dari model sistem menunjukan bahwa pembangkit memanen
energi maksimal pada frekuensi 16,42 Hz. Pada pengujian, frekuensi generator
terekam sebesar 17.5 Hz, 18 Hz, 19 Hz, dan 21 Hz. Tegangan listrik maksimum
yang terpanen generator adalah 2,5 Volt dengan daya bangkitan sebesar 8,9 x 10-3
Watt. Sedangkan tegangan total yang terpanen dari keempat generator sebesar
7,92 Volt dan daya bangkitan total sebesar 2,3 x 10-2 Watt. Adapun faktor yang
mempengaruhi besarnya energi yang dihasilkan adalah kecepatan gangguan akibat
tumbukan yang diberikan kendaraan.
Kata kunci : Pemanen energi, tanggul jalan, generator linier, getaran, induksi
elektromagnetik
i
ABSTRACT
Emergence of conventional energy crisis as a world’s problem today and
increasing use of vehicles on the road, has led to new chance and new challenge.
The challenge is how to reduce conventional energy consumption by finding the
new energy sources and the chance come from utilization of vehicles activity
passing on the road.
In this final project, a power plants model which adopted from speed bump has
mechanically engineered, constructed, and tested as a kinetic energy harvester
system based on passing vehicles collision. It contain a bar mass were mounted by
helical springs and four linear generators attached by specific position in the
bottom. In the top, it was made higher than road’s top for getting collision easily
to make vibration. Generators contain permanent magnet mass were mounted by
helical springs too and coil with a turn of conductor wire. Vibration led magnet
mass oscillated and made electromagnetic induction for making electricity. The
experiment simulated by collision of a motor cycle.
The numeric resulted that the maximum energy harvested in frequency 16, 42 Hz.
Experimentally, the frequency was recorded as 17.5 Hz, 18 Hz, 19 Hz, and 21 Hz.
The higher voltage harvested was 2, 5 Volt with output power 8,9 x 10-3 Watt.
Generators combination resulted totally 7, 92 volt with output power 2,3 x 10-2
Watt. The influenced factor for energy output was the acceleration of excitation
caused by vehicles collision.
Key words : Energy harvester, speed bump, linear generator, vibration,
electromagnetic induction
ii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Belum optimalnya pertumbuhan pembangkit listrik memiliki peran atas
belum terpenuhinya asupan listrik untuk penerangan yang layak khususnya di
wilayah-wilayah luar Pulau Jawa. Ditambah dengan ancaman kelangkaan
energi fosil
yang menjadi sumber energi konvensional selama ini
mengakibatkan energi menjadi barang langka dan mahal serta memperburuk
akses masyarakat Indonesia yang berada khususnya di pelosok atas energi [1].
Di lain pihak pertumbuhan konsumsi energi Indonesia rata-rata 7% setahun [2].
Oleh karena itu butuh pencarian sumber–sumber energi baru serta yang dapat
diperbaharui untuk memenuhi kebutuhan energi tersebut.
Tidak bisa dipungkiri bahwa aktivitas di daerah perkotaan merupakan
pemakaian energi paling banyak sekaligus pembuang energi terbesar secara
cuma–cuma. Beberapa contohnya yaitu aktivitas lalu lintas, peralatan
elektronik rumah tangga, dan industri. Seiring dengan perkembangan teknik
pemanenan energi (energy harvesting), dimana energi “dipanen” dari sumber
yang membuang energi secara cuma-cuma dan beberapa sumber yang belum
termanfaatkan secara optimal. Hal ini telah memunculkan peluang dan
tantangan untuk mengatasi beberapa masalah di atas. Peluang kali ini dilihat
dari sisi peningkatan volume kendaraan bermotor yaitu 8% sampai 12%
pertahun [3]. Tantangan muncul dari bagaimana wilayah perkotaan bisa
mengoptimalkan konsumsi energi dan bisa membangkitkan energi sendiri
dengan memaksimalkan energi yang sering terbuang dari hasil aktivitas
perkotaan tersebut. Dengan demikian asupan energi ke kota bisa dikurangi dan
dimanfaatkan oleh daerah–daerah terpencil. Dalam kasus tugas akhir kali ini
akan dibatasi untuk kasus energi yang terbuang dari aktivitas jalan raya.
Bertambahnya kepadatan aktivitas kendaraan bermotor di jalan raya
menimbulkan potensi energi kinetik yang besar dikarenakan adanya beban dan
laju yang dimiliki kendaraan tersebut. Dalam kasus tugas akhir kali ini diteliti
pemanfaatan energi yang terbuang saat kendaraan lewat mengeksitasi sebuah
Pendahuluan
mekanisme tanggul yang dapat memanen energi tersebut dan kemudian diubah
menjadi energi yang bisa dimanfaatkan. Melalui mekanisme yang mengadopsi
bentuk tanggul jalan memungkinkan energi kinetik tersebut diambil lalu
dikonversikan dengan rekayasa tanggul secara mekanis. Pengubah energi
kinetik ke energi listrik yang digunakan berupa generator linier.
Sebuah generator linier dapat menghasilkan energi akibat induksi
elektromagnetik karena adanya osilasi (getaran translasi) akibat adanya
eksitasi. Sistem mekanis tanggul akan menjadi sumber eksitasi generator linier
tersebut. Perekayasaan sistem mekanis tanggul dalam skala model menjadi
kasus dalam tugas akhir ini dan secara mendalam akan dibahas lebih lanjut
pada bab–bab berikutnya.
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan dari tugas akhir ini yaitu:
1. Membuat sebuah model pembangkit listrik yang mengadopsi bentuk
tanggul jalan dengan memanfaatkan mekanisme getaran dan induksi
elektromagnetik yang tereksitasi melalui lindasan kendaraan.
2. Mengetahui karakteristik unjuk kerja sistem pembangkit melalui kaji
numerik dan eksperimental serta faktor yang mempengaruhinya.
1.3 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari tugas akhir ini yaitu memberikan salah satu pilihan
solusi untuk mengatasi ketergantungan akan sumber energi dengan pemanenan
energi yang terbuang khususnya dari energi kinetik aktivitas di jalan raya.
1.4 Batasan Masalah
Dalam tugas akhir ini terdapat berberapa batasan masalah yaitu:
1. Energi listrik yang dibangkitkan dilihat dari karakteristik tegangan yang
dihasilkan langsung dari generator tanpa melalui elektronika daya.
2. Induksi elektromagnetik hanya dianalisa dari pengaruh respon osilasi
getaran massa magnet.
3. Respon sistem dalam getaran linier dan tanggul dianggap massa kaku.
4. Redaman struktur dari sistem pembangkit diabaikan.
2
Pendahuluan
5. Pusat perputaran massa tanggul diidealisasi, sama dengan pusat massa
tanggul.
1.5 Sistematika Penulisan
Laporan tugas akhir ditulis dalam beberapa bab dimulai dari bab 1 yang
berisi tentang pendahuluan dimana di dalamnya dijelaskan tentang latar
belakang, batasan masalah, tujuan dan manfaat, serta sistematika penulisan ini
sendiri. Dilanjutkan dengan bab 2 yang berisi teori- teori pendukung dalam
pelaksanaan tugas akhir ini. Kemudian bab 3 yang menjabarkan metode dan
langkah-langkah yang digunakan dalam penyelesaian tugas akhir ini serta
beberapa keterangan dan gambaran rancangan yang akan diterapkembangkan.
Dilanjutkan dengan bab 4 yang berisi hasil dan pembahasan apa yang telah
diamati dan dianalisa dalam tugas akhir ini. Terakhir yaitu bab 5 yang
merupakan bab penutup diisi dengan kesimpulan yang diambil setelah seluruh
rangkaian analisa dan pengamatan dalam tugas akhir ini selesai dilaksanakan.
3
PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MODEL TANGGUL
PEMANEN ENERGI KINETIK SEBAGAI PEMBANGKIT
LISTRIK DENGAN MEKANISME GETARAN DAN INDUKSI
ELEKTROMAGNETIK
Diajukan sebagai Salah Satu Syarat untuk Menyelesaikan
Pendidikan Tahap Sarjana
Oleh:
M. Taufik Esman
0910912039
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS ANDALAS
PADANG, 2014
SARI
Munculnya krisis energi konvensional sebagai permasalahan global dewasa ini
serta meningkatnya penggunaan kendaraan bermotor yang sebanding dengan
peningkatan aktivitas di jalan raya telah memunculkan suatu tantangan dan
peluang baru. Tantangan muncul dari bagai mana mengurangi ketergantungan
akan energi konvensional dengan mencari sumber energi baru serta peluang yang
bisa dimanfaatkan dari besarnya aktivitas kendaraan di jalan raya.
Pada tugas akhir ini, sebuah model pembangkit listrik yang mengadopsi bentuk
tanggul jalan direkayasa secara mekanik sebagai sebuah sistem pemanen energi
kinetik dari tumbukan kendaraan yang melaluinya. Komponen tanggul berupa
massa tanggul yang ditumpu dengan pegas, dipasangkan empat buah generator
linier dengan posisi tertentu di bagian bawahnya. Bagian atas tanggul yang dibuat
lebih tinggi dari permukaan jalan memudahkan kendaraan mengeksitasi sistem
dan menghasilkan getaran. Eksitasi sekaligus ikut menggetarkan subsistem
generator yang terdiri dari massa magnet yang ditumpu pegas serta lilitan kawat
konduktor. Pergerakan osilasi massa magnet menghasilkan induksi
elektromagnetik sehingga menghasilkan energi listrik. Pengujian dilakukan
dengan simulasi lindasan satu sepeda motor.
Perhitungan numerik dari model sistem menunjukan bahwa pembangkit memanen
energi maksimal pada frekuensi 16,42 Hz. Pada pengujian, frekuensi generator
terekam sebesar 17.5 Hz, 18 Hz, 19 Hz, dan 21 Hz. Tegangan listrik maksimum
yang terpanen generator adalah 2,5 Volt dengan daya bangkitan sebesar 8,9 x 10-3
Watt. Sedangkan tegangan total yang terpanen dari keempat generator sebesar
7,92 Volt dan daya bangkitan total sebesar 2,3 x 10-2 Watt. Adapun faktor yang
mempengaruhi besarnya energi yang dihasilkan adalah kecepatan gangguan akibat
tumbukan yang diberikan kendaraan.
Kata kunci : Pemanen energi, tanggul jalan, generator linier, getaran, induksi
elektromagnetik
i
ABSTRACT
Emergence of conventional energy crisis as a world’s problem today and
increasing use of vehicles on the road, has led to new chance and new challenge.
The challenge is how to reduce conventional energy consumption by finding the
new energy sources and the chance come from utilization of vehicles activity
passing on the road.
In this final project, a power plants model which adopted from speed bump has
mechanically engineered, constructed, and tested as a kinetic energy harvester
system based on passing vehicles collision. It contain a bar mass were mounted by
helical springs and four linear generators attached by specific position in the
bottom. In the top, it was made higher than road’s top for getting collision easily
to make vibration. Generators contain permanent magnet mass were mounted by
helical springs too and coil with a turn of conductor wire. Vibration led magnet
mass oscillated and made electromagnetic induction for making electricity. The
experiment simulated by collision of a motor cycle.
The numeric resulted that the maximum energy harvested in frequency 16, 42 Hz.
Experimentally, the frequency was recorded as 17.5 Hz, 18 Hz, 19 Hz, and 21 Hz.
The higher voltage harvested was 2, 5 Volt with output power 8,9 x 10-3 Watt.
Generators combination resulted totally 7, 92 volt with output power 2,3 x 10-2
Watt. The influenced factor for energy output was the acceleration of excitation
caused by vehicles collision.
Key words : Energy harvester, speed bump, linear generator, vibration,
electromagnetic induction
ii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Belum optimalnya pertumbuhan pembangkit listrik memiliki peran atas
belum terpenuhinya asupan listrik untuk penerangan yang layak khususnya di
wilayah-wilayah luar Pulau Jawa. Ditambah dengan ancaman kelangkaan
energi fosil
yang menjadi sumber energi konvensional selama ini
mengakibatkan energi menjadi barang langka dan mahal serta memperburuk
akses masyarakat Indonesia yang berada khususnya di pelosok atas energi [1].
Di lain pihak pertumbuhan konsumsi energi Indonesia rata-rata 7% setahun [2].
Oleh karena itu butuh pencarian sumber–sumber energi baru serta yang dapat
diperbaharui untuk memenuhi kebutuhan energi tersebut.
Tidak bisa dipungkiri bahwa aktivitas di daerah perkotaan merupakan
pemakaian energi paling banyak sekaligus pembuang energi terbesar secara
cuma–cuma. Beberapa contohnya yaitu aktivitas lalu lintas, peralatan
elektronik rumah tangga, dan industri. Seiring dengan perkembangan teknik
pemanenan energi (energy harvesting), dimana energi “dipanen” dari sumber
yang membuang energi secara cuma-cuma dan beberapa sumber yang belum
termanfaatkan secara optimal. Hal ini telah memunculkan peluang dan
tantangan untuk mengatasi beberapa masalah di atas. Peluang kali ini dilihat
dari sisi peningkatan volume kendaraan bermotor yaitu 8% sampai 12%
pertahun [3]. Tantangan muncul dari bagaimana wilayah perkotaan bisa
mengoptimalkan konsumsi energi dan bisa membangkitkan energi sendiri
dengan memaksimalkan energi yang sering terbuang dari hasil aktivitas
perkotaan tersebut. Dengan demikian asupan energi ke kota bisa dikurangi dan
dimanfaatkan oleh daerah–daerah terpencil. Dalam kasus tugas akhir kali ini
akan dibatasi untuk kasus energi yang terbuang dari aktivitas jalan raya.
Bertambahnya kepadatan aktivitas kendaraan bermotor di jalan raya
menimbulkan potensi energi kinetik yang besar dikarenakan adanya beban dan
laju yang dimiliki kendaraan tersebut. Dalam kasus tugas akhir kali ini diteliti
pemanfaatan energi yang terbuang saat kendaraan lewat mengeksitasi sebuah
Pendahuluan
mekanisme tanggul yang dapat memanen energi tersebut dan kemudian diubah
menjadi energi yang bisa dimanfaatkan. Melalui mekanisme yang mengadopsi
bentuk tanggul jalan memungkinkan energi kinetik tersebut diambil lalu
dikonversikan dengan rekayasa tanggul secara mekanis. Pengubah energi
kinetik ke energi listrik yang digunakan berupa generator linier.
Sebuah generator linier dapat menghasilkan energi akibat induksi
elektromagnetik karena adanya osilasi (getaran translasi) akibat adanya
eksitasi. Sistem mekanis tanggul akan menjadi sumber eksitasi generator linier
tersebut. Perekayasaan sistem mekanis tanggul dalam skala model menjadi
kasus dalam tugas akhir ini dan secara mendalam akan dibahas lebih lanjut
pada bab–bab berikutnya.
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan dari tugas akhir ini yaitu:
1. Membuat sebuah model pembangkit listrik yang mengadopsi bentuk
tanggul jalan dengan memanfaatkan mekanisme getaran dan induksi
elektromagnetik yang tereksitasi melalui lindasan kendaraan.
2. Mengetahui karakteristik unjuk kerja sistem pembangkit melalui kaji
numerik dan eksperimental serta faktor yang mempengaruhinya.
1.3 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari tugas akhir ini yaitu memberikan salah satu pilihan
solusi untuk mengatasi ketergantungan akan sumber energi dengan pemanenan
energi yang terbuang khususnya dari energi kinetik aktivitas di jalan raya.
1.4 Batasan Masalah
Dalam tugas akhir ini terdapat berberapa batasan masalah yaitu:
1. Energi listrik yang dibangkitkan dilihat dari karakteristik tegangan yang
dihasilkan langsung dari generator tanpa melalui elektronika daya.
2. Induksi elektromagnetik hanya dianalisa dari pengaruh respon osilasi
getaran massa magnet.
3. Respon sistem dalam getaran linier dan tanggul dianggap massa kaku.
4. Redaman struktur dari sistem pembangkit diabaikan.
2
Pendahuluan
5. Pusat perputaran massa tanggul diidealisasi, sama dengan pusat massa
tanggul.
1.5 Sistematika Penulisan
Laporan tugas akhir ditulis dalam beberapa bab dimulai dari bab 1 yang
berisi tentang pendahuluan dimana di dalamnya dijelaskan tentang latar
belakang, batasan masalah, tujuan dan manfaat, serta sistematika penulisan ini
sendiri. Dilanjutkan dengan bab 2 yang berisi teori- teori pendukung dalam
pelaksanaan tugas akhir ini. Kemudian bab 3 yang menjabarkan metode dan
langkah-langkah yang digunakan dalam penyelesaian tugas akhir ini serta
beberapa keterangan dan gambaran rancangan yang akan diterapkembangkan.
Dilanjutkan dengan bab 4 yang berisi hasil dan pembahasan apa yang telah
diamati dan dianalisa dalam tugas akhir ini. Terakhir yaitu bab 5 yang
merupakan bab penutup diisi dengan kesimpulan yang diambil setelah seluruh
rangkaian analisa dan pengamatan dalam tugas akhir ini selesai dilaksanakan.
3