T1 612011802 BAB III

13

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan realisasi dari skripsi meliputi gambaran alat, cara kerja system dan modul yang digunakan. Gambar 3.1 merupakan diagram cara kerja dari alat yang akan dibuat.

Gambar 3.1 Blok Diagram Alat

3.1 Cara Kerja Sistem

Secara garis besar system ini terdiri dari pompa air yang berfungsi membuat arus air yang dapat diatur besar debit airnya. Besar debit air diukur secara manual. Selanjutnya laju air tersebut akan menumbuk sudu turbin kemudian menggerakkan generator. Output dari generator akan distabilkan oleh konverter DC-DC (regulator voltage) agar keluarannya dapat digunakan untuk mengisi aki. Output generator akan ditampilkan dalam display tegangan dan arus, begitu juga dengan output dari regulator.

14 3.2 Perancangan Perangkat Keras

Pada sub bab ini akan dijelaskan perangkat keras yang digunakan sistem, secara garis besar terdiri dari beberapa bagian yaitu pompa air, turbin darrieus, turbin gorlov, turbin achard, generator, mikrokontroler Arduino Mega, meja alat, modul regulator dan display, modul pengatur kecepatan pompa air, modul catu daya.

3.2.1 Pompa Air

Menggunakan pompa air Lifetech SP-609 berdaya output motor maksimal 130W dengan kapasitas debit air maksimal 9000L/jam pada Head 5m.

Gambar 3.2 Pompa Air Lifetech SP-609

Diameter lubang air keluar sebesar 1inch = 2,54cm sehinggajari-jarinya sebesar 1,27cm, pompa setelah di kalibrasi manual besar debit maksimal aliranya adalah sekitar 92,36L/menit sehingga dapat dicari besar potensi daya dari fluida tersebut.

� = ……….… (3.1)

� = ⁄ × , × − _{= , ×} − = , �⁄ = , × − _⁄ = � × ……….. (3.2)

, × − _{⁄ = , ×} − _× = , × _{, ×} −₋ ⁄ = , ⁄

15 = × × × ……..(3.3)

= × × , × − _{× .} = , Kg m⁄_s = 7,30 Watt

Dimana :

= Daya air yang tersedia … … … Kg m s⁄ = Debit aliran air … … … . … … m s⁄ = massa jenis air … … … . . Kg m⁄ � = Luas penampang aliran air … … … . … … . . m

= Kecepatan aliran air … … … . … … . … … … . . m s⁄ = Jari − jari lubang air … … … . … … . … … … . . m

Sehingga didapat besar daya yang tersedia pada air sebesar 7,30Watt yang nantinya akan digunakan sebagai perhitungan pada efisiensi turbin.

Gambar 3.3 Skema Pompa Air dan Pengatur Debit Air

Rangkaian diatas bekerja dengan cara analog merubah tegangan supply pada pompa air dengan mengatur menggunakan potensiometer dan kemudian diac (dioda AC) berfungsi sebagai pemicu atau trigger pada triac yang mempengaruhi besarnya tegangan bias pada triac. Dimana semakin besar bias gate pada triac yang diberikan maka semakin besar pula level tegangan yang diberikan pada pompa air sehingga mempengaruhi besar debit air yang dikeluarkan dan sebaliknya.

16

Gambar 3.4 Realisasi Pengatur Debit Air

3.2.2 TurbinDarrieus

Semua turbin dalam perancangan ini memiliki 2 bagian yang pertama bagian sudunya dan kedua penyangga sudu. Sudu adalah bagian dari turbin atau sering juga di sebut blade atau bilah dimana terjadinya konversi energi tumbukan antara arus air dengan turbin. Turbin darrieus memiliki dimensi panjang 15cm dengan diameter 15cm dan memiliki 3 sudu.

Bentuk sudu turbin darrieus lurus memanjang keatas dan memiliki bentuk airfoil NACA 0015 dimana bentuk NACA ini adalah simetris, panjang sudu 4cm dengan lebar 2cm dan tingginya 15cm. Bahan dari sudu turbin adalah resin yang sudah diberi katalisator sehingga mengeras dan dapat dibentuk sesuai dengan yang diinginkan.

17

Gambar 3.5 Sudu Turbin Darrieus Dengan NACA 0015

Sedangkan bentuk penyangga dari sudu turbin darrieus memiliki panjang 15cm lebar 14cm dan memiliki tiga penyangga untuk menempatkan sudu yang telah dibuat dengan menggunakan sekrup, dibagian atas penyangga turbin terdapat lubang berdiameter 10mm yang difungsikan untuk memasukkan poros berupa silinder panjang. Berat total turbin darrieus adalah 615gram = 0,615Kg.

Besar daya yang dihasilkan turbin darrieus dapat dihitung dengan cara berikut dan akan digunakan untuk mengetahui besar efisiensi dari turbin tersebut.

- Kecepatan Sudut Turbin

a. Pada saat tanpa beban pulley generator � = = × = , b. Saat dihubungkan dengan pulley generator

� = = × = , - Kecepatan Turbin

� = � × �………. (3.4)

Dimana :

= Kecepatan … … … m_s � = Kecepatan Sudut … . .rad_s

18 = Jari − jari Turbin … . . m a. Pada saat tanpa beban

= , × 0,075 = 0,56�

b. Saat dihubungkan pulley generator = , × 0,075 = 0,45�

- Percepatan Turbin

� = � × �……….(3.5) Dimana :

= Percepatan … … … . . … … … . .m s � = Kecepatan Sudut … … … . . .rad_s = Jari − jari Turbin … … … . . . m a. Pada saat tanpa beban

= , × , = ,

b. Saat dihubungkan pulley generator

= . × , = ,

- Gaya Translasi Turbin

�� = � �_� ……… (3.6) Dimana :

� = Gaya Translasi Turbin. . … … … . . . N = Kecepatan … … … . . … … … … m_s = Jari − jari Turbin … … … . . . m

= massa turbin dan poros … . . … … . . . kg a. Pada saat tanpa beban

� = , _,, = , � b. Saat dihubungkan pulley generator

19 - Torsi Turbin

� = �� × �……….………(3.7) Dimana :

� = Torsi … … … . . … … … Nm � = Gaya Translasi Turbin. . … . . … … … . N

= Jari − jari Turbin … … … … . . … … . . … . . . m a. Pada saat tanpa beban

� = , × , = , � b. Saat dihubungkan pulley generator

� = , × , = , � - Daya Turbin

��= � . �………(3.8) Dimana :

� = Daya turbin … … … . Nm s⁄ � = Torsi … … … . . … … . Nm � = Kecepatan sudut … … … . . .rad_s a. Pada saat tanpa beban

� = , . , = , � ⁄ = , b. Saat dihubungkan pulley generator

� = , . , = , � ⁄ = , - Efisiensi daya turbin

20

Gambar 3.6 Realisasi Turbin Darrieus

3.2.3 Turbin Gorlov

Turbin Gorlov dalam perancangan ini menggunakan 3 sudu turbin dan menggunakan NACA airfoil 4418 dengan berat turbin 615gram = 0,615 Kg. Bentuk sudu turbin gorlov menyerupai bentuk spiral ulir.

Gambar 3.7 Sudu Turbin Gorlov

Besar daya yang dihasilkan turbin Gorlov dapat dihitung dengan cara berikut dan akan digunakan untuk mengetahui besar efisiensi dari turbin tersebut.

21 - Kecepatan Sudut Turbin

a. Pada saat tanpa beban pulley generator � = = × = , b. Saat dihubungkan dengan pulley generator

� = = × = , - Kecepatan Turbin

� = � × �………. (3.9) Dimana :

= Kecepatan … … … m_s � = Kecepatan Sudut … . .rad

s = Jari − jari Turbin … . . m a. Pada saat tanpa beban

= , × 0,075 = 0,58�

b. Saat dihubungkan pulley generator = , × 0,075 = 0,50�

- Percepatan Turbin

� = � × �……….(3.10) Dimana :

= Percepatan … … … . . … … … . .m s � = Kecepatan Sudut … … … . . .rad_s = Jari − jari Turbin … … … . . . m a. Pada saat tanpa beban

= , × , = ,

b. Saat dihubungkan pulley generator

= , × , = ,

- Gaya Translasi Turbin

22 Dimana :

� = Gaya Translasi Turbin. . … … . . N = Kecepatan … … … . . … … … m_s = Jari − jari Turbin … … … . . . m

= massa turbin dan poros … . . … … . . . kg a. Pada saat tanpa beban

� = , _,, = , � b. Saat dihubungkan pulley generator

� = , _,, = , � - Torsi Turbin

� = �� × �……….…………(3.12) Dimana :

� = Torsi … … … . . … … … . . … … Nm � = Gaya Translasi Turbin … … . . … … … . N = Jari − jari Turbin … … … . . … . . . m a. Pada saat tanpa beban

� = , × , = , � b. Saat dihubungkan pulley generator

� = , × , = , � - Daya Turbin

��= � . �………(3.13) Dimana :

� = Daya turbin … … … . Nm s⁄ � = Torsi … … … . . … … . Nm � = Kecepatan sudut … … … . . .rad_s a. Pada saat tanpa beban

� = , . , = , � ⁄ = , b. Saat dihubungkan pulley generator

23 - Efisiensi daya turbin

�� =_{� � � � � �}� � � × % = ,_{, ×} % = , %

Gambar 3.8 Realisasi Turbin Gorlov

3.2.4 Turbin Achard and Maitre

Turbin Achard dalam perancangan ini menggunakan 3 sudu turbin dan menggunakan NACA airfoil 4418. Dengan berat 0,615Kg dan sudunya berbentuk delta.

24

Besar daya yang dihasilkan turbin Achard dapat dihitung dengan cara berikut dan akan digunakan untuk mengetahui besar efisiensi dari turbin tersebut.

- Kecepatan Sudut Turbin

a. Pada saat tanpa beban pulley generator � = = × = , b. Saat dihubungkan dengan pulley generator

� = = × = , - Kecepatan Turbin

� = � × �……… (3.14) Dimana :

= Kecepatan … … … m_s � = Kecepatan Sudut … . .rad_s

= Jari − jari Turbin … . . m a. Pada saat tanpa beban

= , × 0,075 = 0,58�

b. Saat dihubungkan pulley generator = , × 0,075 = 0,47�

- Percepatan Turbin

� = � × �……….(3.15) Dimana :

= Percepatan … … … . . … … … . .m_s � = Kecepatan Sudut … … … . . .rad_s

= Jari − jari Turbin … … … . . . m a. Pada saat tanpa beban

25

b. Saat dihubungkan pulley generator

= . × , = ,

- Gaya Translasi Turbin

�� = � �_� ……… (3.16) Dimana :

� = Gaya Translasi Turbin. . … . . … . . N = Kecepatan … … … m_s = Jari − jari Turbin … … … . . . m = massa turbin dan poros … . . … … . . . kg a. Pada saat tanpa beban

� = , _,, = , � b. Saat dihubungkan pulley generator

� = , _,, = , � - Torsi Turbin

� = �� × �……….…………(3.17) Dimana :

� = Torsi … … … . . … … . . … … … Nm � = Gaya Translasi Turbin … . . … … … . N

= Jari − jari Turbin … … … . . … . . … . . . m a. Pada saat tanpa beban

� = , × , = , � b. Saat dihubungkan pulley generator

� = , × , = , � - Daya Turbin

��= � . �………(3.18) Dimana :

� = Daya turbin … … … . Nm s⁄ � = Torsi … … … . . … … . Nm

26

� = Kecepatan sudut … … … . . .rad_s a. Pada saat tanpa beban

� = , . , = , � ⁄ = , b. Saat dihubungkan pulley generator

� = , . , = , � ⁄ = , - Efisiensi daya turbin

�� =_{� � � � � �}� � � × % = ,_{, ×} % = , %

Gambar 3.10 Realisasi Turbin Achard

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.

Rumus pembagi tegangan :

27

Gambar 3.11 Rangkaian Pembagi Tegangan

Sedangkan untuk sensor arus pada keluaran generator menggunakan hambatan 1 Ohm untuk dilihat nilai perbandingan tegangan masuk sebelum resistor dan sesudah resistor kemudian di masukkan pada inputan positif dan negatif pada differential amplifier yang dikuatkan 100 kali untuk kemudian dimasukkan pada inputan ADC arduino.

Gambar 3.12 Sensor Arus Dengan Differential Amplifier

Besarnya arus pada beban di regulator dapat dilihat dengan menggunakan beban resistor yang kemudian di buat pembagi tegangan dengan hambatan 1 Ohm dan keluaran pembagi tegangan dikuatkan dengan Non Inverting Amplifier agar dapat dibaca pada ADC arduino

Generator

input Output

1 Ohm

10k

10k

1M 1M

+ LM324 +

-VG2

XL 6009

+V 12V

ADC Arus

Ground

28

Gambar 3.13 Sensor Arus Dengan Non Inverting Amplifier

3.2.6 Mikrokontroler Arduino Mega

Arduino mega digunakan sebagai control utama untuk pengambilan dan pengolahan data dari sensor ACS712 maupun sensor tegangan dari pembagi tegangan. Besar tegangan dan arus akan ditampilkan di seven segmen 3digit.

Tabel 3.1 Konfigurasi Penggunaan Pin/Port Arduino Mega

Port Aplikasi Port MikroArduino

V1 V2 I1 I2

Port (a) 7segmen 13 22 48 39

Port (b) 7segmen 12 24 46 41

Port (c) 7segmen 11 26 44 43

Port (d) 7segmen 10 28 42 45

Port (e) 7segmen 9 30 40 47

Port (f) 7segmen 8 32 38 49

Port (g) 7segmen 7 34 36 50

Port (dot) 7segmen 3 29 15 16

Port (Com1) 7segmen 4 23 33 51

Port (Com2) 7segmen 5 25 35 52

Port (Com3) 7segmen 6 27 37 53

Inputan V1 A0

Inputan V2 A1

Inputan ACS1 A7

Inputan ACS2 A8

input Output XL 6009 Ground S3 22 Ohm 1 Ohm + LM324 +V 12V 9K 1k ADC Arus +V 12V + LM324 1k 9k

29 3.2.7 Modul Regulator

Regulator menggunakan XL6009 yaitu regulator converter DC to DC Boost Regulator atau regulator penguat tegangan dengan output yang diatur untuk pengisian aki yaitu sebesar 14.7 VDC.

Gambar 3.14 Skematik Rangkaian Regulator XL6009

Rangkaian diatas bekerja pada inputan diatas 3 V DC dan dapat diatur besar keluarannya dengan potensiometer. Besarnya keluaran pada modul regulator XL 6009 dapat dicari dengan cara

Vout = , × + R_R

Gambar 3.15 Modul Regulator XL6009

3.2.8 Pulley

Pulley berfungsi sebagai penghubung gerakan turbin kegenerator. Dalam perancangan ini menggunakan pulley dengan perbandingan 2:3, untuk pulley turbin menggunakan diameter 9cm sedangkan diameter pulley generator sebesar 6cm.

30

Perbandingan pulley di dapat dari besar diameter kedua pulley dan berpengaruh pada besar rpm. Jika jari-jari pulley yang pertama atau pulley turbin ( ) = 4,5cm = 0,045m sedangkan pulley generator ( ) = 3cm = 0.03m dan dihasilkan putaran sudut pulley turbin (� ) = 58rpm = 6,07 rad/s maka putaran sudut pulley generator (� ) sebesar :

� � = � � ………..…..(3.19) Dimana :

= Jari − jari Pulley Turbin … … … . … . . … . . . m = Jari − jari Pulley Generator … … … . … … … m � = Kecepatan Sudut Pulley Turbin … … … . . .rad_s � = Kecepatan Sudut Pulley Generator … … . … … … . . .rad_s

, × , = � × ,

� = , �� = 86,9 rpm = 87 rpm

Gambar 3.16 Pulley

3.2.9 Meja Alat

Berfungsi sebagai tempat dari semua mekanik dan modul.

Berukuran � × � × � �� = × × .

31

Gambar 3.17 Meja Alat

3.3 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 Mega 2560.

32

Penjelasan diagram alir mikrokontroler arduino :

1. Saat pertama dihidupkan mikrokontroler arduino akan langsung melakukan inisialisasi sensor arus dan tegangan

2. Jika ada arus dan tegangan yang dideteksi maka akan diolah pada inputan ADC arduino

3. Data dari ADC arduino akan ditampilkan pada 7 Segmen 3 digit dengan sistem scaning timer satu persatu.

4. Saat arduino selesai melakukan tugasnya maka arduino akan menunggu sampai ada masukan berikutnya dan melakukan tugas selanjutnya.

3.3.1 Pembacaan ADC Arduino

Arduino memiliki karakteristik 10 bit ADC dan dapat menerima inputan tegangan maksimal 5 volt sehingga untuk mendeteksi tegangan diatas 5 volt diperlukan pembagi tegangan untuk mengurangi besar tegangan yang masuk pada inputan ADC arduino.

Cara membaca inputan ADC pada arduino, dikarenakan memiliki 10 bit ADC dan maksimal tegangan 5 volt maka data yang terbaca pada arduino jika dikonversi adalah = =

� = 0-1023 pada saat tegangan maksimal 5 volt. Sehingga setiap langkah dapat dihitung = , per langkah., dengan kata lain jika ada inputan tegangan 3 volt akan dibaca 615 oleh ADC arduino, ADC Reading 3V = _{, 88}=

� . Jadi untuk mencari voltase analognya = × ADC reading (615 digit atau 3.00 volt) didapat sesuai 3 volt.

27

Gambar 3.11 Rangkaian Pembagi Tegangan

Sedangkan untuk sensor arus pada keluaran generator menggunakan hambatan 1 Ohm untuk dilihat nilai perbandingan tegangan masuk sebelum resistor dan sesudah resistor kemudian di masukkan pada inputan positif dan negatif pada differential amplifier yang dikuatkan 100 kali untuk kemudian dimasukkan pada inputan ADC arduino.

Gambar 3.12 Sensor Arus Dengan Differential Amplifier

Besarnya arus pada beban di regulator dapat dilihat dengan menggunakan beban resistor yang kemudian di buat pembagi tegangan dengan hambatan 1 Ohm dan keluaran pembagi tegangan dikuatkan dengan Non Inverting Amplifier agar dapat dibaca pada ADC arduino

Generator

input Output

1 Ohm

10k

10k

1M 1M

+

LM324 +

-VG2

XL 6009

+V 12V

ADC Arus

Ground

28

Gambar 3.13 Sensor Arus Dengan Non Inverting Amplifier

3.2.6 Mikrokontroler Arduino Mega

Arduino mega digunakan sebagai control utama untuk pengambilan dan pengolahan data dari sensor ACS712 maupun sensor tegangan dari pembagi tegangan. Besar tegangan dan arus akan ditampilkan di seven segmen 3digit.

Tabel 3.1 Konfigurasi Penggunaan Pin/Port Arduino Mega

Port Aplikasi Port MikroArduino

V1 V2 I1 I2

Port (a) 7segmen 13 22 48 39

Port (b) 7segmen 12 24 46 41

Port (c) 7segmen 11 26 44 43

Port (d) 7segmen 10 28 42 45

Port (e) 7segmen 9 30 40 47

Port (f) 7segmen 8 32 38 49

Port (g) 7segmen 7 34 36 50

Port (dot) 7segmen 3 29 15 16 Port (Com1) 7segmen 4 23 33 51 Port (Com2) 7segmen 5 25 35 52 Port (Com3) 7segmen 6 27 37 53

Inputan V1 A0

Inputan V2 A1

Inputan ACS1 A7

Inputan ACS2 A8

input Output XL 6009 Ground S3 22 Ohm 1 Ohm + LM324 +V 12V 9K 1k ADC Arus +V 12V + LM324 1k 9k

29 3.2.7 Modul Regulator

Regulator menggunakan XL6009 yaitu regulator converter DC to DC Boost Regulator atau regulator penguat tegangan dengan output yang diatur untuk pengisian aki yaitu sebesar 14.7 VDC.

Gambar 3.14 Skematik Rangkaian Regulator XL6009

Rangkaian diatas bekerja pada inputan diatas 3 V DC dan dapat diatur besar keluarannya dengan potensiometer. Besarnya keluaran pada modul regulator XL 6009 dapat dicari dengan cara

Vout = , × + R_R

Gambar 3.15 Modul Regulator XL6009

3.2.8 Pulley

Pulley berfungsi sebagai penghubung gerakan turbin kegenerator. Dalam perancangan ini menggunakan pulley dengan perbandingan 2:3, untuk pulley turbin menggunakan diameter 9cm sedangkan diameter pulley generator sebesar 6cm.

30

Perbandingan pulley di dapat dari besar diameter kedua pulley dan berpengaruh pada besar rpm. Jika jari-jari pulley yang pertama atau pulley turbin ( ) = 4,5cm = 0,045m sedangkan pulley generator ( ) = 3cm = 0.03m dan dihasilkan putaran sudut pulley turbin (� ) = 58rpm = 6,07 rad/s maka putaran sudut pulley generator (� ) sebesar :

� � = � � ………..…..(3.19)

Dimana :

= Jari − jari Pulley Turbin … … … . … . . … . . . m

= Jari − jari Pulley Generator … … … . … … … m

� = Kecepatan Sudut Pulley Turbin … … … . . .rad_s

� = Kecepatan Sudut Pulley Generator … … . … … … . . .rad_s

, × , = � × ,

� = , �� = 86,9 rpm = 87 rpm

Gambar 3.16 Pulley

3.2.9 Meja Alat

Berfungsi sebagai tempat dari semua mekanik dan modul.

Berukuran � × � × � �� = × × .

31

Gambar 3.17 Meja Alat

3.3 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 Mega 2560.

32

Penjelasan diagram alir mikrokontroler arduino :

1. Saat pertama dihidupkan mikrokontroler arduino akan langsung melakukan inisialisasi sensor arus dan tegangan

2. Jika ada arus dan tegangan yang dideteksi maka akan diolah pada inputan ADC arduino

3. Data dari ADC arduino akan ditampilkan pada 7 Segmen 3 digit dengan sistem scaning timer satu persatu.

4. Saat arduino selesai melakukan tugasnya maka arduino akan menunggu sampai ada masukan berikutnya dan melakukan tugas selanjutnya.

3.3.1 Pembacaan ADC Arduino

Arduino memiliki karakteristik 10 bit ADC dan dapat menerima inputan tegangan maksimal 5 volt sehingga untuk mendeteksi tegangan diatas 5 volt diperlukan pembagi tegangan untuk mengurangi besar tegangan yang masuk pada inputan ADC arduino.

Cara membaca inputan ADC pada arduino, dikarenakan memiliki 10 bit ADC dan maksimal tegangan 5 volt maka data yang terbaca pada arduino jika dikonversi adalah = =

� = 0-1023 pada saat tegangan maksimal 5 volt. Sehingga setiap langkah dapat dihitung = , per langkah., dengan kata lain jika ada inputan tegangan 3 volt akan dibaca 615 oleh ADC arduino, ADC Reading 3V = _{, 88}=

� . Jadi untuk mencari voltase analognya = × ADC reading (615 digit atau 3.00 volt) didapat sesuai 3 volt.