7

BAB II

LANDASAN TEORI

Dalam merealisasikan suatu alat diperlukan dasar teori untuk menunjang

hasil yang optimal. Pada bab ini akan dibahas secara singkat mengenai teori

dasar yang digunakan untuk merealisasikan Alat Peraga Pasang Surut ( Tidal

Power ) untuk Mata Kuliah Energi Baru dan Terbarukan ( New and Renewable

Energy ).

2.1. Energi Potensial

Energi potensial merupakan sebuah fungsi koordinat/letak sedemikian

sehingga perbedaan antara nilai/harga di posisi awal dan di posisi akhir sama

dengan sama dengan usaha yang dilakukan sebuah benda untuk menggerakkan

dari posisi awal ke posisi akhir.[2]

W(A B) =

= (Ep)A - (Ep)B ……………….. (2.1)

Di mana F merupakan gaya sistem dari benda itu sendiri (Fluar)

F = m g h

Gambar 2.1. Potensial Gravitasi

Apabila persamaan 2.1 kita terapkan pada potensial gravitasi maka diperoleh

Ep = …… (2.2)

Ep = …… (2.3)

Ep = …… (2.4)

Di mana Ep = Energi potensial (Joule)

m = Massa (Kg)

m

8

g = Gravitasi Bumi ( )

h = Tinggi benda (m)

2.2. Gerak Rotasi Benda Tegar

Gerak rotasi merupakan gerak suatu benda yang berputar terhadap

sumbu putarnya, gerak rotasi ini dibagi menjadi 2 jenis. Yang pertama adalah

gerak rotasi benda tegar sekitar sumbu tetap dan yang kedua adalah gerak

rotasi benda tegar sekitar sumbu bergerak. [3] Dalam gerak rotasi benda tegar

pada sumbu tetap memiliki besaran fisika sebagai berikut.

Gambar 2.2. Rotasi Benda Tegar [12]

Posisi sudut (θ) dapat dinyatakan dengan persamaan:

θ =

(radian) …… (2.5)

di mana s adalah panjang segmen lingkaran yang disapu jari-jari r.

kecepatan sudut rata-rata dapat dinyatakan oleh persamaan:

ω =

(radian/detik) …… (2.6)

Nilai energi kinetik dari sebuah benda yang berotasi adalah

Ek = …… (2.7)

Untuk benda tegar berbentuk piringan I = , maka energi kinetiknya adalah

Ek = ……. (2.8)

Di mana I = momen inersia benda tegar berbentuk piringan (Kgm2)

ω = kecepatan sudut rata-rata (rad/detik)

m = massa benda tegar (Kg)

r = jarak dari sumbu rotasi (m)

9

2.3. Perbandingan Pulley

Pulley merupakan suatu benda dari logam atau bukan logam dengan

bentuk bulat pipih dan pada pingiranya beralur. Pulley sangat berguna untuk

memnindahkan daya atau energi dari suatu penggerak kepada yang digerakkan.

Gambar 2.3. Kombinasi Pulley

Pulley dapat dikombinasikan untuk memperoleh hasil akhir sesuai

kebutuhan. Kombinasi pulley digambarkan pada Gambar 2.3. Perbandingan

pulley dalam kombinasi dapat dihitung dengan prinsip berikut. [4]

……. (2.9)

Di mana GR = Gear Ratio atau rasio gir

N1 = Diameter pulley yang memutar

N2 = Diameter pulley yang diputar

2.4. Generator

Generator listrik merupakan mesin yang dapat mengubah energi kinetik

menjadi energi listrik. Terdapat 2 komponen utama pada generator listrik,

yaitu: stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Rotor akan

berhubungan dengan poros generator listrik yang berputar pada pusat stator.

Kemudian poros generator listrik tersebut biasanya diputar dengan

menggunakan usaha yang berasal dari luar. [5]

A B

10

Gambar 2.4. Generator

Tegangan listrik yang dihasilkan oleh generator listrik AC ini berjenis

bolak - balik dengan bentuk seperti gelombang sinus. Amplitudonya

bergantung pada kuat medan magnet, jumlah lilitan kawat, dan luas penampang

kumparan. Frekuensi gelombangnya sama dengan frekuensi putaran kumparan.

Pada generator berlaku persamaan GGL (Gaya Gerak Listrik) sebagai berikut

Ɛ = N B A ɷ …… (2.10)

Di mana, Ɛ = Gaya gerak listrik (Volt)

N = Jumlah lilitan

B = Kuat medan magnet (Tesla)

A = Luas penampang kumparan (m2)

ɷ = Kecepatan putaran (rad/detik)

2.5. Mikrokontroler

Pada skripsi ini digunakan board mikrokontroler arduino dengan IC

ATMega2560 sebagai pengendali utama. Board tersebut mempunyai

spesifikasi sebagai berikut :

1. Tegangan operasi : 5 V

2. Tegangan input (saran) : 7-12 V

3. Tegangan input (batas) : 6-20 V

4. Digital I/O pins : 54 (15 digunakan untuk PWM)

5. Analog input pins : 16

6. Arus DC setiap I/O pins : 40 mA

7. Arus DC untuk 3,3 V pins : 50 mA

11

8. Flash Memory : 256 Kb (8 Kb digunakan untuk

bootloader)

9. SRAM : 8 Kb

10. EEPROM : 4 Kb

11. Clock speed : 16 MHz

Gambar 2.5. Board Atmega 2560

Pengendali yang digunakan berjenis arduino 2560. Mikrokontroler

berfungsi sebagai pengendali alat ini di mana, bertugas mengolah data dari

generator yang akan di tampilkan menggunakan seven segment, sebagai

pengontrol pompa air dan valve elektrik.

2.6. Sensor Kapasitif

Kapasitif sensor ini bekerja berdasarkan perubahan muatan energi

listrik yang dapat disimpan oleh sensor akibat perubahan jarak

lempeng,perubahan luas penampang dan perubahan volume dielektrikum

sensor kapasitif tersebut. Konsep kapasitor yang digunakan dalam sensor

kapasitif adalah proses menyimpan dan melepas energi listrik daalam bentuk

muatan – muatan listrik pada kapasitor yang dipengaruhi oleh luas permukaan,

jarak dan bahan dielektrikum. Sifat sensor kapasitif yang dapat dimanfaatkan

dalam proses pengukuran di antaranya adalah sebagai berikut.

Sifat sensor kapasitif yang dimanfatkan dalam pengukuran:

12

- Jika luas permukaan dan dielektrika (udara) dalam dijaga konstan,

maka perubahan kapasitansi ditentukan oleh jarak antara dua

lempengan logam.

- Jika luas dan permukaan kedua lempengan logam dijaga konstan

dan volume dielektrikum dapat dipengaruhi maka perubahan

kapasitansi ditentukan oleh volume atau ketinggian cairan elektrolit

yang diberikan.

- Jika jarak dan dielektrikum (udara) dijaga konstan, maka perubahan

kapasitansi ditentukan oleh luas permukaan kedua lempeng yang

saling berdekatan.

Gambar 2.6. Sensor Kapasitif

Konstruksi sensor kapasitif yang di gunakan berupa dua buah

lempengan logam yanug diletakkan sejajar dan saling berhadapan. Jika

diberi tegangan antara kedua lempenug logam tersebut, maka akan

timbul kapasitansi antara kedua logam tersebut. Nilai kapasitansi yang

ditimbulkan berbanding lurus dengan luas permukaan lempeng logam,

dan berbanding terbalik dengan jarak antara kedua lempeng dan

berbanding lurus dengan zat antara kedua lempeng tersebut

(dielektrika), seperti di tunjukkan oleh persamaan berikut:

13

C = εr

............(2.11)

Dimana:

εr = pemitifitas relatif (air = 18)

A = luas plat / lempeng ( )

d = jarak antara plat / lempeng (m)

2.7. Sensor Arus

Sensor arus ini merupakan modul sensor untuk mendeteksi besar arus

yang mengalir lewat terminal block menggunakan current sensor chip

ACS712-20 yang memanfaatkan efek Hall.

Gambar 2.7. Sensor Arus

Besar arus maksimum yang dapat dideteksi sebesar 20A di mana

tegangan pada pin keluaran akan berubah secara linear mulai dari 2,5 Volt

(½×VCC, tegangan catu daya VCC = 5V) untuk kondisi tidak ada arus hingga

4,5V pada arus sebesar +20A atau 0,5V pada arus sebesar −20A (positif /

negative tergantung polaritas, nilai di bawah 0,5V atau di atas 4,5V dapat

dianggap lebih dari batas maksimum). Perubahan tingkat tegangan berkorelasi

linear terhadap besar arus sebesar 100 mV / Ampere

14

2.8. Valve Elektrik

Solenoid valve merupakan katup yang dikendalikan dengan arus listrik

baik AC maupun DC melalui kumparan / selenoida. Solenoid valve ini

merupakan elemen kontrol yang paling sering digunakan dalam system fluida.

Seperti pada system pneumatik, system hidrolik ataupun pada system control

mesin yang membutuhkan elemen control otomatis. Contohnya pada system

pneumatik, solenoid valve bertugas untuk mengontrol saluran udara yang

bertekanan menuju aktuator pneumatic (cylinder). Atau pada sebuah tandon air

yang membutuhkan solenoid valve sebagai pengatur pengisian air, sehingga

tendon tersebut tidak sampai kosong.

Gambar 2.8. Valve Elektrik

Pada perancangan sekripsi ini digunakan Solenoid valve dengan kran

elektrik straight metal base AC 220 V 3/4 inchi, sepesifikasi sebagai berikut:

Merk : Kloid

Vsuplay : AC 220 V

Orifice : 20 mm

Ukuran : Drat In – Out pipe size ¾ Inch

Operating pressure : Min 0 kg/cm2 – max 10 kg/ cm2

Temp : -5 derajat celsius sampai 100 derajat celcius

Dimensi body : panjang 9 cm x diameter 4,5 cm

Berat : 700 gr

15

2.9. Pompa Air

Pompa air AC adalah pompa yang digerakan oleh catu daya AC atau

jala – jala listrik PLN.

Gambar 2.9. Pompa Air

Dalam perancangan tugas akhir ini menggunakan pompa air AC

typesingle phase, Pompa air menggunakan pompa AC merk DAB dengan

sepesifikasi sebagai berikut :

Daya = 125 watt

Tegangan = 220 volt

Daya hisap = 9 meter

Daya dorong = 24 meter

Total head = 33 meter

Kapasitas = 35 liter / menit

Ukuran pipa = 1 inchi x 1 inchi

2.10. Turbin

Turbin Cross-Flow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin aksi (

impule turbin ). Pemakaian jenis Turbin Cross-Flow lebih menguntungkan

dibanding dengan penggunaan kincir air maupun jenis turbin mikro hidro

lainya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya

pembuatan penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan

16

bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran Turbin Cross-

Flow lebih kecil dan lebih kompak disbanding kincir air. Diameter kincir yakni

roda jalan atau runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapi diameter Turbin

Cross-Flow dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahan – bahan yang

dibutuhkan jauh lebih sedikit,itulah sebabnya bisa lebih murah. Demikian juga

daya guna atau effisiensi rata – rata turbin ini lebih tinggi dari pada daya guna

kincir air. Hasil pengujian laboratorium yang dilakukan oleh pabrik turbin

Ossberger Jerman Barat yang menyimpulkan bahwa daya guna kincir air dari

jenis yang paling unggul sekalipun hanya mencapai 70 % sedangkan effisiensi

turbin Cross-Flow mencapai 82 % ( Haimerl, L.A., 1960 ). Tingginya effisiensi

Turbin Cross- Flow ini akibat pemanfaatan energi air pada turbin ini dilakukan

dua kali, yang pertama energi tumbukan air pada sudu – sudu pada saat air

akan meninggalkan runner. Adanya kerja air yang bertinggkat ini ternyata

memberikan keuntungan dalam hal effektifitasnya yang tinggi dan

kesederhanaan pada sistem pengeluaran air dari runner. Kurva di bawwah ini

akan lebih menjekaskan tentang perbandingan effisiensi dari beberapa turbin

konvensional. Sumbu y menunjukkan effisiensi turbin dan sumbu x

menunjukkan debit air yang mengalir.

Gambar 2.10 Effisiensi beberapa turbin dengan penggunaan debit

sebagai variabel (sumber: Haimerl,L.A, 1960)

17

Dari kurva tersebut ditunjukka hubungan antara effisiensi dengan

pengurangan debit akibat pengaturan pembukaan katup yang dinyatakan dalam

perbandingan debit terhadap debit maksimumnya. Untuk Turbin Cross-Flow

dengan Q/Qmak = 1 menunjukkan effisiensi yang cukup tinngi sekitar 80 %

disamping itu untuk perubahan debit sampai dengan Q/Qmak = 0.2

menunjukkan harga effisiensi yang relatif tetap ( Meier, Ueli, 1981).

Pada perancangan skripsi ini turbin yang digunakan adalah turbin cross

flow dengan bahan plat besi dengan diameter 13 cm dan tinggi 10 cm, turbin

memiliki 11 sirip.

Gambar 2.11. Turbin cross flow