bab iii perancangan sistem -...

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.

𝐴 = 𝜋𝑟2 ……………….… (3.1)

𝐴 = 227⁄ × ( 1,27 × 10−2)2 = 0,50 × 10−3𝑚2

𝑄 = 92,36 𝐿𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡⁄ = 1,54 × 10−3 𝑚3

𝑠⁄

𝑄 = 𝐴 × 𝑣 ……………….. (3.2)

1,54 × 10−3 𝑚3

𝑠⁄ = 0,50 × 10−3𝑚2 × 𝑣

𝑣 = 1,54 × 10−3

0,50 × 10−3𝑚

𝑠⁄ = 3,08 𝑚𝑠⁄

15

𝑃 = 1

2 × 𝜌 × 𝑄 × 𝑣2 ……..(3.3)

𝑃 = 1

2 × 1000 × 1,54 × 10−3 × 3.082

𝑃 = 7,30 Kg m

s2⁄ = 7,30 Watt

Dimana :

𝑃 = Daya air yang tersedia … … … … … … … … …Kg m

s2⁄

𝑄 = Debit aliran air … … … … … … … … … … … . … … m3

s⁄

𝜌 = massa jenis air … … … … … … … … … … … … … . .Kg

m3⁄

𝐴 = Luas penampang aliran air … … … … … . … … . . m2

𝑣 = Kecepatan aliran air … … … … … . … … . … … … . . ms⁄

𝑟 = 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

𝜔 = 72 𝑟𝑝𝑚 = 72 × 2𝜋 𝑟𝑎𝑑

60 𝑠= 7,53

𝑟𝑎𝑑

𝑠

b. Saat dihubungkan dengan pulley generator

𝜔 = 58 𝑟𝑝𝑚 = 58 × 2𝜋 𝑟𝑎𝑑

60 𝑠= 6,07

𝑟𝑎𝑑

𝑠

- Kecepatan Turbin

𝒗 = 𝝎 × 𝒓…………………………. (3.4)

Dimana :

𝑣 = Kecepatan … … … … … m

s

𝜔 = Kecepatan Sudut … . .rad

s

18

𝑟 = Jari − jari Turbin … . . m

a. Pada saat tanpa beban

𝑣 = 7,53 × 0,075 = 0,56𝑚

𝑠

b. Saat dihubungkan pulley generator

𝑣 = 6,07 × 0,075 = 0,45𝑚

𝑠

- Percepatan Turbin

𝒂 = 𝝎𝟐 × 𝒓…………………………….(3.5)

Dimana :

𝑎 = Percepatan … … … … … . . … … … . .m

s2

𝜔 = Kecepatan Sudut … … … … … … … . . .rad

s

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


𝑎 = 7,532 × 0,075 = 4,25 𝑚

𝑠2


𝑎 = 6.072 × 0,075 = 2,76 𝑚

𝑠2

- Gaya Translasi Turbin

𝑭𝒕 = 𝒎 ( 𝒗𝟐

𝒓 )………………………… (3.6)

Dimana :

𝐹𝑡 = Gaya Translasi Turbin. . … … … . . . N

𝑣 = Kecepatan … … … … … … … . . … … … … m

s


𝑚 = massa turbin dan poros … . . … … . . . kg


𝐹 = 0,615 (0,562

0,075) = 3,46 𝑁


𝐹 = 0,615 (0,452

0,075) = 1,66𝑁

19

- Torsi Turbin

𝝉 = 𝑭𝒕 × 𝒓…………….……………(3.7)

Dimana :

𝜏 = Torsi … … … … … … … … … … . . … … … Nm

𝐹𝑡 = Gaya Translasi Turbin. . … . . … … … . N

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


𝜏 = 3,46 × 0,075 = 0,25 𝑁𝑚


𝜏 = 1,66 × 0,075 = 0,12 𝑁𝑚

- Daya Turbin

𝑷𝑻 = 𝝉 . 𝝎…………………………(3.8)

Dimana :

𝑃𝑇 = Daya turbin … … … … … … … … … . Nms⁄

𝜏 = Torsi … … … … … … … … … … . . … … . Nm

𝜔 = Kecepatan sudut … … … … … … … . . .rad

s


𝑃𝑇 = 0,25 . 7,53 = 1,88 𝑁𝑚𝑠⁄ = 1,88 𝑊𝑎𝑡𝑡


𝑃𝑇 = 0,12 . 6,07 = 0,72 𝑁𝑚𝑠⁄ = 0,72 𝑊𝑎𝑡𝑡

- Efisiensi daya turbin

-

𝜂𝑇 =𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑇𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛

𝐷𝑎𝑦𝑎 𝐴𝑖𝑟 𝑌𝑎𝑛𝑔 𝑇𝑒𝑟𝑠𝑒𝑑𝑖𝑎 × 100% =

0,72

7,30× 100% = 9,8%

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


turbin tersebut.

21



𝜔 = 75 𝑟𝑝𝑚 = 75 × 2𝜋 𝑟𝑎𝑑

60 𝑠= 7,85

𝑟𝑎𝑑

𝑠


𝜔 = 64 𝑟𝑝𝑚 = 64 × 2𝜋 𝑟𝑎𝑑

60 𝑠= 6,69

𝑟𝑎𝑑

𝑠

- Kecepatan Turbin

𝒗 = 𝝎 × 𝒓…………………………. (3.9)

Dimana :


s


s



𝑣 = 7,85 × 0,075 = 0,58𝑚

𝑠


𝑣 = 6,69 × 0,075 = 0,50𝑚

𝑠

- Percepatan Turbin

𝒂 = 𝝎𝟐 × 𝒓………………………….(3.10)

Dimana :

𝑎 = Percepatan … … … … … . . … … … . .m

s2


s



𝑎 = 7,852 × 0,075 = 4,62 𝑚

𝑠2


𝑎 = 6,692 × 0,075 = 3,35 𝑚

𝑠2


𝑭𝒕 = 𝒎 ( 𝒗𝟐

𝒓 )……………………… (3.11)

22

Dimana :

𝐹𝑡 = Gaya Translasi Turbin. . … … . . N

𝑣 = Kecepatan … … … … … … … . . … … … m

s




𝐹 = 0,615 (0,582

0,075) = 2,75 𝑁


𝐹 = 0,615 (0,502

0,075) = 2,05𝑁

- Torsi Turbin

𝝉 = 𝑭𝒕 × 𝒓……………….…………(3.12)

Dimana :

𝜏 = Torsi … … … … … … … . . … … … . . … … Nm

𝐹𝑡 = Gaya Translasi Turbin … … . . … … … . N

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


𝜏 = 2,75 × 0,075 = 0,20 𝑁𝑚


𝜏 = 2,05 × 0,075 = 0,15 𝑁𝑚

- Daya Turbin

𝑷𝑻 = 𝝉 . 𝝎…………………………(3.13)

Dimana :


𝜏 = Torsi … … … … … … … … … … . . … … . Nm

𝜔 = Kecepatan sudut … … … … … … … … . . .rad

s


𝑃𝑇 = 0,20 . 7,85 = 1,57 𝑁𝑚𝑠⁄ = 1,57 𝑊𝑎𝑡𝑡


𝑃𝑇 = 0,15 . 6,69 = 1,00 𝑁𝑚𝑠⁄ = 1,00 𝑊𝑎𝑡𝑡

23



𝐷𝑎𝑦𝑎 𝐴𝑖𝑟 𝑌𝑎𝑛𝑔 𝑇𝑒𝑟𝑠𝑒𝑑𝑖𝑎× 100% =

1,00

7,30× 100% = 13,69%

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.

Gambar 3.9 Gambar Sudu Turbin Acahrd

24

Besar daya yang dihasilkan turbin Achard dapat dihitung dengan


turbin tersebut.



𝜔 = 74 𝑟𝑝𝑚 = 74 × 2𝜋 𝑟𝑎𝑑

60 𝑠= 7,74

𝑟𝑎𝑑

𝑠


𝜔 = 60 𝑟𝑝𝑚 = 60 × 2𝜋 𝑟𝑎𝑑

60 𝑠= 6,28

𝑟𝑎𝑑

𝑠

- Kecepatan Turbin

𝒗 = 𝝎 × 𝒓………………………… (3.14)

Dimana :


s


s



𝑣 = 7,74 × 0,075 = 0,58𝑚

𝑠


𝑣 = 6,28 × 0,075 = 0,47𝑚

𝑠

- Percepatan Turbin

𝒂 = 𝝎𝟐 × 𝒓……………………….(3.15)

Dimana :

𝑎 = Percepatan … … … … … . . … … … . .m

s2


s



𝑎 = 7,742 × 0,075 = 4,49 𝑚

𝑠2

25


𝑎 = 6.282 × 0,075 = 2,96 𝑚

𝑠2


𝑭𝒕 = 𝒎 ( 𝒗𝟐

𝒓 )……………………… (3.16)

Dimana :

𝐹𝑡 = Gaya Translasi Turbin. . … . . … . . N

𝑣 = Kecepatan … … … … … … … … … … … m

s




𝐹 = 0,615 (0,582

0,075) = 2,76 𝑁


𝐹 = 0,615 (0,472

0,075) = 1,81𝑁

- Torsi Turbin

𝝉 = 𝑭𝒕 × 𝒓……………….…………(3.17)

Dimana :

𝜏 = Torsi … … … … … … … . . … … . . … … … Nm

𝐹𝑡 = Gaya Translasi Turbin … . . … … … . N

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


𝜏 = 2,76 × 0,075 = 0,21 𝑁𝑚


𝜏 = 1,81 × 0,075 = 0,13 𝑁𝑚

- Daya Turbin

𝑷𝑻 = 𝝉 . 𝝎…………………………(3.18)

Dimana :


𝜏 = Torsi … … … … … … … … … … . . … … . Nm

26

𝜔 = Kecepatan sudut … … … … … … … . . .rad

s


𝑃𝑇 = 0,21 . 7,74 = 1,62 𝑁𝑚𝑠⁄ = 1,62 𝑊𝑎𝑡𝑡


𝑃𝑇 = 0,13 . 6,28 = 0,81 𝑁𝑚𝑠⁄ = 0,81 𝑊𝑎𝑡𝑡



𝐷𝑎𝑦𝑎 𝐴𝑖𝑟 𝑌𝑎𝑛𝑔 𝑇𝑒𝑟𝑠𝑒𝑑𝑖𝑎× 100% =

0,81

7,30× 100% = 11,09%

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 :

𝑉𝑜𝑢𝑡 =𝑅2

𝑅1 + 𝑅2 × 𝑉𝑖𝑛

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

+V12V

ADC Arus

GroundGround

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



Inputan V1 A0

Inputan V2 A1

Inputan ACS1 A7

Inputan ACS2 A8

input Output

XL 6009

Ground

S3

22 Ohm

1 Ohm

+

LM324

+V12V

9K

1k

ADC Arus

+V12V

+

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 = 1,25 × ( 1 + R2

R1 )

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 (𝑟1) = 4,5cm = 0,045m sedangkan pulley generator (𝑟2) = 3cm =

0.03m dan dihasilkan putaran sudut pulley turbin (𝜔1) = 58rpm = 6,07

rad/s maka putaran sudut pulley generator (𝜔2) sebesar :

𝝎𝟏𝒓𝟏= 𝝎𝟐𝒓𝟐…………………..…..(3.19)

Dimana :

𝑟 1 = Jari − jari Pulley Turbin … … … … … … … … … … . … . . … . . . m

𝑟 2 = Jari − jari Pulley Generator … … … … … … … . … … … … … m

𝜔 1 = Kecepatan Sudut Pulley Turbin … … … … … … … … … . . .rad

s

𝜔 2 = Kecepatan Sudut Pulley Generator … … . … … … … … . . .rad

s

6,07 × 0,045 = 𝜔2 × 0,03

𝜔2 = 9,10 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 𝑃𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 × 𝐿𝑒𝑏𝑎𝑟 × 𝑇𝑖𝑛𝑔𝑔𝑖 = 80𝑐𝑚 × 45𝑐𝑚 × 80𝑐𝑚 .

Meja alat diberi roda pada bagian bawahnya agar mudah dipindahkan.

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.

Gambar 3.18 Blok Diagram Alir

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 10 𝑏𝑖𝑡 = 210 =

1024 𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡 = 0-1023 pada saat tegangan maksimal 5 volt.

Sehingga setiap langkah dapat dihitung 5

1023= 0,00488 𝑣𝑜𝑙𝑡 per

langkah., dengan kata lain jika ada inputan tegangan 3 volt akan

dibaca 615 oleh ADC arduino, ADC Reading 3V =3

0,00488=

615𝑑𝑖𝑔𝑖𝑡 . Jadi untuk mencari voltase analognya = 5

1023× ADC

reading (615 digit atau 3.00 volt) didapat sesuai 3 volt.

Berikut contoh coding pada pembacaan inputan ADC

bab iii perancangan sistem -...

Documents