ALAT PERAGA OSCILLATING WATER COLUMN UNTUK MATA KULIAH ENERGI BARU DAN TERBARUKAN. oleh Wang Darmasin Gunadi NIM:

Transkripsi

1 ALAT PERAGA OSCILLATING WATER COLUMN UNTUK MATA KULIAH ENERGI BARU DAN TERBARUKAN oleh Wang Darmasin Gunadi NIM: Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga Oktober 2015

2 i

3 ii

4 iii

5 INTISARI Krisis global yang dihadapi oleh dunia saat ini adalah global warming dan krisis energi. Sebagian besar wilayah Indonesia merupakan Lautan. Mata kuliah Energi Baru dan Terbarukan merupakan mata kuliah baru di FTEK-UKSW pada awal tahun Dosen pengampu berpandangan bahwa perlunya alat peraga yang dapat memberikan pemahaman dan gambaran secara nyata dan jelas dari teori yang didapat pada perkuliahan, Khususnya mahasiswa FTEK-UKSW. Oleh sebab itu, dalam skripsi ini direalisasikan sebuah alat peraga Oscillating Water Column. Alat yang dirancang adalah sebuah wadah (kotak) berisi air sebagian. Dalam wadah tersebut, air yang diam diubah menjadi air yang bergelombang menyerupai ombak laut. Motor Power Window sebagai penggeraknya. Gelombang air yang berosilasi akan dikonversikan menjadi energi baru (energi angin) pada kolom udara, sehingga turbin yang terletak pada bagian atas lubang kolom udara berputar dan menghasilkan energi baru yaitu energi listrik. Energi listrik dipanen dengan menggunakan supercapacitor yang nantinya akan digunakan untuk menghidupkan LED 1 watt. Dilakukan pengukuran arus dan tegangan pada alat pembuat gelombang, keluaran generator, supercapacitor dan beban sebagai pedoman praktikum Energi Baru dan Terbarukan. Pengukuran dilakukan sebanyak 3 kali dengan perubahan kecepatan motor yang telah ditentukan. Hasil pengujian yang telah dilakukan, konfigurasi yang dipilih adalah PWM cepat yaitu 100%, kondisi surut tanpa beban karena mempunyai daya keluaran generator yang maksimal yaitu 112 mwatt. i

6 ABSTRACT The global crisis faced by the world today is global warming and the energy crisis. Most of Indonesia is the Ocean. Subjects New and Renewable Energy is a new course in FTEK-UKSW in early Lecturer the opinion that the necessity of props that can provide insight and tangible and clear description of the theory learned in lectures, student Particularly FTEK-institution. Therefore, in this thesis realized an Oscillating Water Column props. Tool designed is a container partially filled with water. In the container, standing water is converted into water that resemble ocean waves surging. Motor Power Window as a driving force. Wave oscillating water will be converted into new energy (wind energy) on a column of air, so that the turbine located at the top of the rotating column of air holes and generate new energy that is electrical energy. Electrical energy harvested by using a supercapacitor which will be used to turn the LED 1 watt. Current and voltage measurements performed on a wave maker, generator output, supercapacitor and load as practical guidelines for New and Renewable Energy. Measurements were performed 3 times with changes in motor speed that has been determined. Results of the testing that has been done, the selected configuration is fast PWM is 100%, no-load conditions recede because it has a generator maximum power output is 112 mili-watts. ii

7 KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Allah Bapa, Yesus Kristus dan Roh Kudus atas segala hikmat, karunia, mujizat dan penyertaannya sehingga skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik. Segala yang telah dicapai oleh penulis tidak terlepas dari dorongan semangat, bantuan, perhatian dan dukungan dari berbagai pihak. Maka, perkenankanlah penulis menyampaikan rasa ucapan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Pembimbing I, Bapak Deddy Susilo, S.T., M.Eng dan pembimbing II, Bapak Ir. Lukas B.Setyawan, M.Sc Terima kasih atas bimbingan, arahan, saran, nasihat, waktu dan kesabaran yang telah diberikan kepada penulis. 2. Terima kasih yang tidak terhingga untuk Ayah Ong Bing Gie di surga yang selalu bersama menemani dan Ibu Tjahja Rini Kijoetami, atas segala perhatian, dorongan semangat, dukungan material dan doa. Kiranya Tuhan Yesus senantiasa memberkati. 3. Terimakasih yang sebesar-besarnya untuk Paman Bing Kiem (Buana Wang) dan Isterinya Bibi Julik, Paman Guan dan Isterinya Bibi Lely Lianawati, Paman Bing Seng dan Bibi Nanik Lianawati, Paman Buana Heksa dan isterinya Bibi Rita serta Paman Liep dan Bibi Jiu, atas segala dorongan semangat, dukungan material, saran, waktu dan doa. Kiranya Tuhan Yesus senantiasa memberkati. 4. Kakakku yang terkasih, Wang Yanuar Gunadi. Terima kasih untuk dukungan, saran, waktu dan doa serta kasihnya. 5. Terimakasih untuk Bapak Yohanes Bengkel Queen, Tingkir, Salatiga, atas segala dukungan material, pikiran, waktu dan doa. 6. Terimakasih kepada Bapak Pdt. Surya Kusuma, atas dukungan doa, kasih dan semangatnya. 7. Teman-teman Epafras, terimakasih atas segala dukungan doa, kasih dan semangat. iii

8 8. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK, Mbak Rista, Mbak Dita, Mbak Yola, Pak Budi, Pak Harto, Pak Bambang, Mas Hari. 9. Teman-teman angkatan 2010, Ayo cepetan LULUS!. 10. Pihak-pihak yang tidak bisa disebutkan satu per satu, yang turut andil dalam usaha penulis menyelesaikan studi di Universitas Kristen Satya Wacana. Selama studi dan penulisan tugas akhir ini, tentunya ada begitu banyak pihak yang membantu penulis. Penulis mengucapkan terimakasih. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran dari pembaca sekalian sehingga skripsi ini dapat berguna bagi kemajuan teknik elektronika. Salatiga, Oktober 2015 Penulis iv

9 DAFTAR ISI INTISARI i ABSTRACT ii KATA PENGANTAR iii DAFTAR ISI v DAFTAR GAMBAR vii DAFTAR TABEL xi DAFTAR ISTILAH xii BAB I PENDAHULUAN Tujuan Latar Belakang Batasan Masalah Sistematika Penulisan... 3 BAB II DASAR SISTEM Prinsip Bernoulli Wave Motion Wave Energy and Power ACS PCDUINO BAB III PERANCANGAN ALAT Gambaran Alat Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras Perangkat Keras Modul Mekanik Perangkat Keras Modul Elektronik Pengendali Utama Sensor Arus Sensor Tegangan IC Mux Sensor Kecepatan Storage System Aktuator Perancangan dan Realisasi Perangkat Lunak v

10 Perangkat Lunak pcduino BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS Pengujian Dimensi Mekanik Oscillating Water Column Pengujian Keluaran Generator Pengujian ADC pcduino Pengujian ADC dengan Nilai Tegangan pada Multimeter Pengujian Konversi Tegangan pcduino dengan Nilai Tegangan Multimeter Pengujian Sensor ACS Pengujian Konverter Tegangan Pengujian Konverter Tegangan 5 VDC to 3.3 VDC Pengujian Konverter Tegangan 12 VDC to 3.3 VDC Pengujian Keseluruhan Sistem Pengujian Keseluruhan Sistem dengan PWM Cepat Pengujian Keseluruhan Sistem dengan PWM Sedang Pengujian Keseluruhan Sistem dengan PWM Lambat BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran Pengembangan DAFTAR PUSTAKA 69 LAMPIRAN A 71 LAMPIRAN B 84 LAMPIRAN C 92 vi

11 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Ilustrasi konservasi energi: aliran naik dari z 1 ke z 2 6 Gambar 2.2. Permukaan Gelombang air 8 Gambar 2.3. Karakteristik Gelombang 9 Gambar 2.4. Gaya Resultan pada permukaan partikel 9 Gambar 2.5. Percepatan dan kecepatan dari partikel permukaan air 9 Gambar 2.6. Dasar gerakan air, menunjukkan penurunan eksponensial amplitude dengan kedalaman 13 Gambar 2.7. Tabel sensitivitas keluaran pada ACS Gambar 2.8. Block Diagram ACS Gambar 2.9. Deskripsi pin-out ACS Gambar Grafik keluaran tegangan ACS712 terhadap arus yang mengalir 17 Gambar Grafik sensitivitas tegangan keluaran terhadap arus pada ACS Gambar Perangkat pcduino3 tampak depan 19 Gambar Perangkat pcduino3 tampak belakang 19 Gambar 3.1. Blok diagram keseluruhan alat yang dirancang 21 Gambar 3.2. Desain mekanik tampak depan dan keterangan 22 Gambar 3.3. Realisasi mekanik keseluruhan Oscillating Water Column tampak samping 22 Gambar 3.4. Realisasi mekanik keseluruhan Oscillating Water Column tampak atas kanan 23 Gambar 3.5. Realisasi mekanik keseluruhan Oscillating Water Column tampak atas kiri 23 Gambar 3.6. Skema pcduino 25 Gambar 3.7. Rangkaian pada ACS Gambar 3.8. Realisasi rangkaian ACS Gambar 3.9. Rangkaian sensor tegangan dengan converter 5VDC to 3,3VDC 27 Gambar Rangkaian sensor tegangan dengan converter 12VDC to 3,3VDC 28 Gambar Realisasi rangkaian sensor tegangan 28 Gambar Skema input dan output pada IC Gambar Realisasi rangkaian mux Gambar Realisasi Sensor Proximity sebagai sensor kecepatan 30 Gambar Rangkaian Boost Converter 31 Gambar Realisasi Boost Converter 31 vii

12 Gambar Rangkaian Storage system pada supercapacitor dengan beban 32 Gambar Realisasi Storage system pada supercapacitor dengan beban 32 Gambar Realisasi motor power window 33 Gambar Rangkaian driver motor 34 Gambar Realisasi driver motor 34 Gambar Realisasi lubang piringan 35 Gambar Realisasi lubang tuas penggerak 35 Gambar Realisasi turbin 36 Gambar Diagram alir subrutin controller pengukuran 39 Gambar Diagram alir subrutin controller PWM 40 Gambar 4.1. Pengujian panjang mekanik Oscillating Water Column 41 Gambar 4.2. Pengujian lebar mekanik Oscillating Water Column 42 Gambar 4.3. Pengujian tinggi mekanik Oscillating Water Column 42 Gambar 4.4. Grafik arus terhadap beban 43 Gambar 4.5. Grafik tegangan terhadap beban 43 Gambar 4.6. Grafik Nilai ADC terhadap Nilai Tegangan Multimeter 45 Gambar 4.7. Grafik ADC konversi Tegangan terhadap Nilai Tegangan Multimeter 46 Gambar 4.8. Grafik Konversi Arus ACS1, ACS2, ACS3, ACS4, ACS5 dengan Nilai Arus pada Multimeter terhadap Beban Resistor yang Terpasang 47 Gambar 4.9. Grafik Konversi Arus ACS1, ACS2, ACS3, ACS4, ACS5 dengan Nilai Arus pada Multimeter terhadap Beban Resistor yang Terpasang Setelah Pendekatan Pengukuran 49 Gambar Grafik Keluaran konverter 5VDC to 3.3 VDC terhadap Input Supply 50 Gambar Grafik Keluaran konverter 12VDC to 3.3 VDC terhadap Input Supply 52 Gambar Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa Beban 53 Gambar Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa Beban 53 Gambar Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut dengan Beban 54 Gambar Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut dengan Beban 55 viii

13 Gambar Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang tanpa Beban 55 Gambar Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang tanpa Beban 56 Gambar Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang dengan Beban 56 Gambar Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang dengan Beban 57 Gambar Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa Beban 58 Gambar Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa Beban 59 Gambar Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut dengan Beban 59 Gambar Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut dengan Beban 60 Gambar Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang tanpa Beban 60 Gambar Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang tanpa Beban 61 Gambar Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang dengan Beban 61 Gambar Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang dengan Beban 62 Gambar Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa Beban 63 Gambar Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa Beban 63 Gambar Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut dengan Beban 64 Gambar Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut dengan Beban 64 ix

14 Gambar Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang tanpa Beban 65 Gambar Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang tanpa Beban 65 Gambar Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang dengan Beban 66 Gambar Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang dengan Beban 66 x

15 DAFTAR TABEL Tabel 3.1. Konfigurasi penggunaan pin pcduino3 pada bagian pengendali utama 25 Tabel 4.1. Keluaran Turbin terhadap beban 43 Tabel 4.2. Keluaran pin ADC pcduino dengan nilai tegangan multimeter 44 Tabel 4.3. Keluaran pin ADC pcduino berupa tegangan dengan nilai tegangan multimeter 45 Tabel 4.4. Keluaran konversi arus ACS1, ACS2, ACS3, ACS4, ACS5 dengan nilai arus pada multimeter 47 Tabel 4.5. Keluaran konversi arus ACS1, ACS2, ACS3, ACS4, ACS5 dengan nilai arus pada multimeter seletah pendekatan pengukuran 48 Tabel 4.6. Keluaran konverter 5 VDC to 3.3 VDC terhadap input supply 50 Tabel 4.7. Keluaran konverter 12 VDC to 3.3 VDC terhadap input supply 51 xi

16 DAFTAR ISTILAH E K E P E f ADC F LED OWC PWM SC A V W g m p u x z T a c h Kinetic Energy Potential Energy Friction Energy Analog to Digital Converter Gaya Light Emiting Diode Oscillating Water Column Pulse Width Modulation Supercapacitor Luas penampang Volume Usaha Percepatan gravitasi Massa Tekanan Kecepatan udara Jarak Ketinggian Periode Amplitudo Kecepatan fase gelombang Ketinggian permukaan xii

17 k v λ ρ ω φ Konstanta Gelombang Kecepatan Linear Panjang Gelombang Kerapatan jenis Kecepatan Angular / Kecepatan sudut Kemiringan sudut xiii