BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS

Transkripsi

1 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS Bab ini akan membahas pengujian serta analisis masing- masing modul dari sistem yang dirancang. Tujuan dilakukannya pengujian ini adalah untuk mengetahui apakah sistem yang dibuat sudah sesuai dengan spesifikasi yang telah diajukan. Pengujian dilakukan baik pada setiap modul maupun keseluruhan sistem Pengujian Cairan Pendingin Dilakukan pengujian terhadap dua buah zat cair, yaitu air (sebagai pembanding) dan oli yang akan digunakan. Air dengan volume 3,3 liter dipanaskan dengan setrika selama lima menit. Setelah lima menit, suhu air yang mula- mula 25,9 C meningkat hingga mencapai 35,7 C atau mengalami kenaikan sebesar 9,8 C. Kemudian dilakukan pengujian dengan terhadap oli yang bervolume lebih sedikit yaitu 1,84 liter dan dipanaskan dengan setrika selama lima menit. Suhu oli mula- mula 25,5 C meningkat hingga mencapai suhu 27,5 C atau mengalami kenaikan sebesar 2 C. Dari hasil pengujian ini dapat disimpulkan bahwa oli lebih baik sebagai pendingin dibandingkan dengan air biasa Pengujian Thermoelectric Generator (TEG) Thermoelectric generator dilapisi dengan bubble laminated foil dan diberi pasta thermal, kemudian ditutup dengan lempeng alumunium seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 4.1. Gambar 4.1. Konstruksi alat yang dibuat 29

2 Gambar 4.2 dan 4.3 menunjukkan pengujian awal thermoelectric generator dilakukan dengan memanaskan thermoelectric generator yang telah terpasang pada pelat alumunium menggunakan setrika. Pada sisi dingin dipasang heat sink yang dicelupkan ke dalam oli bervolume 1,84 liter. Pengukuran dilakukan terhadap tegangan keluaran TEG dengan memberikan hambatan (RL) yang divariasikan mulai 1Ω, 5.1Ω, 1Ω dan 3Ω. Gambar 4.2. Rangkaian pengujian VOUT TEG. Gambar 4.3. Pengujian VOUT TEG. 3

3 Tabel 4.1 Hasil pengujian TEG dengan hambatan yang divariasikan. Jumlah TEG RL VOUT POUT (Ω) (V) (W) 1 1,8,64 1 5,1 1,75, ,1,41 4-seri 1 3,9 1,52 4-seri 3 8,2 2,24 Besarnya daya keluaran (POUT) yang dihasilkan oleh modul ini dapat dihitung menggunakan persamaan : P OUT = V OUT 2 (4.1) R L Dari pengujian yang dilakukan diperoleh hasil bahwa daya keluaran paling besar adalah dengan menyusun empat buah TEG secara seri kemudian diberi beban sebesar 3Ω akan menghasilkan daya 2,24W. Beban sebesar 3Ω ini menunjukkan besarnya hambatan dalam TEG. Kemudian dilakukan pengujian terhadap pengaruh gradien temperatur antara kedua sisi terhadap tegangan keluaran (VOUT) TEG dengan menyusun empat buah thermoelectric generator (TEG) secara seri. Pada keluaran TEG diberi beban sebesar 3Ω. Berikut hasil pengukuran yang diperoleh. Pengukuran suhu dilakukan menggunakan alat thermogun merek Fluke tipe 68 IR thermometer. 31

4 V OUT (V) ,65 7,9 5,9 4,8 5,2 3,9 9,1 11,4 13,3 14,7 16,3 21,6 ΔT( C) Gambar 4.4. Grafik perubahan VOUT terhadap ΔT. Hasil pengujian pada Gambar 4.4 menunjukkan bahwa tegangan keluaran (VOUT) yang dihasilkan oleh TEG bertambah besar seiring dengan bertambahnya gradien temperatur (ΔT) antara kedua permukaan. Pertambahan VOUT yang terjadi mendekati linear jika dilihat dari grafik di atas. Semakin tinggi ΔT yang dihasilkan, maka VOUT semakin besar. akan 4.3. Pengujian Buck- Boost Converter Pengujian yang dilakukan terhadap modul buck-boost converter dengan IC LM2577-Adj yang dilakukan adalah dengan mengukur tegangan masukan (VIN) dan tegangan keluaran (VOUT) yang dihasilkan oleh modul ini serta besarnya arus keluaran (IOUT) yang mengalir seperti ditunjukkan Gambar 4.5, 4.6 dan 4.7. Modul buck-boost converter ini diuji dengan memberikan tegangan masukan menggunakan power supply laboratorium merek GW tipe GPS-33D. Sesuai datasheet, IC ini akan bekerja jika terdapat tegangan masukan minimal (VIN(min)) sebesar 3,5V. Akan tetapi pada realisasinya, saat terdapat masukan sebesar 2,86V IC ini sudah mampu bekerja menaikkan tegangan keluaran menjadi sebesar 4,73V. 32

5 Gambar 4.5. Rangkaian pengujian IOUT buck-boost converter. Gambar 4.5 menunjukkan rangkaian pengujian arus keluaran IOUT dari modul buckboost converter yang akan mengisi baterai lithium polymer. Besarnya nilai RL yang digunakan adalah 1Ω. Sedangkan Gambar 4.6 menunjukkan rangkaian pengujian tegangan keluaran (VOUT) modul buck-boost converter. Gambar 4.6. Rangkaian pengujian VOUT buck-boost converter. Gambar 4.7. Pengujian modul buck-boost converter. 33

6 Gambar 4.7 menunjukkan bahwa saat terdapat VIN dari power supply sebesar 3V, VOUT dari buck-boost converter terukur sebesar 4,371V. Dengan menguji besarnya PIN dan POUT, dapat dihitung besarnya efisiensi dari modul buck-boost converter ini. Dimana POUT dan PIN diperoleh dengan persamaan: η = P OUT P IN 1% (4.2) P OUT = V OUT I OUT (4.3) P OUT = V IN I IN (4.4) efisiensi (%) , ,13 62, ,13 58,79 1,5 2,13 2,869 3,922 4,63 4,83 5,266 5,91 7,95 V IN (V) Gambar 4.8. Grafik efisiensi modul buck-boost converter terhadap tegangan masukan (VIN ). Hasil pengujian pada Gambar 4.8 menunjukkan bahwa saat tegangan masukan (VIN) sebesar 2,86V, modul sudah mampu bekerja dengan memberikan tegangan keluaran (VOUT) sebesar 4,73V atau modul bekerja sebagai boost converter. Saat tegangan masukan (VIN) sebesar 5,26V yaitu lebih besar daripada tegangan keluaran (VOUT), modul akan bekerja sebagai buck converter. Dengan demikian jangkauan tegangan keluaran TEG (Gambar 4.4) dapat digunakan untuk memberi masukan rangkaian Buck-Boost Converter agar menghasilkan tegangan keluaran stabil di sekitar 4,73V. Efisiensi rata- rata dari modul buck-boost converter yang digunakan yaitu sebesar 66,23%. 34

7 4.4. Pengujian Penyimpanan Energi pada Baterai Tegangan keluaran yang telah diproses oleh rangkaian rangkaian Buck-Boost Converter selanjutnya digunakan untuk mengisi baterai. Pengujian dilakukan dengan mengukur tegangan dan arus baterai selama periode tertentu saat dilakukan pengisian. Terdapat LED indikator yang akan menyala saat baterai terisi seperti yang ditunjukkan Gambar 4.9 berikut. Gambar 4.9. Baterai dengan LED indikator. 4 3,5 3 2,72 3,1 3,2 3,31 3,38 3,43 3,47 2,5 V bat (V) 2 1,5 1, Gambar 4.1. Grafik tegangan baterai (Vbat) sebagai fungsi waktu selama pengisian. 35

8 ,25,2,16,21,22,23,22,2 Ibat (A),15,1, Gambar Grafik arus baterai (Ibat) sebagai fungsi waktu selama pengisian. Gambar 4.1 dan 4.11 menunjukkan bahwa tegangan awal baterai (Vbat) adalah 2,72V dengan arus (Ibat) A. Hal ini menunjukkan proses pengisian baterai belum dimulai. Kemudian pada detik ke 3s, tegangan baterai berubah menjadi 3,1V dengan arus,16a. Hal ini berarti baterai sudah mengalami pengisian. Proses pengisian kemudian berlangsung sampai saat detik terakhir dilakukan pengujian yaitu 18s, tegangan baterai menjadi sebesar 3,47V dengan arus sebesar,2a. Besarnya arus yang mengalir dalam proses pengisian mengalami penurunan dikarenakan saat mula-mula baterai kosong tegangannya rendah sehingga arus pengisian besar. Ketika baterai semakin terisi tegangannya naik sehingga arus pengisian menurun. Dari hasil pengujian ini dapat disimpulkan bahwa penyimpanan energi ke dalam baterai sudah dapat dilakukan oleh alat yang dibuat. 36

9 4.5.Pengujian Keseluruhan Alat Pengujian keseluruhan dilakukan dengan menggabungkan keseluruhan modul. Pengujian keseluruhan alat yang pertama dilakukan adalah dengan menggunakan setrika Philips dengan daya 35W dan dengan dial pengatur panas setrika diposisikan pada kondisi minimum. Berikut hasil yang diperoleh seperti ditunjukkan Gambar 4.12, 4.13 dan ,5 3 2,5 2,81 3,5 3,12 3,15 3,18 3,19 3,21 3,21 V bat (V) 2 1,5 1,5, Gambar Grafik tegangan baterai (Vbat) sebagai fungsi waktu selama pengisian, dengan panas setrika diatur minimal.,16,14,12,1,14,12,1 Ibat (A),8,6,7,5,4,3,2,1, Gambar Grafik arus baterai (Ibat) sebagai fungsi waktu selama pengisian, dengan panas setrika diatur minimal. 37

10 25 21,23 ΔT( C) ,3 1, Gambar Grafik gradien temperatur (ΔT) sebagai fungsi waktu selama pengisian, dengan panas setrika diatur minimal. Nilai ΔT atau gradien temperatur antara kedua sisi mengalami kenaikan kemudian menurun. Panas setrika memanaskan permukaan alumunium, kemudian suhu setrika mengalami penurunan karena panas setrika yang diatur minimal. Besarnya VOUT buckboost converter adalah 4,73V. Rata- rata nilai tegangan baterai (Vbat) 3,11V sedangkan rata- rata Ibat,7A. Dari percobaan yang telah dilakukan dapat diperkirakan nilai energi yang terisi ke baterai menggunakan Persamaan 3.28 sebagai berikut: E = 3,11V,7A 4 jam (4.5) 6 E =,14Wh (4.6) Kapasitas baterai adalah 3,7V 38mAh atau sebesar E = 3,7V 38mAh 1jam = 1,41Wh (4.7) Perhitungan energi yang tersimpan kedalam baterai adalah sebesar E =,14 Wh 1,41 Wh 1% (4.8) E =,99% (4.9) Energi yang tersimpan kedalam baterai sebesar,99% dalam waktu 4 menit. 38

11 Untuk membuktikan perhitungan di atas, dilakukan pengosongan baterai dengan memberikan beban berupa resistor 18,2Ω. Berikut hasil yang diperoleh seperti ditunjukkan Gambar 4.15 dan ,5 3,21 V bat (V) 3 2,5 2 1,5 2,81 2,45 1,9 1,24 1,5,8,5, Gambar Grafik tegangan baterai (Vbat) sebagai fungsi waktu selama pengosongan baterai , ,89 E (J) ,95 2,53 1,5,41, Gambar Grafik energi yang dikeluarkan sebagai fungsi waktu selama pengosongan baterai. 39

12 Dari pengujian yang dilakukan diperoleh hasil energi total yang dikeluarkan baterai adalah sebesar 33,6J. Sedangkan kapasitas baterai adalah sebesar 1,41Wh atau 576 J. Sehingga dapat kita hitung besar energi yang tersimpan dalam baterai adalah : E = 33,6 J 576 J 1% (4.1) E =,65 % (4.11) Energi pengisian baterai tidak seluruhnya bisa diambil atau dikeluarkan kembali karena ada yang berubah menjadi panas saat pengisian dan pengosongan berlangsung. Pengujian berikutnya yang dilakukan adalah menempelkan setrika merk philips dengan daya 35 watt dengan dial diposisikan maksimum selama sepuluh menit atau 6s. Hasil yang diperoleh digambarkan dalam grafik berikut. 4 3,5 3 2,5 3,4 3,33 3,45 3,52 3,58 3,62 3,64 3,68 3,69 3,71 V bat (V) 2 1,5 1,5 1, Gambar Grafik tegangan baterai (Vbat) sebagai fungsi waktu selama pengisian, dengan panas setrika diatur maksimal. 4

13 ,3,25,26,26,26,24,23,21,2,19,18,17,16 I bat (A),15,1, Gambar Grafik arus baterai (Ibat) sebagai fungsi waktu selama pengisian, dengan panas setrika diatur maksimal. ΔT ( C) ,8 14,3 15,2 16,4 16,3 14,8 14,4 15,7 12,4 1 5, Gambar Grafik gradien temperatur (ΔT) sebagai fungsi waktu selama pengisian, dengan panas setrika diatur maksimal. 41

14 Nilai ΔT atau gradien temperatur antara kedua sisi mengalami fluktuasi dikarenakan automatic on-off system pada setrika. Besarnya VOUT buck-boost adalah 4,73V. Rata- rata nilai Vbat 3,31V sedangkan rata- rata Ibat,22A. Dari percobaan yang telah dilakukan dapat diperkirakan nilai energi yang terisi ke baterai sebagai berikut: E = 3,31V,22A (1/6)jam (4.12) E =,12Wh (4.13) Kapasitas baterai adalah 3,7V 38mAh atau sebesar E = 3,7V 38mAh 1jam = 1,41Wh (4.14) Perhitungan energi yang tersimpan kedalam baterai adalah sebesar E =,12 Wh 1,41 Wh 1% (4.15) E = 8,51% (4.16) Energi yang tersimpan kedalam baterai sebesar 8,51% dalam waktu sepuluh menit. Kemudian dilakukan pengosongan baterai dengan menggunakan beban berupa resistor sebesar 18,2 Ω. 4 3,7 3,66 3,57 3,53 3,49 3,44 3,37 3,29 3,5 3 3,17 2,86 V bat (V) 2,5 2 1,5 1,5 1,93 1,24, Gambar 4.2. Grafik tegangan baterai (Vbat) sebagai fungsi waktu selama pengosongan. 42

15 E (J) ,16 41,8 39,1 35,68 26,96 12,28 2, Gambar Grafik energi yang dikeluarkan sebagai fungsi waktu selama pengosongan. Dari pengujian yang dilakukan diperoleh hasil energi total yang dikeluarkan baterai adalah sebesar 359,25J. Sedangkan kapasitas baterai adalah sebesar 1,41Wh atau 576J. Sehingga dapat kita hitung besar energi yang tersimpan dalam baterai adalah : E = 359, % (4.17) E = 7,8% (4.18) Dimana hasil yang diperoleh hampir mendekati dengan selisih perhitungan sebesar 1,43% dengan hasil perhitungan pengisian yang dilakukan sebelumnya yaitu 8,51%. Seperti dalam pengujian sebelumnya, energi pengisian baterai tidak seluruhnya bisa diambil atau dikeluarkan kembali karena ada yang berubah menjadi panas saat pengisian dan pengosongan berlangsung. Pengujian juga dilakukan untuk mengambil energi panas dari setrika yang telah selesai digunakan yaitu dengan memanaskan setrika, kemudian setrika dicabut dari catu daya PLN yang digunakan dan menempatkan setrika tersebut pada alas setrika yang telah dibuat. Setrika kemudian ditempelkan pada alat yang dibuat. Berikut hasil pengujian yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar 4.22, 4.23 dan

16 3,4 3,3 3,2 3,16 3,22 3,25 3,27 3,28 3,28 3,28 3,1 3,6 V bat (V) 3 2,9 2,83 2,8 2,7 2, Gambar Grafik tegangan baterai (Vbat) sebagai fungsi waktu selama pengisian, dengan sisa panas setrika yang masih panas (catu daya setrika diputus).,18,16,16,15,14,12,12,11 I bat (A),1,8,6,4,2,8,6,4,2, Gambar Grafik arus baterai (Ibat) sebagai fungsi waktu selama pengisian, dengan sisa panas setrika yang masih panas (catu daya setrika diputus). 44

17 ΔT ( C) ,2 19,3 18,2 17, , Gambar Grafik gradien temperatur (ΔT) sebagai fungsi waktu selama pengisian, dengan sisa panas setrika yang masih panas (catu daya setrika diputus). ΔT mengalami penurunan dikarenakan setrika yang dicabut dari sumber listriknya. Baterai mengalami pengisian selama 27s. VOUT buck-boost converter 4,73V. Rata- rata nilai tegangan baterai 3,18V sedangkan rata- rata arus keluaran IOUT buck-boost,8a. Dari percobaan yang telah dilakukan dapat diperkirakan perhitungan sebagai berikut: Kapasitas baterai adalah 3,7V 38mAh atau sebesar: E = 3,18V,8A 4,5 jam (4.19) 6 E =,2Wh (4.2) E = 3,7V 38mAh 1jam = 1,41Wh (4.21) Perhitungan energi yang tersimpan kedalam baterai adalah sebesar E =,2 Wh 1,41 Wh 1% (4.22) E = 1,41% (4.23) 45

18 Energi yang tersimpan kedalam baterai sebesar 1,41% dalam waktu 4,5 menit. Hasil pengujian ini merupakan hasil pengujian kuantitatif energi yang tersimpan. Selanjutnya dilakukan pengujian aplikatif yaitu energi yang telah disimpan ini dapat digunakan untuk tujuan bermanfaat, dalam hal ini untuk menyalakan lampu senter LED tunggal seperti ditunjukkan Gambar Pengujian dilakukan pada malam hari dengan mematikan lampu listrik PLN sehingga LED menjadi satu-satunya sumber cahaya. Dari hasil pengujian didapatkan bahwa LED menyala cukup terang untuk penerangan darurat (ketika sumber listrik PLN padam pada malam hari). (a) (b) Gambar (a), (b). Baterai yang telah diisi dapat diambil dan digunakan untuk menyalakan lampu senter LED tunggal. 46

19 Dengan arus terukur sebesar 18mA, dapat kita hitung besarnya energi (E) yang mampu dikeluarkan oleh baterai dan waktu (t) untuk menyalakan lampu tersebut sebagai berikut: E =,2Wh 3,7V (4.24) E = 5,4mAh (4.25) t = 5,4mAh 18mA (4.26) t =,3jam (4.27) Akan tetapi pada realisasi, lampu senter LED tunggal tersebut dapat menyala terang hingga satu jam lebih. Pengujian selanjutnya adalah dengan melakukan proses setrika pakaian secara wajar selama satu jam menggunakan setrika merk philips dengan daya 35W. Selama jeda menyetrika, setrika diletakkan pada alas setrika yang dibuat. VOUT buck-boost diatur sebesar 4,73V. Baterai mula- mula dikosongkan terlebih dahulu sebelum dilakukan proses menyetrika dengan Vbat sebesar,73v. Setelah proses menyetrika selesai, baterai kemudian dikosongkan kembali untuk mengetahui besarnya energi yang diperoleh selama proses menyetrika selama satu jam. Kemudian dilakukan pengosongan terhadap baterai yang telah terisi selama proses setrika berlangsung. Berikut hasil yang diperoleh. 4 3,66 3,65 3,65 3,63 3,5 3,4 Vbat (V) 3 2,5 2 1,5 1 2,36 1,58,81, Gambar Grafik tegangan baterai (Vbat) sebagai fungsi waktu selama pengosongan dari proses menyetrika wajar satu jam. 47

20 E (J) ,23 43,94 43,8 43,49 3,43 18,31 8,22 3, Gambar Grafik energi yang dikeluarkan sebagai fungsi waktu selama pengosongan dari proses menyetrika wajar satu jam. Dari pengujian yang dilakukan diperoleh hasil energi total yang dikeluarkan baterai adalah sebesar 44,45J. Sedangkan kapasitas baterai adalah sebesar 1,41Wh atau 576J. Sehingga dapat kita hitung besar energi yang tersimpan dalam baterai adalah: E = 44,45J 576J 1% (4.28) E = 7,96% (4.29) Dengan demikian energi yang diperoleh selama proses menyetrika selama satu jam adalah 7,96% Perbandingan Dengan Spesifikasi Pengujian selanjutnya adalah membandingkan alat yang telah dibuat dengan spesifikasi alat, yaitu : 1. Alat yang dibuat berbentuk alas setrika yang di dalamnya berisi cairan pendingin. Realisasi: Alat yang dibuat merupakan alas setrika yang diberi cairan pendingin berupa oli di dalamnya. 2. Menggunakan empat buah elemen thermoelectric generator (TEG) yang dipasang pada bagian atas dari alas setrika untuk mengambil energi panas setrika. Realisasi: Thermoelectric generator yang digunakan berjumlah empat dan disusun secara seri seperti pada Gambar

21 3. Menggunakan baterai kering 3,7V 38mAh sebagai media penyimpan energi listrik yang dihasilkan oleh TEG. Realisasi: Media penyimpanan menggunakan baterai kering 3,7V 38mAh dengan seperti ditunjukkan Gambar Alas setrika dilengkapi dengan LED indikator pengisian baterai. Realisasi: Terdapat LED indikator yang akan aktif ketika proses pengisian baterai sedang berlangsung seperti ditunjukkan Gambar Alat bersifat portabel dengan dimensi sekitar 25cm(P) 15cm(L) 1cm(T). Realisasi: Dimensi alat sudah sesuai dengan spesifikasi yaitu panjang=25cm, lebar=15cm dan tinggi=1cm seperti ditunjukkan pada Gambar 3.4, sehingga relatif mudah dipindah-pindahkan (portable). Berikut gambaran keseluruhan alat yang telah dibuat ditunjukkan oleh Gambar 4.28, 4.29, 4.3 dan Gambar Gambar alat keseluruhan yang dibuat tampak depan 49

22 Gambar Gambar alat keseluruhan yang dibuat tampak samping. Gambar 4.3. Gambar alat keseluruhan yang dibuat tampak atas. 5

23 Gambar Gambar alat keseluruhan saat sedang digunakan dengan penempatan setrika di atasnya. 51