Studi Eksperimental Pengaruh Frekuensi dan Amplitudo Getaran Pada Material Multilayer Piezoelectric Terhadap Energi yang DIbangkitkan.

Transkripsi

1 Sidang Tugas Akhir Bidang Studi : Desain Studi Eksperimental Pengaruh Frekuensi dan Amplitudo Getaran Pada Material Multilayer Piezoelectric Terhadap Energi yang DIbangkitkan. Disusun oleh : Bagus Dwinanda Anugrah NRP Dosen Pembimbing : Dr.Eng. Harus Laksana Guntur, ST, M.Eng. JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011

2 Latar Belakang Mesin Industri Gaya Eksitasi Transportasi Getaran Struktur Bangunan Perpindahan Kecepatan Percepatan Gelombang Laut Peralatan Elektronik E N E R G I 2

3 Latar Belakang Microelectro Mechanical System (MEMS) Ukuran sangat kecil Flexible Belum banyak digunakan dalam Energy Harvesting Vibration Energy Recovery System (VERS) Electromagnetic Sifat Magnet Ukuran tertentu Mekanisme Ukuran Besar Biaya Mahal Diperlukan penelitian 3

4 Perumusan Masalah Bagaimana permodelan dan perancangan mekanisme pemanen energi getaran dengan menggunakan piezoelectric material. Bagaimana agar Energi bangkitan yang dihasilkan didapat paling optimal. 4

5 Batasan Masalah Energi listrik yang dicari adalah voltase dan arus listrik yang dibangkitkan Gaya tekan yang terjadi dianggap gaya terdistribusi pada piezoelectric. Parameter yang divariasikan adalah Susunan Piezomaterial, amplitudo getaran dan frekuensi getaran. Tidak ada lonjakan antara disk eksentrik dengantuas Pendorong. 5

6 Tujuan Tugas Akhir Mengetahui pengaruh perubahan frekuensi dan besar gaya tekan terhadap Energi bangkitan yang dihasilkan oleh piezoelectric material. Mengetahui pengaruh susunan Piezomaterial terhadap Energi yang dihasilkan oleh piezoelectric material. Mengetahui parameter apa yang terbaik agar didapat voltase bangkitan yang paling optimal. 6

7 Manfaat Tugas Akhir Mengetahui karakteristik susunan piezomaterial, amplitudo getaran, dan frekuensi getaran yang efektif agar didapat voltase bangkitan yang paling efektif pada Mekanisme Pemanen Energi Getararan dengan piezoelectric material. Memberikan suatu alternatif metode harvesting dengan memanfaatkan Microelectro Mechanical System berupa piezoelectric material. Hasil tugas akhir ini akan menjadi dasar penelitian lebih lanjut dalam penggunaan piezoelectric material sebagai energy harvester dan sensor getaran. 7

8 Kajian Terdahulu PAPER Kim Dong Guk, dkk Energy Harvesting Strategy Using Piezoelectric Element Driven by Vibration Method Korea Institute of Machinery & Material (2009) 8 Piezoelectric Generator yang menggunakan prinsip defleksi pada Cantilever Beam.

9 Kajian Terdahulu Hasil yang didapat Kim Dong Guk(2009) Memberikan saran apabila getaran berasal dari motor, sebaiknya putaran berada dibawah 1200 rpm. 9 KarakteristikVoltage dengan variasi : a) Cantilever length, 150mm; (b) Cantilever length, 170mm; (c) Cantilever length, 190mm; (d) Cantilever length, 210mm.

10 Kajian Terdahulu DISERTASI Sung Hwan Kim Low Power Energy Harvesting with Piezoelectric Generators University of Pittsburgh (2002) 10 Menggunakan prinsip tekanan fluida pada permukaan piezoelectric dengan variasi luasan diafragma piezoelectric material.

11 Kajian Terdahulu Percobaan Sung Hwan Kim (2002) 11 Gambar pemasangan spesimen yang digunakan Sung Hwan Kim (Kiri) dan peralatan yang digunakan dalam percobaan.

12 Kajian Terdahulu Hasil yang didapat Sung Hwan Kim (2002) 9.65 Kpa m N 12 Menyatakan bahwa BESAR TEKANAN tidak selalu meningkatkan voltase yang dibangkitkan. Tetapi juga FREKUENSI kerjanya yang masih diperlukan penelitian lebih lanjut.

13 Dasar Teori 2 Hal Teori Mendasar Yang sangat dibutuhkan Dalam Penyusunan Tugas Akhir ini adalah : 1. Mekanika Getaran 2. Piezoelectric Effect SYNERGY 13

14 Dasar Teori Getaran (Vibration) Gerakan Bolak balik melalui titik kesetimbangannya K C K m m m x kx 0 m x kx cx. f (t ) mx kx 0 f(t) 14

15 Dasar Teori Gaya Pegas F = kx du = - F dx = -kx dx U 1-2 = - x1 x2 kx dx = ½kx 12 ½kx

16 = Dasar Teori Gerak Harmonik x = A sin ωt x Acos t = Asin( t ) x Asin t = Asin( t ) 16 Simpangan, kecepatan, dan percepatan harmonik

17 Dasar Teori Gerak Harmonik Permodelan Tugas Akhir 17

18 Dasar Teori Piezoelectric Piezoelectric adalah material yang dapat menghasilkan energi listrik apabila diberi tegangan mekanik & dapat menghasilkan deformasi mekanik bila diaplikasikan tegangan listrik (reverse effect). 18

19 Dasar Teori Piezoelectric Effect 19

20 Dasar Teori Piezoelectric Jenis Jenis Piezoelectric Bentuk bentuk Piezoelectric 1. Kristal seperti Quartz (SiO2), Galium Orthoposphate (GaPO4) 2. Keramik seperti Barium Titanate (BaTiO3), Lead ZirconateTitanate (PZT) 3. Polimer seperti Polyvinilidene Diflouride (PVDF) 20 Strip, disc, bar, cylindrical, cubic, dan column

21 Voltase Bangkitan Piezoe electric 21

22 Dasar Teori Piezoelectric Mode Coupling PadaTugas Akhir ini digunakan Mode 33, karena piezoelectric dikenai gaya tekan. 22

23 Dasar Teori Piezoelectric Property Piezoelectric 23 Piezoelectric Material yang akan digunakan dalam tugas akhir ini adalah jenis PVDF.

24 Metodologi Secara umum, pengerjaan tugas akhir ini digambarkan dalam diagram alir berikut: Flowchart Tugas Akhir secara Global. 24

25 Metodologi Permodelan Mekanisme l Getaran t w Gerak Harmonik Fspring Defleksi Pegas 25

26 Metodologi Spesimen Piezoelectric Material Pangkon Piezo Isolator 26

27 Metodologi Perencanaan Pengujian Gerak Harmonik Pegas Frekuensi 800, 900, 1000 rpm Putaran Motor Amplitudo 10, 12, 14 mm Disk Eksentrik 27

28 Metodologi Perencanaan Pengujian Proses PengambilanVoltase Bangkitan Oscilloscope Piezomaterial Proses Pengambilan data voltase bangkitan akan dilakukan dengan alat bantu Digital Oscilloscope 28

29 Metodologi Perancangan dan Pembuatan Mekanisme 29

30 Metodologi Mekanisme Jadi 30

31 Metodologi Pengambilan Data 31

32 Metodologi Experiment Apparattus 32

33 Metodologi Flowchart Pengambilan Data 33

34 Metodologi Video Pengambilan Data 34

35 Perhitungan Konstanta Pegas x 0 = 6.5 cm = m x 1 = 6.9 cm = m M = 100gr = 0.1 kg g = 9.8 m/s 2 sehingga dari persamaan yang telah ada konstanta pegas menjadi : x M 35

36 Perhitungan Preload k = 245 N/m x o = 3 mm = m Sehingga dari persamaan yang telah ada preload pegas menjadi : x o 36

37 Perhitungan Gaya Tekan Total k = 245 N/m F o = N x1 = 10 mm = 0.01 m x2 = 12 mm = m x3 = 14 mm = m Dengan persamaan sebagai berikut : Konstanta pegas 245 N/m x Preload N Maximum Force (10mm) N Maximum force (12mm) N 37 Maximum force (14mm) N

38 PerhitunganVoltase BangkitanTeoritis g 31 = (V/m)/(N/m 2 ) T = m l p = 0.01 m w = 0.01 m k = 245 N/m F t o = N A1 = 10 mm = 0.01 m A2 = 12 mm = m A3 = 14 mm = m w ω1 = 800 rpm = rad/s ω2 = 900 rpm = rad/s ω3 = 1000 rpm = rad/s Apabila gaya tekan berubah menurut fungsi waktu maka persamaan gaya tekan yang dipergunakan menjadi : 38

39 39 Voltase BangkitanTeoritis

40 Voltase BangkitanTeoritis Perhitungan RMS 2 y rms Ndata Time ( s ) V (mv) V^ Σ V² Σ V²/ Ndata RMS ( mv )

41 Voltase BangkitanTeoritis Amplitudo putaran motor ( rpm ) 10 mm 12 mm 14 mm max ( mv ) rms ( mv ) max ( mv ) rms ( mv ) max ( mv ) rms ( mv )

42 42 Rpm Motor Amplitudo Variasi Piezo Voltase Bangkitan (mv) (rms) (maksimal) mm rpm 12 mm mm mm rpm 12 mm mm mm rpm 12 mm mm

43 43 Voltase Bangkitan Pengujian

44 Rpm Motor Amplitudo Variasi Piezo Arus (μa) rpm 900 rpm 1000 rpm 10 mm 12 mm 14 mm 10 mm 12 mm 14 mm 10 mm 12 mm 14 mm

45 45 Arus Bangkitan Pengujian

46 Rpm Motor Amplitudo Variasi Piezo Voltase Bangkitan (mv) Arus (μa) Output Daya (μw) Output Daya a Mekanisme 800 rpm 900 rpm 10 mm 12 mm 14 mm 10 mm 12 mm 14 mm 10 mm rpm 12 mm mm

47 47 Grafik Perbandingan Pengujian & Teoritis

48 48 Grafik Perbandingan SeluruhVariasi Mekanisme

49 Kesimpulan Energi terbesar yang dapat dibangkitkan oleh mekanisme adalah sebesar mV, 94.3μA, dan daya output 15.24μW yang dibangkitkan dengan variasi amplitudo 14mm, frekuensi 1000rpm pada piezomaterial 3 susunan. Dengan semakin besar Amplitudo getaran, maka voltase yang dibangkitkan mekanisme akan semakin besar pula. Karena semakin besar amplitudo, akan semakin besar gaya yang menekan piezo dimana gaya tekan berbanding lurus dengan voltase bangkitan. Semakin besar frekuensi pada mekanisme, maka voltase yang dibangkitkan mekanisme akan semakin besar pula. Karena semakin besar frekuensi, akan semakin besar RMS dari voltase bangkitan. Semakin banyak lapisan piezomaterial, maka voltase dan arus bangkitan mekanisme akan semakin besar pula. Hal ini dikarenakan tiap piezomaterial akan menghasilkan voltase dan arus sendiri, dan apabila disatukan maka energi yang dibangkitkan akan terakumulasi sehingga menjadi lebih besar. 49

50 Kesimpulan ( Lanjutan ) Untuk mendapatkan arus bangkitan yang paling signifikan, sebaiknya dilakukan dengan meningkatkan frekuensi mekanisme. Hal ini disebabkan karena semakin besar putaran motor, maka frekuensi gaya tekan yang dialami piezoelectric material juga akan semakin sering, sehingga arus yang dihasilkan akan semakin intens pula. Terdapat perbedaan antara voltase bangkitan pada perhitungan dengan aktual pada pengujian. Hal ini dikarenakan adanya kemungkinan gesekan pushing rod dengan tabung sehingga gaya tekan tidak optimal. Selain itu juga dikarenakan adanya kemungkinan rugi rugi pada komponen elektronik, sehingga voltase yang dibangkitkan tidak maksimal 50

51 Saran Pada penelitian selanjutnya sebaiknya ditambah komponen elektronik penyearah arus, sehingga output listrik bisa dimanfaatkan langsung. Sebaiknya material mekanisme dibuat lebih rigid, sehingga ketika mekanisme dijalankan tidak terlalu membebani komponen yang ada pada mekanisme. 51

52 Daftar Pustaka D. Dimargonas, Andrew, Vibration for Engineers, Prentice Hall PTR, New jersey, Kinbrell, Jack T., Kinematics Analysis and Synthesis, McGraw-Hill Inc, New York, S. Rao, Singiresu, Mechanical Vibration, Prentice Hall PTR, Singapore, Yang, Jiashi, An Introduction To The Theory of Piezoelectricity, Springer Science+Business Media Inc., Boston Ferdinand, Vector Mechanics Kinematics & Dynamics Sixth Edition. McGraw-Hill, New York,2003. Kim, SungHwan, Low Power Energy Harvesting with Piezoelectric Generators, University of Pittsburgh, Pittsburgh, Kim, Dong-Gun dkk. Energy Harvesting Strategy Using Piezoelectric Element Driven by Vibration Method, Korea Institute of Machinery & Material, Daejeon,

53 MohonSaran dan Kritik yang membangun 53

54 54

55 55

56 BerdasarTabel Mechanical Properties dapat diketahui batas minimum tegangan dimana material PVDF akan mengalami mulur (Yield Strength) adalah x 10 6 N/m 2. Dengan gaya tekan maksimum yang dialami material PVDF adalah 2,744 N ( pada konstanta pegas terbesar 196 N/m 2 ), maka apabila PVDF memiliki dimensi sebagai berikut : Tebal ( T ) = m Panjang ( P ) = 0.01 m Lebar ( W) = 0.01 m Maka Stress maksimum yang dialami piezo pada luasan m 2 adalah N/m 2,dimana nilai ini lebih kecil dari Yield Strength PVDF.. Dengan demikian PVDF masih dalam batas wajar dan tidak akan mengalami mulur (Yield), sehingga permodelan dapat diterima. 56

57 Kepresisian Pegas Pada permodelan, diameter dalam silinder yang digunakan adalah sebesar 14mm. Untuk meningkatkan kepresisian peletakan pegas agar tetap di tengah (centre), digunakan pegas dengan diameter 13mm. Ujung kawat pegas yang digunakan juga berimpit dan tidak membentuk tirus. Sehingga pada praktiknya susunan pegas dan silinder akan terlihat sebagai berikut : Berimpit (tidak membentuk tirus) Seperti terlihat pada gambar, dengan diameter yang mendekati pegas dan ujung pegas yang berimpit akan menjaga pegas tetap berada ditengah dan gaya tekan yang dialami piezo selalu berada pada tempat yang sama. 57

58 Defleksi Maksimum Pegas Pegas yang digunakan memiliki panjang 6.5 cm. Setelah dilakukan pengukuran, diketahui panjang minimal pegas setelah mengalami defleksi maksimum adalah 2 cm. Berarti defleksi maksimum yang bisa dialami pegas adalah sebesar 4.5. Dengan demikian adanya variasi pegas sebesar 10 mm, 12 mm, dan 14 mm dapat diterima karena tidak melebihi defleksi maksimum pegas yang digunakan. 58

59 59 Seperti pada gambar, apabila sebuah massa digantung pada sebuah pegas dan bergerak dengan gerak harmonik pada amplitudo yang sama, maka yang akan berbeda adalah panjang gelombangnya. Frekuensi yang tinggi dalam membentuk 1gelombang (1 puncak dan 1 lembah) membutuhkan waktu yang singkat atau dengan kata lain panjang gelombangnya pendek. Sedangkan Frekuensi yang lebih rendah membutuhkan waktu yang lebih lama atau dengan kata lain panjang gelombangnya panjang. Dapat dilihat pada gambar, pada frekuensi tinggi dapat membentuk 2,5 gelombang, sedangkan frekuensi rendah hanya membentuk kurang dari 2 gelombang pada waktu yang sama. Hal ini lah yang akan diteliti lebih lanjut karena masih belum ada penelitian yang meneliti fenomena beda panjang gelombang pada piezoelectric.

60 lamda (m) v (km/jam) v (m/s) t = lamda/v (s) f = 1/t (hz) 2 phi w (rps) w (rpm)