PERANCANGAN ELECTRIC ENERGY RECOVERY SYSTEM PADA SEPEDA LISTRIK ANDHIKA IFFASALAM 2105.100.080 Jurusan Teknik Mesin Fakultas TeknologiIndustri Institut TeknologiSepuluhNopember Surabaya 2012
LATAR BELAKANG PENGEREMAN PADA KENDARAAN DEBU YANG MERUSAK KESEHATAN ENERGI PANAS YANG TIDAK BERGUNA BAGI KENDARAAN
LATAR BELAKANG Kendaraan yang menggunakan energi listrik Yang akan dibahas secara lebih lanjut pada tugas akhir ini ialah: PERANCANGAN ELECTRIC ENERGY RECOVERY SYSTEM PADA SEPEDA LISTRIK
PERUMUSAN MASALAH 1.Bagaimana menganalisa prototype electric energy recovery system (EERS) yang dapat memanfaatkan pengereman sepeda listrik untuk menghasilkan energy listrik. 2.Bagaimana merancang prototype electric energy recovery system (EERS) yang diterapkan pada sepeda listrik untuk mendapatkan konstruksi dan dimensi yang cocok. 3.Bagaimana memilih spesifikasi dari komponen mekanik yang dibutuhkan EERS pada sepeda listrik yang memiliki kemampuan dan kualitas kerja yang baik. 4.mencari sudut inklinasi sehingga didapatkan pengereman pada kecepatan 40km/jam.
BATASAN MASALAH 1. Kendaraan berjalan pada kecepatan minimum 30 km/jam dan maksimum 50 km/jam 2. Kendaraan melewati jalan datar atau menurun sehingga menyebabkan pengereman 3. Beban pengendara dianggap 60 kg 4. Batasan dimensi pemasangan, dimana volume keseluruhan 27900 cm 3. Dengan lebar 30 cm, panjang 30 cm dan tinggi 30 cm 5. Diasumsikan efisiensi penyerapan energi alternator 100%
TUJUAN 1. Menganalisa penerapan teknologi EERS yang dapat memanfaatkan pengereman pada sepeda listrik untuk diubah menjadi energi listrik. 2. Merancang sistem EERS untuk diterapkan pada sepeda listrik berdasarkan peninjauan dari teori-teori yang ada. 3. Mendapatkan spesifikasi untuk mendukung peranti EERS dan mengoptimalkan energy baik pada pengisian ulang maupun penggerak utamanya
RELEVANSI 1. Perjalanan lebih mudah sebagai alat transportasi 2. Ekonomis 3. Minim perawatan 4. Konvensional tetapi mengedepankan teknologi
TINJAUAN PUSTAKA KERS
TINJAUAN PUSTAKA SEPEDA LISTRIK Sepeda listrik merupakan sebuah kendaraan yang menggunakan energi listrik sebagai tenaga penggeraknya. Motor listrik dan akumulator merupakan komponen penting dari sepeda listrik. Kecepatan maksimum yang dapat dicapai oleh sepeda listrik ialah 60 km/jam dengan sudut tanjak yang dapat dicapai 30 derajat. Pengisian ulang pada sumber listrik (charging) dengan lama waktu sekitas 5 jam.
PRINSIP KERJA ENERGI POTENSIAL ENERGI KINETIK PULLEY DAN BELT GEAR ALTERNATOR MOTOR LISTRIK ACCU ENERGI LISTRIK
FLOWCHART Studi literatur STUDI LITERATUR Pada studi literatur mempelajari tentang dasar teori yang mendukung mengenai EERS. Yaitu lebih mengenai fungsi kerja KERS, bagaimana kinerja sepeda motor listrik. sehingga nantinya dapat mempermudah kita dalam penelitian Perbaikan gambar perencanaan pada FBD Mendapatkan gaya yang bekerja Mencari besarnya gaya yang dibutuhkan PERBAIKAN GAMBAR PERENCANAAN PADA FBD Perbaikan pada gambar yang dilakukan untuk mendapatkan dimensi alat yang tepat. Yang dahulu menggunakan V-belt kini coba di kompakkan dengan menggunakan gear. A B
FLOWCHART Studi literatur MENDAPATKAN GAYA YANG BEKERJA Terlebih dahulu harus diketahui gaya-gaya yang ada pada kendaraan Perbaikan gambar perencanaan pada FBD Mendapatkan gaya yang bekerja Mencari besarnya gaya yang dibutuhkan A B Keterangan : Ff, Fr = gaya dorong pada roda depan dan belakang Rrr, Rrf = gaya hambat rolling pada roda belakang dan depan Fd = gaya hambatan angin a = percepatan kendaraan Ɵ = sudut turunan jalan Gaya hambatan total pada kendaraan adalah : F R = F d + R r + R g Dimana : R r = R rr + R rf = total hambatan rolling (N) R g = W sinɵ = hambatan tanjakan (N) (Geode resistance)
FLOWCHART MENCARI BESARNYA GAYA YANG Studi literatur Perbaikan gambar perencanaan pada FBD DIBUTUHKAN Setelah mengetahui gaya-gaya yang bekerja, maka dapat dicari data berupa sudut kemiringan, ketinggian, dan berat dari kendaraan sehingga nantinya dapat diketahui energi potensial yang bekerja pada kendaraan. Mendapatkan gaya yang bekerja Mencari besarnya gaya yang dibutuhkan A B EP = W. h = m. g. h.(1) EK = ½ m. v 2...(2) EK = EP W.h = ½ m.v 2 m.g.h= ½.m.v 2 g.h= ½.v 2 v =
FLOWCHART A Penentuan spesifikasi alat pendukung berdasarkan FBD Analisa energi yang dihasilkan B PENENTUAN SPESIFIKASI ALAT PENDUKUNG BERDASARKAN FBD Alat yang digunakan nantinya dipilih sesuai spesifikasi, sehingga energi yang ditangkap dapat dimaksimalkan. Baik dari segi pemanenan maupun penggunaan. Mendapatkan spesifikasi alat Perancangan akhir
FLOWCHART A Penentuan spesifikasi alat pendukung berdasarkan FBD Analisa energi yang dihasilkan B ANALISA ENERGI YANG DIHASILKAN Energi yang dihasilkan adalah energi listrik. Energi tersebut diharapkan memiliki efisiensi yang maksimal sesuai dengan perhitungan. Mendapatkan spesifikasi alat Perancangan akhir EK = ½ m.(v*) 2 WH = ½ m.(v*) 2 + EL m.g.h = ½ m.(v*) 2 + EL EL = m.g.h - ½ m.(v*) EL= perubahan sebagian energi kinetic menjadi listrik.
FLOWCHART A Penentuan spesifikasi alat pendukung berdasarkan FBD B MENDAPATKAN SPESIFIKASI ALAT Setelah didapat gaya-gaya dan energi. Maka, dapat ditentukan spesifikasi-spesifikasi alat yang akan digunakan untuk digunakan dalam perancangan akhir seperti: AKI Analisa energi yang dihasilkan Mendapatkan spesifikasi alat ALTERNATOR Perancangan akhir
FLOWCHART PERANCANGAN AKHIR A Penentuan spesifikasi alat pendukung berdasarkan FBD B Pada perancangan akhir, nantinya akan diperoleh desain berupa piranti EERS. Piranti tersebut diharapkan mudah dalam pemasangan, murah dalam pembuatan, dan dimensi yang sesuai. Analisa energi yang dihasilkan Mendapatkan spesifikasi alat Perancangan akhir
BATTRAI/AKUMULATOR Baterai Kontak on Handle gas Motor DC Skema penggunaanbaterai untuksepedalistrik standar Kecepatan sepeda 30 40 kph Tuas rem Alternator ON Alternator OFF Tuas rem Baterai Skema pengisian baterai pada sepeda listrik yang telah menggunakan piranti EERS
PEMUTUS DAYA Pada sebuah hubugan transmisi, terdapat beban yang dihasilkan. Dimana gir saling bergesekan satu sama lain. Guna memaksimalkan pemanenan energi, maka ditambahkanlah pemutus daya yang mekanismenya megadopsi kerja dari sepeda dan sepeda motor. Dengan menggunakan beberapa piranti berikut ini:
RANCANGAN GAMBAR Design ini merupakan type standar dari sepeda listrik standar. Sepeda ini belum menggunakan piranti dari EERS. Design ini merupakan modifikasi yang menggunakan transfer daya berupa V-Belt yang menghubungkan roda dengan alterntor. Kelemahan dari design ini adalah dimensi dari V-belt yang besar, sehingga mengurangi kenyamanan.
IDE PERBAIKAN Perbaikan yang dilakukan pada sepeda listrik adalah: penggunaan EERS Penggunaan Spur Gear pada sistem transfer daya, sehingga meminimalkan slip dan mengecilkan dimensi dari EERS penambahan kapasitas baterai menambah jarak tempuh yang dapat diraih dari sepeda listrik. selain itu, penambahan baterai juga dapat difungsikan untuk menambah akselerasi dari sepeda listrik.
PERHITUNGAN Data-data yang ada: Bobot kendaraan : 60 kg Daya angkut : 90 kg Lingkar roda : 16 inchi Kecepatan maksimal : 40-50 km/jam Untuk mendapatkan nilai kecepatan pada jalan miring maka disimulasikan menggunakan sepeda motor, dimana: Bobot motor : 98 kg Pengendara : 60 kg Dan hasilnya dapat ditabelkan sebagai berikut: no Jarak (m) Sudut Berat (kg) Pengendara (kg) Kecepatan (km/jam) 1 31 7 98 60 28 2 31 7 98 60 30 3 31 7 98 60 27 4 18.24 13 98 60 30 5 18.24 13 98 60 31 6 31 13 98 60 34 7 31 13 98 60 40
PERHITUNGAN Contoh perhitungan: h = r. sin (sudut) = 31 m. sin 13 h = 6,97 m energi potensial yang dapat dicari: EP = W. h = m. g. h = 158 kg. 9.8 kg m /s 2. 6,97m = 10792.35 Nm = 10792.35 joule Sedangkan untuk energi kinetik yang didapatsecara simulasi: EK = ½. m. v 2 = ½. 158 kg. (40km/jam) 2 = ½. 158kg. (11.11m/s) 2 = 9751.14 Nm = 9751.14 joule Untuk kecepatan secara teori: EP = EK W. h = ½.m. v 2 m. g. h = ½. m. v 2 g.h = ½. v 2 v 2 = 2.g.h v 2 = 2. 9,8kg.m/s 2.6.97m v = 11.688 m/s pembandingan kecepatan, baik teori maupun yang didapat langsung secara simulasi: v* = Kecepatan real = 11.11 m/ s V = kecepatan teori = 11.688 m/ s Mencari nilai energi yang dapat ditangkap: EL= m. g. h ½. m.(v*)2 EL = 10792.35 kg.m/s2-9751.14 kg.m/s2 EL = 1041.21 Nm EL = 0.289225 Wh (Watt-Hour)
PERHITUNGAN Jika hasil dari simulasi diatas di cari energi kinetik dan potensial, kemudian kecepatan penurunan dikurangi hingga 30%. Maka, energi dari pengurangan kecepatan tersebut dapat diserap melalui alternator. Seperti pada contoh perhitungan dibawah ini: EL 1 = m. g. h ½. m.(v*) 2 EL 1 = 158kg. 9.8m/s 2. 3,72m ½. 158kg.(5,444m/s) 2 EL 1 = 5760.048 kg.m 2 /s 2 2341.72 kg.m 2 /s 2 EL 1 = 3418.33 kg.m 2 /s 2 EL 1 = 3418.33 joule EL 1 = 0.949613 watt-hour Sedangkan untuk penggunaan kendaraan selama 1 jam dengan kecepatan konstan 20km/jam: EK 20 = ½.m.v 2 EK 20 = ½. 158kg. (5.55m/s) 2 EK 20 = 2433.298 kg. m 2 /s 2 Untuk penggunaan kendaraan selama 1 jam dengan kecepatan 30km/jam: EK 30 = ½.m.v 2 EK 30 = ½. 158kg. (8.33m/s) 2 EK 30 = 5481.7 kg. m 2 /s 2 untuk penggunaan kendaraan selama 1 jam dengan kecepatan 40km/jam: EK 40 = ½.m.v 2 EK 40 = ½. 158kg. (11,11m/s) 2 EK 40 = 5751.1 kg. m 2 /s 2
PERHITUNGAN
PERHITUNGAN contoh perhitungan untuk mencari jarak dan waktu yang dibutuhkan untuk penggunaan selama 1 jam dengan kecepatan 20km/jam tanpa hambatan pada perkotaan:
PERHITUNGAN
PERHITUNGAN RODA GIGI Dari kecepatan real yang diketahui, terlebih dahulu dicari putaran roda permenit. V = 40 km/jam. 1jam/3600s. 1.10 3 /1km V = 11.11 m /s R =16/2 inchi R = 8 inchi = 0.2032 meter ω = = 11.11m/s. = 54.68 rad/s ω = 2. π. f f = ω/2. π = = 522.16 RPM
PERHITUNGAN RODA GIGI Dimana untuk menggerakkan sebuah alternator dibutuhkan putaran minimal 3000 Rotasi Per Menit. Sehingga dibutuhkan sebuah transmisi agar dapat meningkatkan putaran dari 522.16 RPM menjadi lebih dari 3000 RPM. Maka dengan bantuan beberapa data berikut dapat dirancang transmisi untuk meningkatkan putaran menuju alternator. Data-data: Gir depan =33 mata Gir belakan =20 mata Ruangan yang tersedia = 27900 cm 3 Dari data-data diatas maka perhitungan selanjutnya dapat dihitung: Dari roda belakang ke gir depan: 1 2 N2 N2
PERHITUNGAN RODA GIGI Putaran dari gir depan ditransfer menggunakan gir dan rantai. Dimana rasio gir dan rantai dibuat sama. Hal ini dikarenakan gir dan rantai berfungsi untuk penyalur daya dan putaran dari gir depan sepeda menuju gir box:
PERHITUNGAN RODA GIGI Dari gir depan putaran kembali dinaikkan menggunakan perbandingan gigi sebagai berikut: 1 2
PERHITUNGAN RODA GIGI Setelah didapatkan putaran 1044, maka putaran dinaikkan lagi menjadi 3132 rpm: 3 4 Dari roda gigi ini nantinya putaran akan diteruskan langsung menuju alternator. Yang mana nantinya alternator tersebut dapat merubah energi gerak menjadi energi listrik dan disimpan didalam baterai.
GAMBAR RODA GIGI Dari roda belakang Menuju alternator
GAMBAR RODA GIGI
GAMBAR RODA GIGI
GAMBAR RODA GIGI
GAMBAR RODA GIGI Dimensi Gear box: Panjang : 22.6cm Lebar dengan alternator : 22.8cm Tinggi : 12.5cm Sehingga, volume total ruang yang dibutuhkan untuk meletakkan perangkat ini adalah: Panjang* lebar* tinggi= volume perangkat 22.6* 22.8* 12.5= 6441cm 3: Dimana batasan dari ruang yang disediakan: 27900cm 3. Maka masih tersisa ruang : 21459cm 3.
Pemilihan Spesifikasi komponen Ukuran; P*L*T Type Tegangan Arus : kering :12 volt : 12cm*8.5cm*12.5cm :12 ampere
Pemilihan Spesifikasi komponen Ukuran; Diameter Panjang Tegangan Arus : 12cm : 11.5cm : 12 volt : 55 ampere
kesimpulan 1. Dari hasil percobaan dan perhitungan didapat bahwa semakin besar pengereman maka semakin besar energi didapat, sebagai contoh dimana dengan pengurangan kecepatan 30% dengan kecepatan awal 28km/jam menjadi 19.6km/jam maka didapat energi kinetic sebesar 3418.33 joule-meter. Sedangkan pengereman hingga 50% dengan kecepatan awal yang sama menjadi 14km/jam dapat menangkap energi sebesar 4565.29 joule-meter
kesimpulan 2. Salah satu contoh dari tabel dapat dijelaskan bahwa, dengan mengurangi kecepatan sebanyak 30% dari kecepatan 28km/jam dengan kemiringan 7 derajat. Maka, akan dibutuhkan lintasan sepanjang 31.43Km dengan waktu pengecasan 1.6 jam untuk menempuh kecepatan 30 km/jam diperkotaan dengan kondisi jalan datar tanpa hambatan.
kesimpulan 3. Dimensi dari gearbox dan ukuran gir-rantai yang digunakan: Gir belakang : 20 mata Gir depan : 33 mata Gir penghubung : 20 mata Pada gearbox; Gir 1 : 60 mata Gir 2 : 20 mata Gir 3 : 60 mata Gir 4 : 20 mata Dimensi perangkat EERS Panjang : 22.6cm Lebar dengan alternator : 22.8cm Tinggi : 12.5cm Volume total :6441 cm 3
kesimpulan 4. Spesifikasi komponen yang digunakan pada perangkat EERS ialah: Accu/battrai; Voltase : 12 volt Arus : 12 amp P.L.T : 12cm*8.5cm*12.5cm Alternator; Ukuran; Diameter : 12cm Panjang : 11.5cm Tegangan : 12 volt Arus : 55 ampere