PENGUJIAN PROTOTYPE ALAT KONVERSI ENERGI MEKANIK DARI LAJU KENDARAAN SEBAGAI SUMBER ENERGI LISTRIK DENGAN VARIASI PEMBEBANAN M. Samsul Ma arif Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Email: m.samsul.2011@ft.umy.ac.id ; samsoelmaarif28@gmail.com INTISARI Kebutuhan energi yang semakin tinggi dan perkembangan teknologi yang meningkat, mengakibatkan kebutuhan akan energi listrik juga semakin besar. Hal ini dapat menyebabkan terjadinya kekurangan energi listrik apabila tidak ada upaya upaya penambahan pasokan energi. Pembangkit listrik yang ada kebanyakan menggunakan bahan bakar fosil. Hal tersebut mendorong untuk menciptakan energi alternatif berbasis speed bump. Prototipe alat konversi energi mekanik dari laju kendaraan yang telah dirancang sebelumnya bertujuan untuk menghasilkan energi listrik dengan berbasis speed bump. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki pengaruh variasi beban terhadap daya listrik yang dihasilkan oleh alat konversi energi mekanik dari laju kendaraan. Alat yang digunakan pada penelitian ini menggunakan prototipe speed bump alat yang dirancang sebelumnya. Beban yang digunakan berupa beban dari manusia yang menginjak / melintasi speed bump. Variasi beban yang digunakan sebesar 55 kgf, 60 kgf, 63 kgf, 65 kgf, 70 kgf, 75 kgf, 80 kgf, 90 kgf, 95 kgf, 100 kgf. Beban pengujian diukur menggunakan timbangan badan, sedangkan arus dan tegangan diukur menggunakan multimeter. Arus dan tegangan yang terukur digunakan untuk mencari daya listrik keluaran. Berdasarkan hasil pengujian yang dilakukan menunjukkan bahwa semakin besar beban yang digunakan maka semakin besar daya yang dihasilkan. Hasil yang diperoleh pada beban terkecil 55 kgf menghasilkan nilai tegangan sebesar 1,7 Volt dan arus 0,041 Ampere sehingga daya yang dihasilkan adalah 0,070 Watt, sedangkan pada beban terbesar 100 kgf menghasilkan tegangan 2,6 volt dan arus 0,056 Ampere dengan hasil daya 0,146 Watt. Kata kunci : energi, speed bump, pembangkit energi listrik, variasi beban.. I. PENDAHULUAN 1. Latar Belakang Energi listrik merupakan suatu kebutuhan bagi setiap orang (masyarakat) untuk melakukan aktifitas sehari hari, misalkan digunakan untuk keperluan rumah tangga, keperluan industri, dan lampu jalan. Secara umum saat ini terjadinya peningkatan kebutuhan energi dikarenakan jumlah penduduk Indonesia semakin bertambah. Semakin berkembangnya pertumbuhan ekonomi yang terus berlangsung maka kebutuhan akan adanya energi listrik tidak dapat 1
2 dihindari lagi. Kebutuhan energi lisrik oleh masyarakat kepada Perusahaan Listrik Negara (PLN) semangkin meningkat. Untuk mencegah overload maka penambahan pembangkit listrik dengan energi primer dari batu bara tidak dapat dihindari lagi. Pembangkit tersebut berkatagori pembangkit konvensional dan tidak ramah lingkungan. Yuningsih (2011) menyatakan bahwa sebagian besar kebutuhan tenaga listrik di Indonesia masih dipasok pembangkit listrik berbahan bakar fosil. Minyak bumi masih menduduki peringkat tertinggi yaitu 51,66 %, gas alam 28,5 %, energi minyak 15,34 %, dan energi terbarukan 4,43 %. Ketergantungan terhadap konsumsi energi dari sumber bahan bakar fosil dan belum termanfaatnya sumber energi terbarukan merupakan salah satu kelemahan dalam menerapkan pemerataan kebijakan energi. Oleh kerena itu penggunaann energi terbarukan perlu terus dikembangkan. Nugroho (2016) telah membuat prototipe alat konversi energi mekanik dari laju kendaraan sebagai sumber energi listrik. Prototipe konversi energi ini merupakan energi yang memanfaatkan polisi tidur (speed bump) untuk membangkitkan energi listrik dengan menggunakan sistem tuas. Kendaraan yang melaju di jalan raya akan menginjak tuas yang telah didesain lalu disambungkan dengan rangkaian pegas, freewheel dan flywheel. Rangkaian tersebut dihubungkan dengan poros yang terhubung dengan generator dan menghasilkan energi listrik. Daya listrik yang dihasilkan generator disimpan pada baterai yang kemudian digunakan sebagai energi listrik untuk lampu penerangan jalan. 2. Batasan Masalah Adapun batasan masalah pada penelitian ini sebagai berikut: 1. Pengujian yang dilakukan hanya menggunakan variasi pembebanan. 2. Uji coba dilakukan dengan mengabaikan besarnya rugi - rugi gaya yang terjadi. 3. Besarnya kecepatan pada pembebanan diasumsikan sama besar. 4. Uji coba pembebanan menggunakan beban pada manusia. 3. Tujuan Tujuan pada penelitian alat ini adalah menyelidiki pengaruh variasi pembebanan terhadap energi listrik yang dihasilkan pada prototipe alat konversi energi listrik mekanik (speed bump). II. TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 1. Tinjauan Pustaka Asyari dkk (2013) ketergantungan masyarakat akan sumber energi listrik tidak ramah lingkungan dan meningkatnya permintaan listrik oleh masyarakat terhadap perusahaan listrik negara PLN sangat tinggi. Peningkatan tersebut akan mengakibatkan terjadinya overload terhadap energi listrik Nugroho (2016) Pemanfaatan potensi energi dari massa kendaraan yang melaju di jalan raya merupakan sebuah pemikiran untuk membantu mengurangi konsumsi energi listrik PLN untuk penerangan jalan raya. Penelitian ini diawali dengan membuat sebuah prototipe skala laboratorium dan melakukan uji coba menggunakan pembebanan manusia berbobot 63 kg. Daya listrik rata-rata yang dihasilkan
3 pada uji coba alat ini adalah sebesar 0,1589 Watt dengan nilai arus dan tegangan yang keluar dari generator berturut-turut sebesar 0,068 Ampere dan 2,32 Volt. 2. Dasar Teori 2.1. Energi Energi adalah kemampuan untuk melakukan suatu tindakan atau kerja (usaha). Energi merupakan besaran yang kekal, dalam artian energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, tetapi dapat diubah bentuknya ke bentuk lain. Berdasarkan bentuknya energi dibagi tiga macam yaitu: a. Energi potensial Adalah energi yang dimiliki suatu benda karena posisi atau kedudukannya, artinya saat benda tersebut diam pada posisi tertentu. Sehingaga dapat dirumuskan sebagai berikut: Ep = m. g. h...(2.1) tertentu hingga mencapai suatu kecepatan tertentu. Semakain tinggi kecepatan suatu benda maka semakin besar pula energi kinetiknya. Sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut: Ek = 1 / 2. m. v 2...(2.2) 2.2. Hukum Newton II Hukum Newton II adalah jika resultan gaya/momen yang dikenakan pada sebuah benda tidak sama dengan nol, maka benda tersebut akan mendapatkan percepatan linier dan berbanding lurus dengan resultannya. Artinya jika masa (m) mengalami resultan gaya sebesar (F) akan mengalami percepatan (a) yang arahnya sama dengan arah gaya, dan berbanding lurus terhadap (F) dan berbanding terbalik terhadap (m) atau ΣF = m.a ΣF = m. a...(2.5) Gambar 2.2. Hukum Newton II Gambar 2.1. Analisa energi potensial benda b. Energi kinetik Adalah energi yang dimiliki suatu benda karena pergerakan atau kelajuannya, artinya suatu kemampuan untuk melakukan usaha agar dapat menggerakkan suatu benda dengan massa 2.3.Generator Generator adalah suatu alat yang menggunakan magnet untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Energi mekanik berasal dari air, uap, angin dll. Prinsip generator secara sedarhana dapat dikatakan bahwa tegangan diinduksikan pada konduktor. Apabila konduktor bergerak pada medan magnet akan memotong garis gaya. Hukum tangan kiri berlaku pada generator, sehingga hubungan antara
4 penggerak, arah medan magnet, dan arah resultan dari aliran arus terinduksi. Apabila ibu jari menunjukkan arah gerakan penghantar, telunjuk menunjukan arah fluks, jari tengah menunjukan arah aliran elektron yang terinduksi. Hukum ini juga berlaku apabila magnet sebagai pengganti penghantar yang digerakkan (Rinanda dkk, 2014). 2.4.Usaha dan Daya Dalam istilah fisika usaha yang dilakukan suatu gaya didefinisikan sebagai hasil kali skala vektor gaya dan vektor perpidahan benda, atau hasil kali komponen gaya yang searah dengan perpindahan benda dangan besar perpidahan benda. Artinya besarnya energi yang diberikan oleh suatu gaya untuk merubah suatu benda sehingga benda tersebut dikatakan bergerak. Dalam ilmu fisika usaha dilambangkan W (work) yang artinya dari kerja. Besarnya usaha dapat di rumuskan sebagai berikut (Satriawan, 2012) W= F. s...(2.7) Gambar 2.3. Usaha atau kerja 2.5. Speed Bump Speed bump adalah sebuah mekanisme alat yang diletakkan pada jalan raya yang berfungsi untuk mengurangi kecepatan dari kendaraan dengan tujuan keamanan. Perancangan ini dikembangkan sebuah speed bump yang memiliki fungsi ganda yaitu untuk mengurangi kecepatan kendaraan dan sebagai pembangkit daya. Gerak laju kendaraan yang terjadi diubah menjadi gerak naik turun. Gerakan pada speed bump kemudian diubah menjadi gerak rotasi pada sistem pembangkitan daya yang kemudian menghasilkan energi listrik (Maulana, 2014). III. METODE PENELITIAN 3.1 Prosedur Penelitian Adapun tahapan pengambilan data dalam penelitian ini untuk mengetahui tegangan, arus dan untuk mengetahui efisiensi daya listrik yang dihasilkan oleh generator. Veriasi beban yang digunakan untuk mengatahui basar atau kecilnya tegangan, arus dan efisiensi daya listrik sehingga peneliti dapat membandingkannya. 3.2.1. Tahapan Persiapan Tahapan persiapan pada penelitian ini meliputi: 1. Menyiapkan alat konversi energi yang akan digunakan. 2. Mengumpulkan dan mempersiapkan peralatan yang dibutuhkan dalam melakukan pengujian. 3. Pengecekan alat apakah alat dalam keadaan baik atau rusak. 4. Mempersiapkan beban (orang) yang akan dibutuhkan. 3.2.2. Tahapan Pengambilan Data pada pengambilan data dapat dilakukan secara berulang, karena pengujian dan pengambilan data menggunakan 10 variasi beban yang berbeda. Berikut langkah langkah yang akan dilakukan sebagai berikut: 1. Mempersiapkan variasi beban yang akan digunakan untuk pengujian penelitian prototipe. 2. Memasang tuas speed bump, memasang pegas, memasang
5 generator dan alat alat pendukung lain pada prototipe. 3. Pada tahapan ini pastikan fungsi alat alat prototipe berjalan dengan baik agar pada saat pengambilan data tidak terjadi kendala dengan alat. 4. Melakukan pembebanan pada speed bump dengan veriasi pembebanan yang telah ditentukan sebelumnya dengan pecobaan berulang ulang pada satu beban dan pastikan kondisi pegas dalam kondisi baik. Gambar 3.9. Pengujian alat dengan mengunakan beban. 5. Pada tahapan ini ketika speed bump diberi beban cek generator menggunakan multi meter lalu kemudian lihat berapa tegangan dan arus output yang dihasilkan oleh generator. juga beban yang diberikan pada speed bump. 7. Mengulangi langkah yang sama dengan menggunakan beban yang berbeda. 8. Melakukan analisa dan pembahasan. 3.2.3. Rencana Analisa Data 1. Pada penelitian analisa data menggunakan variasi beban 55, 60, 63, 65, 70, 75, 80, 90, 95, dan 100 N. Pembebanan dilakukan lima kali percobaan dalam satu kali pembebanan. 2. Menggunakan asumsi kecepatan sebesar 2 km/jam, ini mengacu pada kecepatan orang yang berjalan. 3. Mengunakan pegas dengan ukuran diameter pedas 23,5 mm, diameter kawat pegas 2,5 mm, dan panjang kawat 40, 4 mm. 4. Data yang diambil dalam penelitian ini berupa tegangan (Volt) dan arus (Ampere) dengan menggunakan multimeter. Gambar 3.10. Pengecekan tegangan dan arus output generator. 6. Mecatat besaran nilai tegangan yang terbaca pada multi meter dan catat
6 3.2.4. Diagram Alir Variasi Pembebanan Mulai Indentifikasi Masalah Persiapan Alat dan Bahan Alat Berfungsi atau Tidak Ya Menentukan beban awal yang digunakan yaitu 55,60,63,65,70,75,80,90,95,100 kg Penetapan Beban Pada Alat Uji Pengambilan data berupa tegangan dan arus Apakah semua beban diuji Ya Olah data dan Analisis Tidak Belum IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Pengujian Pengujian dilakukan untuk mendapatkan nilai tegangan dan arus listrik. Pengujian sebanyak 10 variasi dengan beban yang melaju pada speed bump, rugi rugi gesek yang terjadi diabaikan. Besarnya kecepatan diasumsikan tetap pada 2 km/jam. Tabel 4.1. Hasil pengujian alat dengan variasi besar beban No Beban Tegangan Arus (kg) (Volt) (Ampere) 1 55 1,7 0,041 2 60 2,0 0,041 3 63 2,0 0,040 4 65 2,1 0,041 5 70 2,3 0,046 6 75 2,3 0,050 7 80 2,4 0,050 8 90 2,5 0,052 9 95 2,5 0,053 10 100 2,6 0,056 4.2. Analisa Gaya pada Speed Bump Analisa ini dilakukan dengan percobaan menggunakan beban yang melintasi speed bump sebagai berikut: Beban = 55 kg Kecepatan = 2 km/jam (kecepatan rata rata manusia saat berjalan. x Selesai y Gambar 3.11. Diagram alir variasi pembebanan Gambar 4.1. Analisa gaya pada speed bump
7 Keterangan: x = jarak beban awal sampai pijakan terbebani maksimal = 25 mm y = jarak pembebanan maksimal = 30 mm Asumsi: 1. Kecepatan manusia berjalan pada umumnya nenurut beberapa sumber adalah sebesar 2 km/jam. 2. Tiap satu beban (55 kgf) di lakukan sampai 10 kali percobaan. Perhitungan : Kecepatan (v) Konversi satuan dalam SI 2 x x = 0,56 m/det Kecepatan beban kearah horizontal: v y = x v x...(4.1) besarnya v x = v = 0,56 Maka: v y = x 0,56 v y = 0,672 m/s Waktu kontak antara beban dengan speed bump (t) t =...(4.2) t = t = 0,044 det Percepatan yang terjadi (α) a y =...(4.3) a y = ( ) a y = 15, 27 m/s 2 Analisis gaya yang bekerja pada sumbu (y) pada speed bump Besarnya gaya yang diterima oleh speed bump sebagai berikut: Dimana nilai F y sebagai berikut: F y = m. a y...(4.4) F y = 55 kg x 15,27 m/s 2 F y = 839,85 Newton 4.3. Analisis Nilai Defleksi Pegas Kekakuan pegas k = F / δ rata-rata...(4.6) k = 39,24 N / 5,67 mm k = 6, 92 N/mm. Analisis gaya F p pada pegas Dari hasil pengujian pegas yang dilakukan didapat nilai (F p ) terhadap sumbu (y) sebagai berikut: F p = k. y...(4.7) F p = 6,92 N/mm x 30 mm F p = 207,6 N 4.4.Analisis gaya pada speed bump dan pegas Gambar 4.2. analisi gaya yang terjadi antara speed bump dan pegas F R = F y F p...(4.8) F R = 839,85 N 207,6 N F R = 632,25 N Dimana : F p F y
8 F y adalah gaya yang bekerja pada speed bump F p adalah gaya yang bekerja pada pegas F R adalah gaya total yang bekerja pada speed bump 4.5. Analisis Hasil Pengujian Data yang diambil dari pengujian dapat dilihat pada tabel 4.1 nilai tegangan (Volt) dan arus (Ampere) merupakan nilai terukur. Analisa hasil pengujian untuk mengetahui besarnya nilai daya yang dihasilkan. Besarnya daya yang dihasilkan adalah: Diketahui : Tegangan = 1,7 Volt Arus = 0,033 A Maka : Daya yang dihasilkan generator. P = V. I...(4.9) P = 1,7 Volt x 0,041 A P = 0,070 Watt. Nilai usaha yang dihasilkan oleh speed bump. W y = F R. s y...(4.10) W y = 632,25 N x 0,03 m W y = 18,97 Joule Daya input dari speed bump P = W y / t...(4.11) P = 18,96 /0,044 P = 431,08 Watt Daya output dari kelistrikan P = V x I...(4.12) P = 1,7 Volt x 0,041 Ampere P = 0,070 Watt Maka nilai efisiensi daya Efisiensi= x100%...(4.13) Efisiensi = x 100% Efisiensi = 0,0162% Dari hasil perhitungan yang dilakukan membuktikan bahwa gaya berbanding lurus dengan beban, yaitu semakin besar beban maka gaya yang dihasilkan juga semakain besar, hal tersebut berbanding terbalik dengan nilai efisiensinya. Dimana nilai efisiensinya sangat kecil, hal tersebut bisa terjadi kerena pada saat melakukan pengujian terjadi gesekan yang mengakibatkan kurang maksimalnya alat uji. Hal ini juga bisa mempengaruhi putaran freewheel dan flywheel yang mengakibatkan daya listrik yang dihasilkan kecil. Tabel 4.2. Perhitungan pengaruh variasi beban terhadap daya listrik dan efisiensi N0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Daya output (Watt) v. I 0,070 0,082 0,080 0,086 0,106 0,115 0,120 0,130 0,133 0,146 F R (N) F y F P Efisiensi (%) 632,25 0,0162 708,6 0,0170 754,41 0,0156 784,95 0,0161 861,3 0,0180 937,65 0,0180 1014 0,0174 1166,7 0,0163 1243,05 0,0156 1319,4 0,0162 Rata 0,107 0,0166 Pada Tabel 4.3. nilai F y merupakan gaya dari speed bump dimana sumbu (y) merupakan gaya horizontal, sehingga gayanya kebawah. Sedangkan nilai F P merupakan gaya dari pegas
9 yang mengarah keatas atau lihat pada gambar 4.2. untuk nilai F R merupakan gaya pada speed bump dan gaya pada pedas. Hal ini membuktikan bahwa semakin besar beban maka gaya yang dihasilkan juga semakin besar. Gambar 4.3. grafik pernbandingan antara efisiensi dan beban. Gambar 4.2. grafik perbandingan antara daya dan beban Gambar 4.2. menjelaskan bahwa daya yang dihasilkan menunjukkan kenaikan. Hal ini karena tegangan dan arus mengalami kenaikan, dengan semakin tinggi pembebanan yang dilakukan. Akan tetapi pada nilai pembebanan 63 kg mengalami penurunan dari sebelumnya 0,082 watt menjadi 0,080 pada pembebanan 65 kg, hal ini disebabkan tegangan dan arus yang dihasilkan juga mengalami penurunan. Pengujian yang dilakukan menunjukkan bahwa besarnya beban yang melintas sangat berpengaruh pada besarnya daya listrik yang dihasilkan oleh generator. Fenomena ini dapat dilihat dengan membandingkan besar daya yang dihasilkan dengan beban terkecil dan beban terbesar, pada beban terkecil yaitu 55 kg menghasilkan daya sebesar 0,07 Watt, sementara pada penggunaan variasi beban terbesar yaitu 100 kg dihasilkan daya listrik sebesar 0,146 Watt V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Semakin besar beban yang diberikan pada speed bump maka tegangan, arus dan daya yang diperoleh juga semakin besar dan sebaliknya. Hasil pengujian yang dilakukan mendapat nilai rata-rata daya yang dihasilkan speed bump sebesar 0,107 Watt. Daya tersebut mampu menghidupkan lampu LED 0,07 Watt. Dari hasil pembebanan yang dilakukan maka diperoleh nilai
10 daya terbesar / tertinggi pada pembebanan 100 kgf memiliki daya 0,147 Watt. Sedangkan nilai daya terkecil pada pembebanan 55 kgf memiliki daya 0,070 Watt. 5.2. Saran Beban yang digunakan sebaiknya lebih besar lagi agar nilai daya listrik yang dihasilkan juga semakin besar. penelitan yang telah dilakukan membuktikan besar kecilnya beban sangatlah berpengaruh terhadap nilai dari daya listriknya. Beban manusia yang digunakan oleh peneliti sebaiknya diganti dengan beban kendaraan, ini karena beban manusia tidak memiliki parameter ukur yang pasti ketika beban menekan speed bump. Penelitian yang dilakukan pada alat ini nilai daya yang dihasilkan fluktuatif, sebainya gunakan alat tambahan berupa (stabilizer listrik) agar nilai daya yang dihasilkan tidak lagi fluktuatif. Pada penelitian ini mengunakan generator (dinamo sepeda) dengan arus 0,5 Ampere, sebaiknya generator yang digunakan memiliki arus yang lebih besar agar daya yang dihasilkan juga semakin besar, ini membuktikan semakin besar arus generator maka daya gererator yang dihasilkan juga semakin besar dan sebaliknya semakin kecil arus generator maka daya yang dihasilkan oleh generator juga semakin kecil, hal tersebut akan mempengaruhi efisiensi dari generatornya. DAFTAR PUSTAKA Asy ari, H., Aris B., Agus M. 2013. Speed Bump Sebagai Pembangkit Listrik Ramah Lingkungan Dan Terbarukan. Jurnal Seminar Nasional Teknologi Informatika & Komunikasi Terapan 2013 (Semantik 2013). Semarang. Maulana, K. 2014 Speed bump Sebagai Penghasil Energi Listrik. Nugroho A A. 2016. Perancangan Dan Pembuatan Prototype Alat Konversi Energi Mekanik Menjadi Energi Listrik Di Jalan Raya Dengan Menggunakan Speed Bump. Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta. Yogyakarta. Rinanda, J., Prabowo G., Rifadil M M. 2014 Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid Untuk Pengoprasian Kinerja Lampu LED Pada Marcusuar Secara Otomatis. Fakultas Teknik, Politeknik Elektronika Negri Surabaya. Surabaya. Satriawan M. 2012 Fisika Dasar Pengertian Usaha Yuningsih, A., Masduki A. 2011. Potensi Energi Arus Laut Untuk Pembangkitan Tenaga Listrik Di Kaswasan Pesisir Flores Timur,NTT. Pusat Penelitian dan Pengembangan Geologi Kelautan. Bandung.