BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA Pada bab ini akan dibahas mengenai pengujian alat serta analisis dari hasil pengujian. Tujuan dilakukan pengujian adalah mengetahui sejauh mana kinerja hasil perancangan yang telah dibahas pada Bab III serta mengetahui tingkat keberhasilan setiap spesifikasi yang telah diajukan. Pengujian yang dilakukan meliputi pengujian perbagian maupun keseluruhan sistem. 4.1. Pengujian Turbin Vertikal Turbin yang digunakan dalam perancangan skripsi ini adalah turbin vertikal yaitu jenis turbin yang memiliki sumbu tegak ke atas. Gambar 4.1 pengujian mekanik turbin Sebelum mengetahui daya turbin vertikal yang dihasilkan perlu di bandingkan terlebih dahulu dengan daya angin yang tersedia dengan cara mencari kecepatan aliran angin, kerapatan udara, serta luas penampang obyek yang diterpa angin dengan mengacu persamaan 2.3 dan persamaan 2.4. Dimana : P = daya (watt) ρ = kerapatan udara (kg/m 3 ) v = kecepatan angin (m/s) 28
A = luas penampang (m 2 ) d = diameter sudu (m) h = tinggi sudu (m) sehingga didapat: d = 66 cm =0,66 m h = 35 cm =0,35 m A = 0,66m x 0,35m = 0,231 m2 ρ = 1,29 kg/m3 v = 5,4 m/s P = ½.ρ.A.v 3 P = ½. 1,29kg/m3. 0,231 m2. (5,4m/s)3 P = 23,461 Watt Daya angin yang tersedia adalah 23,461 Watt, berikutnya dapat dicari besar daya dari turbinnya. 4.1.1. Turbin Ventilator Turbin yang digunakan memiliki dimensi diameter 66 cm = 0,66m, tinggi 35cm=0,35m, lebar sudu 7cm= 0,07m, berat 4616 gr=4,616 kg dan memiliki blade atau bilah sebanyak 26. Kecepatan sudut yang dihasilkan turbin tersebut saat menggunakan kipas angin dengan kecepatan maksimal sebesar ± 70 rpm dengan kondisi telah digabungkan ke generator. Berikut adalah perhitungan matematis turbinnya. P = daya (watt) ρ = kerapatan udara (kg/m3) v = kecepatan angin (m/s) A = luas penampang (m2) 29
( )( ) Sehingga: A = Po = ( ) Po = 1,655 Watt - Efisiensi daya turbin 4.2. Pengujian Generator Pengujian generator secara terkontrol di dalam ruangan dengan mengasumsikan semua sumber adalah ideal bertujuan untuk mengetahui efisiensi dan performa dari mekanik yang telah direalisasikan. Namun minim disini adalah dengan diameter kipas angin 0,5 m, apakah turbin mampu memanfaatkan tenaga angin yang ada. Dengan kecepatan angin yang berubah-ubah. kecepatan angin kecepatan angin (kipas) (terekstrak) CP tegangan arus jarak m/s m/s DC V DC-mA cm 2,5 0,57469961 2,39 128 25 2,4 0,57956104 2,37 128 50 5,4 2 0,59119545 1,87 128 90 1,2 0,58093278 1,5 128 100 1 0,57227049 0 0 150 2,3 0,45464838 1,13 43,52 25 1,7 0,5625 0,74 43,52 50 3,4 0 0,5 0 0 90 0 0,5 0 0 100 0 0,5 0 0 150 1,3 0,54466869 0 0 25 0 0,5 0 0 50 2,4 0 0,5 0 0 90 0 0,5 0 0 100 0 0,5 0 0 150 Tabel 4.1 Pengujian Generator 30
Pengujian daya yang dihasilkan dengan sumber kipas angin menggunakan beban resistor 5W 1Ω : 1. Menggunakan kipas angin dengan kecepatan 2,4 m/s (terbaca anemometer) ( ) 2,059 Watt ( ) 0.145 Watt 7% 2. Menggunakan kipas angin dengan kecepatan 3,4 m/s (terbaca anemometer) ( ) 5,856 Watt ( ) 0.413 Watt 31
7% Gambar 4.2 Rangkaian pengujian V OUT generator. Gambar 4.3 Rangkaian pengujian I OUT generator Pengujian mekanik secara terkontrol bagian ke dua di dalam ruang dengan cara menembakkan angin dari kipas angin ke turbin ventilator dengan kecepatan angin konstan sebesar 5,4 m/s terbaca anemometer. Turbin dapat berputar seperti yang diharapkan dan generator setelah disearahkan menunjukkan hasil keluaran tegangan sebesar 2,4V pada 70 RPM dan arus 0,023A= 23mA dalam kondisi generator telah disearahkan dengan rangkaian bridge yang dirancang menggunakan dioda germanium dan beban resistor 1 ohm. Kemudian output generator diberikan beban berupa resistor 5 W yang nilainya divariasikan dan memperoleh hasil sebagai berikut: 32
Gambar 4.4 Rangkaian penyearah tiga fase dengan dioda germanium R Vo NO Daya (watt) (Ω) (Volt) 1 1 0,04 0,0016 2 2 0,09 0,00405 3 4,7 0,2 0,008510638 4 5,6 0,25 0,011160714 5 5,7 0,25 0,010964912 6 6,6 0,27 0,011045455 7 6,7 0,29 0,012552239 8 7,6 0,3 0,011842105 9 8,2 0,33 0,013280488 10 9,4 0,37 0,01456383 11 9,2 0,35 0,013315217 12 10 0,38 0,01444 13 10,2 0,38 0,014156863 14 11 0,4 0,014545455 15 11,2 0,42 0,01575 16 12 0,42 0,0147 17 14,7 0,46 0,014394558 18 15,6 0,5 0,016025641 19 16,4 0,53 0,017128049 20 17,4 0,55 0,017385057 21 17,6 0,55 0,0171875 22 18,2 0,56 0,017230769 23 19,2 0,58 0,017520833 24 19,4 0,6 0,018556701 25 20 0,6 0,018 Tabel 4.2 Pengujian Generator dengan Beban Resistor 33
daya (mw) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 daya generator setelah disearahkan (penyearah dengan dioda germanium) 0 5 10 15 20 25 resistor (Ω) Gambar 4.5. Grafik daya Generator dengan Beban Resistor 5 Watt (penyearah menggunakan dioda germanium) Daya yang dihasilkan pada generator adalah : Dimana : P = Daya (Watt) I = Arus listrik (A) V = Tegangan (V) = 55,2 mw Pengujian mekanik secara terkontrol bagian ke tiga masih seperti percobaan yang dilakukan sebelumnya dengan menggunakan kecepatan angin konstan sebesar 5,4 m/s terbaca anemometer. Turbin dapat berputar seperti yang diharapkan dan generator setelah disearahkan menunjukkan hasil keluaran tegangan sebesar 2,4 VDC pada 70 RPM dan arus sebesar 117 DCmA terbaca multimeter dalam kondisi generator telah disearahkan dengan rangkaian bridge yang dirancang menggunakan dioda schottky tipe 1N5821 dan beban resistor 1 ohm. Kemudian output generator diberikan beban berupa resistor 5 W yang nilainya divariasikan dan memperoleh hasil sebagai berikut: 34
Gambar 4.6 Rangkaian Penyearah Tiga Fase dengan dioda 1n5821 R Vo P Arus (Ω) (V) (mw) (ma) 1 0,139 19,321 139 2 0,192 18,432 96 4,7 0,458 44,63064 97,44681 5,6 0,621 68,86446 110,8929 6,6 0,721 78,76379 109,2424 7,6 0,812 86,75579 106,8421 8,2 0,822 82,40049 100,2439 9,4 0,922 90,43447 98,08511 10 0,943 88,9249 94,3 12 1,013 85,51408 84,41667 14,7 1,27 109,7211 86,39456 15,6 1,12 80,41026 71,79487 16,4 1,194 86,92902 72,80488 17,4 1,331 101,8139 76,49425 18,2 1,26 87,23077 69,23077 19,2 1,336 92,96333 69,58333 20 1,304 85,0208 65,2 Tabel 4.3 Pengujian Generator dengan Beban Resistor dengan Penyearah Menggunakan dioda 1n5821 35
Daya (mw) 120 100 80 60 40 20 0 daya generator dengan beban resistor 5 watt (penyearah menggunakan dioda 1n5821) 1 2 4,7 7,6 6,6 8,2 9,4 10 12 5,6 14,7 17,4 19,2 16,4 18,2 15,6 20; 85,0208 0 5 10 15 20 25 resistor (Ω) Gambar 4.7 grafik daya yang dihasilkan generator Mengacu pada hasil pengamatan gambar di atas maka daya masimal yang dihasilkan oleh genertor sebesar 110 mwatt ketika generator diberi beban sebuah resistor 5 Watt 14,7Ω. Gambar 4.8 Tegangan keluaran generator (kanan) dan arus keluaran (kiri) 4.3. Pengujian Boost Converter Pengujian yang dilakukan terhadap modul boost converter dengan IC BL-8530 yang dilakukan adalah dengan mengukur tegangan masukan (V IN ) dan tegangan keluaran (V OUT ) yang dihasilkan oleh modul ini serta besarnya arus keluaran (I OUT ) yang 36
mengalir seperti ditunjukkan Gambar. Modul boost converter ini diuji dengan memberikan tegangan masukan menggunakan generator AC yang telah di searahkan. Sesuai datasheet, IC ini akan bekerja jika terdapat tegangan masukan minimal (V IN(min) ) sebesar 0,3V. Akan tetapi pada realisasinya, saat terdapat masukan sebesar 0,97V- 2,11V modul ini sudah mampu bekerja menaikkan tegangan keluaran menjadi sebesar 5,27V. generator (V) regulator (V) 0 0 0,23 0,15 0,32 0,26 0,38 0,29 0,44 0,32 0,47 0,38 0,5 0,44 0,56 0,5 0,9 2,33 0,97 5,27 1,73 5,27 1,93 5,27 2,11 5,27 Tabel 4.4 Pengujian Boost Regulator Tanpa Beban 6 Tegangan Regulator(V) 5 4 3 2 1 Series1 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Tegangan Generator (V) Gambar 4.9 Uji performa modul boost regulator 37
Gambar 4.10. Rangkaian pengujian Iout Boost Regulator Gambar 4.10 menunjukkan rangkaian pengujian arus keluaran I OUT dari modul boost converter. Besarnya nilai R L yang digunakan adalah 5Watt 1Ω. Sedangkan Gambar 4.11 menunjukkan rangkaian pengujian tegangan keluaran (V OUT ) modul boost converter Gambar 4.11 Rangkaian pengujian V OUT Boost Regulator Gambar 4.12 tegangan keluaran regulator (kanan) dan arus keluaran (kiri) 38
Gambar 4.13 tegangan keluaran generator dan tegangan keluaran boost regulator Gambar 4.13 menunjukkan bahwa saat terdapat V IN dari generator sebesar 2.63V, V OUT dari boost converter terukur sebesar 5,39V. Dengan menguji besarnya P IN dan P OUT, dapat dihitung besarnya efisiensi dari modul boost converter ini. Dimana Pout dan Pin diperoleh dengan persamaan Hasil pengujian pada Gambar 4.9 menunjukkan bahwa saat tegangan masukan (V IN ) sebesar 0,23V, modul sudah mampu bekerja dengan memberikan tegangan keluaran (V OUT ) sebesar 0,15V dan modul boost converter bekerja. Saat tegangan masukan (V IN ) sebesar 0.97 V maka tegangan keluaran (V OUT ) sebesar 5,27. Dengan demikian jangkauan tegangan dapat digunakan untuk memberi masukan rangkaian Boost Converter agar menghasilkan tegangan keluaran stabil di sekitar 5,27V. 39
R(Ω) Vo (V) P (mw) 1 0,1 10 2 0,18 16,2 4,7 0,33 23,17021 5,6 0,37 24,44643 6,6 0,38 21,87879 7,6 0,39 20,01316 8,2 0,46 25,80488 9,4 0,47 23,5 10 0,5 25 12 0,54 24,3 14,7 0,56 21,33333 15,6 0,61 23,85256 16,4 0,56 19,12195 17,4 0,56 18,02299 18,2 0,61 20,44505 19,2 0,6 18,75 20 0,67 22,445 Tabel 4.5 Pengujian Boost Regulator dengan Beban 30 uji modul boost converter Daya (mw) 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 resistor (Ω) Gambar 4.14 Uji performa modul boost regulator untuk mengetahui daya maksimal yang dihasilkan Pada gambar 4.14 terlihat berapa besar daya maksimum sebesar 26 mwatt yang dihasilkan regulator ketika diberi beban resistor 5 watt 8,2 Ω. 40
4.4. Pengujian Penyimpanan Energi pada Baterai Tegangan keluaran yang telah diproses oleh rangkaian rangkaian Boost Converter selanjutnya digunakan untuk mengisi baterai. Pengujian dilakukan dengan mengamati tegangan dan arus baterai selama periode tertentu saat dilakukan pengisian. Terdapat LED sebagai indikator yang akan menyala ketika proses pengisian baterai. Gambar 4.15 Rangkaian pengujian pengisian batere tegang(volt) 1,58 1,57 1,56 1,55 1,54 1,53 1,52 1,51 1,5 tegangan pengisian 300; 1,57 Series1 0 100 200 300 400 t(sec) arus(ma) 1,48 1,46 1,44 1,42 1,4 1,38 1,36 1,34 Arus pengisian 300; 1,46 0 100 200 300 400 t(sec) Series1 Gambar 4.16 Grafik tegangan batere (atas) dan arus batere (bawah) ketika pengisian. 41
Gambar 4.16 menunjukkan bahwa tegangan awal baterai (V bat ) adalah 1,45 V dengan arus (I bat ) 1,30 ma. Hal ini menunjukkan proses pengisian baterai sudah dimulai sebelumnya. Kemudian pada detik ke 30s, tegangan baterai berubah menjadi 1,509V dengan arus 1.36 ma. Hal ini berarti baterai sudah mengalami pengisian. Proses pengisian kemudian berlangsung sampai 300s, tegangan baterai menjadi sebesar 1.57V dengan arus sebesar 1.46 ma. Besarnya arus yang mengalir dalam proses pengisian mengalami penurunan dikarenakan saat mula-mula baterai harus terisi dahulu untuk dipancing. 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. Gambar 4.17 Arus puncak yang terbaca ketika dibebani baterai saat kondisi kosong atau saat memulai pengisian 4.5. Pengujian Keseluruhan Alat Pengujian keseluruhan dilakukan dengan menggabungkan keseluruhan modul. Pengujian keseluruhan alat yang pertama dilakukan adalah dengan menggunakan kipas Angin dengan kecepatan maksimum yaitu 5,4m/s terbaca anemometer dan diposisikan pada jarak 25 cm dengan turbin angin, agar memperoleh tegangan keluaran generator 42
secara maksimum setelah generator disearahkan, untuk kemudian dihubungkan pada boost converter dan kemudian digunakan untuk mengisi baterai. Pengisian dilakukan dengan menghidupkan alat selama 24 jam yang dimulai pukul 15.00 pada hari sebelumnya sampai dengan 15.00 dihari berikutnya. Nilai arus maksimal yang tersimpan selama pengisian (I bat ) adalah sebesar 104 ma, Jadi hanya menggunakan 8,67% dari kapasitas baterai sedangkan tegangan baterai sebesar 3,68V. Gambar 4.18 Arus terbaca setelah proses pengisian selama 24 jam ( ) ( ) Estimasi waktu agar batere terisi penuh dengan arus masukan sebesar 28,81 ma adalah Kapasitas baterai yang digunakan sebesar 3,7 V 1200mAh. Perhitungan Energi yang tersimpan pada baterai adalah 43
Saat proses pengosongan baterai menggunakan beban berupa resistor sebesar 5 watt 1 Ω dan sebuah led senter 1 Watt RL 1 D1 LED1 + V1 3.7V DC A 1.383 A Gambar 4.19 rangkaian saat proses pengosongan baterai t arus (sec) (ma) 0 104 30 103,9 60 103,9 90 103,9 120 103,8 150 103,5 180 103,3 210 103 240 102,6 270 102,2 300 101,7 330 101,2 360 100,8 390 100,3 420 99,8 450 99,4 480 98,9 510 98,6 540 98,2 570 97,8 600 97,4 630 97,1 660 96,7 690 96,5 720 96,2 750 95,9 780 95,6 810 95,4 840 95,2 870 94,9 900 94,7 930 94,5 960 94,3 990 94,1 1020 93,9 1050 93,6 1080 93,4 1110 93,2 1140 93,1 1170 92,9 1200 92,8 1230 92,6 1260 92,4 1290 92,3 1320 92,1 1350 91,8 1380 91,6 1410 91,4 1440 91,2 1470 91,1 1500 90,9 1530 90,8 1560 90,6 1590 90,5 1620 90,3 1650 90,2 1680 90 1710 89,9 1740 89,7 1770 89,6 1800 89,6 1830 89,4 1860 89,1 1890 89,1 1920 88,8 1950 88,7 1980 88,6 2010 88,4 2040 88,3 2070 88,3 2100 88 2130 88 2160 87,9 44
2190 87,8 2220 87,6 2250 87,6 2280 87,4 2310 87,3 2340 87,1 2370 87 2400 86,8 2430 86,7 2460 86,6 2490 86,5 2520 86,4 2550 86,3 2580 86,2 2610 86 2640 85,9 2670 85,7 2700 85,6 2730 85,5 2760 85,4 2790 85,3 2820 85,1 2850 84,9 2880 84,8 2910 84,7 2940 84,6 2970 84,5 3000 84,3 3030 84,2 3060 84 3090 83,9 3120 83,7 Tabel 4.6 Arus Pengosongan 3150 83,6 3180 83,5 3210 83,3 3240 83,2 3270 83,1 3300 82,9 3330 82,8 3360 82,7 3390 82,5 3420 82,4 3450 82,3 3480 82,2 3510 82 3540 81,9 3570 81,6 3600 81,4 104,5 Arus Arus Baterai (ma) 104 103,5 103 102,5 102 101,5 300; 101,7 0 50 100 150 200 250 300 350 t(s) Gambar 4.20 Grafik arus saat proses pengosongan dalam waktu tertentu 45
Gambar 4.21 tegangan saat diberi beban baterai Pada gambar 4.21 menunjukkan yang terjadi ketika alat dibebani sebuah baterai dan tegangan yang terbaca sebelum dibebani baterai adalah seperti gambar 4.13. Pada gambar 4.22 menunjukkan arus yang masuk selama proses pengisian. Pada proses pengisian arus yang terbaca berubah-ubah dari yang paling rendah dirunjukkan dengan nilai 8,98 ma dan tertinggi adalah 12,04mA. Gambar 4.22 arus yang masuk selama proses pengisian 46
Gambar 4.23 arus terbaca setelah pengisian 1 jam Pengisian Baterai selama 1 jam diperoleh arus yang tersimpan sebesar 86,1mA dengan alat yang direalisasikan dan percobaan secara terkontrol atau lebih tepatnya percobaan di dalam ruangan diperoleh: Energi yang tersimpan di baterai 4.6. Pengujian Aktual Pada pengujian aktual dilakukan pada tanggal 1 maret 2016 akan tetapi hanya melakukan pengujian sebatas mekanik saja dengan cara menggabungkan turbin dengan generator. Terlihat bahwa turbin dapat berputar seperti yang diharapkan pada kecepatan 2 m/s dan 3,3 m/s, akan tetapi hembusan angin tidak kontinyu. Ketika kecepatan angin turun maka turbin angin tidak dapat berputar. 47
4.7. Rencana Perubahan Spesifikasi No Spesifikasi awal 1. Menggunakan ventilator turbin angin dengan dimensi mekanis yang memiliki ukuran panjang diameter 45 cm dan tinggi 35 cm 2. Bahan pembuatan turbin terbuat dari alumunium dengan ketebalan 0,3 mm atau stainless dengan ketebalan 0,3 mm. 3. Menggunakan gear yang terbuat dari bahan kuningan dengan perbandingan 10:1 dengan asumsi satu putaran turbin dapat memutaarkan rotor generator sepuluh kali (jumlah gigi n1=100 dan n2 = 10) 4. Menggunakan penyimpan energi berupa baterai sebesar 3,7 v 1,2 Ah 5. Menggunakan generator DC dengan spesifikasi tegangan kaluaran sebesar 12V-24V dan daya keluaran sebesar 20 watt 6. Dapat menyalakan lampu led secara oromatis ketika baterai telah terisi penuh Perbandingan dengan spesifikasi awal 1 2 Dimensi panjang 66 cm tinggi 35 cm Jumlah gigi Menggunakan n1= 110 dan pulley dengan n2 =10 diameter d1= 9,2 mm dan d2= 12,5cm Menggunakan Menggunakan generator AC 3 dinamo sepeda phase dengan onthel 12 V- daya keluaran 6watt 300 watt Dapat Langsung menyalakan digunakan led pada waktu intuk tertentu (hidup menghidupkan pukul 17.00 LED mati 04.00) 48