BAB III PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini akan dibaha mengenai perancangan dan realiai dari kripi meliputi gambaran alat, cara kerja ytem dan modul yang digunakan. Gambar 3.1 merupakan diagram cara kerja dari alat yang akan dibuat. Gambar 3.1 Blok Diagram Alat 3.1 Cara Kerja Sitem Secara gari bear ytem ini terdiri dari pompa air yang berfungi membuat aru air yang dapat diatur bear debit airnya. Bear debit air diukur ecara manual. Selanjutnya laju air terebut akan menumbuk udu turbin kemudian menggerakkan generator. Output dari generator akan ditabilkan oleh konverter DC-DC (regulator voltage) agar keluarannya dapat digunakan untuk mengii aki. Output generator akan ditampilkan dalam diplay tegangan dan aru, begitu juga dengan output dari regulator. 13
3.2 Perancangan Perangkat Kera Pada ub bab ini akan dijelakan perangkat kera yang digunakan item, ecara gari bear terdiri dari beberapa bagian yaitu pompa air, turbin darrieu, turbin gorlov, turbin achard, generator, mikrokontroler Arduino Mega, meja alat, modul regulator dan diplay, modul pengatur kecepatan pompa air, modul catu daya. 3.2.1 Pompa Air Menggunakan pompa air Lifetech SP-609 berdaya output motor makimal 130W dengan kapaita debit air makimal 9000L/jam pada Head 5m. Gambar 3.2 Pompa Air Lifetech SP-609 Diameter lubang air keluar ebear 1inch = 2,54cm ehinggajarijarinya ebear 1,27cm, pompa etelah di kalibrai manual bear debit makimal aliranya adalah ekitar 92,36L/menit ehingga dapat dicari bear poteni daya dari fluida terebut. A = πr 2. (3.1) A = 22 7 ( 1,27 10 2 ) 2 = 0,50 10 3 m 2 Q = 92,36 L menit = 1,54 10 3 m3 Q = A v.. (3.2) 1,54 10 3 m3 = 0,50 10 3 m 2 v v = 1,54 10 3 0,50 10 m 3 = 3,08 m 14
P = 1 2 ρ Q v2..(3.3) P = 1 2 1000 1,54 10 3 3.08 2 P = 7,30 Kg m 2 = 7,30 Watt P = Daya air yang teredia Kg m 2 Q = Debit aliran air. m3 ρ = maa jeni air.. Kg m 3 A = Lua penampang aliran air... m 2 v = Kecepatan aliran air.... m r = Jari jari lubang air.... m Sehingga didapat bear daya yang teredia pada air ebear 7,30Watt yang nantinya akan digunakan ebagai perhitungan pada efiieni turbin. Gambar 3.3 Skema Pompa Air dan Pengatur Debit Air Rangkaian diata bekerja dengan cara analog merubah tegangan upply pada pompa air dengan mengatur menggunakan poteniometer dan kemudian diac (dioda AC) berfungi ebagai pemicu atau trigger pada triac yang mempengaruhi bearnya tegangan bia pada triac. Dimana emakin bear bia gate pada triac yang diberikan maka emakin bear pula level tegangan yang diberikan pada pompa air ehingga mempengaruhi bear debit air yang dikeluarkan dan ebaliknya. 15
Gambar 3.4 Realiai Pengatur Debit Air 3.2.2 TurbinDarrieu Semua turbin dalam perancangan ini memiliki 2 bagian yang pertama bagian udunya dan kedua penyangga udu. Sudu adalah bagian dari turbin atau ering juga di ebut blade atau bilah dimana terjadinya konveri energi tumbukan antara aru air dengan turbin. Turbin darrieu memiliki dimeni panjang 15cm dengan diameter 15cm dan memiliki 3 udu. Bentuk udu turbin darrieu luru memanjang keata dan memiliki bentuk airfoil NACA 0015 dimana bentuk NACA ini adalah imetri, panjang udu 4cm dengan lebar 2cm dan tingginya 15cm. Bahan dari udu turbin adalah rein yang udah diberi kataliator ehingga mengera dan dapat dibentuk euai dengan yang diinginkan. 16
Gambar 3.5 Sudu Turbin Darrieu Dengan NACA 0015 Sedangkan bentuk penyangga dari udu turbin darrieu memiliki panjang 15cm lebar 14cm dan memiliki tiga penyangga untuk menempatkan udu yang telah dibuat dengan menggunakan ekrup, dibagian ata penyangga turbin terdapat lubang berdiameter 10mm yang difungikan untuk memaukkan poro berupa ilinder panjang. Berat total turbin darrieu adalah 615gram = 0,615Kg. Bear daya yang dihailkan turbin darrieu dapat dihitung dengan cara berikut dan akan digunakan untuk mengetahui bear efiieni dari turbin terebut. - Kecepatan Sudut Turbin a. Pada aat tanpa beban pulley generator ω = 72 rpm = 72 2π rad 60 = 7,53 rad b. Saat dihubungkan dengan pulley generator ω = 58 rpm = 58 - Kecepatan Turbin 2π rad 60 = 6,07 rad v = ω r. (3.4) v = Kecepatan m ω = Kecepatan Sudut.. rad 17
r = Jari jari Turbin.. m a. Pada aat tanpa beban v = 7,53 0,075 = 0,56 m v = 6,07 0,075 = 0,45 m - Percepatan Turbin a = ω 2 r.(3.5) a = Percepatan.... m 2 ω = Kecepatan Sudut... rad r = Jari jari Turbin... m a. Pada aat tanpa beban a = 7,53 2 0,075 = 4,25 m 2 a = 6.07 2 0,075 = 2,76 m 2 - Gaya Tranlai Turbin F t = m ( v2 r F t = Gaya Tranlai Turbin..... N ) (3.6) v = Kecepatan.. m r = Jari jari Turbin... m m = maa turbin dan poro..... kg a. Pada aat tanpa beban F = 0,615 ( 0,562 ) = 3,46 N 0,075 F = 0,615 ( 0,452 0,075 ) = 1,66N 18
- Tori Turbin τ = F t r. (3.7) τ = Tori.. Nm F t = Gaya Tranlai Turbin..... N r = Jari jari Turbin....... m a. Pada aat tanpa beban τ = 3,46 0,075 = 0,25 Nm τ = 1,66 0,075 = 0,12 Nm - Daya Turbin P T = τ. ω (3.8) P T = Daya turbin. Nm τ = Tori... Nm ω = Kecepatan udut... rad a. Pada aat tanpa beban P T = 0,25. 7,53 = 1,88 Nm = 1,88 Watt P T = 0,12. 6,07 = 0,72 Nm = 0,72 Watt - Efiieni daya turbin - η T = Daya Turbin Daya Air Yang Teredia 0,72 100% = 100% = 9,8% 7,30 19
Gambar 3.6 Realiai Turbin Darrieu 3.2.3 Turbin Gorlov Turbin Gorlov dalam perancangan ini menggunakan 3 udu turbin dan menggunakan NACA airfoil 4418 dengan berat turbin 615gram = 0,615 Kg. Bentuk udu turbin gorlov menyerupai bentuk piral ulir. Gambar 3.7 Sudu Turbin Gorlov Bear daya yang dihailkan turbin Gorlov dapat dihitung dengan cara berikut dan akan digunakan untuk mengetahui bear efiieni dari turbin terebut. 20
- Kecepatan Sudut Turbin a. Pada aat tanpa beban pulley generator ω = 75 rpm = 75 2π rad 60 = 7,85 rad b. Saat dihubungkan dengan pulley generator ω = 64 rpm = 64 - Kecepatan Turbin 2π rad 60 = 6,69 rad v = ω r. (3.9) v = Kecepatan m ω = Kecepatan Sudut.. rad r = Jari jari Turbin.. m a. Pada aat tanpa beban v = 7,85 0,075 = 0,58 m v = 6,69 0,075 = 0,50 m - Percepatan Turbin a = ω 2 r.(3.10) a = Percepatan.... m 2 ω = Kecepatan Sudut... rad r = Jari jari Turbin... m a. Pada aat tanpa beban a = 7,85 2 0,075 = 4,62 m 2 a = 6,69 2 0,075 = 3,35 m 2 - Gaya Tranlai Turbin F t = m ( v2 r ) (3.11) 21
F t = Gaya Tranlai Turbin.... N v = Kecepatan.. m r = Jari jari Turbin... m m = maa turbin dan poro..... kg a. Pada aat tanpa beban F = 0,615 ( 0,582 ) = 2,75 N 0,075 F = 0,615 ( 0,502 0,075 ) = 2,05N - Tori Turbin τ = Tori.... Nm F t = Gaya Tranlai Turbin... N r = Jari jari Turbin..... m a. Pada aat tanpa beban τ = 2,75 0,075 = 0,20 Nm τ = 2,05 0,075 = 0,15 Nm - Daya Turbin P T = Daya turbin. Nm τ = Tori... Nm ω = Kecepatan udut... rad a. Pada aat tanpa beban τ = F t r. (3.12) P T = τ. ω (3.13) P T = 0,20. 7,85 = 1,57 Nm = 1,57 Watt P T = 0,15. 6,69 = 1,00 Nm = 1,00 Watt 22
- Efiieni daya turbin η T = Daya Turbin 1,00 100% = 100% = 13,69% Daya Air Yang Teredia 7,30 Gambar 3.8 Realiai Turbin Gorlov 3.2.4 Turbin Achard and Maitre Turbin Achard dalam perancangan ini menggunakan 3 udu turbin dan menggunakan NACA airfoil 4418. Dengan berat 0,615Kg dan udunya berbentuk delta. Gambar 3.9 Gambar Sudu Turbin Acahrd 23
Bear daya yang dihailkan turbin Achard dapat dihitung dengan cara berikut dan akan digunakan untuk mengetahui bear efiieni dari turbin terebut. - Kecepatan Sudut Turbin a. Pada aat tanpa beban pulley generator ω = 74 rpm = 74 2π rad 60 = 7,74 rad b. Saat dihubungkan dengan pulley generator ω = 60 rpm = 60 - Kecepatan Turbin 2π rad 60 = 6,28 rad v = ω r (3.14) v = Kecepatan m ω = Kecepatan Sudut.. rad r = Jari jari Turbin.. m a. Pada aat tanpa beban v = 7,74 0,075 = 0,58 m v = 6,28 0,075 = 0,47 m - Percepatan Turbin a = ω 2 r.(3.15) a = Percepatan.... m 2 ω = Kecepatan Sudut... rad r = Jari jari Turbin... m a. Pada aat tanpa beban a = 7,74 2 0,075 = 4,49 m 2 24
a = 6.28 2 0,075 = 2,96 m 2 - Gaya Tranlai Turbin F t = m ( v2 r F t = Gaya Tranlai Turbin...... N ) (3.16) v = Kecepatan m r = Jari jari Turbin... m m = maa turbin dan poro..... kg a. Pada aat tanpa beban F = 0,615 ( 0,582 ) = 2,76 N 0,075 F = 0,615 ( 0,472 0,075 ) = 1,81N - Tori Turbin τ = Tori.... Nm F t = Gaya Tranlai Turbin... N r = Jari jari Turbin....... m a. Pada aat tanpa beban τ = 2,76 0,075 = 0,21 Nm τ = 1,81 0,075 = 0,13 Nm - Daya Turbin P T = Daya turbin. Nm τ = Tori... Nm τ = F t r. (3.17) P T = τ. ω (3.18) 25
ω = Kecepatan udut... rad a. Pada aat tanpa beban P T = 0,21. 7,74 = 1,62 Nm = 1,62 Watt P T = 0,13. 6,28 = 0,81 Nm = 0,81 Watt - Efiieni daya turbin η T = Daya Turbin 0,81 100% = 100% = 11,09% Daya Air Yang Teredia 7,30 Gambar 3.10 Realiai Turbin Achard 3.2.5 Senor Tegangan dan Aru Senor tegangan yang digunakan adalah dengan rangkaian pembagi tegangan. Rangkaian ini digunakan untuk mengurangi bearnya tegangan yang mauk ke input analog pada mikrokontroler arduino yang hanya bia mendeteki tegangan ebear 5V. Rumu pembagi tegangan : Vout = R2 R1 + R2 Vin 26
Gambar 3.11 Rangkaian Pembagi Tegangan Sedangkan untuk enor aru pada keluaran generator menggunakan hambatan 1 Ohm untuk dilihat nilai perbandingan tegangan mauk ebelum reitor dan eudah reitor kemudian di maukkan pada inputan poitif dan negatif pada differential amplifier yang dikuatkan 100 kali untuk kemudian dimaukkan pada inputan ADC arduino. 1 Ohm 10k 12V +V input XL 6009 Output + VG2 - Generator 1M + LM324 ADC Aru Ground 1M Ground 10k Gambar 3.12 Senor Aru Dengan Differential Amplifier Bearnya aru pada beban di regulator dapat dilihat dengan menggunakan beban reitor yang kemudian di buat pembagi tegangan dengan hambatan 1 Ohm dan keluaran pembagi tegangan dikuatkan dengan Non Inverting Amplifier agar dapat dibaca pada ADC arduino 27
12V +V 12V +V XL 6009 S3 input Output 22 Ohm + LM324 9K + LM324 ADC Aru 9k 1 Ohm 1k 1k Ground Gambar 3.13 Senor Aru Dengan Non Inverting Amplifier 3.2.6 Mikrokontroler Arduino Mega Arduino mega digunakan ebagai control utama untuk pengambilan dan pengolahan data dari enor ACS712 maupun enor tegangan dari pembagi tegangan. Bear tegangan dan aru akan ditampilkan di even egmen 3digit. Tabel 3.1 Konfigurai Penggunaan Pin/Port Arduino Mega Port Aplikai Port MikroArduino V1 V2 I1 I2 Port (a) 7egmen 13 22 48 39 Port (b) 7egmen 12 24 46 41 Port (c) 7egmen 11 26 44 43 Port (d) 7egmen 10 28 42 45 Port (e) 7egmen 9 30 40 47 Port (f) 7egmen 8 32 38 49 Port (g) 7egmen 7 34 36 50 Port (dot) 7egmen 3 29 15 16 Port (Com1) 7egmen 4 23 33 51 Port (Com2) 7egmen 5 25 35 52 Port (Com3) 7egmen 6 27 37 53 Inputan V1 A0 Inputan V2 A1 Inputan ACS1 A7 Inputan ACS2 A8 28
3.2.7 Modul Regulator Regulator menggunakan XL6009 yaitu regulator converter DC to DC Boot Regulator atau regulator penguat tegangan dengan output yang diatur untuk pengiian aki yaitu ebear 14.7 VDC. Gambar 3.14 Skematik Rangkaian Regulator XL6009 Rangkaian diata bekerja pada inputan diata 3 V DC dan dapat diatur bear keluarannya dengan poteniometer. Bearnya keluaran pada modul regulator XL 6009 dapat dicari dengan cara Vout = 1,25 ( 1 + R 2 R 1 ) Gambar 3.15 Modul Regulator XL6009 3.2.8 Pulley Pulley berfungi ebagai penghubung gerakan turbin kegenerator. Dalam perancangan ini menggunakan pulley dengan perbandingan 2:3, untuk pulley turbin menggunakan diameter 9cm edangkan diameter pulley generator ebear 6cm. 29
Perbandingan pulley di dapat dari bear diameter kedua pulley dan berpengaruh pada bear rpm. Jika jari-jari pulley yang pertama atau pulley turbin (r 1 ) = 4,5cm = 0,045m edangkan pulley generator (r 2 ) = 3cm = 0.03m dan dihailkan putaran udut pulley turbin (ω 1 ) = 58rpm = 6,07 rad/ maka putaran udut pulley generator (ω 2 ) ebear : ω 1 r 1 = ω 2 r 2....(3.19) r 1 = Jari jari Pulley Turbin...... m r 2 = Jari jari Pulley Generator. m ω 1 = Kecepatan Sudut Pulley Turbin... rad ω 2 = Kecepatan Sudut Pulley Generator.... rad 6,07 0,045 = ω 2 0,03 ω 2 = 9,10 rad = 86,9 rpm = 87 rpm Gambar 3.16 Pulley 3.2.9 Meja Alat Berfungi ebagai tempat dari emua mekanik dan modul. Berukuran Panjang Lebar Tinggi = 80cm 45cm 80cm. Meja alat diberi roda pada bagian bawahnya agar mudah dipindahkan. 30
Gambar 3.17 Meja Alat 3.3 Perancangan Perangkat Lunak Pada bagian ini akan dijelakan tentang perangkat lunak yang ada pada item. Perangkat lunak ini meliputi perancangan perangkat lunak yang ditanamkan pada mikrokontroler Arduino Mega 2560. Gambar 3.18 Blok Diagram Alir 31
Penjelaan diagram alir mikrokontroler arduino : 1. Saat pertama dihidupkan mikrokontroler arduino akan langung melakukan iniialiai enor aru dan tegangan 2. Jika ada aru dan tegangan yang dideteki maka akan diolah pada inputan ADC arduino 3. Data dari ADC arduino akan ditampilkan pada 7 Segmen 3 digit dengan item caning timer atu peratu. 4. Saat arduino eleai melakukan tuganya maka arduino akan menunggu ampai ada maukan berikutnya dan melakukan tuga elanjutnya. 3.3.1 Pembacaan ADC Arduino Arduino memiliki karakteritik 10 bit ADC dan dapat menerima inputan tegangan makimal 5 volt ehingga untuk mendeteki tegangan diata 5 volt diperlukan pembagi tegangan untuk mengurangi bear tegangan yang mauk pada inputan ADC arduino. Cara membaca inputan ADC pada arduino, dikarenakan memiliki 10 bit ADC dan makimal tegangan 5 volt maka data yang terbaca pada arduino jika dikonveri adalah 10 bit = 2 10 = 1024 digit = 0-1023 pada aat tegangan makimal 5 volt. Sehingga etiap langkah dapat dihitung 5 1023 = 0,00488 volt per langkah., dengan kata lain jika ada inputan tegangan 3 volt akan dibaca 615 oleh ADC arduino, ADC Reading 3V = 3 0,00488 = 615digit. Jadi untuk mencari voltae analognya = reading (615 digit atau 3.00 volt) didapat euai 3 volt. Berikut contoh coding pada pembacaan inputan ADC 5 1023 ADC 32