BAB III PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan realisasi dari skripsi meliputi gambaran alat, cara kerja sistem dan modul yang digunakan. Gambar 3.1 merupakan diagram cara kerja dari alat yang akan dibuat. Gambar 3.1 Diagram Sistem Secara garis besar, hembusan angin menghantam sudu guna menggerakkan turbin dan kemudian turbin menggerakkan generator untuk kemudian dikonversikan menjadi energi listrik, kemudian energi yang dihasilkan akan diproses dalam rangkaian regulator untuk kemudian disimpan pada sebuah baterai. 3.1. Cara Kerja Alat Alat ini nantinya akan bekerja seperti turbin angin sumbu vertikal pada umumnya. Sumber angin berasal dari hembusan angin dialam terbuka dan kipas angin. Sumber angin dari alam digunakan untuk pengujian alat pada tuangan terbuka sedangkan sumber dari kipas angin digunakan untuk pengujian terkontrol didalam ruangan. Selanjutnya angin akan menumbuk turbin angin guna menggerakkan generator untuk menghasilkan sumber energi listrik dengan cara menrubah gerak menjadi listrik. Kemudian energi yang telah dihasilkan akan distabilkan oleh konverter DC-DC voltage regulator supaya keluarannya dapat disimpan ataupun langsung dapat dimanfaatkan guna menghidupkan lampu LED sebagai penerangan. Alat tersebut dirancang portable sehingga mudah untuk dipindahkan dan mudah untuk dibongkar dan dipasang kembali agar pengguna dapat membongkar ketika akan disimpan dan mudah dirakit kembali ketika akan digunakan seandainya akan digunakan sebagai media peraga pembelajaran. 16
3.2. Perancangan Perangkat Keras Pada sub bab ini akan dijelaskan perangkat keras yang digunakan sistem, secara garis besar terdiri dari beberapa bagian yaitu turbin ventilator, generator, modul regulator. 3.2.1. Turbin Ventilator Turbin ventilator yang digunakan memiliki dimensi diameter 66 cm =0,66m, tinggi 35cm=0,35m, panjang celah sudu 7cm= 0,07m, berat 4616 gr=4,616 kg dan memiliki blade atau bilah sebanyak 26 buah. Gambar 3.2 Turbin ventilator yang telah dimodifikasi Berikut ini adalah contoh perhitungan daya angin yang diekstrak oleh turbin ventilator: 17
Dimana: P o = daya (watt) Ρ = kerapatan udara (kg/m 3 ) V = kecepatan angin (m/s) A = luas penampang (m2) Sehingga: A = Po= Po=1,655 watt 3.2.2. Modul Regulator Regulator menggunakan BL-8530 yang merupakan CMOS berbasis PFM pulse frequncy modulation step-up DC - DC converter. Step-up DC-DC converter merupakan rangkaian yang dapat menaikkan tegangan DC dengan mengatur besarnya duty cycle pada switch-nya. Modul ini bertugas mengubah keluaran dari generator menjadi sebesar 5V. Gambar 3.3 Untai boost converter BL -8530 Nilai maksimum duty cycle dapat dihitung dengan asumsi sebagai berikut: 18
Diperoleh nilai D yaitu 0,52 dan besarnya nilai, Persamaan yang digunakan untuk menghitung adalah sebagai berikut : Nilai C didapat dari persamaan berikut: Akan tetapi besarnya nilai C sudah di rekomendasikan sebesar 100 μf sehingga perhitungan yang di dapat adalah sebagai berikut: Dimana: R = ripple Gambar 3.4 Modul Regulator 19
3.2.3. Generator Menggunakan generator AC magnet permanen 3 phase berdaya maksimal 300 Watt dengan tegangan maksimal 200 V pada 3000 rpm. Gambar 3.5 Generator AC Pada Bracket Gambar 3.6 Skema Generator Generator yang dipilih adalah generator yang ringan dengan kata lain tidak membutuhkan daya yang sangat besar agar generator mau berputar. Generator ini mampu berputar dengan torsi minimal 1,3 Nm. Sehingga dengan menggunakan generator ini dapat memanfaatkan tenaga angin minimal 1,4 m/s atau 5 km/jam dengan asumsi mengenai keseluruhan turbin. 3.2.4. Penyearah 3 fasa Penyearah 3 fasa merupakan salah satu teknik merubah tegangan AC menjadi tegangan DC. Rangkaian penyearah 3 fasa merupakan rangkaian dasar pada sebagian besar rangkaian penyearah fasa banyak (polyphase rectifier). 20
V1 D1 D2 50 Hz V2 D3 D4 50 Hz V3 50 Hz D5 C2 D6 C1 Rload Vo Gambar 3.7 Rangkaian penyearah 3 fasa Sumber tegangan 3 fase memiliki keseimbangan daya karena di pasok oleh tiga fasa a,b dan c. Sumber tegangan dioda diasumsikan ideal dalam analisis awal rangkaian. Hanya satu dioda di bagian kiri bridge yang bekerja pada satu waktu (D1, D3 dan D5), Dan hanya satu dioda di bagian kanan bridge yang dapat bekerja pada satu waktu (D2, D4 dan D6). D1 dan D4 tidak dapat dilewati arus pada saat yang sama, demikian pula D3 dan D6 tidak dapat pula dilewati arus secara bersamaan, begitu juga D5 dan D2. Beban output tegangan adalah salah satu line-to-line tegangan dari sumber. Ada 6 kombinasi line-to-line tegangan (setiap 60 o ). 21
Gambar 3.8 Sinyal keluaran generator 3 fasa setelah di searahkan Tegangan masukan Arus masukan Daya masukan Tegangan dan arus keluaran Daya Keluaran 3.2.5. Sensor Tegangan dan Arus Sensor tegangan yang digunakan adalah dengan rangkaian pembagi tegangan. Rangkaian ini digunakan untuk mengurangi besarnya tegangan yang masuk ke input analog pada mikrokontroler arduino yang hanya bisa mendeteksi tegangan sebesar 5V. 22
Rumus pembagi tegangan: Gambar 3.9 Sensor Tegangan sensor arus yang digunakan untuk pembacaan arus yang masuk ke baterai menggunakan rangkaian non-inverting. Dengan memberi beban sebesar 1 ohm untuk dilihat perbandingan nilai tegangan yang masuk sesudah resistor dan sebelum resistor dan dikuatkan sebesar 100 kali untuk kemudian dimasukkan pada input ADC. V1 5V +V 5V +V 5V +V 22 ohm + LM324 + LM324 ADC 1 ohm 2k 18k 2k 18k Gambar 3.10 Sensor Arus dengan rangkaian Non-Inverting 23
3.2.6. Display Display tegangan dan arus dari menggunakan LCD karakter 16 x 2, dan untuk menghemat penggunaan I/O pada arduino digunakan modul I2C LCD backpack. Gambar 3.11 rangkaian i2c LCD Backpack Gambar 3.12 LCD Backpack 3.3. Kipas Angin Untuk mensimulasikan angin digunakan kipas dengan 3 kecepatan yaitu 2,4 m/s; 3,4 m/s; dan 5,4 m/s. Kipas angin ini memiliki diameter 50 cm=0,5m dan jari jari 25 cm = 0,25 m. 24
Gambar 3.13 Kipas Angin Masing-masing kecepatan memiliki daya angin sebagai berikut: Luas penampang kipas angin ( ) Dipakai kerapatan angin pada suhu kamar ( 27 C ) adalah 1,743 kg/ Pada kecepatan angin 2,4 m/s (pembacaan anemometer) Daya ( ) =.ρ.a. =.(1,743 kg/ ).(0,196 ). = 2.361 W Pada kecepatan angin 3,4 m/s (pembacaan anemometer) Daya ( ) =.ρ.a. =.(1, 743 kg/ ).(0,196 ). = 6,714W 25
Pada kecepatan angin 5,4 m/s (pembacaan anemometer) Daya ( ) =.ρ.a. =.(1, 743 kg/ ).(0,196 ). = 26.897 W 3.4. Perancangan Perangkat Lunak Pada bagian ini akan dijelaskan tentang perangkat lunak yang ada pada sistem. Perangkat lunak ini meliputi perancangan perangkat lunak yang ditanamkan pada mikrokontroler arduino nano. START Baca Data Sensor tegangan dan arus Data Ditampilkan di LCD END Gambar 3.14 Diagram Alir Perangkat Lunak Dimulai dengan menghidupkan sistem, kipas angin akan menghembuskan angin dan menumbuk turbin ventilator untuk kemudian menggerakkan. Sensor kemudian membaca data tegangan dan arus yang kemudian diolah oleh mikrokontroler dan ditampilkan pada LCD. 26
3.5. Pembacaan Arduino Arduino memiliki karakteristik 10 bit ADC dan dapat menerima input maksimal 5 V sehingga untuk mendeteksi tegangan di atas 5 volt diperlukan pembagi teganganguna mengurangi tegangan masuk yang diinputkan pada port ADC. Cara membaca inputan ADC pada arduino, dikarenakan memiliki 10 bit ADC dan maksimal tegangan 5 volt maka data yang terbaca pada arduino jika di konversi adalah 10 bit=210 =1024 digit= 0 1023 ketika tegangan maksimal sebesar 5 volt. Sehingga setiap proses dihitung untuk setiap proses. Berikut adalah merupakan contoh source code pembacaan input tegangan ADC: Int read_adc(int adc_parameter) { Int sum=0; Int sample; For (int i=0;i<100;i++) //diulang pengambilan sample 100x { sample=analogread(adc_parameter);//baca pin input sum +=sample; //disimpan penjumlahan data yang disample delaymicroseconds(50); //ditahan untuk 50 micro detik } return (sum/100); //merata-rata datayang telah di sample } 27