Simulasi Beban Jalan Rata-rata Kendaraan
METODE PENELITIAN 3.1 Desain Parameter Penelitian
3.1.1 Generator Listrik
a. Aspek Mekanik Generator Listrik
Studi beban dilakukan pada lampu lalu lintas atau Traffic Light (TL) di satu persimpangan empat yang ada di Kota Medan. Waktu menyala traffic light merah-kuning-hijau dalam sehari selama 17,75 jam yaitu dari jam 05.45 WIB sampai dengan 23.00 WIB.
Pengukuran beban lampu lalu lintas seperti pada Gambar 3.1 meliputi dimensi, tegangan, kuat arus, daya, intensitas cahaya, dan lama waktu pakai lampu lalu lintas.
Lampu TL setiap saat nyala sebanyak 3 buah lampu TL yang terdiri dari:
a. 1 lampu TL Hijau memiliki daya 12 Watt b. 1 lampu TL Merah memiliki daya 15 Watt c. 1 lampu TL Kuning memiliki daya 15 Watt
Tabel 3.2 Spesifikasi Lampu Lalu Lintas Warna
LED Diameter Intensitas Cahaya Adapun spesifikasi Traffic Light 3 warna (R-Y-G) dalam Tabel 3.2. adalah sebagai berikut:
4. Lampu bernyala bergantian Merah, Kuning, dan Hijau maka sehari rata-rata menyala selama 8 jam, maka umur nyala 100.000 : 8 : 365 = ± 34 tahun.
5. Dapat dipasang pada semua jenis box lampu traffic light dengan ukuran yang sama.
6. Module LED (Merah, Kuning, Hijau).
Dalam satu siklus dari arah utara ke barat yang arahnya searah jarum jam nyala lampu TL selama 120 detik (2 menit), terdiri dari merah 85 detik, kuning 10 detik, hijau 25 detik. Untuk mencari lama menyala lampu TL dalam waktu 17,75 jam
Jadi dalam waktu 17,75 jam lampu TL menghabiskan waktu nyala selama 8,9 jam ditunjukkan dalam Tabel 3.3.
Tabel 3.3 Kebutuhan Beban Listrik
Warna LED Konsumsi Daya Waktu Nyala Beban Merah
b. Pemilihan Generator Listrik
Setelah mendapatkan energi atau daya yang dibutuhkan untuk dapat menyalakan lampu lalu lintas maka dilakukan proses pemilihan alat penghasil energi listrik yang mampu bekerja sesuai hasil yang diinginkan.
Generator yang ada di pasaran ada 2 jenis yaitu generator AC dan generator DC. Untuk menyesuaikan kebutuhan energi listrik lampu lalu lintas maka digunakan generator DC sebagai penghasil energi listrik seperti pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Generator Listrik
Generator listrik DC yang digunakan dengan spesifikasi sebagai berikut:
Ratedspeed : 2750 RPM Ratecurrent : 18.7 A Output : 350 W Voltage : 24 VDC c. Desain Pengisian Baterai
Satuan energi (dalam Wh) dikonversikan menjadi Ah yang sesuai dengan satuan kapasitas baterai. Beban yang digunakan dalam perancangan sebesar 373.8 Wh.
Jadi total beban harian yang harus dilayani oleh baterai adalah sebagai berikut:
Ah = beban harian
tegangan operasi DC = 373,8 Wh
24 𝑉𝐷𝐶
= 15,575 Ah ≈ 16 Ah
Maka kapasitas baterai yang dibutuhkan adalah 2 buah aki berkapasitas 8 Ah 12 Volt DC yang disusun secara seri sehingga diperoleh kapasitas total 16 Ah 24 Volt DC. Jika penggunaan lampu lalu lintas adalah 17,75 jam maka waktu pengisian baterai adalah 6,25 jam.
Arus yang dibutuhkan = 15,575 Ah / 6,25 jam
= 2,492 A
Gambar 3.3 Skema Parameter Generator Listrik
Dalam Gambar 3.3. diketahui Daya Output (P) dari generator listrik adalah 350 W dengan putaran (n) sebesar 2750 rpm, maka kecepatan sudut dan torsi atau momen puntir poros generator yang harus dihasilkan oleh generator listrik adalah sebesar : Kecepatan Sudut, ω = 2𝜋 . 𝑁
60
ω = 2𝜋 . 2750 𝑟𝑝𝑚 60
ω ≥ 287,83 rad/s
Torsi, P = T . N . 2π 60
350 Watt = T . 2750 rpm . 2π 60
T ≥ 1,21 Nm
Setelah torsi atau momen puntir poros generator listrik diperoleh, maka beban yang akan diterima oleh poros generator listrik adalah sebagai berikut.
T = F .rdinamo
1,21 Nm = F . 0.005 m F ≥ 242 N
Maka kecepatan putar yang harus dihasilkan oleh generator listrik adalah lebih besar atau sama dengan 287,83 rad/s, dengan torsi atau momen puntir lebih besar atau sama dengan 1,21 Nm, dan beban yang akan diterima oleh poros generator listrik adalah lebih besar dari atau sama dengan 242 N ditunjukkan pada Gambar 3.4. berikut.
Generator Listrik T = ?
F = ? n = 2750 rpm
V = 24 VDC
I = 18,7 A
P = 350 W
Gambar 3.4 Parameter Input Generator Listrik 3.1.2 Desain Parameter Roda Gila
Adapun faktor pertimbangan dalam desain roda gila adalah sebagai berikut.
a. Aspek Desain Dimensi Roda Gila
Fungsi roda gila adalah untuk menyimpan tenaga putar atau momen inersia dari putaran yang dihasilkan oleh roda gigi atau sprocket. Untuk dapat menyimpan tenaga putar yang besar maka roda gila harus memiliki momen inersia yang sesuai dengan energi yang dibutuhkan. Kita dapat gunakan rumus untuk menghitung energi dalam, dengan asumsi momen inersia. I = kmr2 . Energi kinetik roda gila diperoleh dengan rumus :
𝐸
𝑘=
12
. 𝐼. 𝜔
2……...(2.39) dimanaω
= kecepatan angular = momen inersia= energi kinetik
b. Desain Dimensi Roda Gila
Adapun dimensi roda gila yang akan dirancang dengan memperhitungkan besar torsi atau momen puntir, kecepatan linier dan kecepatan sudut melalui perhitungan berikut ini. Skemanya dapat dilihat pada Gambar 3.5.
Dimensi sprocket yang dipilih adalah berjari-jari 10 mm diletakkan seporos pada poros generator listrik sehingga diperoleh perhitungan sebagai berikut.
T = F . rsproket
1,21 Nm = F . 0.01 m F = 121 N
Selanjutnya sprocket pada poros dinamo dihubungkan dengan sprocket pada roda gila seperti Gambar 3.6. berikut ini.
Gambar 3.6 Rantai dan Sproket antara Generator Listrik dan Roda Gila Roda gila dan dinamo dihubungkan oleh rantai dan sprocket sehingga keduanya memiliki gaya dan kecepatan linier yang sama. Sehingga torsi atau momen puntir dan kecepatan sudut pada sprocket roda gila sebagai berikut.
Torsi Sproket Roda Gila, Fdinamo = Fsproket roda
Tdinamo / rdinamo = Tsproket roda / rsproket roda
1,21 Nm / 0,01 m = Tsproket roda / 0,07 m Tsproket roda = 8,47 Nm
Kecepatan Sudut, Vsproket roda = Vdinamo
ω sproket roda . r sproket roda = ωdinamo . rdinamo
ω sproket roda . 0,07 m = 287,83 rad/s . 0,01 m ω = 41,1 rad/s
Setelah diperoleh torsi atau momen puntir dan kecepatan sudut pada sprocket roda gila maka perhitungan banyak putaran per menit dan kecepatan linier sprocket adalah sebagai berikut.
Jumlah Putaran, P = T . N . 2π 60
350 Watt = 8,47 Nm . N . 2π 60
N = 395 rpm
Kecepatan Putar Sproket, ωsproket roda = Vsproket roda / rsproket roda
41,1 rad/s = Vsproket roda / 0,70 m Vsproket roda = 2,877 m/s
Sproket pada roda gila terletak seporos dengan roda gila sehingga memiliki kecepatan sudut yang sama. Maka kecepatan linier roda gila dapat diperoleh sebagai berikut. Dengan mengasumsikan jari-jari roda sebesar 264 mm, maka :
ωsproket roda = ωroda
ωroda = Vroda / rroda
41,1 rad/s = Vsproket roda / 0,264 m Vsproket roda = 10,85 m/s
Setelah memperoleh perhitungan pada sprocket roda gila maka berdasarkan kecepatan sudut yang sama maka dapat diperoleh momen inersia roda gila sebagai berikut.
Dan dengan memasukkan kecepatan linier roda gila maka diperoleh massa sebesar : berdasarkan momen inersia roda gila sebagai berikut. k diperoleh dari tabel 2.15.
I = k . m . r2
0,41 kg.m2 = 1 . 5,9 kg . r2 r = 0,264 m = 264 mm (terbukti)
Berdasarkan perhitungan diatas maka dapat diperoleh desain roda gila seperti pada Gambar 3.7. di bawah ini.
Gambar 3.7 Aspek Desain Roda Gila 3.1.3 Desain Parameter Komponen Generator Mekanik
Perhitungan dimensi roda gigi dan roda gigi atau sproket dirancang untuk dapat menghasilkan kecepatan putar dan usaha dari gaya tekan pada speed bump. Adapun dimensi perancangan untuk roda gigi dan sprocket adalah sebagai berikut.
R pedal : 180 mm
R sprocket depan : 95 mm R sprocket belakang : 35 mm R sprocket roda gila : 70 mm R poros dinamo : 10 mm
Dalam menentukan besar daya memakai persamaan : 𝑉. 𝑅. =𝑁1
𝑁2 =𝑇2
𝑇1………..…(2.34) Sproket belakang terletak seporos dengan roda gila sehingga memiliki kecepatan sudut yang sama. Maka kecepatan linier sprocket belakang dapat diperoleh sebagai berikut.
ωroda = ωsproket belakang
ωsproket belakang = Vsproket belakang / rsproket belakang
41,1 rad/s = Vsproket belakang / 0,035 m Vsproket belakang = 1,4385 m/s
Sprocket depan dan belakang dihubungkan oleh rantai sehingga keduanya memiliki kecepatan linier yang sama.
vsprocketdepan= vsprocketbelakang
vsd= 1,4385 m/s
Maka kecepatan linier yang akan diterima oleh pedal dan harus diteruskan ke sprocket depan karena seporos sehingga memiliki kecepatan sudut (ω) yang sama.
ω pedal = ωsprocket dpn
vp / rp = vsd/ rsd
vp / 0,18 = 1,4385 m/s / 0,095 m vp = 2,725 m/s
Dengan kecepatan linier diketahui maka dapat diperoleh kecepatan sudut dan putaran pada pedal yaitu sebesar :
Kecepatan Sudut, vp = ωp . rp
2,725 m/s = ωp . 0,18 m ωp = 15,1 rad/s
Putaran, ω = 2𝜋 . 𝑁
60
15,1 rad/s = 2𝜋 . 𝑁
60
N = 144 rpm
Perubahan kecepatan sudut pada sprocket belakang dan sprocket depan membuat adanya perubahan pada torsi atau momen puntir pada sprocket depan dimana pedal terletak seporos dengan sprocket depan. Berikut ini perhitungan torsi atau momen puntir sprocket depan dan gaya yang diterima oleh sprocket depan.
Torsi, P = T . ω
T = 23,17 Nm Gaya yang Bekerja, T = F .rsproket depan
23,17 Nm = F . 0,095 m F = 243 N Daya Mekanik, P = F . v
P = 243 N . 1,4385 m/s
P = 350 Joule/s (Seharusnya ≥ 350 Joule/s)
Untuk memperoleh daya listrik sebesar 350 Watt maka daya mekanik yang dibutuhkan harus lebih besar atau sama dengan 350 Joule/s.
Gambar 3.8 Aspek Desain Sproket Depan dan Sproket Belakang
Setelah diperoleh aspek desain pada sprocket depan dan sprocket belakang seperti pada Gambar 3.8. maka tahap selanjutnya adalah menghitung aspek desain pedal yang terletak seporos dengan sprocket depan.