STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH FREKUENSI DAN AMPLITUDO GETARAN PADA MATERIAL MULTILAYER PIEZOELECTRIC TERHADAP ENERGI YANG DIBANGKITKAN
Bagus D. Anugrah Jurusan Teknik Mesin
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Jl. Arief Rahman Hakim, Kampus Sukolilo, Surabaya Jawa Timur, Indonesia
Telp. (031) 5946230, Fax. (031) 5922941, E-mail: [email protected]
Abstrak
Getaran di sekitar kita sangat banyak terjadi dan tidak termanfaatkan, bahkan mengganggu.
Berdasar hal tersebut muncul gagasan bagaimana memanfaatkan getaran menjadi lebih berguna.
Potensi yang dimiliki getaran pun sangat besar karena bisa diaplikasikan hampir di setiap aspek kehidupan. Piezoelectric material adalah material yang apabila dikenai tegangan mekanik dapat menghasilkan energi listrik. Berdasar sifat tersebut pada Tugas Akhir ini piezomaterial akan dikenai gaya tekan yang berasal dari pegas dan putaran disk yang berputar secara eksentrik. Parameter yang divariasikan adalah susunan piezomaterial pada 1, 2, dan 3 lapisan, frekuensi gaya tekan sebesar 800, 900, dan 1000rpm, dan amplitudo sebesar 10, 12, dan 14mm. Dari Penelitian ini didapatkan Voltase Bangkitan Terbesar sebesar 161.57mV, Arus Terbesar 94.3μA, dan Output Daya 15.24μW yang dibangkitkan piezomaterial 3 susunan dengan Amplitudo 14mm dan putaran motor pada 1000rpm.
Sedangkan Voltase Bangkitan Terkecil sebesar 80mV, Arus Terkecil 48.8μA dan Output Daya 3.90μW yang dibangkitkan piezomaterial 1 susunan dengan Amplitudo 10mm dan putaran motor 800rpm.
Kata kunci : Getaran, piezoelectric, gaya tekan, susunan piezomaterial, disk eksentrik, frekuensi, voltase bangkitan
1. Pendahuluan
Di dunia ini banyak sekali getaran yang terjadi. Sebagai contoh getaran sering terjadi pada kendaraan, permesinan industri, struktur bangunan, dan alat – alat elektronik. Dan seringkali getaran tersebut hilang tanpa termanfaatkan begitu saja, bahkan menjadi sebuah masalah. Dari hal tersebut, terdapat potensi yang sangat besar dan dapat terus berkembang jika getaran tersebut dimanfaatkan menjadi hal yang lebih bermanfaat. Salah satunya dengan memanen (harvesting) getaran tersebut menjadi energi untuk dimanfaatkan kembali.
Energy Harvesting di dunia keteknikan sudah cukup berkembang pesat. Objeknya pun sudah cukup beragam mulai dari KERS (Kinetic Energy Recovery System), VERS (Vibration Energy Recovery System), dan TERS (Thermal Energy Recovery System).
Berdasar kenyataan bahwa banyak sekali getaran yang terjadi di sekitar kita, maka potensi yang dimiliki oleh VERS (Vibration Energy Recovery System)
sangatlah besar untuk terus berkembang, dan masih banyak fenomena energy harvesting pada getaran yang belum dilakukan.
Langkah yang diambil dalam VERS (Vibration Energy Recovery System) sendiri cukup beragam. Mulai dari digunakannya mekanisme, sifat – sifat magnet, hingga piezoelectric material. Piezoelectric material adalah material yang apabila dikenai gaya maupun defleksi mampu menghasilkan beda voltase. Berdasar sifat tersebut piezoelectric material sering digunakan pada sensor, actuator, dan juga pemanen energi. Dari strukturnya yang kecil dan ringan, banyak sekali lahan aplikasi yang bisa digunakan piezoelectric material. Contohnya pada tempat-tempat yang terbatas dan alat – alat yang berukuran kecil.
Salah satu cara dalam energy harvesting adalah dengan digunakannya energy converter berupa piezoelectric material yang diletakkan pada Mekanisme Pemanen Energi Getaran. Pada penelitian Tugas Akhir ini akan dilakukan studi
empirik pengaruh besar dan frekuensi gaya tekan terhadap energi yang dihasilkan piezoelectric material pada Mekanisme Pemanen Energi Getaran. Sehingga bisa didapat bagaimana cara memaksimalkan pemanenan energi agar lebih efektif.
2. Dasar Teori Gaya Pegas
Apabila sebuah benda A terpasang pada titik diam B oleh sebuah pegas.
Diasumsikan pegas tersebut tidak mengalami peregangan saat benda A berada pada Ao (Gambar 2.2.1).
Gambar 1. Gaya yang disebabkan oleh pegas
Percobaan eksperimen menunjukkan bahwa besar gaya F yang disebabkan oleh pegas pada benda A adalah sebandingdengan defleksi x yang dialami pegas dari posisi Ao. Maka didapat
F = kx
Dimana k adalah konstanta pegas, dengan satuan N/m jika sistem satuan yang digunakan adalah SI, dan lb/ft atau lb/in jika sistem satuan yang digunakan adalah US. Gaya F yang disebabkan oleh spring selama peregangan dari benda A1(x = x1) ke A2(x = x2) didapat dari
dU = - F dx = -kx dx U1-2 = - x1∫x2 kx dx = ½kx12
– ½kx22
Gerak Harmonik
Gerak harmonik sering dinyatakan sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak melingkar dengan kecepatan konstan terhadap suatu garis lurus seperti ditunjukkan pada gambar. Dengan kecepatan sudut garis op sebesar ω, perpindahan simpangan x dapat dituliskan sebagai :
x = A sin ωt Besaran ω diukur dalam radian per
detik dan disebut frekuensi lingkaran.
Karena gerak berulang dalam 2π radian, maka didapat hubungan :
π
fτ ω
= 2π
=2Kecepatan dan percepatan gerak harmonik dapat diperoleh secara mudah dengan menurunkan persamaan, sehingga didapat :
t A
x = ω cos ω
= )sin(
ω π
2ω
A t+ tA x=−
ω
2 sinω
=
ω
2A sin( ω t + π )
Gambar 2 Simpangan, kecepatan, dan
percepatan gerak harmonik
Gambar 3 Gerak Harmonik Periodik Pada gambar 3 menjelaskan 3 parameter, yaitu amplitude (x rms), amplitude (x peak), serta ampltudo (peak to peak).
Apabila masing-masing dihubungkan terhadap ketiga besaran analisa utama getaran (perpindahan, kecepatan dan percepatan), maka konversi dari nilai-nilai tersebut adalah sebagai berikut :
peak peak
rms x x
x 0.07
2 =
=
peak to peak
peak x
x = ×
2
1
peak peak
peak f x fx
V =2⋅
π
⋅ ⋅ =6.2832peak peak
peak
f x f x
a = 4 ⋅ π ⋅
2⋅ = 39 . 4784
2
Pada penelitian ini, eksitasi harmonik y(t) didapat dari disk yang berputar secara eksentrik, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar.
r rmak
rmin y(t)
β
Gambar 4 Eksitasi Gerak Harmonik Efek Piezoelectric
Pada dasarnya voltase bangkitan yang dihasilkan piezoelectric material disebabkan oleh adanya muatan yang berbeda – beda antar partikel dalam material piezoelectric itu sendiri. Dan ketika piezoelectric tersebut diberikan gaya eksternal maupun terdefleksi yang menyebabkan jarak antar partikel tersebut berubah baik itu semakin jauh maupun semakin dekat. Karena perubahan jarak inilah yang akan menyebabkan munculnya beda tegangan yang akan bisa dimanfaatkan di berbagai aplikasi.
Gambar 5 Tiap partikel Piezoelectric Material memiliki muatan yang berbeda –
beda
Gambar 6 Dimensi Piezomaterial Apabila properties piezomaterial dapat diketahui maka persamaan untuk perhitungan voltase bangkitan akibat gaya tekan untuk Thickness Extension Mode.
Maka persamaan dapat ditulis sebagai berikut :
3. Metodologi
Pada Tugas akhir ini hasil yang diinginkan adalah bagaimana mengetahui voltase bangkitan dan daya yang dihasilkan
pada suatu piezomaterial yang dikenai gaya tekan dalam bentuk getaran harmonik dengan besar dan frekuensi yang ditentukan.
Berdasar hal tersebut permodelan yang akan dilakukan adalah menggunakan pegas (spring) yang akan mengalami perubahan panjang dalam fungsi berupa gerak harmonik. Perubahan panjang inilah yang kemudian akan menjadi gaya tekan pada piezo material dan menimbulkan voltase bangkitan. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 7 Permodelan Mekanisme Selanjutnya adalah bagaimana susunan piezoelectric material yang akan digunakan.
Pada gambar 3.3 berikut ini adalah rencana penyusunan specimen piezoelectric material pada penelitian ini.
Gambar 8 Spesimen Piezoelectric untuk 1 susunan, 2 susunan, dan 3 susunan
Gambar 9 Spesimen Piezoelectric material yang hampir jadi dengan lapisan terluar
selotip.
Pangk on
Piezo
Isolato r
t
w l
Gambar 10 Spesimen yang sudah jadi. (Kiri ke kanan, specimen 1 susunan, 2 susunan, 3
susunan).
Dari Permodelan Pengujian yang telah direncanakan, selanjutnya akan disusun bagaimana cara mendapat mekanisme seperti yang telah dimodelkan sebelumnya.
Langkah yang diambil yaitu untuk mendapatkan gerak harmonic dari pegas akan digunakan disk eksentris dengan amplitude 10mm, 12mm, 14mm yang akan diputar dengan motor listrik DC dengan 800rpm, 900rpm, 1000rpm tertentu, dan konstanta pegas yang digunakan adalah sebesar 245 N/m.
Gambar 11 Model Disk Eksentrik yang Akan Digunakan dan Simulasi Gerak
Harmonis yang Ditimbulkan.
Setelah ditentukan permodelan mekanisme dan perencanaan pengujian yang akan dilakukan, langkah selanjutnya adalah merancang bagaimana merealisasikan rancangan atau desain tersebut. Adapun rancangan mekanisme yang telah direncanakan adalah sebagai berikut :
Gambar 12 Rancangan Mekanisme yang Sedang Diukur Dengan Oscilloscope
Gambar 13 Mekanisme Tampak Samping Gambar berikut adalah mekanisme yang telah selesai sesuai dengan perancangan yang telah direncanakan sebelumnya.
Gambar 14 Mekanisme yang telah direalisasi berdasar perencanaan yang telah
dibuat.
Untuk mengetahui voltase bangkitan akan digunakan oscilloscope. Untuk mengukur voltase pada specimen dengan piezoelectric yang lebih dari satu akan disusun secara parallel
Gambar 15 Metode Pengukuran Voltase Bangkitan pada 3 jenis susunan
piezoelectric
Motor
Disk Eksentrik Tuas Penekan Pegas
Piezomaterial
Dudukan Penahan
Piezomaterial
Oscilloscope
Secara keseluruhan apabila mekanisme dan peralatan lainnya digunakan dalam pengambilan data dapat dilihat seperti gambar berikut ini.
Gambar 16 Experiment Apparattus Seperti ditunjukkan oleh gambar tersebut, power supply akan menyalakan motor DC yang akan memutar disk Eksentrik. Perputaran Disk Eksentrik inilah yang akan menggerakkan pushing rod naik turun dan menekan pegas dalam tabung.
Akibat tekanan pada pegas inilah piezoelectric akan menghasilkan voltase bangkitan yang akan diukur dengan menggunakan oscilloscope. Stroboscope digunakan untuk melihat rpm motor DC sehingga putaran disk dapat disesuaikan dengan variasi frekuensi yang digunakan pada penelitian ini.
4. Hasil dan Pembahasan
Spesimen yaitu piezomaterial dengan berbagai susunan akan dihubungkan dengan probe pada Digital Oscilloscope, sehingga voltase yang dibangkitkan pada mekanisme bisa diketahui. Berikut ini adalah contoh grafik yang muncul pada Digital Oscilloscope pada pengambilan data spesimen piezomaterial 2 susunan, dengan amplitudo 14 mm pada 900 rpm.
Gambar 4.11 Contoh Hasil Pengambilan Data pada Oscilloscope
Untuk selengkapnya pada tabel 4.4 ditampilkan keseluruhan pengambilan data voltase bangkitan pada tiap – tiap variasi.
Yaitu piezomaterial pada 1 susunan, 2 susunan, dan 3 susunan, amplitudo 10 mm, 12 mm, dan 14 mm, serta putaran motor pada 800 rpm, 900 rpm, dan 1000 rpm.
Data yang ditampilkan adalah voltase efektif yang bisa dimanfaatkan yaitu voltase rata – rata ( RMS ), dan voltase maksimum yang mungkin ditimbulkan pada tiap – tiap variasi mekanisme.
Gambar 17 Grafik Voltase Bangkitan pada tiap Variasi Susunan Piezomaterial Gambar diatas adalah grafik 3 Dimensi data pengujian untuk tiap variasi amplitudo, putaran motor, dan susunan piezomaterial yang telah dilakukan. Voltase terkecil dibangkitkan oleh piezomaterial 1 susunan pada amplitudo 10mm dan 800 rpm, sedangkan voltase terbesar dibangkitkan oleh piezomaterial 3 susunan pada amplitudo 14mm dan 1000 rpm. Dari grafik tersebut dapat disimpulkan bahwa semakin besar amplitudo dan putaran motor maka voltase yang dibangkitkan juga akan semakin besar. Dari grafik tersebut juga dapat ditarik kesimpulan bahwa dengan susunan lapisan yang lebih banyak akan menghasilkan voltase bangkitan yang besar pula. Hal ini sesuai prinsip bahwa apabila 2 sumber voltase di paralel (misal baterai) maka voltasenya juga akan semakin besar.
5. Konklusi
Dari pengujian pada mekanisme pemanen getaran Tren menunjukkan bahwa semakin besar amplitudo, putaran motor, dan variasi lapisan maka akan semakin besar voltase yang dibangkitkan pada mekanisme. Dan peningkatan arus bangkitan yang paling signifikan adalah dengan peningkatan frekuensi putaran motor.
Daftar Pustaka
[1]D. Dimargonas, Andrew, “Vibration for Engineers”, Prentice Hall PTR, New jersey, 2002.
[2]Kinbrell, Jack T., “Kinematics Analysis and Synthesis”, McGraw-Hill Inc, New York, 1991.
[3]S. Rao, Singiresu, “Mechanical Vibration”, Prentice Hall PTR, Singapore, 2004.
[4]Yang, Jiashi, “An Introduction To The Theory of Piezoelectricity”, Springer Science+Business Media Inc., Boston. 2005.
[5]Ferdinand, “Vector Mechanics – Kinematics
& Dynamics” Sixth Edition. McGraw-Hill, New York, 2003.
[6]Dong Guk, Kim, “Energy Harvesting Strategy Using Piezoelectric Element Driven by Vibration Method”, Korea Institute of Machinery & Material, Daejeon, 2009.
[7]Hwan Kim, Sung, “Low Power Energy Harvesting with Piezoelectric Generator”, University of Pittsburgh, Pittsburgh, 2002.
