Studi Eksperimental Pengaruh Frekuensi dan Amplitudo Getaran Pada Material Multilayer Piezoelectric Terhadap Energi yang DIbangkitkan.

Studi Eksperimental Pengaruh Frekuensi dan

Amplitudo Getaran Pada Material Multilayer

Piezoelectric Terhadap Energi yang DIbangkitkan

.

Disusun oleh :

Sidang Tugas Akhir Bidang Studi : Desain

Bagus Dwinanda Anugrah NRP. 2107.100.070

Dr.Eng. Harus Laksana Guntur, ST, M.Eng.

Dosen Pembimbing : Disusun oleh :

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

Latar Belakang

Mesin Industri Struktur Bangunan Transportasi Gaya Eksitasi Bangunan Peralatan Elektronik Gelombang Laut Getaran Kecepatan Percepatan Perpindahan

E N E R G I

2

Latar Belakang

Microelectro Mechanical System (MEMS) • Ukuran sangat kecil • Flexible Vibration Energy Belum banyak digunakan dalam Energy Harvesting

Electromagnetic • Sifat Magnet

• Ukuran tertentu

Mekanisme • Ukuran Besar

• Biaya Mahal Vibration Energy Recovery System (VERS) Diperlukan penelitian

Perumusan Masalah



Bagaimana permodelan dan perancangan

mekanisme pemanen energi getaran

dengan

menggunakan

piezoelectric

material.



Bagaimana agar Energi bangkitan yang

dihasilkan didapat paling optimal.

Batasan Masalah

Energi listrik yang dicari adalah voltase dan arus listrik yang dibangkitkan

Gaya tekan yang terjadi dianggap gaya terdistribusi pada piezoelectric.

piezoelectric.

Parameter yang divariasikan adalah Susunan

Piezomaterial, amplitudo getaran dan frekuensi getaran. Tidak ada lonjakan antara disk eksentrik denganTuas

Tujuan Tugas Akhir

Mengetahui pengaruh perubahan frekuensi dan besar gaya tekan terhadap Energi bangkitan yang dihasilkan oleh piezoelectric material.

Mengetahui pengaruh susunan Mengetahui pengaruh susunan Piezomaterial terhadap Energi yang dihasilkan oleh piezoelectric material.

Mengetahui parameter apa yang terbaik agar didapat voltase bangkitan yang paling optimal.

Manfaat Tugas Akhir

Mengetahui karakteristik susunan piezomaterial, amplitudo getaran, dan frekuensi getaran yang efektif agar didapat voltase bangkitan yang paling efektif

pada Mekanisme Pemanen Energi Getararan dengan piezoelectric material.

Memberikan suatu alternatif metode harvesting dengan memanfaatkan Microelectro Mechanical System berupa piezoelectric material.

Hasil tugas akhir ini akan menjadi dasar penelitian lebih lanjut dalam penggunaan piezoelectric material sebagai energy harvester dan sensor getaran.

Kajian Terdahulu

PAPER

Kim Dong Guk, dkk

“Energy Harvesting Strategy Using Piezoelectric Element Driven by Vibration Method”

Korea Institute of Machinery & Material (2009)

Piezoelectric Generator yang menggunakan prinsip defleksi pada Cantilever Beam.

Kajian Terdahulu

Hasil yang didapat Kim Dong Guk(2009)

Memberikan

KarakteristikVoltage dengan variasi : a) Cantilever length, 150mm; (b) Cantilever

Memberikan saran apabila getaran berasal dari motor, sebaiknya putaran berada dibawah 1200 rpm. 9

Kajian Terdahulu

DISERTASI Sung Hwan Kim

“Low Power Energy Harvesting with Piezoelectric Generators”

University of Pittsburgh (2002)

Menggunakan prinsip tekanan fluida pada permukaan piezoelectric dengan variasi luasan

diafragma piezoelectric material.

Kajian Terdahulu

Percobaan Sung Hwan Kim (2002)

Kajian Terdahulu

Hasil yang didapat Sung Hwan Kim (2002)

9.65 Kpa 0.0020276 m2 _{19.57 N}

Menyatakan bahwa BESAR TEKANAN tidak selalu meningkatkan voltase yang dibangkitkan. Tetapi juga FREKUENSI kerjanya yang masih diperlukan penelitian lebih lanjut.

Dasar Teori

2 Hal Teori Mendasar Yang sangat dibutuhkan Dalam Penyusunan Tugas Akhir ini adalah :

Dasar Teori

Getaran (Vibration)

 _{Gerakan Bolak – balik melalui titik kesetimbangannya}

0  kx x m K m K C m 0   kx x m  m x  kx  cx  f ( t ) 14 f(t) .

Dasar Teori

Gaya Pegas

F = kx

dU = - F dx = -kx dx

U

_1-2

= -

_x1

∫

x2

_{kx dx = ½kx}

12

– ½kx

22

Dasar Teori

Gerak Harmonik

x = A sin ωt

=

x = A sin ωt

t A x   cos ₎ 2 sin(  A t  t A x  



2 sin







2

_A

_sin(



_t





₎

= =

Simpangan, kecepatan, dan percepatan harmonik 16

Dasar Teori

Gerak Harmonik

PermodelanTugas Akhir

Dasar Teori

Piezoelectric

Piezoelectric adalah material yang dapat menghasilkan energi listrik apabila diberi tegangan mekanik & dapat menghasilkan deformasi mekanik bila diaplikasikan tegangan listrik (reverse effect).

Dasar Teori

Dasar Teori

Piezoelectric

1. Kristal seperti Quartz (SiO2), Galium Orthoposphate

Jenis – Jenis Piezoelectric Bentuk – bentuk Piezoelectric Galium Orthoposphate

(GaPO4)

2. Keramik seperti Barium Titanate (BaTiO3), Lead ZirconateTitanate (PZT)

3. Polimer seperti Polyvinilidene Diflouride (PVDF)

Strip, disc, bar, cylindrical, cubic, dan column

Pi

ez

oe

le

ctr

ic

Voltase Bangkitan

Pi

ez

oe

le

ctr

ic

Dasar Teori

Piezoelectric

Mode Coupling

PadaTugas Akhir ini digunakan Mode 33,

karena piezoelectric dikenai gaya tekan.

Dasar Teori

Piezoelectric

Property Piezoelectric

Metodologi

Secara umum, pengerjaan tugas akhir ini digambarkan dalam diagram alir berikut:

Flowchart Tugas Akhir secara Global.

Metodologi

Permodelan Mekanisme

Getaran

l

Gerak

Harmonik

Defleksi

Pegas

Fspring t w

Metodologi

Spesimen Piezoelectric Material

Pangkon Piezo

26

Metodologi

Perencanaan Pengujian

Gerak Harmonik Pegas Putaran Motor Disk Eksentrik 800, 900, 1000 rpm Frekuensi 10, 12, 14 mm Amplitudo

Metodologi

Perencanaan Pengujian

Proses PengambilanVoltase Bangkitan

Oscilloscope

Proses Pengambilan data voltase bangkitan akan dilakukan dengan alat bantu Digital Oscilloscope

28

Metodologi

Metodologi

Mekanisme Jadi

Metodologi

Metodologi

Experiment Apparattus

Metodologi

Flowchart Pengambilan Data

Metodologi

Video Pengambilan Data

Perhitungan Konstanta Pegas

x₀ = 6.5 cm = 0.065 m

x₁ = 6.9 cm = 0.069 m M = 100gr = 0.1 kg g = 9.8 m/s2

sehingga dari persamaan yang telah ada konstanta pegas menjadi :

M

Perhitungan Preload

k = 245 N/m

∆x_o = 3 mm = 0.003 m

Sehingga dari persamaan yang telah ada preload pegas menjadi :

∆x_o

36

Perhitungan Gaya TekanTotal

k = 245 N/m F_o = 0.735 N ∆x1 = 10 mm = 0.01 m ∆x2 = 12 mm = 0.012 m ∆x3 = 14 mm = 0.014 m

Dengan persamaan sebagai berikut :

∆x Konstanta pegas 245 N/m Preload 0.735 N Maximum Force (10mm) 3.185 N Maximum force (12mm) 3.675 N Maximum force (14mm) 4.165 N

PerhitunganVoltase BangkitanTeoritis

t w l g₃₁ = -0.33 (V/m)/(N/m2₎ T = 0.00008 m p = 0.01 m w = 0.01 m k = 245 N/m F_o = 0.735 N A1 = 10 mm = 0.01 m A2 = 12 mm = 0.012 m A3 = 14 mm = 0.014 m ω1 = 800 rpm = 83.81 rad/s 38 ω1 = 800 rpm = 83.81 rad/s ω2 = 900 rpm = 94.29 rad/s ω3 = 1000 rpm = 104.76 rad/s

Apabila gaya tekan berubah menurut fungsi waktu maka persamaan gaya tekan yang dipergunakan menjadi :

Voltase BangkitanTeoritis

Perhitungan RMS

Ndata

y

rms





2 Time ( s ) V (mV) V^2 40 0 127 16129 0.1 -388 150544 0.2 638 407044 0.3 135 18225 … … … Σ V² Σ V²/ Ndata RMS ( mV ) 4010340 190968.6 436.99

Voltase BangkitanTeoritis

putaran motor ( rpm )

Amplitudo

10 mm 12 mm 14 mm

max ( mV ) rms ( mV ) max ( mV ) rms ( mV ) max ( mV ) rms ( mV ) 800 370.77 494.49 483.73 577.58 596.69 662.24 900 386.63 494.76 502.76 580.84 618.89 667.64 1000 390.18 495.69 507.03 582.14 623.87 669.15

Rpm Motor Amplitudo Variasi Piezo Voltase Bangkitan (mV) (rms) (maksimal) 800 rpm 10 mm 1 80 207 2 97.98 232 3 105.83 368 12 mm 1 84.29 208 2 98.63 344 3 111.43 320 14 mm 1 85.04 208 2 101.19 304 3 121.06 528 10 mm 1 89.8 304 2 103.38 408 3 113.1 400 1 91.56 288 42 900 rpm 12 mm 1 91.56 288 2 106.13 336 3 127 328 14 mm 1 93.64 256 2 109.98 410 3 137.87 464 1000 rpm 10 mm 1 97.32 288 2 113.7 360 3 149.35 523 12 mm 1 99.92 256 2 117.58 472 3 156.56 520 14 mm 1 109.98 328 2 133.87 376 3 161.57 565

Rpm Motor Amplitudo Variasi Piezo Arus (μA) 800 rpm 10 mm 1 48.8 2 53.9 3 55.5 12 mm 1 54.3 2 55.6 3 57 14 mm 1 55.1 2 57.7 3 59 10 mm 1 67 2 69.3 3 70.5 44 900 rpm 3 70.5 12 mm 1 68.5 2 71.3 3 73.9 14 mm 1 72.6 2 74.3 3 75.7 1000 rpm 10 mm 1 85.7 2 86.1 3 88.8 12 mm 1 85 2 89.4 3 91.2 14 mm 1 90.7 2 91 3 94.3

D

ay

a

M

ek

an

ism

e

Rpm Motor Amplitudo Variasi

Piezo

Voltase

Bangkitan (mV) Arus (μA)

Output Daya (μW) 800 rpm 10 mm 1 80 48.8 3.904 2 97.98 53.9 5.281122 3 105.83 55.5 5.873565 12 mm 1 84.29 54.3 4.576947 2 98.63 55.6 5.483828 3 111.43 57 6.35151 14 mm 1 85.04 55.1 4.685704 2 101.19 57.7 5.838663 3 121.06 59 7.14254 900 rpm 10 mm 1 89.8 67 6.0166 2 103.38 69.3 7.164234 3 113.1 70.5 7.97355 12 mm 1 91.56 68.5 6.27186 2 106.13 71.3 7.567069

O

utp

ut

D

ay

a

46 900 rpm 3 127 73.9 9.3853 14 mm 1 93.64 72.6 6.798264 2 109.98 74.3 8.171514 3 137.87 75.7 10.436759 1000 rpm 10 mm 1 97.32 85.7 8.340324 2 113.7 86.1 9.78957 3 149.35 88.8 13.26228 12 mm 1 99.92 85 8.4932 2 117.58 89.4 10.511652 3 156.56 91.2 14.278272 14 mm 1 109.98 90.7 9.975186 2 133.87 91 12.18217 3 161.57 94.3 15.236051

Grafik Perbandingan SeluruhVariasi Mekanisme

Kesimpulan

Energi terbesar yang dapat dibangkitkan oleh mekanisme adalah sebesar 161.57mV, 94.3μA, dan daya output 15.24μW yang dibangkitkan dengan variasi amplitudo 14mm, frekuensi 1000rpm pada piezomaterial 3 susunan.

Dengan semakin besar Amplitudo getaran, maka voltase yang dibangkitkan mekanisme akan semakin besar pula. Karena semakin besar amplitudo, akan semakin besar gaya yang menekan piezo dimana gaya tekan berbanding lurus dengan voltase bangkitan. yang menekan piezo dimana gaya tekan berbanding lurus dengan voltase bangkitan.

Semakin besar frekuensi pada mekanisme, maka voltase yang dibangkitkan mekanisme akan semakin besar pula. Karena semakin besar frekuensi, akan semakin besar RMS dari voltase bangkitan.

Semakin banyak lapisan piezomaterial, maka voltase dan arus bangkitan mekanisme akan semakin besar pula. Hal ini dikarenakan tiap piezomaterial akan menghasilkan voltase dan arus sendiri, dan apabila disatukan maka energi yang dibangkitkan akan terakumulasi sehingga menjadi lebih besar.

Kesimpulan ( Lanjutan )

Untuk mendapatkan arus bangkitan yang paling signifikan, sebaiknya dilakukan dengan meningkatkan frekuensi mekanisme. Hal ini disebabkan karena semakin besar putaran motor, maka frekuensi gaya tekan yang dialami piezoelectric material juga akan semakin sering, sehingga arus yang dihasilkan akan semakin intens pula.

Terdapat perbedaan antara voltase bangkitan pada perhitungan dengan aktual pada pengujian. Hal ini dikarenakan adanya kemungkinan gesekan pushing rod dengan tabung sehingga gaya tekan tidak optimal. Selain itu juga dikarenakan adanya kemungkinan rugi – rugi pada komponen elektronik, sehingga voltase yang dibangkitkan tidak maksimal

Saran

Pada penelitian selanjutnya sebaiknya

ditambah

komponen

elektronik

penyearah arus, sehingga output listrik

bisa dimanfaatkan langsung.

Sebaiknya material mekanisme dibuat

lebih rigid, sehingga ketika mekanisme

dijalankan tidak terlalu membebani

komponen yang ada pada mekanisme.

Daftar Pustaka

 D. Dimargonas, Andrew, “Vibration for Engineers”, Prentice Hall PTR, New jersey, 2002.

 Kinbrell, Jack T., “Kinematics Analysis and Synthesis”, McGraw-Hill Inc, New York, 1991.

 S. Rao, Singiresu, “Mechanical Vibration”, Prentice Hall PTR, Singapore, 2004.

 Yang, Jiashi, “An Introduction To The Theory of Piezoelectricity”, Springer Science+Business

Media Inc., Boston. 2005. Media Inc., Boston. 2005.

 Ferdinand, “Vector Mechanics – Kinematics & Dynamics” Sixth Edition. McGraw-Hill, New

York,2003.

 Kim, SungHwan, “Low Power Energy Harvesting with Piezoelectric Generators”, University of

Pittsburgh, Pittsburgh, 2002.

 Kim, Dong-Gun dkk. “Energy Harvesting Strategy Using Piezoelectric Element Driven by

Vibration Method”, Korea Institute of Machinery & Material, Daejeon, 2009.

MohonSaran

dan

Kritik yang

Kritik yang

membangun

 BerdasarTabel Mechanical Properties dapat diketahui batas minimum

tegangan dimana material PVDF akan mengalami mulur (Yield Strength) adalah 45-55 x 106 _N/m2_{. Dengan gaya tekan maksimum yang dialami}

material PVDF adalah 2,744 N ( pada konstanta pegas terbesar 196 N/m2 _{), maka apabila PVDF memiliki dimensi sebagai berikut :}

 Tebal ( T ) = 0.00008 m

56

 Panjang ( P ) = 0.01 m

 Lebar ( W) = 0.01 m



 Maka Stress maksimum yang dialami piezo pada luasan 0.000144

m2 _{adalah 19055.56 N/m}2_{,dimana nilai ini lebih kecil dari Yield Strength}

PVDF. . Dengan demikian PVDF masih dalam batas wajar dan tidak akan mengalami mulur (Yield), sehingga permodelan dapat diterima.

 Kepresisian Pegas

 Pada permodelan, diameter dalam silinder yang digunakan adalah sebesar 14mm.

Untuk meningkatkan kepresisian peletakan pegas agar tetap di tengah (centre), digunakan pegas dengan diameter 13mm. Ujung kawat pegas yang digunakan juga berimpit dan tidak membentuk tirus. Sehingga pada praktiknya susunan pegas dan silinder akan terlihat sebagai berikut :

Berimpit

 Seperti terlihat pada gambar, dengan diameter yang mendekati pegas dan ujung pegas

yang berimpit akan menjaga pegas tetap berada ditengah dan gaya tekan yang dialami piezo selalu berada pada tempat yang sama.



Defleksi Maksimum Pegas



Pegas yang digunakan memiliki panjang 6.5 cm. Setelah

dilakukan pengukuran, diketahui panjang minimal pegas

setelah mengalami defleksi maksimum adalah 2 cm. Berarti

defleksi maksimum yang bisa dialami pegas adalah sebesar

58

defleksi maksimum yang bisa dialami pegas adalah sebesar

4.5. Dengan demikian adanya variasi pegas sebesar 10 mm,

12 mm, dan 14 mm dapat diterima karena tidak melebihi

defleksi maksimum pegas yang digunakan.

 Seperti pada gambar, apabila sebuah massa digantung pada sebuah pegas

dan bergerak dengan gerak harmonik pada amplitudo yang sama, maka yang akan berbeda adalah panjang gelombangnya. Frekuensi yang tinggi yang akan berbeda adalah panjang gelombangnya. Frekuensi yang tinggi dalam membentuk 1gelombang (1 puncak dan 1 lembah) membutuhkan waktu yang singkat atau dengan kata lain panjang gelombangnya pendek. Sedangkan Frekuensi yang lebih rendah membutuhkan waktu yang lebih lama atau dengan kata lain panjang gelombangnya panjang. Dapat dilihat pada gambar, pada frekuensi tinggi dapat membentuk 2,5 gelombang, sedangkan frekuensi rendah hanya membentuk kurang dari 2 gelombang pada waktu yang sama. Hal ini lah yang akan diteliti lebih lanjut karena masih belum ada penelitian yang meneliti fenomena beda panjang gelombang pada piezoelectric.

60

lamda (m) v (km/jam) v (m/s) t = lamda/v (s) f = 1/t (hz) 2 phi w (rps) w (rpm)

2.3 5 1.388888889 1.656 0.603864734 2 3.142857143 3.795721187 227.7432712

2.3 17.56363636 4.878787879 0.471428571 2.121212121 2 3.142857143 13.33333333 800

2.3 19.75909091 5.488636364 0.419047619 2.386363636 2 3.142857143 15 900