ALAT PERAGA OSCILLATING WATER COLUMN UNTUK MATA KULIAH ENERGI BARU DAN TERBARUKAN. oleh Wang Darmasin Gunadi NIM:

(1)

ALAT PERAGA OSCILLATING WATER COLUMN UNTUK MATA KULIAH ENERGI BARU DAN TERBARUKAN

oleh

Wang Darmasin Gunadi NIM: 612010023

Skripsi

Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer

Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga

(2)

(3)

(4)

(5)

i

INTISARI

Krisis global yang dihadapi oleh dunia saat ini adalah global warming dan krisis energi.

Sebagian besar wilayah Indonesia merupakan Lautan. Mata kuliah Energi Baru dan Terbarukan merupakan mata kuliah baru di FTEK-UKSW pada awal tahun 2014. Dosen pengampu berpandangan bahwa perlunya alat peraga yang dapat memberikan pemahaman dan gambaran secara nyata dan jelas dari teori yang didapat pada perkuliahan, Khususnya mahasiswa FTEK-UKSW. Oleh sebab itu, dalam skripsi ini direalisasikan sebuah alat

peraga Oscillating Water Column.

Alat yang dirancang adalah sebuah wadah (kotak) berisi air sebagian. Dalam wadah tersebut, air yang diam diubah menjadi air yang bergelombang menyerupai ombak laut.

Motor Power Window sebagai penggeraknya. Gelombang air yang berosilasi akan

dikonversikan menjadi energi baru (energi angin) pada kolom udara, sehingga turbin yang terletak pada bagian atas lubang kolom udara berputar dan menghasilkan energi baru yaitu

energi listrik. Energi listrik dipanen dengan menggunakan supercapacitor yang nantinya

akan digunakan untuk menghidupkan LED 1 watt. Dilakukan pengukuran arus dan

tegangan pada alat pembuat gelombang, keluaran generator, supercapacitor dan beban

sebagai pedoman praktikum Energi Baru dan Terbarukan. Pengukuran dilakukan sebanyak 3 kali dengan perubahan kecepatan motor yang telah ditentukan.

Hasil pengujian yang telah dilakukan, konfigurasi yang dipilih adalah PWM cepat yaitu 100%, kondisi surut tanpa beban karena mempunyai daya keluaran generator yang maksimal yaitu 112 mWatt.

(6)

ii

ABSTRACT

The global crisis faced by the world today is global warming and the energy crisis. Most of Indonesia is the Ocean. Subjects New and Renewable Energy is a new course in FTEK-UKSW in early 2014. Lecturer the opinion that the necessity of props that can provide insight and tangible and clear description of the theory learned in lectures, student Particularly FTEK-institution. Therefore, in this thesis realized an Oscillating Water Column props.

Tool designed is a container partially filled with water. In the container, standing water is converted into water that resemble ocean waves surging. Motor Power Window as a driving force. Wave oscillating water will be converted into new energy (wind energy) on a column of air, so that the turbine located at the top of the rotating column of air holes and generate new energy that is electrical energy. Electrical energy harvested by using a supercapacitor which will be used to turn the LED 1 watt. Current and voltage measurements performed on a wave maker, generator output, supercapacitor and load as practical guidelines for New and Renewable Energy. Measurements were performed 3 times with changes in motor speed that has been determined.

Results of the testing that has been done, the selected configuration is fast PWM is 100%, no-load conditions recede because it has a generator maximum power output is 112 mili-Watts.

(7)

iii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Allah Bapa, Yesus Kristus dan Roh Kudus atas segala hikmat, karunia, mujizat dan penyertaanNya sehingga skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik. Segala yang telah dicapai oleh penulis tidak terlepas dari dorongan semangat, bantuan , perhatian dan dukungan dari berbagai pihak. Maka, perkenankanlah penulis menyampaikan rasa ucapan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Pembimbing I, Bapak Deddy Susilo, S.T., M.Eng dan pembimbing II, Bapak

Ir. Lukas B.Setyawan, M.Sc Terima kasih atas bimbingan, arahan, saran, nasihat, waktu dan kesabaran yang telah diberikan kepada penulis.

2. Terima kasih yang tidak terhingga untuk Ayah Ong Bing Gie di surga yang

selalu bersama menemani dan Ibu Tjahja Rini Kijoetami, atas segala perhatian,

dorongan semangat, dukungan material dan doa. Kiranya Tuhan Yesus senantiasa memberkati.

3. Terimakasih yang sebesar-besarnya untuk Paman Bing Kiem (Buana Wang)

dan Isterinya Bibi Julik, Paman Guan dan Isterinya Bibi Lely Lianawati,

Paman Bing Seng dan Bibi Nanik Lianawati, Paman Buana Heksa dan isterinya Bibi Rita serta Paman Liep dan Bibi Jiu, atas segala dorongan semangat, dukungan material, saran, waktu dan doa. Kiranya Tuhan Yesus senantiasa memberkati.

4. Kakakku yang terkasih, Wang Yanuar Gunadi. Terima kasih untuk dukungan,

saran, waktu dan doa serta kasihnya.

5. Terimakasih untuk Bapak Yohanes Bengkel Queen, Tingkir, Salatiga, atas

segala dukungan material, pikiran, waktu dan doa.

6. Terimakasih kepada Bapak Pdt. Surya Kusuma, atas dukungan doa, kasih dan

semangatnya.

7. Teman-teman Epafras, terimakasih atas segala dukungan doa, kasih dan

(8)

iv

8. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK, Mbak Rista, Mbak Dita, Mbak

Yola, Pak Budi, Pak Harto, Pak Bambang, Mas Hari.

9. Teman-teman angkatan 2010, “ Ayo cepetan LULUS! ”.

10. Pihak-pihak yang tidak bisa disebutkan satu per satu, yang turut andil dalam usaha penulis menyelesaikan studi di Universitas Kristen Satya Wacana.

Selama studi dan penulisan tugas akhir ini, tentunya ada begitu banyak pihak yang membantu penulis. Penulis mengucapkan terimakasih.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata “sempurna”, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran dari pembaca sekalian sehingga skripsi ini dapat berguna bagi kemajuan teknik elektronika.

Salatiga, Oktober 2015

(9)

v

DAFTAR ISI

INTISARI i

ABSTRACT ii

KATA PENGANTAR iii

DAFTAR ISI v

DAFTAR GAMBAR vii

DAFTAR TABEL xi

DAFTAR ISTILAH xii

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1. Tujuan ... 1

1.2. Latar Belakang ... 1

1.3. Batasan Masalah ... 3

1.4. Sistematika Penulisan ... 3

BAB II DASAR SISTEM 5 2.1. Prinsip Bernoulli ... 5

2.2. Wave Motion ... 8

2.3. Wave Energy and Power ... 13

2.4. ACS712 ... 16

2.5. PCDUINO3 ... 18

BAB III PERANCANGAN ALAT 20 3.1. Gambaran Alat ... 20

3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras ... 21

3.2.1. Perangkat Keras Modul Mekanik ... 21

3.2.2. Perangkat Keras Modul Elektronik ... 24

3.2.2.1. Pengendali Utama ... 24 3.2.2.2. Sensor Arus ... 25 3.2.2.3. Sensor Tegangan ... 27 3.2.2.4. IC Mux 4067 ... 28 3.2.2.5. Sensor Kecepatan ... 30 3.2.2.6. Storage System ... 30 3.2.2.7. Aktuator ... 33

(10)

vi

3.3.1. Perangkat Lunak pcDuino ... 36

BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS 41 4.1. Pengujian Dimensi Mekanik Oscillating Water Column ... 41

4.2. Pengujian Keluaran Generator ... 43

4.3. Pengujian ADC pcDuino ... 44

4.3.1. Pengujian ADC dengan Nilai Tegangan pada Multimeter ... 44

4.3.2. Pengujian Konversi Tegangan pcDuino dengan Nilai Tegangan Multimeter. ... 45

4.4. Pengujian Sensor ACS712 ... 46

4.5. Pengujian Konverter Tegangan ... 49

4.5.1. Pengujian Konverter Tegangan 5 VDC to 3.3 VDC ... 49

4.5.2. Pengujian Konverter Tegangan 12 VDC to 3.3 VDC ... 51

4.6. Pengujian Keseluruhan Sistem ... 52

4.6.1. Pengujian Keseluruhan Sistem dengan PWM Cepat ... 52

4.6.2. Pengujian Keseluruhan Sistem dengan PWM Sedang ... 57

4.6.3. Pengujian Keseluruhan Sistem dengan PWM Lambat ... 62

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 67 5.1. Kesimpulan ... 67 5.2. Saran Pengembangan ... 67 DAFTAR PUSTAKA 69 LAMPIRAN A 71 LAMPIRAN B 84 LAMPIRAN C 92

(11)

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Ilustrasi konservasi energi: aliran naik dari 𝐳_𝟏 ke 𝐳_𝟐 6

Gambar 2.2. Permukaan Gelombang air 8

Gambar 2.3. Karakteristik Gelombang 9

Gambar 2.4. Gaya Resultan pada permukaan partikel 9

Gambar 2.5. Percepatan dan kecepatan dari partikel permukaan air 9

Gambar 2.6. Dasar gerakan air, menunjukkan penurunan eksponensial amplitude dengan

kedalaman 13

Gambar 2.7. Tabel sensitivitas keluaran pada ACS712 16

Gambar 2.8. Block Diagram ACS712 16

Gambar 2.9. Deskripsi pin-out ACS712 17

Gambar 2.10. Grafik keluaran tegangan ACS712 terhadap arus yang mengalir 17

Gambar 2.11. Grafik sensitivitas tegangan keluaran terhadap arus pada ACS712 18

Gambar 2.12. Perangkat pcDuino3 tampak depan 19

Gambar 2.13. Perangkat pcDuino3 tampak belakang 19

Gambar 3.1. Blok diagram keseluruhan alat yang dirancang 21

Gambar 3.2. Desain mekanik tampak depandan keterangan 22

Gambar 3.3. Realisasi mekanik keseluruhan Oscillating Water Column tampak samping 22

Gambar 3.4. Realisasi mekanik keseluruhan Oscillating Water Column tampak atas

kanan 23

Gambar 3.5. Realisasi mekanik keseluruhan Oscillating Water Column tampak atas kiri 23

Gambar 3.6. Skema pcDuino 25

Gambar 3.7. Rangkaian pada ACS712 26

Gambar 3.8. Realisasi rangkaian ACS712 26

Gambar 3.9. Rangkaian sensor tegangan dengan converter 5VDC to 3,3VDC 27

Gambar 3.10. Rangkaian sensor tegangan dengan converter 12VDC to 3,3VDC 28

Gambar 3.11. Realisasi rangkaian sensor tegangan 28

Gambar 3.12. Skema input dan output pada IC4067 29

Gambar 3.13. Realisasi rangkaian mux 4067 29

Gambar 3.14. Realisasi Sensor Proximity sebagai sensor kecepatan 30

Gambar 3.15. Rangkaian Boost Converter 31

(12)

viii

Gambar 3.17. Rangkaian Storage system pada supercapacitor dengan beban 32

Gambar 3.18. Realisasi Storage system pada supercapacitor dengan beban 32

Gambar 3.19. Realisasi motor power window 33

Gambar 3.20. Rangkaian driver motor 34

Gambar 3.21. Realisasi driver motor 34

Gambar 3.22. Realisasi lubang piringan 35

Gambar 3.23. Realisasi lubang tuas penggerak 35

Gambar 3.24. Realisasi turbin 36

Gambar 3.25. Diagram alir subrutin controller pengukuran 39

Gambar 3.26. Diagram alir subrutin controller PWM 40

Gambar 4.1. Pengujian panjang mekanik Oscillating Water Column 41

Gambar 4.2. Pengujian lebar mekanik Oscillating Water Column 42

Gambar 4.3. Pengujian tinggi mekanik Oscillating Water Column 42

Gambar 4.4. Grafik arus terhadap beban 43

Gambar 4.5. Grafik tegangan terhadap beban 43

Gambar 4.6. Grafik Nilai ADC terhadap Nilai Tegangan Multimeter 45

Gambar 4.7. Grafik ADC konversi Tegangan terhadap Nilai Tegangan Multimeter 46

Gambar 4.8. Grafik Konversi Arus ACS1, ACS2, ACS3, ACS4, ACS5 dengan Nilai

Arus pada Multimeter terhadap Beban Resistor yang Terpasang 47

Gambar 4.9. Grafik Konversi Arus ACS1, ACS2, ACS3, ACS4, ACS5 dengan Nilai Arus pada Multimeter terhadap Beban Resistor yang Terpasang Setelah Pendekatan

Pengukuran 49

Gambar 4.10. Grafik Keluaran konverter 5VDC to 3.3 VDC terhadap InputSupply 50

Gambar 4.11. Grafik Keluaran konverter 12VDC to 3.3 VDC terhadap InputSupply 52

Gambar 4.12. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa

Beban 53

Gambar 4.13. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa

Beban 53

Gambar 4.14. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut

dengan Beban 54

Gambar 4.15. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut dengan

(13)

ix

Gambar 4.16. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang

tanpa Beban 55

Gambar 4.17. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang tanpa

Beban 56

dengan Beban 56

Gambar 4.19. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Pasang dengan

Beban 57

Beban 58

Gambar 4.21. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa

Beban 59

Gambar 4.22. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut

dengan Beban 59

Beban 60

tanpa Beban 60

Beban 61

dengan Beban 61

Beban 62

Beban 63

Gambar 4.29. Grafik Arus Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut tanpa Beban 63 Gambar 4.30. Grafik Tegangan Keseluruhan Sistem Selama 8 menit Kondisi Surut

dengan Beban 64

(14)

x

tanpa Beban 65

Beban 65

dengan Beban 66

(15)

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Konfigurasi penggunaan pin pcDuino3 pada bagian pengendali utama 25

Tabel 4.1. Keluaran Turbin terhadap beban 43

Tabel 4.2. Keluaran pin ADC pcDuino dengan nilai tegangan multimeter 44

Tabel 4.3. Keluaran pin ADC pcDuino berupa tegangan dengan nilai tegangan

multimeter 45

Tabel 4.4. Keluaran konversi arus ACS1, ACS2, ACS3, ACS4, ACS5 dengan nilai arus

pada multimeter 47

Tabel 4.5. Keluaran konversi arus ACS1, ACS2, ACS3, ACS4, ACS5 dengan nilai arus

pada multimeter seletah pendekatan pengukuran 48

Tabel 4.6. Keluaran konverter 5 VDC to 3.3 VDC terhadap inputsupply 50

(16)

xii

DAFTAR ISTILAH

𝐸_𝐾 Kinetic Energy

𝐸𝑃 Potential Energy 𝑬_𝒇 Friction Energy

ADC Analog to Digital Converter

F Gaya

LED Light Emiting Diode

OWC Oscillating Water Column

PWM Pulse Width Modulation

SC Supercapacitor 𝐴 Luas penampang 𝑉 Volume 𝑊 Usaha 𝑔 Percepatan gravitasi 𝑚 Massa 𝑝 Tekanan 𝑢 Kecepatan udara 𝑥 Jarak 𝑧 Ketinggian 𝑻 Periode 𝒂 Amplitudo

𝒄 Kecepatan fase gelombang

(17)

xiii

𝒌 Konstanta Gelombang

𝒗 Kecepatan Linear

𝝀 Panjang Gelombang

𝝆 Kerapatan jenis

𝝎 Kecepatan Angular / Kecepatan sudut