PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK.

(1)

Dwi Pury Umbarawaty, 2015

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR

PIEZOELEKTRIK

TUGAS AKHIR

diajukan untuk memenuhi sebagian syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Pendidikan Teknik Elektro Konsentrasi Listrik Tenaga

oleh:

DWI PURY UMBARAWATY

NIM 0900737

PROGRAM STUDI

PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS PENDIDIKAN TEKNOLOGI DAN KEJURUAN

UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA

(2)

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK

Oleh

Dwi Pury Umbarawaty

Sebuah tugas akhir yang diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana pada Fakultas Pendidikan Teknologi dan Kejuruan

November 2013

Hak Cipta dilindungi undang-undang.

(3)

Dwi Pury Umbarawaty, 2015

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK

DWI PURY UMBARAWATY

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR

PIEZOELEKTRIK

disetujui dan disahkan oleh pembimbing :

Pembimbing I,

Prof. Dr. H. Soemarto, MSIE NIP. 19550705 198103 1 003

Pembimbing II,

Dr. Jaja Kustija, M.Sc NIP. 19591231 198503 1 002

Mengetahui,

Ketua Jurusan Pendidikan Teknik Elektro

Prof. Dr. H. Bachtiar Hasan, ST, MSIE.

(4)

ABSTRAK

“Prototipe Penghasil Energi Listrik Berbahan Dasar Piezoelektrik”

Prototipe penghasil energi listrik berbahan dasar piezoelektrik ini merupakan penghasil energi listrik yang memanfaatkan langkah kaki manusia sebagai energi primernya. Seperti yang diketahui, beberapa daerah di Indonesia masih kurang mendapatkan listrik, terutama untuk daerah-daerah pedesaan. Padahal, sebagian penduduk daerah pedesaan masih harus melakukan aktivitasnya sampai malam hari. Ketika hari mulai gelap, jalan yang harus di lalui pun menjadi sulit dan kurang penerangan. Dengan memanfaatkan sifat yang dimiliki oleh piezolektrik yang dapat mengubah energi tekanan mekanik berupa langkah manusia menjadi energi potensial listrik, diharapkan dapat menjadi salah satu penghasil energi listrik alternatif yang dapat dikembangkan lebih jauh lagi dan dapat membantu permasalahan kebutuhan listrik di daerah-daerah yang kurang mendapatkan listrik. Adapun besar energi listrik yang dihasilkan dari satu buah piezoelektrik dengan ukuran 2,7 cm yaitu berkisar 5 VAC. Tegangan yang dikeuarkan ini berupa hentakan listrik yang dihasilkan dari hentakan langkah kaki, sehingga untuk dapat menggunakan energi listrik ini, harus disimpan terlebih dahulu dalam sebuah baterai yang sebelumnya di searahkan oleh rectifier dari AC to DC.

(5)

Dwi Pury Umbarawaty, 2015

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu ABSTRACT

“Electrical Energy Producer Prototype Based on Piezoelectric Material”

Electrical energy producer prototype based on piezoelectric material is an electrical energy producer utilizing human footsteps as a primary energy. As we know, some areas in Indonesia still lack access of electricity, especially in the village. In fact, most villager still must do their activities until the evening. When it grew dark, the roads became difficult and less of light. By utilizing the characheristic from piezoelectric that can convert mechanical pressure energy in the form of human action into electrical potential energy, is expected can be one of the electrical energy alternative producers that can be developed further and can help the problems of electricity needs in lack access area of electricity. The electrical energy is generated from one piece of piezoelectric size 2.7 cm are 5 VAC. The output voltage is a pounding electricity that produced from human footsteps, so to use the electricity energy, it must be stored first in a battery that previously rectified by AC to DC rectifier.

(6)

DAFTAR ISI

PERNYATAAN ... i

ABSTRAK ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR TABEL ... v

DAFTAR GAMBAR ... vi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

A. Latar Belakang Penelitian ... 1

B. Identifikasi dan Perumusan Masalah ... 1

C. Tujuan Penelitian ... 2

D. Manfaat Penelitian ... 2

E. Struktur Organisasi Skripsi ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4

A. Piezoelektrik ... 4

B. Rangkaian Seri dan Paralel ... 12

C. Rectifier ... 13

BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK ... 15

A. Metodologi Penelitian ... 15

B. Perancangan dan Pembuatan Alat ... 16

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 22

A. Hasil Penelitian ... 22

B. Pembahasan Hasil Penelitian ... 22

BAB V SIMPULAN DAN SARAN ... 24

A. Simpulan ... 24

B. Saran ... 24

DAFTAR PUSTAKA ... 25

(7)

Dwi Pury Umbarawaty, 2015

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK

DAFTAR TABEL

(8)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Efek Piezoelektrik ... 5

Gambar 2.2. Susunan Piezoelektrik ... 5

Gambar 2.3. Macam-macam Piezoelektrik ... 6

Gambar 2.4. Pembauran Elektrik dan Fenomena Elastisitas ... 7

Gambar 2.5. Konstruksi Electric Cigarette Lighter ... 10

Gambar 2.6. Pemanfaatan Piezoelektrik Pada Sistem Sonar ... 11

Gambar 2.7. Rangkaian Listrik ... 12

Gambar 2.8. Penyearah Half Wave ... 13

Gambar 2.9. Penyearah Full Wave ... 14

Gambar 3.1. Flowchart Pelaksanaan Penelitian ... 15

Gambar 3.2. Rancangan Pembuatan Prototipe ... 16

Gambar 3.3. Pembuatan Pijakan Kaki ... 16

Gambar 3.4. Pemasangan Piezoelektrik Secara Paralel ... 17

Gambar 3.5. Pengujian Hubungan Singkat (Short Circuit) ... 17

Gambar 3.6. Pengujian dengan Osciloskop ... 18

Gambar 3.7. Pengujian dengan Avometer ... 18

Gambar 3.8. Rangkaian Rectifier ... 18

Gambar 3.9. Simulasi Rangkaian Full Wave Rectifier ... 19

Gambar 3.10. Fullwave Rectifier dan Keluaran Hasil Tegangan ... 19

Gambar 3.11. Penyempurnaan Alat ... 20

(9)

Dwi Pury Umbarawaty, 2015

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 ... 26

Lampiran 2 ... 32

(10)

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Penelitian

Energi baru dan yang terbarukan mempunyai peran yang sangat penting

dalam memenuhi kebutuhan energi. Hal ini disebabkan oleh penggunaan bahan

bakar untuk pembangkit-pembangkit listrik konvensional dalam jangka waktu

yang panjang akan menguras sumber minyak bumi, gas dan batu bara yang makin

menipis dan juga dapat mengakibatkan pencemaran lingkungan. Penggunaan

bahan bakar sebagai pembangkit listrik pun sampai saat ini belum dapat

memenuhi seluruh kebutuhan listrik di Indonesia, terutama untuk daerah-daerah

pedesaan. Padahal, sebagian penduduk daerah pedesaan masih harus melakukan

aktivitasnya sampai malam hari. Ketika hari mulai gelap, jalanan yang harus di

lalui pun menjadi sulit dan kurang penerangan. Misalnya saja, untuk seorang

penduduk warga pedesaan yang baru pulang kerja di malam hari, dia harus

berjalan melewati jalanan yang gelap karena kurangnya penerangan.

Dalam rangka mengatasi permasalahan tersebut, peneliti mencoba

memanfaatkan langkah kaki dari pejalan kaki tersebut untuk menghasilkan suatu

energi listrik dengan menggunakan komponen dasar piezoelektrik sebagai salah

satu solusi dari permasalahan tersebut. Piezoelektrik ini merupakan sebuah bahan

yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, sehingga semakin

banyak langkah kaki yang dihentakkan, maka semakin besar pula energi listrik

yang dihasilkan. Bahkan menurut Defense Advanced Research Projects Agency

(DARPA) milik NASA mengestimasi bahwa setiap satu langkah dapat

menghasilkan satu sampai dua watt listrik dari piezoelektrik.

B. Identifikasi dan Perumusan Masalah

1. Identifikasi Masalah

Identifikasi masalah diperlukan agar penelitian yang akan dilakukan

menjadi jelas dan terarah. Berdasarkan latar belakang yang telah dikemukakan,

(11)

2

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK

a. Energi yang tidak dapat diperbaharui lama-lama akan habis.

b. Pencemaran lingkungan yang diakibatkan oleh bahan bakar.

c. Pemasokan energi listrik yang masih belum merata, sehingga masih

terdapat beberapa daerah yang kekurangan energi listrik.

Pembatasan masalah kemudian diperlukan oleh peneliti agar masalah yang

diteliti tidak terlalu luas ruang lingkupnya. Berdasarkan hal tersebut, maka

penelitian ini dibatasi pada jenis piezoelektrik yang digunakan berupa

piezoelektrik element pada bell buzzer sampai dapat menghasilkan tegangan

searah (DC).

2. Perumusan Masalah

Adapun perumusan masalah pada penelitian ini yaitu:

a. Bagaimana pengaplikasian piezoelektrik sebagai wujud teknologi tepat

guna yang dapat bermanfaat bagi masyarakat?

b. Bagaimana proses pembuatan prototipe penghasil energi listrik berbahan

dasar piezoelektrik?

C. Tujuan Penelitian

Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah untuk membantu

mengatasi solusi kurangnya pasokan energi listrik di beberapa daerah dan untuk

mengoptimalkan penggunaan bahan piezoelektrik. Dalam penelitian ini,

piezoelektrik yang biasanya memanfaatkan listrik untuk dalam penggunaannya

seperti pada penggunaan transduser atau sensor, diubah menjadi piezoelektrik

yang dapat menghasilkan listrik seperti pada electric lighter dan kompor gas yang

dapat menghasilkan listrik untuk keperluan menyalakan api.

D. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat yang ingin diperoleh dari penelitian ini dapat dirangkum

menjadi dua, yaitu sebagai berikut:

(12)

3

Menambah kajian studi pengembangan bahan dasar piezoelektrik sebagai

salah satu penghasil energi listrik alternatif.

2. Manfaat Praktis

Memberikan informasi tambahan dan sebagai sumbangan pemikiran bagi

peneliti lainnya bahwa piezoelektrik dapat digunakan sebagai salah satu penghasil

energi listrik alternatif yang dapat digunakan di masyarakat.

E. Struktur Organisasi Tugas Akhir

Agar penelitian ini mudah dipahami, penelitian ini terdiri dari lima bab

yang disusun berdasarkan struktur sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Pada bagian ini mengungkap latar belakang masalah, identifikasi dan

perumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan

sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Pada bagian ini dibahas tentang landasan teoritis sebagai tolak ukur

berpikir dalam penelitian ini.

BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT PROTOTIPE

PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR

PIEZOELEKTRIK

Pada bagian ini dibahas mengenai perancangan dan pembuatan

prototipe penghasil energi listrik berbahan dasar piezoelektrik

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

Pada bagian ini menyajikan hasil penelitian dan pembahasan hasil

penelitian.

BAB V SIMPULAN DAN SARAN

Pada bagian ini, penulis mencoba memberikan kesimpulan dan saran

sebagai rekomendasi mengenai hal yang lebih baik dilalukan serta

(13)

Dwi Pury Umbarawaty, 2015

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK

BAB III

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT PROTOTIPE PENGHASIL

ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK

A. Metodologi Penelitian

Metode penelitian yang digunakan dalam pembuatan prototipe ini adalah

metode Eksperimen. Dengan metode ini penulis terus mengembangkan berbagai

riset yang telah dilakukan baik itu ketercapaian hasil maupun yang belum

berhasil. Sehingga dari pengembangan-pengembangan yang telah dilakukan

dihasilkan sebuah produk berdasarkan tujuan yang ingin dicapai dan tentunya

masih bisa dikembangkan untuk penyempurnaan selanjutnya.

Adapun tahapan kegiatan yang telah dilakukan yaitu berdasarkan

flowchart pada gambar 3.1.

Mulai

Perencanaan Pembuatan

Pembuatan Prototipe

Pengujian Prototipe

Menghasilkan listrik

Pembuatan Rectifier

Penyempurnaan Alat Menghasilkan Tegangan DC

Selesai Ya

Ya Tidak

Tidak

(14)

16

B. Perancangan dan Pembuatan Alat

1. Perencanaan Pembuatan Prototipe

Perencanaan pembuatan prototipe meliputi berbagai persiapan yang

dilakukan, seperti perancangan desain, pengumpulan komponen yang diperlukan

dan persiapan alat-alat yang diperlukan. Menurut jurnal Storage Capacitor

Properties and Their Effecton Energy Harvester Performance oleh Ravodan

Faltus, dkk, piezoelektrik menghasilkan output tegangan AC, sehingga

dibutuhkan suatu rectifier untuk dapat menyimpan energi listrik yang dihasilkan

dalam baterai.

Gambar 3.2. Rancangan Pembuatan Prototipe

2. Pembuatan Prototipe

Pembuatan prototipe ini dimulai dengan pembuatan desain untuk pijakan

kaki yang akan memberikan tekanan pada piezoelektrik seperti pada gambar 3.3.

Gambar 3.3. Pembuatan Pijakan Kaki

Setelah pijakan kaki dibuat, kemudian piezoelektrik di rangkai secara

paralel untuk menghasilkan arus yang lebih besar. Dalam prototipe ini, terdapat 21

keping piezoelektrik yang dirangkai secara paralel. Meskipun satu keping

piezoelektrik ini menghasilkan tegangan yang cukup besar yaitu sampai ≈ 5 VAC,

tetapi arus listrik yang dihasilkan masih sangat kecil, berkisar 5 µA, sehingga Energy Source Rectifier Energy

Storage

(15)

17

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK

ketika rangkaian di paralelkan (sesuai persamaan 2.12) maka arus akan naik 21 kalinya menjadi ≈ 105 µA. Sedangkan tegangannya tetap sama yaitu ≈ 5 VAC.

Gambar 3.4. Pemasangan Piezoelektrik Secara Paralel

Untuk mengetahui bahwa piezolektrik sudah benar-benar terangkai dan

terhubung paralel serta tidak ada masalah, maka dilakukan pengujian hubungan

singkat (short circuit) dengan menggunakan avometer seperti terlihat pada gambar

3.5.

Gambar 3.5. Pengujian Hubungan Singkat (Short Circuit)

(16)

18

Dalam tahap ini dilakukan pengujian terhadap prototipe yang dibuat

untuk mengetahui berapa arus dan tegangan keluaran yang dihasilkan. Selain itu

juga dilakukan pengujian terhadap keluaran tegangan yang dihasilkan dengan

menggunakan osciloskop untuk mengetahui jenis tegangan keluarannya, apakah

tegangan AC atau DC.

Gambar 3.6. Pengujian dengan

Osciloskop

Gambar 3.7. Pengujian dengan

Avometer

Dari hasil pengujian ini di dapatkan bahwa piezoelektrik ini menghasilkan tegangan AC dan prototipe menghasilkan tegangan ≈ 5 VAC bahkan dapat lebih dari itu, sedangkan arusnya hanya berkisar ≈ 0,1 mA.

4. Pembuatan Rectifier

Karena piezoelektrik akan dapat menghasilkan listrik dari tekanan yang

berupa hentakan, sehingga untuk keperluan pembebanan yang lebih besar dan

pengembangan lebih lanjut, energi listrik yang dihasilkan haruslah disimpan

terlebih dahulu dalam sebuah baterai. Energi listrik yang disimpan dalam sebuah

baterai berupa DC, sedangkan energi listrik yang dihasilkan oleh piezolektrik

berupa AC, sehingga diperlukan sebuah rectifier untuk mengubah tegangan AC

(17)

19

Dwi Pury Umbarawaty, 2015

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK

Gambar 3.8. Rangkaian Rectifier

Gambar 3.9. Simulasi Full Wave Rectifier

Setelah melakukan simulasi, dibuatlah rangkaian fullwave rectifier

sederhana, terdiri dari 4 buah dioda yang dihubung bridge dan 1 buah kapasitor.

Gambar 3.10. Fullwave Rectifier dan Keluaran Hasil Tegangan

Setelah fullwave rectifier selesai dibuat, dilakukan pengujian terhadap

rangkaian untuk mengetahui besarnya tegangan yang dihasilkan. Dari pengujian

ini didapatkan tegangan DC dengan output sebesar ≈ 6 VDC.

5. Penyempurnaan alat

Pada tahap ini dilakukan penyempurnaan terhadap alat yang dibuat

seperti merapihkan desain prototipe untuk mencegah rusaknya piezoelektrik

ketika terjadi hentakan, memeriksa kembali solderan pada komponen

(18)

20

Gambar 3.11. Peryempurnaan Alat

(19)

21

Dwi Pury Umbarawaty, 2015

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK

(20)

BAB V

SIMPULAN DAN SARAN

A. Simpulan

Material piezoelektrik ini dapat dijadikan salah satu penghasil energi

listrik alternatif dengan memanfaatkan banyaknya langkah kaki manusia serta

dapat membantu ketersediaan listrik di daerah-daerah yang masih kurang

mendapatkan listrik. Material ini juga menghasilkan tegangan yang cukup besar

untuk setiap keping piezoelektrik. Besarnya tegangan tersebut bergantung pada

besar dan cepatnya hentakan yang diberikan, serta bergantung pada jumlah

material bahan yang terkandung pada piezoelektrik. Sehingga, semakin besar

tekanan dan hentakan yang diberikan, maka akan semakin besar pula energi listrik

yang dihasilkan, dan semakin besar material bahannya, maka semakin besar

energi listrik yang dihasilkan. Selain itu, penelitian ini juga dapat dikembangkan

lebih lanjut lagi, mengingat material piezoelektrik yang digunakan masih

memiliki potensi yang sangat besar untuk diteliti lebih jauh lagi.

B. Saran

Dalam pengembangan selanjutnya, diharapkan selalu memperhatikan

faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya energi listrik yang dihasilkan,

terutama untuk jumlah material bahan piezoelektrik. Piezoelektrik dengan ukuran

yang lebih besar dan tebal tentu dapat memperbesar energi listrik yang dihasilkan.

Pemberiaan kecepatan dan gaya yang lebih besar juga memungkinkan untuk

menambah besarnya energi listrik yang dihasilkan, tetapi jangan sampai gaya

yang terlalu besar membuat piezoelektrik menjadi cepat rusak. Dan untuk

pembebanan yang lebih besar, harap diperhatikan juga besarnya arus listrik yang

(21)

Dwi Pury Umbarawaty, 2015

PROTOTIPE PENGHASIL ENERGI LISTRIK BERBAHAN DASAR PIEZOELEKTRIK

DAFTAR PUSTAKA

Dahiya, R.S. dan M. Valle. 2013. Robotic Tactile Sensing. Springer Science Business Media Dordrecht.

Faltus, Ravodan, Miroslav Jáně, Tomáš Zedníček. Tanpa Tahun. Storage Capacitor Properties and Their Effecton Energy Harvester Performance. Chezh Republic: A Kyocera Group Company.

Ikeda, Takuro. 1996. Fundamentals of Piezoelectricity. New York: Oxford University Press.

Jatiningsih, Asni. 2010. Disco Sambil Menghasilkan Energi Listrik, Mengapa Tidak?. [Online]. Tersedia: http://majalahenergi.com/forum/energi-baru-dan-

terbarukan/bentuk-energi-baru/disko-sambil-menghasilkan-energi-listrik-mengapa-tidak. [20 September 2012].

Multicomp. 2009. Datasheet Piezo Element. [Online]. Tersedia:

http://www.komponenten.es.aau.dk/fileadmin/komponenten/Data_Sheet/Transduc

ere/ABT441.pdf. [5 Agustus 2013].

Mycollco. 2012. Piezoelektrik Buzzer Sebagai Penghasil Listrik. [Online]. Tersedia: http://mycollco.wordpress.com/. [6 Januari 2013].

Phillips, James R. Tanpa Tahun. Piezoelectric Technology Primer. New Mexico: CTS Wireless Components.

Ramadass, Yogesh K dan Anantha P. Chandrakasan. 2010. An Efficient Piezoelectric Energy Harvesting Interface Circuit Using a Bias-Flip Rectifier and Shared Inductor. IEEE Journal Of Solid-State Circuits Vol. 45. hlm 189-204

Surya, Yanda Satriahadi. 2011. Karpet SIP Berbahan Silikon Implan Sebagai Sumber Energi Listrik Aternatif Melalui Proses Piezoelektric. [Online]. Tersedia:

http://dream-love-and-dedicate.blogspot.com/2011/05/karpet-sip-berbahan-silikon-implan.html. [8 Oktober 2012].

Tingley, Ryan. Tanpa Tahun. Piezoelectric Energy Harvester. [Online]. Tersedia:

http://www.instructables.com/id/Piezoelectric-Energy-Harvester/?ALLSTEPS. [2

Juli 2013].

Yelfianhar, Ichwan. (2011). Piezoelektrik. [Online]. Tersedia:

http://iwan78.files.wordpress.com/2010/11/8_piezoelektrik.pdf. [15 Oktober