## PANEN ENERGI MENGGUNAKAN PIEZOELEKTRIK SISTEM KANTILEVER DENGAN PENAMBAHAN BLUFF BODY
Adhes Gamayel Program Studi Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Jakarta E-mail: adhes@sttj.ac.id
Abstrak -- Pemanen  energi  adalah  alat  untuk  mengumpulkan  energi  dari  energi  mekanis  dan dikonversikan  menjadi  energi  listrik.  Piezoelektrik  adalah  alat  pemanen  energi  yang  bersumber  dari getaran  dan  diubah  menjadi  tegangan  listrik.  Sistem  kantilever  menghasilkan  getaran  dan  defleksi secara  berulang.  Penelitian  pemanfaatan  olakan  udara  (vortex)  sebagai  penghasil  getaran  pada piezoelektrik  telah  dilakukan pada  saluran udara  tertutup. Namun  studi  peningkatan getaran  dengan adanya penambahan bluff body pada piezoelektrik sistem kantilever belum banyak dilakukan. Metode penelitian yang dilakukan adalah mengukur tegangan listrik yang dihasilkan piezoelektrik dengan variasi penampang bluff body adalah segi empat, segi enam, segi delapan dan lingkaran. Penelitian dilakukan dalam terowongan angin mini dengan kecepatan angin konstan 2 m/s selama 300 detik dan bluff body dipasang  pada  jarak  100  mm  dari  piezoelektrik.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bluff  body  dengan penampang  segi  enam  menghasilkan  tegangan  rata-rata  tertinggi  sebesar  0.037  mV.  Terjadinya perubahan  arah  dan  kecepatan  angin  sesudah  melewati  bluff  body  penampang  segi  enam menimbulkan olakan angin yang relatif lebih tinggi daripada bluff  body lainnya. Hal ini menyebabkan terjadinya getaran lebih tinggi pada bluff body penampang segi enam .
Kata Kunci : Piezoelektrik, kantilever, bluff body , vortex
1.  PENDAHULUAN
Pemanen energi
adalah alat untuk mengumpulkan  energi  dari  energi  mekanis  dan dikonversikan menjadi energi listrik. Energi  listrik yang dihasilkan pada alat pemanen energi relatif kecil sehingga tidak bisa langsung dimanfaatkan. Umumnya  energi  yang  dihasilkan  disimpan terlebih  dahulu  dalam  penyimpan  energi  listrik (baterai atau konduktor). Salah satu alat pemanen energi adalah piezoelektrik yang mampu mengubah  energi  mekanis  dari  getaran  menjadi energi  listrik  [1].  Saat  material  piezoelektrik mendapatkan  suatu  tekanan,  maka  partikel penyusun piezoelektrik akan terpolarisasi sehingga menimbulkan konsentrasi muatan listrik (lihat gambar 1).
Kantilever  merupakan  batang  tumpuan  yang sering  ditemui  dalam  suatu  kontruksi  dengan memanfaatkan  sifat  rotasi  dan  keseimbangan. Kantilever dapat mengalami vibrasi saat diberikan tekanan  sesaat  pada  bagian  ujungnya  [2].  Jika diberi suatu gaya pada ujung batang, maka akan terjadi  gerak  periodik  sederhana  dimana  batang akan berosilasi naik turun [3] seperti terlihat pada gambar 2.
Gambar 1. Piezoelektrik (a) normal, (b)
terpolarisasi akibat gaya tekan
Beberapa  penelitian  tentang  pemanen  energi dilakukan dengan menempelkan batang penghalang  ( bluff  body )  pada  piezoelektrik ( galloping  system )  yaitu  prisma  [4],  balok  [5], silinder [6] dan bluff body bentuk huruf D [7]. Saat batang  tersebut  mengenai  angin,  maka  akan timbul gaya lift dan drag yang menyebabkan bluff body bergetar. Gaya aerodinamika yang dihasilkan bluff  body selain lift dan drag adalah vortex . Vortex merupakan fenomena terukur pada streamline yang  memiliki  nilai  rotasional  acak besar.  Rotasi vortex akan  membuat  pergerakan fluida  yang  terkena  efeknya  menjadi  acak  dan cenderung mengarah ke turbulen [8]. Peningkatan intensitas vortex dengan penambahan bluff body dapat  meningkatkan  getaran  pada  piezoelektrik sistem kantilever .
Penelitian piezoelektrik terpisah dengan bluff body ( weak  galloping )  berpenampang  lingkaran pada  jarak  7.5  cm  telah  dilakukan  pada  saluran pendingin  dengan  kecepatan  angin  2.5  m/s  dan dihasilkan  daya  100-3000  mikrowatt  [9].  Namun penelitian tentang pemasangan berbagai macam bentuk  penampang bluff  body yang  terpisah dengan  piezoelektrik  ( weak  galloping )  masih jarang  dilakukan.  Berdasarkan  hal  itu,  perlu dilakukan  penelitian  lebih  lanjut  mengenai pengaruh bentuk penampang bluff body terhadap tegangan  listrik  yang  dihasilkan  piezoelektrik sistem kantilever sebagai pemanen energi.
Gambar 2. Gerak harmonis sederhana piezoelektrik sistem kantilever [3]

## 2. METODOLOGI
Penelitian  yang  dilakukan  masih  satu  rangkaian kegiatan  dengan  penelitian  terdahulu  [3]  yaitu dengan mengukur tegangan listrik yang dihasilkan oleh  piezoelektrik  sistem  kantilever  pada  aliran udara  melewati bluff  body bentuk  penampang lingkaran,  segi  empat,  segi  enam,  dan  segi delapan. Diameter dan tinggi bluff body adalah 25 mm dipasang sejajar berjarak (L) 100 mm dengan piezoelektrik.  Bahan  Piezoelektrik  terbuat  dari PVDF  tipe  LDT0-028K  buatan  Measurement Specialties  dengan  dimensi  9.8  x  5.2  mm, ketebalan  28  µm  dan  dilapisi  oleh  polyester setebal 0.125 mm sehingga total dimensi menjadi 25  x  15  mm.  Piezoelektrik  dipasang  sirip  ( fin ) berdimensi  45  x  55  mm  dengan  tujuan mendapatkan  lendutan  maksimal  saat  udara menumbuk. Detil dimensi bluff body , piezoelektrik dan sirip dapat dilihat pada gambar 3.
Bluff  body dan  piezoelektrik  ditempatkan dalam terowongan angin berbahan akrilik dengan penampang 120 x 120 mm. Di dalam terowongan angin, fan menghembuskan aliran udara dengan kecepatan  2  m/s.  Pengukuran  tegangan  listrik pada  piezoelektrik  yang  bergetar  menggunakan mikrokontroler  dan  sistem  akuisisi  data  berbasis freeware yaitu
PLX-DAQ yang dapat menampilkan dalam format tabel excel. Pengambilan  data  dilakukan  selama  300  detik dengan  1  detik  mendapatkan  10  data.  Skema penelitian dapat dilihat pada gambar 4.
(a) (b) (c)
Gambar 3. (a) Bentuk penampang bluff body , (b) Dimensi fin dan piezoelektrik, (c) Jarak piezoelektrik dan bluff body
Gambar 4. Instalasi Pengujian Piezoelektrik sistem kantilever

## 3.  HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada gambar 5 ditampilkan grafik hasil pengukuran  tegangan  listrik  pada bluff  body dimana bluff body penampang segi enam memiliki grafik  tertinggi.  Kecepatan  angin  saat  melewati penampang  segi  enam  mengalami  peningkatan karena luasan saluran terowongan angin semakin kecil. Dengan tingginya kecepatan, maka potensi terjadinya  olakan  aliran  menjadi  tinggi  dan mengakibatkan getaran pada piezoelektrik menjadi  lebih  besar.  Ilustrasi  peningkatan kecepatan  pada  penampang  segi  enam  dapat dilihat pada gambar 6. Selain itu, tegangan listrik bluff body segi empat memiliki nilai dibawah segi enam dan lingkaran karena kecepatan angin yang menyentuh piezoelektrik menjadi lebih sedikit. Hal ini sesuai dengan gambar 5 dimana simulasi profil aliran kecepatan  yang  dilakukan  oleh  Gandhi  et. al,  [9]  menjelaskan  bahwa  saat  aliran  udara setelah  melewati bluff  body segiempat  tetap berada pada bagian atas dan bawah terowongan angin  dan  sedikit  aliran  udara  yang  mengalir dibagian tengah.
(a) bluff body lingkaran
(b) bluff body segi empat
(c) bluff body segi enam
(d) bluff body segi delapan
Gambar 5. Hubungan Tegangan Listrik dan waktu
(a)
(b)
Gambar 6. (a) Ilustrasi profil kecepatan saat melewati segi enam, (b) profil kecepatan saat melewati segi empat [9]
Pada  gambar  7  ditampilkan  tegangan  rata- rata  pada bluff  body dimana  penampang  segi enam  memiliki  nilai  tegangan  rata-rata  paling tinggi yaitu 0.037 mV. Hal ini sesuai dengan pola aliran pada pada gambar 6 dimana akibat adanya peningkatan  kecepatan  setelah  melewati bluff body segi enam, dimungkinkan terjadi vortex dan getaran  yang  dihasilkan  oleh  piezoelektrik  lebih tinggi.
Gambar 7. Tegangan Rata-rata pada bluff body
Banyaknya  data  yang  diambil  pada  rentang waktu 0 hingga 0.35 mV ditampilkan pada gambar 8.  Jumlah  data  terbanyak  terjadi  pada  tegangan nol  mV.  Hal  ini  dapat  diartikan  bahwa  kondisi piezoelektrik untuk semua bluff body lebih banyak diam daripada bergetar.
Gambar 8. Hubungan Jumlah data dan rentang tegangan listrik pada bluff body
Keberadaan bluff  body yang  terpisah  dari piezoelektrik  belum  mampu  membangkitkan kecepatan  angin  agar  dapat  menggerakkan piezoelektrik  secara  terus  menerus.  Banyaknya data  nol  mV  juga  dapat  diartikan  bahwa  saat bergetar, piezoelektrik berosilasi dari titik tertinggi menuju  ke  titik  terendah  dan  melewati  sumbu horizontal  (sumbu-x).  Dengan  pengambilan  data sebanyak  10  data  dalam  1  detik,  dimungkinkan saat  piezoelektrik  melewati  sumbu-x  menuju  titik atas atau titik bawah, data tersebut terekam pada datalogger.

## 4.  KESIMPULAN
Kesimpulan yang dapat diambil dari pembahasan diatas adalah peningkatan kecepatan saat udara melewati bluff body segi enam mampu meningkatkan getaran pada piezoelektrik sehingga tegangan listrik yang dihasilkan tinggi.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Kokkinopoulos A, Vokas G, Papageorgas P. Energy  harvesting  implementing  embedded
piezoelectric  generators  –  The  potential  for the  Attiki  Odos  traffic  grid.  In  The International  Conference  on  Technologies and  Materials  for  Renewable  Energy, Environment and Sustainability, TMREES14; 2014. p. 1070 – 1085.
[2].  Yulia E, Putra EP, Ekawati ,E, N. Polisi Tidur Piezoelektrik  Sebagai  Pembangkit  Listrik dengan  Memanfaatkan  Energi  Mekanik Kendaraan Bermotor. Jurnal Otomasi, Kontrol, dan Instrumentasi. 2016; 8(1).
[3].  Gamayel  A.  Pengaruh  Bentuk  Bluff  Body Terhadap  Tegangan  Listrik  yang  Dihasilkan Piezoelektrik  dengan  Sistem  Kantilever.  In Prosiding Seminar Nasional Teknoka; 2017; Jakarta. p. E1-E5.
[4].  Sirohi  J,  Mahadik  R.  Piezoelectric  wind energy  harvester  for  low-power  sensors. Journal  of  Intelligent  Material  Systems  and Structures. 2011; 22(18).
[5].  Abdelkefi  A,  Hajj  MR,  Nayfeh  AH.  Power harvesting  from  transverse  galloping  of
square  cylinder.  Nonlinear  Dynamics.  2012 October; 70(2).
[6].  Wang J, Ran  J,  Zhang  Z.  Energy  Harvester Based on the Synchronization Phenomenon of a Circular Cylinder. Mathematical Problems in Engineering. 2014; 2014.
[7].  Sirohi J, Mahadik R. Harvesting Wind Energy Using  a  Galloping  Piezoelectric  Beam. Journal  of  Vibration  and  Acoustics.  2012 February; 134(1).
[8].  Gandhi BK,  Singh SN, Seshadri V, Singh J. Effect  of  Bluff  Body  shape  on  vortex  flow meter  performance.  Indian  Journal  of Engineering  &  Materials  Sciences.  2004 October; 11.
[9].  Weinstein LA, Cacan MR, So PM, Wright PK. Vortex  shedding  induced  energy  harvesting from  piezoelectric  materials  in  heating, ventilation  and  air  conditioning  flows.  Smart Materials  and  Structures.  2012  March; 21(045003).