## Polisi Tidur Piezoelektrik Sebagai Pembangkit Listrik dengan Memanfaatkan Energi Mekanik Kendaraan Bermotor
Elfi Yulia, Eka Permana Putra, Ir. Estiyanti Ekawati, M .T., Ph.D, Dr. Ir. Nugraha
Program Studi Teknik Fisika
Institut Teknologi Bandung
elfiyulia27@gmail.com, ekapermanaputra16@yahoo.com

## Abstrak
Kebutuhan  energi  listrik  di  Indonesia  tahun  2014  mencapai  205  TWh  dan  diprediksi  mengalami peningkatan sebesar  8,3%  setiap  tahunnya,  hal  ini  dapat  menyebabkan  Indonesia  menjadi negara pengimpor  energi  di  tahun  2033.  Permasalahan  tersebut  dapat  diatasi  dengan  melakukan pengembangan energi alternatif, salah satunya memanfaatkan  waste vibration energy dari gerakan kendaraan bermotor menggunakan polisi tidur piezoelektrik. Polisi tidur piezoelektrik yang dirancang pada  penelitian  terdiri  atas  sistem  mekanik  polisi  tidur  yang  berfungsi  menerima  masukan  dari tekanan  kendaraan  bermotor,  sistem  kantilever  piezoelektrik  sebagai  komponen  penghasil  energi listrik dan sistem harvesting energy sebagai pemanen energi dari material piezoelektrik. Satu modul sistem  terdiri  dari  rangkaian  paralel  piezoelektrik  yang  dihubungkan  dengan  buck  konverter MB39C811. Sistem yang paling maksimal menghasilkan energi adalah rangkaian lima modul secara paralel. Polisi tidur piezoelektrik mampu menghasilkan daya listrik dengan masukan 60 kali lindasan kendaran  bermotor  sebesar  2.166mWh  dengan  efisiensi  2.87  %  dibandingkan  dengan  masukan manual.
Kata kunci : Piezoelektrik, polisi tidur piezoelektrik, kantilever piezoelektrik, harvesting energy.

## 1 Pendahuluan
Waste  vibration  energy  adalah  energi  getaran  yang  terbuang  saat  kerja  dilakukan  oleh suatu  sistem  khususnya  sistem  mekanik  [1].  Waste  vibration  energy  dari  gerakan kendaraan  bermotor  merupakan  salah  satu  aspek  yang  mempunyai  potensi  besar  untuk dikembangkan  di  Indonesia  didukung  oleh  jumlah  kendaraan  yang  beroperasi  di  seluruh Indonesia  pada  tahun  2013  mencapai  104,211  juta  unit  [2].  Pemanenan  waste   vibration energy  menjadi  energi  listrik  dapat  menggunakan  material  piezoelektrik.  Material piezoelektrik  merupakan  suatu  material  yang  mampu  menghasilkan  listrik  ketika mengalami  defleksi.  Pada  penelitian  ini,  dilakukan  perancangan  pengembangan  material piezoelektrik  yang  difokuskan  pada  suatu  sistem  mekanik  berbentuk  polisi  tidur  dengan metoda  kantilever  untuk  mendefleksikan  material  piezoelektrik.  Rumusan  masalah  dari perancangan  ini  adalah  merancang  sistem  polisi  tidur  piezoelektrik  yang  dapat  memanen waste  vibration  energy  dari  gerakan  kendaraan  bermotor,  pemilihan  konfigurasi  sistem kantilever  piezoelektrik  yang  dapat  menghasilkan  energi  listrik  secara  optimal  dan mengukur  besar  energi  listrik  yang  mampu  dihasilkan  oleh  prototipe  polisi  tidur piezoelektrik.

## 2 Teori Dasar
Pemanenan  energi  ( harvesting  energy) merupakan  cara  pengumpulan  energi  dari  suatu sumber hingga siap dipakai sesuai kebutuhan. Konsep ini memungkinkan untuk memanen energi  yang kecil  dan mengumpulkannya selama proses pemanenan energi dila kukan [3]. Skema sistem polisi tidur yang dirancang sebagai berikut :
Energi Mekanik Kendaraan Energi Vibrasi Energi Listrik ( Tegangan Impuls) Sistem Mekanik Polisi Tidur Sistem Kantilever Piezoelektrik Sistem Harvesting Energy Media Penyimpanan Energi Listrik ( Tegangan DC)
Gambar 1 skema sistem  polisi tidur piezoelektrik
Ban  kendaraan  akan  memberikan  tekanan  pada  sistem  mekanik  polisi  tidur  piezoelektrik dan  menyebabkan  terjadinya  perubahan  energi  mekanik  menjadi  energi  vibrasi.  Energi vibrasi akan diteruskan ke sistem kantilever  sehingga menyebabkan material piezoelektrik mengalami  defleksi  dan  menghasilkan  tegangan  listrik.  Tegangan  listrik  yang  dihasilkan berupa  rangkaian  sinyal  impuls  yang  belum  searah.  Oleh  karena  itu,  sinyal  ini  perlu disearahkan  dengan  buck  konverter  seperti  MB39C811,  sedangkan  penggunaan  lebih lanjut untuk mengisi baterai dibutuhkan modul charging

## 2.1 Material piezoelektrik
Material  piezoelektrik  merupakan  material  yang  terbuat  dari  silikon  atau  germanium  yang mampu  menghasilkan  energi  listrik  ketika  mengalami  defleksi  ( direct  piezoelectric) sebaliknya,  saat  diberi  tegangan  akan  terdefleksi  ( inverse  piezolectric )[4].  Material piezoelektrik  dapat  mengalami  defleksi  dengan  diberi  tekanan  secara  langsung  atau digetarkan melalui media perantara seperti kantilever. Pemberian tekanan secara langsung akan menghasilkan tegangan piezoelektrik yang sebanding dengan  besar  gaya tekan akan tetapi piezoelektrik rentan mengalami kerusakan  [5].
Sedangkan  dengan  menggetarkan  piezoelektrik  melalui  mekanisme  kantilever  dapat menjaga ketahanan piezoelektrik dan dihasilkan defleksi yang berulang-ulang  yang berupa tegangan listrik sinusiodal dengan amplituda yang semakin kecil [6]. 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. Sifat dan karakteristik kantilever mirip dengan sistem massa pegas,  konstanta  elastisitas  kantilever  yang  dipengaruhi  oleh  jenis  bahan  merupakan komponen utama yang dapat mempengaruhi vibrasi  [7].
Vibrasi  yang  terjadi  pada  kantilever  akan  menyebabkan  kantilever  terdefleksi  secara berulang-ulang.  Defleksi pada kantilever adalah perubahan bentuk pada  balok dalam arah vertikal  akibat  adanya  pembebanan  vertikal.  Defleksi  diukur  dari  posisi  netral  awal  ke posisi  setelah  terjadi  deformasi  [9].  Defleksi  pada  kantilever  dipengaruhi  oleh  beberapa faktor  antara  lain:  besar  gaya  yang  diberikan  (P),  modulus  elastisitas  batang  (E),  momen inersia (I) dan panjang batang kantilever (L). Persamaan (2.1) menyatakan hubungan besar defleksi yang pada kantilever berda sarkan faktor-faktor tersebut [7].
(1)

## 2.2 Polisi tidur
Polisi  tidur  atau  disebut  juga  alat  pembatas  kecepatan  adalah  bagian  jalan  yang ditinggikan berupa tambahan aspal atau semen yang dipasang melintang sebagai pertanda bagi  pengemudi  untuk  memperlambat  laju  kendaraan  [8].  Pengembangan  polisi  tidur sebagai  pemanen  energi  dari  kendaraan  bermotor  dilakukan  dengan  memberikan  suatu sistem  pegas  pada  mekanik  polisi  tidur.  Pegas  adalah  elemen  mesin  fleksibel  yang digunakan  untuk  memberikan  gaya,  torsi,  menyimpan  atau  melepaskan  energi  [9].  Pegas yang digunakan berupa pegas tekan  berbentuk helix disesuaikan dengan  gaya tekan yang diberikan kendaraan. Indikator penting dalam perancangan pegas adalah konstanta pegas atau spring  rate .  Konstanta  pegas  akan  menunjukkan  besar  defleksi  yang  dialami  oleh pegas saat mengalami gaya tertentu [9].
(2)

## 2.3 Sistem harvesting energy
Tegangan  keluaran  dari  material  piezoelektrik  yang  berupa  rangkaian  sinyal  impuls  tidak dapat  dimanfaatkan  secara  langsung,  sehingga  dibutuhkan  suatu sistem  harvesting energy. Sistem  harvesting  energy  terdiri  atas  buck  konverter, modul  charging dan  media penyimpanan.  Buck  konverter  merupakan  modul  yang  berfungsi  mengkonversi  suatu tegangan  DC  menjadi  tegangan  DC  yang  lebih  rendah  yang  memiliki  tegangan  dan  arus tertentu.  Buck  konverter  dibutuhkan  untuk  menjadikan  tegangan  masukan  yang  berupa impuls menjadi suatu tegangan DC yang lebih kontinu [10].
Salah  satu  buck  konverter  yang  dapat  digunakan  adalah  MB39C811.  MB39C811 merupakan suatu intergrated circuit yang terdiri atas full-wave bridge rectifier dengan daya hilang  yang  rendah.  MB39C811  dapat  diaplikasikan  untuk  memanen  energi  dari piezoelektrik yang memiliki arus  yang kecil. Tegangan masukan maksimal dari sumber AC sebesar 24V dengan arus masukan maksimal 50mA [10].

## 3 Metoda dan Perancangan

## 3.1 Pemodelan matematis sistem polisi tidur piezoelektrik
Sistem polisi tidur piezoelektrik dapat dimodelkan dalam suatu sistem massa pe gas seperti yang  terlihat  pada  gambar  2.  Pemodelan  ini  dapat  diturunkan  ke  dalam  persamaan matematis untuk mengamati parameter-parameter yang mempengaruhi tegangan keluaran piezoelektrik yang dinyatakan sebagai berikut :
(3)
(4)
(5)
Pada pemodelan elektrikal dapat dimodelkan dengan persamaan (6) yang memperlihatkan hubungan defleksi pada piezoelektrik terhadap besar tegangan yang dihasilkan.
(6) (7)

## Gambar 2 pemodelan sistem kantilever piezoelektrik
Berdasarkan pemodelan tersebut dapat diamati parameter yang mempenga ruhi  tegangan keluaran  piezoelektrik  adalah  besar  defleksi  piezoelektrik( .  Perubahan  defleksi piezoelektrik  yang  semakin  besar  akan  menyebabkan  arus  dan  tegangan  keluaran  yang dihasilkan  juga  semakin  besar.  Defleksi  piezoelektrik
dipengaruhi  oleh  faktor
, ,
, , dan .  Parameter  ini  merupakan  parameter  yang  dapat  diubah  sesuai dengan  pilihan  material  saat  pembuatan  sistem  kantilever  piezoelektrik.  Pemilihan  bahan yang  tepat  dibutuhkan  untuk  dapat  menghasilkan  defleksi  piezoelektrik  yang  optimal.
Parameter lainnya seperti , , , dan merupakan parameter  yang  sudah tetap sesuai dengan jenis piezoelektrik yang digunakan.

## 3.2 Perancangan sistem polisi tidur piezoelektrik
Perancangan  sistem  polisi  tidur  yang  dilakukan  meliputi  perancangan  kantilever,  sistem mekanik  polisi  tidur,  dan  perancangan  pegas.  Perancangan  kantilever  dilakukan  dengan menguji  kantilever  dengan  masukan  berupa  shaker  berfrekuensi  6  Hz   dengan menggunakan  piezoelektrik  Kinez  K7520BP2.  Material  piezoelektrik  K7520BP2 ditempelkan langsung pada kantilever yang berasal dari stainless steel tebal 0.25mm dan panjang 160mm dari titik clamp. Pengujian yang dilakukan meliputi konfigurasi rangkaian piezoelektrik,  posisi  piezoelektrik  pada  kantilever  dan  penentuan  defleksi  maksimum kantilever.  Pengujian  konfigurasi  piezoelektrik  dilakukan  dengan  dua  cara  yaitu piezoelektrik  yang  dirangkai  secara  paralel  dan  seri.  Pengujian  berikutnya  adalah  posisi material  piezoelektrik  pada  kantilever.   Pengujian  ini  ditujukan  untuk  mengetahui  posisi paling optimal dari piezoelektrik terhadap kantilever.

## 3.3 Pengujian sistem polisi tidur piezoelektrik
Pengujian  sistem  polisi  tidur  dilakukan  dengan  menguji  sistem  mekanik  dan  kemampuan charging  sistem  kantilevernya.  Pengujian  sistem  mekanik  dilakukan  menggunakan  mobil acuan untuk mengamati besar defleksi pegas. Pengujian sistem charging dilakukan dengan memvariasikan  konfigurasi  dari  piezoelektrik  dan  buck  konverter  MB39C811  untuk memperoleh konfigurasi  yang paling optimal. Mekanisme yang digunakan dalam pengujian sistem charging adalah :
Gambar 3 mekanisme pengujian rangkaian charging polisi tidur piezoelektrik Adapun konfigurasi yang akan diujikan meliputi :
6. Pengujian rangkaian tunggal dan paralel piezoelektrik pada modul MB39C811
7. Pengujian dua piezoelektrik paralel dengan modul MB39C811
8. Pengujian lima set modul piezoelektrik paralel

## 4 Hasil Rancangan dan Analisis

## 4.1 Hasil pengujian sistem kantilever
Pengujian  piezoelektrik  Kinez  K7520BP2  yang  dirangkai  secara  seri  dan  paralel membuktikan  piezoelektrik  Kinez  hanya  mampu  menghasilkan  tegangan  listrik  saat dirangkai  secara  paralel.  Hal  ini  dilatarbelakangi  oleh  karakteristik  dasar  dari  susunan polaritas dan kutub material yang ada pada Kinez K7520BP2[15].
Posisi  piezoelektrik  terhadap  kantilever  memberikan  pengaruh  terhadap  tegangan keluaran. Berikut ini hasil pengujian posisi piezoelektrik terhadap kantilever .
Gambar 4 hasil pengujian posisi piezoelektrik terhadap kantilever
Berdasarkan teori, tekukan piezoelektrik akan semakin besar ketika berada di titik 0 clamp yang  menyebabkan  tegangan  keluaran  piezoelektrik  semakin  besar.  Profil  tegangan  yang diperoleh setelah pengujian  yang diperlihatkan oleh  gambar 4  sama dengan teori di mana saat piezoelektrik berada dekat clamp mampu menghasilkan tegangan yang paling besar. Oleh  karena  itu,  dalam  perancangan  posisi  piezoelektrik  akan  ditempatkan  dekat  dengan clamp untuk memperoleh tekukan yang paling maksimal.

## 4.2 Hasil perancangan polisi tidur piezoelektrik
Prototipe  polisi  tidur  piezoelektrik  terlebih  dahulu  dirancang  menggunakan  software SolidWorks TM dengan memanfaatkan konfigurasi-konfigurasi yang telah diujikan. Berikut ini hasil prototipe piezoelektrik yang telah dirancang :
Gambar 5 prototipe polisi tidur piezoelektrik
Prototipe polisi tidur piezoelektrik terdiri atas  sistem mekanik polisi tidur, sistem kantilever dan  sistem  harvesting  energy.  Sistem  mekanik  polisi  tidur  merupakan  bagian  polisi  tidur piezoelektrik  yang  dikenai  kontak  langsung  ban  kendaraan  bermotor.  Sistem  mekanik polisi tidur dirancang  untuk menahan beban masukan 2707.49 N dengan memanfaatkan 4  buah  pegas  yang  bisa  dilewati  satu  ban  mobil  dengan  kostanta  pegas  75598,24  N/m. Sistem  kantilever  merupakan  suatu  sistem  yang  terdiri  atas  alas  sistem  kantilever, penahan,  clamp,  pelat  kantilever  dan   material  piezoelektrik.  Sistem  kantilever  Sistem kantilever dapat memuat maksimal 5 pelat kantilver.  Sedangkan sistem harvesting energy terdiri  atas  buck  konverter  MB39C811  dan  kapasitor  yang  digunakan  untuk  memanen energi  sekaligus  sebagai  media  penyimpanan.  Bahan  utama  sistem  polisi  tidur piezoelektrik  adalah  besi  untuk  sistem  mekanik  polisi  tidur,  alumunium  untuk  sistem kantilever, stainless stell untuk pelat kantilever dan baja untuk pegas.

## 4.3 Hasil pengujian manual sistem kantilever piezoelektrik
Pengujian  sistem  kantilever  piezoelektrik  ditujukan  untuk  memilih  konfigurasi  yang  paling optimal  antara  piezoelektrik  dan  buck  konverter  dalam  menghasilkan  energi  listrik. Konfigurasi  yang  digunakan  berupa  rangkaian  piezoelektrik  dengan  memanfaatkan  AC1 dan AC2 (rangkaian tunggal piezoelektrik) pada suatu MB39C811 dan memanfaatkan AC1 (rangkaian  paralel  piezoelektrik).  Hasil  pengujian  memperlihatkan  penggunaan piezoelektrik  secara  paralel  menghasilkan  tegangan  yang  lebih  tinggi  pada  kapasitor 10.000uF  sehingga  dalam  perancangan  berikutnya  untuk  satu  sistem  piezoelektrik  dan MB39C811 dipakai rangkaian paralel.
Setelah itu dilakukan identifikasi sistem  dengan merangkai buck konverter secara seri atau paralel. Rangkaian paralel buck konverter menghasilkan tegangan yang lebih  tinggi karena rangkaian  dapat mengumpulkan arus secara kontinu meskipun masukannya  tidak kontinu sedangkan  pada  rangkain  seri  buck  konverter  sering  mengalami  open  atau  penurunan tegangan akibatnya arus yang masuk tidak kontinu . Pengujian selanjutnya adalah menguji pengaruh  penam bahan  sistem  piezoelektrik  dan  buck  konverter  secara  paralel  terhadap tegangan  pada  kapasitor.  Hasil  pengujian  memperlihatkan  semakin  banyak  piezoelektrik yang  digunakan  maka  semakin  besar  energi  yang  mampu  dihasilkan.  Hubungan  antara jumlah  piezoelektrik  dengan  tegangan  yang  dihasilkan  memiliki  hubungan  yang  linea r seperti diperlihatkan Gambar 5.

## Gambar 6 pengaruh jumlah piezoelektrik terhadap tegangan keluaran

## 4.4 Hasil pengujian polisi tidur piezoelektrik
Pengujian  sistem  kantilever  dengan  masukan  kendaraan  bermotor  menggunakan  mobil penguji  sebanyak  60  kali  lindasan  pada  polisi  tidur  piezoelektrik .  Pengujian  dapat menghasilkan  energi  listrik  sebesar  380mV  selama  1200  detik  dengan  daya  sebesar 2.166  mWh.  Apabila  dibandingkan  dengan  pengujian  manual  dengan  kondisi  yang  sama yaitu  60  kali  ketukan  selama  300  detik  diperoleh  energi  listrik  1120  mV  dan  daya 75.264mWh. Efisiensi dari sistem polisi tidur piezoelektrik baru mencapai 2.87%.
Gambar 7 hasil pengujian polisi tidur piezoelektrik dengan kendaraan bermotor
Hal  ini  disebabkan  oleh  transmisi  energi  mekanik  polisi  tidur  piezoelektrik  ke  sistem kantilever  piezoelektrik  belum  berjalan  secara  optimal.  Tekanan  yang  belum  optimal disebabkan oleh batang pengetuk polisi tidur tidak menekan sistem kantilever piezoelektrik dengan maksimal akibat lindasan ban kendaraan yang tidak selalu berada  tepat di bagian pusat sistem mekanik polisi tidur.  Selain itu, sistem  mekanik tidak selalu tertekan kearah bawah terkadang tekanan tersebut menyebabkan  pengetuk terangkat ke atas.  Kecep atan mobil  yang  tidak  konstan  juga  mempengaruhi  defleksi  polisi  tidur  yang  menyebabkan defleksi sistem kantilever piezoelektrik tidak selalu sama di setiap lindasan kendaraan.
Keterbatasan pengujian juga terdapat  pada waktu  yang  dibutuhkan mobil untuk melindasi polisi  tidur.  Selang  waktu  rata-rata  mobil  untuk  dapat  bolak  balik  melindasi  polisi  tidur membutuhkan  waktu  selama  12  detik.  Hal  ini  menyebabkan  tegangan  yang  tersimpan  di kapasitor  pada  MB39C811  cepat  mengalami  penurunan  dan  cenderung  habis.  Hal  ini berbeda  dengan  pengujian  manual  di  mana  sistem  kantilever  piezoelektrik  selalu mendapat tekanan pada selang waktu lima detik.

## 5 Kesimpulan
Polisi  tidur  piezoelektrik  yang  telah  dirancang  terdiri  atas  sistem  mekanik  polisi  tidur, sistem kantilever piezoelektrik dan buck konverter yang mampu menghasilkan energi listrik dengan masukan tekanan kendaraan bermotor roda empat.
Konfigurasi  sistem  kantilever  piezoelektrik  yang  mampu  menghasilkan  tegangan  listrik yang  optimal  adalah  menggunakan  beberapa  konfigurasi  piezoelektrik  paralel  yang dihubungkan  dengan  buck  konverter  MB39C811  secara  paralel.  Jumlah  modul piezoelektrik  dan  modul  MB39C811  berpengaruh  dalam  besar  energi  yang  mampu dihasilkan,  semakin  banyak  set  piezoelektrik  dan  MB39C811  yang  digunakan  maka tegangan  listrik  yang  dihasilkan  semakin  besar  akan  tetapi  terdapat  nilai  optimal  dari jumlah  piezoelektrik  yang  digunakan  berdasarkan  pemodelan  matematis  sistem  dan ukuran dari polisi tidur.
Daya  yang  dapat  dihasilkan  prototipe  polisi  tidur  piezoelektrik  berdasarkan  pengujian menggunakan  kendaraan  bermotor  adalah  2.166  mWh  sedangkan  dengan  uji  manual 75.264mWh  dengan  efisiensi  yang  dicapai  sebesar  2.87  %  dari  uji  manual,  hal  ini dikarenakan transmisi energi yang belum berlangsung dengan optimal.

## 6 Daftar Pustaka
[1] Hill,  D.,  Tong,  N.,  "Assessment  of  Piezoelectric  Materials  for  Roadway  Energy Harvesting", DNV KEMA, California Energy Commission , California, 2013.
[2] Anonymous,"Perkembangan  Jumlah  Kendaraan  Bermotor  Menurut  Jenis  tahun  1987 - 2013",  Badan  Pusat  Statistik,  2015.  accesed  from  http://www.bps.go.id/ linkTabelStatis/view/id/1413
[3] Salim.  C.,  "Pemanen  Energi  Bising  Lalu  Lintas  Menggunakan  Material  PZT  Dalam Resonator Helmholtz", Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2010.
[4] Sofyna.  M.C.,  Margiansyah.  A.,  "Desain  Sistem  Pengujian  Karakteristik  Piezoelektrik dan  Pengembangannya  sebagai  Modul  Pemanen  Energi",Institut  Teknologi  Bandung, Bandung, 2014.
[5] Anonymous,  "Kinez  Piezoelectric  Energy  Harvesters",  Toko  Online  Perdagangan  Alat Listrik Sengoku, 2015. accessed from https://www.sengoku.co.jp/item/pdf/spec_KINEZ_1_20.pdf [6] Untoro.  T.,  "Pengembangan  Kopling  Mekanik  Untuk  Pemanenan  Energi  Dengan Piezoelektrik  Yang  Memanfaatkan  Vibrasi  Frekuensi  Rendah",  Institut  Teknologi Bandung, Bandung, 2015.
[7] Beer. F.P., Johnston. E.R., Dewolf. J.T., "Mechanics of Material Fourth Edition", McGraw- Hill, Singapore , 2006.
[8] Anonymous, "Keputusan Menteri Perhubungan Nomor KM 3 Tahun 1994 Tentang Alat Pengendali dan Pengaman  Pemakai Jalan", Menteri Perhubungan Republik Indonesia , 1994.
[9] Budynas. Nisbett., "Mechanical  Engineering Eighth  Edition", McGraw-Hill,  United  States of America, 2006.
[10] Anonymous,  "Ultra  Low  Power  Buck  Power  Management  IC  for  Solar  and  Vibrations Energy Harvesting", Fujitsu.