## PIEZOELEKTRIK SEBAGAI PEMANEN ENERGI DENGAN PENAMBAHAN BLUFF BODY SEGITIGA

## Kasum
Program Studi Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknologi Jakarta Email: kasum@sttj.ac.id
Fajar Mulyana Program Studi Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknologi Jakarta Email: fajar@sttj.ac.id
Adhes Gamayel Program Studi Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknologi Jakarta Email: adhes@sttj.ac.id

## ABSTRAK
Piezoelektrik adalah salah satu pemanen energi yang menghasilkan energi listrik ketika mengalami defleksi. Penelitian  mengenai  besaran  tegangan  listrik  akibat  perbedaan  penampang bluff  body telah  dilakukan,  namun penelitian  tentang  potensi bluff  body segitiga  masih  belum  dilakukan.  Metode  penelitian  adalah  mengamati piezoelektrik yang bergetar dan melakukan pengukuran tegangan listrik. Bluff body yang dipasang berpenampang segitiga  dengan  panjang  alas  dan  tinggi  sama  yaitu,  1  cm,  2  cm,  dan  3  cm.  Penelitian  dilakukan  di  dalam terowongan angin mini dengan kecepatan angin 3 m/s dan jarak piezoelektrik terhadap bluff body adalah 50 mm. Hasil yang didapatkan adalah bluff body penampang segitiga 1 cm memiliki nilai efektif tertinggi yaitu 5,21 x 10 -3 volt. Aliran udara saat melewati ujung segitiga bagian atas menyebabkan terjadi olakan lebih banyak dibandingkan saat  aliran  udara  melewati  alas  segitiga. Semakin  besar  olakan  yang  terjadi  maka  udara  yang  menumbuk permukaan piezoelektrik semakin besar sehingga nilai efektifnya menjadi tinggi.
Kata kunci: piezoelektrik; panen energi; bluff body; olakan .

## ABSTRACT
Piezoelectric  is  one  of  energy  harvester  that  produces  electrical  energy  when  deflection  happens. Research on the effect of the bluff body to piezoelectric’s electrical voltage has been done, but research on  the  potential  of  the  triangle  bluff  body  has  not  been  done.  This  research  method  is  to  measure electrical voltage from piezoelectric with cantilever system. Bluff body is installed as a barrier is a bluff body  with  triangle  cross  section  with  the  same  a  long  base  and  height  i.e:  1  cm,  2  cm, and  3  cm.  This study was conducted using a mini wind tunnel with a wind speed of 3 m/ s and distance of piezoelectric to bluff  body  is  50  mm.  The  result  obtained  is  a  bluff  body  cross-section  triangle  1  cm  has  the  highest effective  value  of  5.21  x  10 -3 volts.  Airflow  as  it  passes  over  the  top  of  the  upper  triangle  causes  more vortex  than  the  base  of  the  triangle.  The  bigger  vortex  occurs  then  the  bigger  air  strike  piezoelektrik surface, so that the effective value becomes high.
Keywords: piezoelectric; energy harvesting; bluff body; vortex.

## 1. PENDAHULUAN
Piezoelektrik  adalah  salah  satu  alat  pemanen  energi  yang  menghasilkan  energi  listrik  ketika  mengalami defleksi. Polarisasi partikel penyusun piezoelektrik terjadi saat defleksi sehingga menimbulkan konsentrasi muatan listrik.  Ketika  terjadi  defleksi  secara  berulang,  energi  listrik  yang  dihasilkan  dapat  disimpan  dalam  penyimpan energi listrik yaitu baterai atau konduktor. Dimensi piezoelektrik yang kecil dan tipis menyebabkan defleksi kurang maksimal  sehingga  energi  yang  dihasilkan  kecil.  Oleh  karena  itu,  piezoelektrik  dikategorikan  sebagai  pemanen energi tingkat mikro.
Salah  satu  sistem  yang  dipakai  untuk  membangkitkan  tegangan  listrik  pada  piezoelektrik  yaitu  sistem kantilever. Sistem kantilever piezoelektrik merupakan sistem dengan cara menjepit salah satu ujung piezoelektrik. Jika  ujung  bebas  piezoelektrik  diberi  gaya,  terjadi  getaran  dan  piezoelektrik  akan  bergerak  naik  turun.  Jika
digambarkan,  gerakan  naik  turun  piezoelektrik  akan  membentuk  grafik  sinusoidal  yang  identik  dengan  grafik tegangan listrik bolak-balik. Telah dilakukan penelitian tentang sistem kantilever piezoelektrik dengan dan tanpa beban  di  ujung  piezoelektrik  [1].  Kantilever  tanpa  beban  menghasilkan  4.05  volt  pada  frekuensi  108.13  Hz. Sebaliknya, dihasilkan tegangan 13,35 V pada frekuensi 125,5 Hz. Penelitian lain [2] mendapatkan daya sebesar 6,5 mW pada MEM dengan panjang 0,26 mm dan frekuensi 13,4 Hz.
Penelitian tentang peningkatan tegangan listrik terus dikembangkan. Salah satunya dengan metode galloping yang didefinisikan sebagai ketidakstabilan dinamis yang mengenai struktur elastis akibat adanya aliran turbulen [3]. Galloping digunakan  karena  dapat  menghasilkan  amplitudo  besar  pada  frekuensi  yang  rendah  disaat  angin menumbuk dengan tiba-tiba (tidak simultan) [4]. Sirohi & Mahadik [5] menggunakan gallops berbentuk prisma dan menghasilkan 50 mW pada kecepatan angin 11,6 mph. Abdelkefi et al [6] menggunakan balok menghasilkan 1.7  W  pada  kecepatan  angin  15  m/s.  Pada weak  galloping ,  Weinstein  et  al  [7]  menggunakan  silinder  dan menghasilkan  100-3000  mikrowatt  pada  kecepatan  angin  2,5  m/s.  Gamayel  [8]  menggunakan bluff  body penampang  segitiga  menghasilkan  tegangan  listrik  maksimal  0.034  mV  pada  kecepatan  angin  2  m/s.  Dengan penampang ujung yang runcing, dimungkinkan terjadi peningkatan kecepatan saat melewati bluff body , sehingga saat ujung runcing telah terlewati, maka akan terjadi vortex (olakan).
Potensi bluff  body segitiga  dalam  pembangkitan  energi  pada  piezoelektrik  masih  jarang  dilakukan.  Oleh karena  itu,  diperlukan  penelitian  mengenai  pengaruh  perbedaan  luasan  segitiga  terhadap  potensial  listrik  yang dibangkitkan.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mempelajari  konversi  energi  angin  menjadi  energi  listrik  dengan adanya bluff body tanpa mempertimbangkan metode penyimpanan energi listrik yang dihasilkan. Fokus bahasan pada penelitian ini terletak pada perubahan aliran udara saat melewati bluff body penampang segitiga.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN

## 2.1   Metode Penelitian
Penelitian  ini  mengamati  piezoelektrik  dan  melakukan  pengukuran  tegangan  listrik  dari piezoelektrik  yang  ditempatkan  berjarak  50  mm  dari bluff  body berpenampang  segitiga.  Dari  data pengukuran  tersebut  dapat  dibuat  grafik  hubungan  tegangan  listrik  terhadap  waktu.  Selain  itu,  dapat dihasilkan nilai efektif tegangan listrik dari variabel bebas yang dipakai. Variabel bebas dalam penelitian ini  adalah  dimensi bluff  body ,  dimana  alas  dan  tinggi  dalam  satu  penampang  segitiga  memiliki  ukuran yang  sama.  Dimensi bluff  body yang  dipakai  adalah  1  cm,  2  cm,  dan  3  cm.  Ilustrasi bluff  body dengan dimensi dan posisi piezoelektrik dapat dilihat pada gambar 1.
(a) (b)
Gambar 1. (a) ukuran bluff body yang digunakan, (b) Jarak bluff body terhadap piezoelektrik

## 2.2   Alat, Bahan dan Instalasi Penelitian
Bahan  piezoelektrik  yang  dipakai  adalah  jenis  PVDF  ( polyvinylidene  fluoride )  tipe  LDT0-028K berdimensi luas 9.8 x 5.2 mm, ketebalan 28 µm dilapisi polyester 0.125 mm dan total dimensinya adalah 25 x 15 mm. Dibagian atas piezoelektrik ditambahkan kertas dengan dimensi 56 x 61 mm dengan tujuan agar lebih banyak aliran angin yang menumbuk pada area tersebut. Lebih jelasnya lihat gambar 2.

## Gambar 2. Dimensi Piezoelektrik
Pengukuran  tegangan  listrik  dilakukan  dengan  mikrokontroler  dan  pembacaan  sistem  akuisisi  data menggunakan software Windaq.  Pengukuran  dilakukan  selama  120  detik  dan  perekaman  data  sebanyak 100  data  tiap  detik.  Data  yang  terkumpul  kemudian  dikonversi  ke  dalam  format  Microsoft  Excel  agar lebih  mudah  dalam  pembuatan  grafik.  Piezoelektrik  dan bluff  body diletakkan  pada  terowongan  angin dengan  luasan  penampang  180  x  180  mm  yang  dilengkapi  penyearah  aliran  dan  kipas  angin  dengan kecepatan angin 3 m/s. Gambar instalasi penelitian ditampilkan pada gambar 3.

## Gambar 3. Instalasi Penelitian

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Grafik  hubungan  tegangan  listrik  dan  waktu  dengan  ukuran bluff  body segitiga  yang  berbeda,  ditampilkan pada gambar 4. Dari ketiga grafik tersebut, bluff body segitiga 3 cm menghasilkan tegangan listrik terkecil. Hal ini terjadi  karena  ukuran bluff  body ini  termasuk  yang  terbesar  diantara  yang  diuji,  sehingga  dimungkinkan  banyak aliran  angin  yang  tidak  menumbuk  piezoelektrik.  Dengan  dimensi  besar,  maka  halangan  angin  besar  dan  saat terjadi olakan pada ujung segitiga, hasil olakan tersebut sedikit yang mengenai piezoelektrik.
(a)
(b)

## (c)
Gambar 4. Hubungan tegangan listrik dan waktu (a) bluff body segitiga 1 cm, (b) bluff body segitiga 2 cm, (c) bluff body segitiga 3 cm
Pembacaan grafik pada gambar 4 akan lebih jelas dengan adanya pembagian rentang voltase dan jumlah data seperti pada tabel 1. Tegangan terkecil pada bluff body segitiga 3 cm dihasilkan pada rentang voltase -0,01 volt, 0 volt,  dan  0,01  volt.  Jika  ketiga  rentang  dijumlahkan,  maka  akan  ada  sebanyak  11,755  data  atau  97%  dari  data keseluruhan. Bluff body segitiga 2 cm dan 1 cm berturut-turut menghasilkan voltase pada rentang tersebut sebesar 95%  dan  94,5%.  Berdasarkan  prosentase  tersebut,  dapat  disimpulkan  bahwa  piezoelektrik  sebagian  besar beroperasi pada rentang voltase -0,01 sampai dengan 0,01 volt.
Tabel 1. Pengelompokan jumlah data berdasarkan rentang tegangan listrik

## Jumlah data dengan nilai rentang (n) tegangan listrik
Bluff body A B C D E F G Total data Segitiga 1cm 18 424 5103 1361 4880 213 1 12000 Segitiga 2 cm 8 349 5219 1453 4764 203 4 12000 Segitiga 3 cm 6 155 5319 1794 4642 84 0 12000 Total data 32 928 15641 4608 14286 500 5 36000
Catatan :
A = -0.03<n<-0.02  ; B = -0.02<n<-0.01  ; C = -0.01<n<0  ; D = 0  ; E = 0<n<0.01  ; F = 0.01<n<0.02 ; G = 0.02<n<0.03
Pada tabel 1. Notasi A, B, C bernilai voltase negatif dan notasi E, F, G bernilai voltase positif. Jumlah data bernilai voltase negatif lebih banyak daripada voltase positif. Prosentase data dari jumlah A-B-C adalah 46% dan 41% untuk E-F-G. Berdasarkan hal itu, dimungkinkan terjadi karena olakan udara yang menumbuk piezoelektrik lebih banyak berasal dari  sisi atas segitiga dibandingkan dari sisi bawah. Tumbukan piezoelektrik dari arah atas mengakibatkan  piezoelektrik  melendut  kebawah  sehingga  nilai  tegangannya  negatif.  Angin  menumbuk  ujung lancip  segitiga  menyebabkan  olakan  udara  pada  sisi  atas  lebih  banyak.  Sedangkan  di  sisi  bawah,  olakan  sedikit terjadi karena adanya sisi alas  yang  memanjang dan  memungkinkan  udara untuk cenderung tidak berolak. Pada penelitian Srikanth et al [9], peletakan bluff body segitiga dengan salah satu ujung lancip sejajar sumbu x, sehingga daerah terjadinya olakan akan berimbang. Pada penelitian ini, peletakan segitiga dengan posisi alas sejajar sumbu x yang mengakibatkan perbedaan daerah olakan. Ilustrasi dari peletakan bluff body ditampilkan pada gambar 5.
Gambar 5. Letak dan posisi segitiga (a). Satu sudut lancip sejajar sumbu x [9], (b). Alas sejajar sumbu x
Gambar  6  menampilkan  grafik  hubungan  antara  dimensi bluff  body terhadap  nilai  efektif  (Vrms).  Ukuran bluff body kecil memiliki nilai efektif tertinggi dan bluff body ukuran besar memiliki nilai efektif terendah. Hal ini disebabkan karena banyaknya olakan udara yang menumbuk permukaan piezoelektrik ketika dilewatkan melalui bluff body segitiga 1 cm. Semakin kecil bluff body yang dilalui oleh udara, maka semakin besar olakan yang terjadi dan menumbuk permukaan piezoelektrik sehingga nilai efektifnya menjadi tinggi.
Gambar 6. Grafik hubungan nilai efektif (V rms ) terhadap bluff body yang dipasang

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan pembahasan pada bab diatas, dapat diambil kesimpulan bahwa semakin kecil ukuran bluff body segitiga, maka akan semakin tinggi nilai efektif yang dihasilkan. Bluff body penampang segitiga 1 cm memiliki nilai efektif tertinggi  yaitu 5,21 x 10 -3 volt. Pada penelitian ini,  mayoritas piezoelektrik  menghasilkan tegangan  listrik pada rentang voltase -0,01 hingga 0,01 volt.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  terima  kasih  disampaikan  atas  pendanaan  penelitian  ini  kepada  DP2M  DITJEN  RISTEKDIKTI melalui program Penelitian Dosen Pemula (PDP) pelaksanaan tahun 2018.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Nyamayoka  LT-E,  Adewumi  GA,  Inambao  FL.  Design  of  a  prototype  generator  based  on piezoelectric  power  generation  for  vibration  energy  harvesting.  J  Energy  South  Africa. 2017;28(4):32–40.
[2] Pawinanto  RE,  Shumarudin  A.  Desain  Cantilever  Beam  Piezoelectric  Untuk  Aplikasi  Energi Harvesting. 2016;5(2):5–7.
[3] Rostami  AB,  Armandei  M.  Renewable  energy  harvesting  by  vortex-induced  motions:  Review  and benchmarking of technologies. Renew Sustain Energy Rev. Elsevier; 2017;70(November):193–214.
[4] Sirohi J, Mahadik R. Harvesting Wind Energy Using a Galloping Piezoelectric Beam. J Vib Acoust. 2012;134(1):011009.
[5] Sirohi J, Mahadik R. Piezoelectric wind energy harvester for low-power sensors. J Intell Mater Syst Struct. 2011;22(18):2215–28.
[6] Abdelkefi A, Hajj MR, Nayfeh AH. Power harvesting from transverse galloping of square cylinder. Nonlinear Dyn. 2012;70(2):1355–63.
[7] Weinstein  LA,  Cacan  MR,  So  PM,  Wright  PK.  Vortex  shedding  induced  energy  harvesting  from piezoelectric  materials  in  heating,  ventilation  and  air  conditioning  flows.  Smart  Mater  Struct. 2012;21(4).
[8] Gamayel A. Pengaruh Bentuk Bluff Body Terhadap Tegangan Listrik yang Dihasilkan Piezoelektrik dengan Sistem Kantilever. 2017;2(2502):1–5.
[9] Srikanth S, Dhiman AK, Bijjam S. Confined flow and heat transfer across a triangular cylinder in a channel. Int J Therm Sci. 2010;49(11):2191–200.