Pengantar Rekayasa dan Desain-1 Yuliman Purwanto 2016

Silabi Rekayasa (engineering) dan insinyur (engineer) Aspek-aspek dalam rekayasa Jenis-jenis disiplin rekayasa Analisis rekayasa Problem solving Konversi dan konservasi energi Desain rekayasa Langkah-langkah dalam desain

Konversi dan Konservasi Energi Konversi energi : pengubahan bentuk dari satu bentuk energi ke bentuk energi lain  biasanya untuk keperluan aplikasi energi dalam kerekayasaan. Konservasi energi : merujuk pada pengurangan pemakaian energi untuk berbagai tujuan dan kegiatan industri  tujuan utamanya untuk menghemat energi.

𝑃=𝑊/𝑡 (Joule/detik atau Watt) Pengertian Dasar Energi : kemampuan untuk melakukan kerja/usaha Kerja/usaha : 𝑊=𝑓×𝑑 (Joule) 𝑓=gaya (Newton), 𝑑=jarak (meter) Daya : kerja/usaha per satuan waktu 𝑃=𝑊/𝑡 (Joule/detik atau Watt) Energi tidak bisa dibuat/diciptakan atau dimusnahkan, hanya bisa diubah ke bentuk lain (konversi)

Jenis Energi Sumber Energi Energi Mekanikal : Energi kinetik Energi potensial Energi Magnetik Energi Elektrikal Energi Gelombang Energi Nuklir Energi Radiasi Energi Kimiawi Dlsb. Air Angin Matahari Fosil Biomassa Geotermal Magnet tetap Gravitasi Dlsb.

Konversi Energi Untuk berbagai kepentingan, suatu energi perlu diubah menjadi bentuk energi lain. Misalnya :

Beberapa bentuk konversi energi yang lazim : Energi mekanikal  energi elektrik Energi kimia  energi elektrik Energi kimia  energi mekanik Energi panas  energi elektrik Energi magnet  energi elektrik Energi radiasi  energi elektrik Energi gravitasi  energi elektrik Energi gelombang  energi elektrik Dlsb.

Konversi Energi Mekanikal  Energi elektrik Perkakas utama konversi dari energi mekanikal ke energi elektrik = generator Jenis-jenis generator : Generator elektrostatis : generator Wimshurst, generator Van de Graaff Generator elektrodinamik : dinamo Faraday, dinamo Gramme Perkakas utama konversi dari energi elektrik ke energi mekanikal = motor, solenoid Jenis-jenis motor : Motor elektrik AC Motor elektrik DC

Generator Van de Graaff Generator Wimshurst Generator Van de Graaff

Dinamo Faraday Dinamo Gramme

Prinsip dasar generator AC

Prinsip dasar generator DC

Prinsip dasar GGL pada motor

Prinsip motor AC sinkron Kecepatan konstan, tergantung pada frekuensi arus listrik. Membutuhkan arus DC untuk eksitasi. Stator tersusun dari belitan yang menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan frekuensi arus listrik. Rotor terdiri dari magnet permanen yang disusun dengan kutub menghadap ke arah kutub stator. Stator diberi pasokan tiga fasa, rotor akan berputar mengikuti medan magnet stator. Putaran motor sinkron : Ns = putaran permenit f = frekuensi arus listrik N = jumlah pole.

Prinsip motor AC induksi Pada motor induksi, stator mirip dengan motor sinkron dengan gulungan tapi konstruksi rotor berbeda. Ada 2 jenis : Rotor sangkar-tupai terdiri dari bar tembaga atau aluminium yang tertanam dalam slot paralel. Rotor belitan tiga fase, lapisan ganda, belitan terdistribusi. Jumlah belitan sebanyak jumlah kutub stator. Tidak perlu catu daya eksternal karena rotor bekerja dengan prinsip induksi. Ketika konduktor digerakkan melalui medan magnet yang ada gerak relatif dari kedua menyebabkan arus listrik mengalir dalam konduktor.

Medan magnet di sekitar masing-masing konduktor rotor akan menyebabkan konduktor rotor bertindak seperti magnet permanen. Stator menghasilkan medan magnet berputar (karena efek dari tiga fase AC power supply), medan magnet induksi rotor akan tertarik dan akan mengikuti rotasi. Namun, untuk menghasilkan torsi, motor induksi harus terselip lebih dahulu karena gulungan rotor tertinggal dengan medan yang magnet berputar di gulungan stator. Perbedaan utama antara motor sinkron dan motor induksi : rotor dari motor sinkron berputar pada kecepatan yang sama dengan putaran medan magnet.

Solenoid

Konversi Energi Kimia  Energi Lain Energi kimia : energi yang masih tersimpan dalam bentuk persenyawaan kimia pada suatu benda. Contoh : BBM, LPG, LNG, kayu bakar, makanan, asam sulfat (H2SO4) dan timbal, mangan dioksida (MnO2), ammonium Chlorida (NH4Cl) dan karbon, dlsb. Konversi energi menjadi bentuk energi lain terjadi melalui proses kimiawi, misalnya : BBM/gas diubah menjadi energi panas dengan pembakaran Makanan diubah menjadi energi gerak dengan pencernaan Asam sulfat dan timbal diubah menjadi energi elektrik Gas hidrogen dan oksigen diubah langsung menjadi energi elektrik

Konversi Energi Kimia  Energi Listrik Langsung Fuel Cell : mengkonversi gas hidrogen menjadi energi listrik secara langsung. Anoda : serbuk platinum, katoda : nikel. Tiap sel menghasilkan 0.6~0.7 Volt.

Konversi Energi Kimia  Energi Listrik tak Langsung Bahan bakar konvensional (bensin, solar, batu bara, kayu, dlsb) dikonversi menjadi energi gerak lewat pembakaran untuk kemudian menggerakkan generator listrik. Contoh :

Konversi Energi Panas  Energi Listrik Langsung Energi panas bisa diubah menjadi energi listrik langsung oleh bahan yang memiliki sifat thermoelectric. Fenomena thermoelectric pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman, Thomas Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian. Di antara kedua logam tersebut diletakkan jarum kompas. Ketika sisi logam dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak  terjadi karena aliran listrik yang muncul pada logam menimbulkan medan magnet  "efek Seebeck".

Tahun 1934 Jean Charles Peltier menemukan kebalikan dari prinsip Seebeck : mengalirkan arus listrik pada sambungan dua logam untuk menghasilkan pendinginan/pemanasan  efek Peltier Prinsip ini sekarang digunakan untuk membuat perangkat pendingin dengan memakai bahan Bismuth-Telluride.

Contoh konversi energi panas ke energi listrik langsung : Komponen Peltier akan mengalami perbedaan suhu panas 85oC dan suhu dingin 55oC sehingga akan menghasilkan keluaran daya listrik.

Konversi Energi Magnet (primer)  Energi Lain Energi yang tersimpan pada magnet tetap bisa “dipanen” dan dikonversi serta dimanfaatkan untuk berbagai keperluan tanpa memerlukan energi primer lainnya. Pada prinsipnya energi ini bisa dikonversi dengan beberapa cara : Memanfaatkan gaya tarik-menarik (atau tolak- menolak) antara kutub-kutub magnet  konversi ke energi mekanik  kemudian dikonversi ke energi listrik. Memanfaatkan medan magnet tetap untuk memper- kuat medan magnet pada transformator sehingga menghasilkan keluaran yang lebih besar  konversi langsung ke energi listrik

Pemanfaatan gaya tarik atau gaya tolak magnet Gaya tarik/tolak dimanfaatkan untuk memutar sumbu sehingga menghasilkan putaran mekanis. Contoh 1 : motor Raul Hatem

Tidak memerlukan kumparan dan switching. Contoh 2 : motor Bowman Menggunakan roda gigi presisi untuk memutar rotor pendorong dan penarik ke posisi yang tepat. Tidak memerlukan kumparan dan switching. Motor akan berputar setelah magnet penggerak/ actuator di-release.

Motor Bowman Motor Bowman

Contoh 3 : motor V-gate Prinsip : menyusun magnet dengan konfigurasi huruf V pada rotor dan mengendalikan magnet stator sehingga sekali bergerak akan berputar terus tanpa henti (abadi).

Contoh 4 : motor Muammer Yildiz Prinsip : menyusun magnet sedemikian rupa pada stator dan rotor sehingga sekali bergerak akan berputar terus tanpa henti (abadi).

2. Pemanfaatan medan magnet tetap Medan magnet berputar/bergerak sejauh ini selalu menggunakan bagian yang berputar (seperti pada motor dan generator) Namun medan magnet juga bisa dihasilkan tanpa komponen bergerak sehingga efisiensi lebih baik. Peningkatan fluks magnetik bisa diperoleh dari penggunaan pengaturan seperti ini: Charles Flynn's Magnetic Frame

Prinsip Lawrence Tseung

Prinsip Dietmar Wehr Prinsip kerjanya mirip dengan prinsip Lauwrence Tseung, dengan dua buah keluaran.

Prinsip Thane C. Heins Walau tidak menggunakan magnet tetap, tetapi prinsip Thane C. Heins ini memanfaatkan peningkatan medan magnet yang berasal dari kumparan primer oleh konstruksi inti trafo yang unik.

Konversi Energi Radiasi  Energi Listrik Energi Radiasi adalah istilah Dr. Thomas Henry Moray untuk menggambarkan sumber energi yang berasal dari kosmos ke bumi dan memancar dari bumi kembali ke kosmos. Energi ini mirip dengan partikel bercahaya yang melingkupi semua ruang dan perilakunya sangat mirip dengan gelombang listrik. Tesla, Moray, dan banyak penemu lainnya sudah membuktikan adanya energi ini, dan berhasil memanen serta mengubahnya menjadi energi listrik yg operasional ! Menurut Moray, energi yang datang ke bumi setiap saat berjumlah sangat besar : bisa menghidupkan lampu berdaya 600 watt sebanyak 1.193.600 buah untuk setiap orang di dunia !

Fakta-Fakta Nikola Tesla berhasil membangun perangkat antena yang menangkap energi radiasi dan dipatenkan pada 21 Mei 1901. Prinsipnya disebut “Apparatus for the Utilisation of Radiant Energy”, US Patent No. 685,957.  Hermann Plauson tahun 1925 berhasil membangun pembangkit listrik energi radiasi sebesar 100 kilowatt. Thomas Henry Moray pd tahun 1936 berhasil mendemonstrasikan energi listrik dari radiasi hingga 50 kilowatt.

Prinsip Penerima Energi Radiasi Tesla Kapasitor terbuat dari mika  berupa kapasitor listrik statik berkualitas tinggi. Tegangan yang dihasilkan ekstra tinggi. Kapasitor termuati listrik statis, sebuah saklar vibrasi membuang muatan kapasitor lewat trafo penurun tegangan. Daya keluaran sudah bertegangan rendah.

Versi Jes Ascanius dari Sistem Tesla

Versi Paralel Jes Ascanius (daya besar)

Versi Modern Jes Ascanius

Prinsip Penerima Hermann Plauson Tiga kapasitor seri “a1”, “b1” and “c1” membentuk kapasitor tegangan tinggi tunggal. Ada 3 buah “blob” untuk pengaman apabila ada petir. Sebuah spark gap akan mengubah listrik statis menjadi listrik dinamis. Sebuah trafo digunakan utk menurunkan tegangan sehingga bisa digunakan oleh beban.

Prinsip Penerima Henry Moray Seutas kabel tunggal sepan-jang 60 meter atau lebih ditempatkan seperti antena radio dengan ketinggian 2 meter atau lebih. Muatan yang diterima dideteksi dan disimpan pada sebuah kapasitor. Sirkuit ini mampu menghasilkan daya hingga 50 Kwatt dengan tegangan antara 1.5 ~ 6 Volt DC.

Versi Modern Penerima Moray

Penelitian Yepe

Konversi Energi Gravitasi  Energi Gerak Energi gravitasi : energi potensial yang terkandung pada benda yang memiliki posisi tertentu sehingga mengandung energi gerak. Energi gravitasi bisa “dipanen” dengan berbagai cara, tergantung model dan konfigurasi bendanya. Beberapa contoh koversi energi gravitasi : Bandul/bola gravitasi Roda gila (flywheel)

Prinsip Pemanfaatan Bandul Gaya tarik gravitasi menggerakkan bandul yang kemudian bisa menggerakkan generator. Contoh : GravityLight.

GravityLight

Prinsip Pemanfaatan Bola Gravitasi Gaya tarik gravitasi menggerakkan bola logam yang dipasang sedemikian rupa sehingga akan memutar sebuah sumbu dan kemudian bisa menggerakkan generator. Contoh : Jentera dari Lawrence Tseung Bola jatuh ke bawah sepanjang tabung. Pada salah satu sisinya tabung memiliki tutup yang keras yang mengakibatkan tekanan yang keras saat bola menghantamnya. Piringan mulai berputar.

Purwarupa yang dibuat oleh Tseung ternyata tidak sempurna karena putaran berhenti setelah 5 menit. Masalahnya adalah : rotasi tabung terlalu pelan untuk bisa efektif sehingga jatuhnya bobot bola akibat gravitasi dan percepatan yang timbul terlalu kecil sehingga tekanannya kurang kuat. Modifikasi : pergerakan setiap bobot harus ditunda sampai tabung cukup dekat dengan arah vertikal 

Bisa langsung difungsikan sebagai generator Dipasang magnet dan kumparan pemetik daya listrik yang dihasilkan.

Buoyancy Power Generator

Prinsip Pemanfaatan Roda Gila Roda gila merupakan roda dengan ukuran ketebalan yang besar sehingga memiliki gaya kelembaman yang dipengaruhi oleh gravitasi. Efek ini bisa dimanfaatkan untuk menggerakkan generator sementara energi untuk memutar roda beristirahat. Beberapa sistem yang ada : Sistem Chas Campbell Sistem Wilson

Chas Campbell System Menggunakan roda gila (flywheel).

The Wilson Self-Powered DC Generator Menggunakan roda gila (flywheel) berukuran besar.

Konversi Energi Gelombang  Energi Mekanik Gelombang terdiri dari berbagai jenis : Gelombang akustik Gelombang elektromagnetik Gelombang fisik berupa gelombang air/laut Gelombang akustik : berasal dari semua sumber yang menghasilkan getaran akustik, misalnya perangkat musik. Gelombang elektromagnetik : berasal dari sumber penghasil gelombang e.m, misalnya pemancar radio atau benda-benda yang menghasilkan radiasi. Gelombang air/laut : muncul karena adanya hembusan angin di perairan/laut dalam bentuk ombak.

Energi Ombak  

Contoh konversi energi ombak  energi mekanis Sistem piston :

Sistem Kanal Gelombang disalurkan lewat suatu saluran kedalam bangunan penjebak seperti kolam buatan (lagoon). Ketika gelombang muncul, gravitasi akan memaksa air melalui turbin guna membangkitkan energi listrik.

Sistem Rakit Cockerell Berbentuk untaian rakit yang saling dihubungkan oleh engsel. Gerakan relatif rakit-rakit terhadap gelombang, menggerakkan pompa hidrolik selanjutnya diubah menjadi energi mekanik.

Sistem Tabung Tegak Kayser Menggunakan pelampung yang bergerak naik turun dalam tabung karena adanya tekanan air. Gerakan relatif antara pelampung dan tabung menimbulkan tekanan hidrolik yang dapat diubah menjadi energi listrik.

Sistem Ocillating Water Column (OWC) Aliran masuk dan keluarnya ombak ke dalam ruangan khusus menyebabkan terdorongnya udara keluar dan masuk melalui saluran di atas ruang tersebut  aliran udara memutar turbin yang menggerakkan generator. Masalah utama dengan desain ini adalah ketahanan struktur bangunan terhadap ombak yang mengganas di musim angin barat.