PERANCANGAN ELECTRIC ENERGY RECOVERY SYSTEM PADA SEPEDA LISTRIK
ANDHIKA IFFASALAM2105.100.080
Jurusan Teknik MesinFakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya2012
• LATAR BELAKANG
PENGEREMAN PADA KENDARAAN
•DEBU YANG MERUSAK KESEHATAN •ENERGI PANAS YANG TIDAK BERGUNA BAGI KENDARAAN
Kendaraan yang menggunakan energi listrik
Yang akan dibahas secara lebih lanjut
pada tugas akhir ini ialah:
PERANCANGAN ELECTRIC ENERGY
RECOVERY SYSTEM PADA SEPEDA LISTRIK
• LATAR BELAKANG
1.Bagaimana menganalisa prototype electric energyrecovery system (EERS) yang dapat memanfaatkanpengereman sepeda listrik untuk menghasilkanenergy listrik.
2.Bagaimana merancang prototype electric energyrecovery system (EERS) yang diterapkan pada sepedalistrik untuk mendapatkan konstruksi dan dimensiyang cocok.
3.Bagaimana memilih spesifikasi dari komponenmekanik yang dibutuhkan EERS pada sepeda listrikyang memiliki kemampuan dan kualitas kerja yangbaik.
4.mencari sudut inklinasi sehingga didapatkanpengereman pada kecepatan 40km/jam.
•PERUMUSAN MASALAH
1. Kendaraan berjalan pada kecepatan minimum30 km/jam dan maksimum 50 km/jam
2. Kendaraan melewati jalan datar atau menurunsehingga menyebabkan pengereman
3. Beban pengendara dianggap 60 kg4. Batasan dimensi pemasangan, dimana volume
keseluruhan 27900 cm3 . Dengan lebar 30 cm,panjang 30 cm dan tinggi 30 cm
5. Diasumsikan efisiensi penyerapan energialternator 100%
• BATASAN MASALAH
1. Menganalisa penerapan teknologi EERS yang dapatmemanfaatkan pengereman pada sepeda listrik untukdiubah menjadi energi listrik.
2. Merancang sistem EERS untuk diterapkan pada sepedalistrik berdasarkan peninjauan dari teori-teori yang ada.
3. Mendapatkan spesifikasi untuk mendukung peranti EERSdan mengoptimalkan energy baik pada pengisian ulangmaupun penggerak utamanya
•TUJUAN
1. Perjalanan lebih mudah sebagai alattransportasi
2. Ekonomis3. Minim perawatan4. Konvensional tetapi mengedepankan teknologi
•RELEVANSI
• KERS•TINJAUAN PUSTAKA
• SEPEDA LISTRIKSepeda listrik merupakan sebuah kendaraan yang menggunakan energilistrik sebagai tenaga penggeraknya. Motor listrik dan akumulatormerupakan komponen penting dari sepeda listrik. Kecepatan maksimumyang dapat dicapai oleh sepeda listrik ialah 60 km/jam dengan suduttanjak yang dapat dicapai 30 derajat. Pengisian ulang pada sumber listrik(charging) dengan lama waktu sekitas 5 jam.
•TINJAUAN PUSTAKA
ENERGI POTENSIAL
ENERGI KINETIK
PULLEY DAN BELT
GEAR
ALTERNATOR
ENERGI LISTRIKACCUMOTOR
LISTRIK
•PRINSIP KERJA
Studiliteratur
Perbaikan gambarperencanaan pada
FBD
Mencari besarnya gaya yang dibutuhkan
A
Mendapatkangaya yang
bekerja
B
•FLOWCHART •STUDI LITERATURPada studi literatur mempelajari tentang dasar teoriyang mendukung mengenai EERS. Yaitu lebih mengenaifungsi kerja KERS, bagaimana kinerja sepeda motorlistrik. sehingga nantinya dapat mempermudah kitadalam penelitian
PERBAIKAN GAMBAR PERENCANAAN PADA FBDPerbaikan pada gambar yang dilakukan untukmendapatkan dimensi alat yang tepat. Yang dahulumenggunakan V-belt kini coba di kompakkan denganmenggunakan gear.
Studiliteratur
Perbaikan gambarperencanaan pada
FBD
Mencari besarnya gaya yang dibutuhkan
A
Mendapatkangaya yang
bekerja
B
•FLOWCHART
Keterangan :Ff, Fr = gaya dorong pada roda depan dan belakangRrr, Rrf = gaya hambat rolling pada roda belakang dan depanFd = gaya hambatan angina = percepatan kendaraanƟ = sudut turunan jalanGaya hambatan total pada kendaraan adalah :
FR = Fd + Rr + RgDimana :Rr = Rrr + Rrf = total hambatan rolling (N)Rg = WsinƟ = hambatan tanjakan (N) (Geode resistance)
MENDAPATKAN GAYA YANG BEKERJATerlebih dahulu harus diketahui gaya-gaya yang adapada kendaraan
Studiliteratur
Perbaikan gambarperencanaan pada
FBD
Mencari besarnya gaya yang dibutuhkan
A
Mendapatkangaya yang
bekerja
B
•FLOWCHARTMENCARI BESARNYA GAYA YANGDIBUTUHKANSetelah mengetahui gaya-gaya yang bekerja, makadapat dicari data berupa sudut kemiringan, ketinggian,dan berat dari kendaraan sehingga nantinya dapatdiketahui energi potensial yang bekerja padakendaraan.
EP = W. h= m. g. h……….(1)
EK = ½ m. v2...........(2)
EK = EPW.h = ½ m.v2
m.g.h= ½.m.v2
g.h= ½.v2
v =
A
Perancangan akhir
Penentuan spesifikasi alatpendukung berdasarkan FBD
Analisa energi yang dihasilkan
Mendapatkanspesifikasi
alat
B
•FLOWCHARTPENENTUAN SPESIFIKASI ALAT PENDUKUNG BERDASARKAN FBDAlat yang digunakan nantinya dipilih sesuai spesifikasi, sehingga energi yang ditangkap dapat dimaksimalkan. Baikdari segi pemanenan maupun penggunaan.
A
Perancangan akhir
Penentuan spesifikasi alatpendukung berdasarkan FBD
Analisa energi yang dihasilkan
Mendapatkanspesifikasi
alat
B
•FLOWCHART
ANALISA ENERGI YANG DIHASILKANEnergi yang dihasilkan adalah energi listrik.Energi tersebut diharapkan memilikiefisiensi yang maksimal sesuai denganperhitungan.
EK = ½ m.(v*)2
WH = ½ m.(v*)2 + ELm.g.h = ½ m.(v*)2 + ELEL = m.g.h - ½ m.(v*)EL= perubahan sebagian energi kineticmenjadi listrik.
A
Perancangan akhir
Penentuan spesifikasi alatpendukung berdasarkan FBD
Analisa energi yang dihasilkan
Mendapatkanspesifikasi
alat
B
•FLOWCHARTMENDAPATKAN SPESIFIKASI ALATSetelah didapat gaya-gaya dan energi. Maka, dapatditentukan spesifikasi-spesifikasi alat yang akandigunakan untuk digunakan dalam perancangan akhirseperti:AKI
ALTERNATOR
A
Perancangan akhir
Penentuan spesifikasi alatpendukung berdasarkan FBD
Analisa energi yang dihasilkan
Mendapatkanspesifikasi
alat
B
•FLOWCHART PERANCANGAN AKHIRPada perancangan akhir, nantinya akandiperoleh desain berupa piranti EERS.Piranti tersebut diharapkan mudah dalampemasangan, murah dalam pembuatan,dan dimensi yang sesuai.
•BATTRAI/AKUMULATOR
Kontakon
Handle gas
Motor DC
Baterai
Kecepatan sepeda30 – 40 kph
Tuasrem
Alternator ON
BateraiTuasrem
Alternator OFF
Skema penggunaan baterai untuk sepeda listrik standar
Skema pengisian baterai pada sepeda listrik yang telahmenggunakan piranti EERS
•PEMUTUS DAYAPada sebuah hubugan transmisi, terdapat beban yang dihasilkan. Dimana gir salingbergesekan satu sama lain. Guna memaksimalkan pemanenan energi, makaditambahkanlah pemutus daya yang mekanismenya megadopsi kerja dari sepeda dansepeda motor. Dengan menggunakan beberapa piranti berikut ini:
•RANCANGAN GAMBAR
Design ini merupakan type standardari sepeda listrik standar. Sepedaini belum menggunakan piranti dariEERS.
Design ini merupakan modifikasiyang menggunakan transfer dayaberupa V-Belt yangmenghubungkan roda denganalterntor. Kelemahan dari designini adalah dimensi dari V-belt yangbesar, sehingga mengurangikenyamanan.
•IDE PERBAIKAN Perbaikan yang dilakukan pada
sepeda listrik adalah:
• penggunaan EERS
Penggunaan Spur Gear pada
sistem transfer daya, sehingga
meminimalkan slip dan
mengecilkan dimensi dari EERS
• penambahan kapasitas baterai
menambah jarak tempuh yang
dapat diraih dari sepeda listrik.
selain itu, penambahan baterai
juga dapat difungsikan untuk
menambah akselerasi dari sepeda
listrik.
•PERHITUNGANData-data yang ada:Bobot kendaraan : 60 kgDaya angkut : 90 kgLingkar roda : 16 inchiKecepatan maksimal : 40-50 km/jamUntuk mendapatkan nilai kecepatan pada jalan miring maka disimulasikan menggunakan sepedamotor, dimana:Bobot motor : 98 kgPengendara : 60 kgDan hasilnya dapat ditabelkan sebagai berikut:
no Jarak (m)
Sudut Berat (kg) Pengendara (kg) Kecepatan(km/jam)
1 31 7 98 60 28
2 31 7 98 60 30
3 31 7 98 60 27
4 18.24 13 98 60 30
5 18.24 13 98 60 31
6 31 13 98 60 34
7 31 13 98 60 40
•PERHITUNGANContoh perhitungan:h = r. sin (sudut)
= 31 m. sin 13h = 6,97 menergi potensial yang dapat dicari:EP = W. h
= m. g. h= 158 kg. 9.8 kg m /s2 . 6,97m= 10792.35 Nm= 10792.35 joule
Sedangkan untuk energi kinetik yangdidapat secara simulasi:
EK = ½. m. v2
= ½ . 158 kg. (40km/jam)2
= ½. 158kg. (11.11m/s)2
= 9751.14 Nm= 9751.14 joule
Untuk kecepatan secara teori:EP = EKW. h = ½.m. v2
m. g. h = ½. m . v2
g.h = ½. v2
v2 = 2.g.hv2 = 2. 9,8kg.m/s2.6.97mv = 11.688 m/spembandingan kecepatan, baik teori
maupun yang didapat langsung secarasimulasi:
v* = Kecepatan real= 11.11 m/ s
V = kecepatan teori= 11.688 m/ s
Mencari nilai energi yang dapatditangkap:
EL= m. g. h – ½. m.(v*)2EL = 10792.35 kg.m/s2 - 9751.14 kg.m/s2EL = 1041.21 NmEL = 0.289225 Wh (Watt-Hour)
•PERHITUNGANJika hasil dari simulasi diatas di cari energi kinetik dan potensial, kemudian kecepatan penurunandikurangi hingga 30%. Maka, energi dari pengurangan kecepatan tersebut dapat diserap melaluialternator. Seperti pada contoh perhitungan dibawah ini:EL1= m. g. h – ½. m.(v*)2
EL1 = 158kg. 9.8m/s2. 3,72m – ½. 158kg.(5,444m/s)2
EL1 = 5760.048 kg.m2/s2 – 2341.72 kg.m2/s2
EL1 = 3418.33 kg.m2/s2
EL1 = 3418.33 jouleEL1 = 0.949613 watt-hour
Sedangkan untuk penggunaan kendaraan selama 1 jam dengan kecepatan konstan 20km/jam:EK20 = ½.m.v2
EK20 = ½. 158kg. (5.55m/s)2
EK20 = 2433.298 kg. m2 /s2
Untuk penggunaan kendaraan selama 1 jam dengan kecepatan 30km/jam:EK30 = ½.m.v2
EK30 = ½. 158kg. (8.33m/s)2
EK30 = 5481.7 kg. m2/s2
untuk penggunaan kendaraan selama 1 jam dengan kecepatan 40km/jam:EK40 = ½.m.v2
EK40 = ½. 158kg. (11,11m/s)2
EK40 = 5751.1 kg. m2/s2
•PERHITUNGAN
•PERHITUNGANcontoh perhitungan untuk mencari jarak dan waktu yang dibutuhkan untukpenggunaan selama 1 jam dengan kecepatan 20km/jam tanpa hambatan padaperkotaan:
•PERHITUNGAN
Dari kecepatan real yang diketahui, terlebih dahulu dicari putaran roda permenit. V = 40 km/jam . 1jam/3600s . 1.103/1kmV = 11.11 m /sR =16/2 inchiR = 8 inchi = 0.2032 meterω =
= 11.11m/s . = 54.68 rad/s
ω = 2. π. ff = ω/2. π
= = 522.16 RPM
•PERHITUNGAN RODA GIGI
Dimana untuk menggerakkan sebuahalternator dibutuhkan putaran minimal3000 Rotasi Per Menit. Sehinggadibutuhkan sebuah transmisi agardapat meningkatkan putaran dari522.16 RPM menjadi lebih dari 3000RPM. Maka dengan bantuan beberapadata berikut dapat dirancang transmisiuntuk meningkatkan putaran menujualternator.Data-data:Gir depan =33 mataGir belakan =20 mataRuangan yang tersedia = 27900 cm3
Dari data-data diatas maka perhitungan
selanjutnya dapat dihitung:Dari roda belakang ke gir depan:
•PERHITUNGAN RODA GIGI
12
N2
N2
Putaran dari gir depan ditransfer menggunakan gir dan rantai. Dimana rasiogir dan rantai dibuat sama. Hal ini dikarenakan gir dan rantai berfungsi untukpenyalur daya dan putaran dari gir depan sepeda menuju gir box:
•PERHITUNGAN RODA GIGI
Dari gir depan putaran kembalidinaikkan menggunakan perbandingangigi sebagai berikut:
•PERHITUNGAN RODA GIGI
1
2
Setelah didapatkan putaran 1044, makaputaran dinaikkan lagi menjadi 3132 rpm:
Dari roda gigi ini nantinya putaran akanditeruskan langsung menuju alternator.Yang mana nantinya alternator tersebutdapat merubah energi gerak menjadienergi listrik dan disimpan didalambaterai.
•PERHITUNGAN RODA GIGI
3
4
•GAMBAR RODA GIGIDari roda belakang
Menuju alternator
•GAMBAR RODA GIGI
•GAMBAR RODA GIGI
•GAMBAR RODA GIGI
• Dimensi Gear box:• Panjang : 22.6cm• Lebar dengan alternator : 22.8cm• Tinggi : 12.5cm• Sehingga, volume total ruang yang dibutuhkan
untuk meletakkan perangkat ini adalah:• Panjang* lebar* tinggi= volume perangkat• 22.6* 22.8* 12.5= 6441cm3:
• Dimana batasan dari ruang yang disediakan: 27900cm3. Maka masih tersisa ruang : 21459cm3.
•GAMBAR RODA GIGI
• Ukuran;P*L*T : 12cm*8.5cm*12.5cmType : keringTegangan :12 volt
Arus :12 ampere
•Pemilihan Spesifikasi komponen
Ukuran;Diameter : 12cmPanjang : 11.5cm
Tegangan : 12 voltArus : 55 ampere
•Pemilihan Spesifikasi komponen
1. Dari hasil percobaan dan perhitungan didapatbahwa semakin besar pengereman maka semakinbesar energi didapat, sebagai contoh dimanadengan pengurangan kecepatan 30% dengankecepatan awal 28km/jam menjadi 19.6km/jam maka didapat energi kinetic sebesar 3418.33 joule-meter. Sedangkan pengereman hingga 50% dengan kecepatan awal yang sama menjadi14km/jam dapat menangkap energi sebesar4565.29 joule-meter
•kesimpulan
2. Salah satu contoh dari tabel dapat dijelaskanbahwa, dengan mengurangi kecepatan sebanyak30% dari kecepatan 28km/jam dengankemiringan 7 derajat. Maka, akan dibutuhkanlintasan sepanjang 31.43Km dengan waktupengecasan 1.6 jam untuk menempuh kecepatan30 km/jam diperkotaan dengan kondisi jalandatar tanpa hambatan.
•kesimpulan
3. Dimensi dari gearbox dan ukuran gir-rantai yang digunakan:Gir belakang : 20 mataGir depan : 33 mataGir penghubung : 20 mataPada gearbox;Gir 1 : 60 mataGir 2 : 20 mataGir 3 : 60 mataGir 4 : 20 mataDimensi perangkat EERS
Panjang : 22.6cmLebar dengan alternator : 22.8cmTinggi : 12.5cmVolume total :6441 cm3
•kesimpulan
4. Spesifikasi komponen yang digunakan pada perangkat EERS ialah:Accu/battrai;
Voltase : 12 voltArus : 12 ampP.L.T : 12cm*8.5cm*12.5cm
Alternator;Ukuran;
Diameter : 12cmPanjang : 11.5cm
Tegangan : 12 voltArus : 55 ampere
•kesimpulan