Pengantar Ilmu Material dan Teknik
Disiplin ilmu material dan teknik dapat dibagi menjadi subdisiplin material science dan material teknik. Sebenarnya, science melibatkan penyelidikan hubungan yang ada antara struktur dan sifat bahan (yaitu, mengapa bahan memiliki sifat seperti itu). Sebaliknya, material teknik melibatkan, atas dasar korelasi struktur-sifat, perancangan atau merekayasa struktur material untuk menghasilkan seperangkat sifat bahan yang telah ditentukan. Dari perspektif fungsional, peran ilmuwan material mengembangkan atau mensintesis bahan baru, sedangkan insinyur material bertugas menciptakan produk baru atau sistem yang menggunakan bahan yang ada dan/atau untuk mengembangkan teknik pengolahan bahan.
Struktur Material
Secara singkat, struktur suatu material biasanya berkaitan dengan susunan komponen internalnya. Elemen struktural dapat diklasifikasikan berdasarkan ukuran dan dalam hal ini ada beberapa tingkatan:
- Struktur subatomik: melibatkan elektron di dalam masing-masing atom, energinya dan interaksi dengan inti.
- Struktur atom: berkaitan dengan kelompok atom menghasilkan molekul atau kristal.
- Struktur nano: berkaitan dengan kumpulan atom yang membentuk partikel (partikel nano) yang memiliki dimensi nano (kurang dari sekitar 100 nm).
- Struktur mikro: elemen struktural yang dapat diamati langsung dengan menggunakan beberapa jenis mikroskop (memiliki dimensi antara 100 nm dan beberapa milimeter).
- Makrostruktur: elemen struktural yang dapat dilihat dengan mata telanjang (dengan rentang skala antara beberapa milimeter dan pada urutan meter).
Sifat Penting Material
Hampir semua sifat penting dari bahan padat dapat dikelompokkan menjadi enam: mekanik, listrik, termal, magnetik, optik, dan deteriorative. Untuk setiap kategori, ada jenis stimulus yang khas yang mampu memicu respons yang berbeda:
- Sifat mekanis: menghubungkan deformasi dengan beban atau gaya yang diterapkan; contohnya modulus elastisitas (kekakuan), kekuatan, dan ketahanan terhadap patah.
- Sifat listrik: sifat rangsangan medan listrik yang diterapkan pada bahan; contohnya konduktivitas listrik dan konstanta dielektrik.
- Sifat termal: terkait dengan perubahan suhu atau gradien suhu melintasi bahan; contoh ekspansi termal dan kapasitas kalor.
- Sifat magnetik: respon bahan terhadap penerapan medan magnet; contoh kerentanan magnetik dan magnetisasi.
- Sifat optik: rangsangan bahan terhadap radiasi elektromagnetik atau cahaya; contoh indeks bias dan daya pantualan.
- Karakteristik deterioratif: berkaitan dengan reaktivitas kimia; contohnya ketahanan korosi logam.
Berkenaan dengan desain, produksi, dan pemanfaatan bahan, ada empat elemen yang perlu dipertimbangkan yaitu: pemrosesan, struktur, sifat, dan kinerja. Kinerja suatu bahan tergantung pada sifat-sifatnya, yang pada gilirannya merupakan fungsi dari struktur. Struktur ditentukan oleh bagaimana bahan diproses. Hubungan timbal balik di antara keempat elemen ini biasanya disebut paradigma sentral dari ilmu material dan teknik.
Klasifikasi Material
Bahan padat telah dikelompokkan ke dalam tiga kategori dasar: logam, keramik, dan polimer, yang didasarkan pada susunan kimia dan struktur atom. Sebagian besar bahan jatuh ke dalam satu pengelompokan yang berbeda atau yang lain. Selain itu, ada bahan komposit yang merupakan kombinasi teknik dari dua atau lebih bahan yang berbeda.
Logam/Metal
Logam terdiri dari satu atau lebih unsur logam (misalnya, besi, aluminium, tembaga, titanium, emas, nikel), dan sering juga unsur nonlogam (misalnya, karbon, nitrogen, oksigen) dalam jumlah yang relatif kecil. Atom dalam logam dan paduannya disusun dengan sangat teratur dan relatif padat dibandingkan keramik dan polimer. Untuk sifat mekanik, bahan ini relatif kaku dan kuat namun bersifat ulet (yaitu, mampu mengalami deformasi dalam jumlah besar tanpa patah), dan tahan terhadap fraktur. Bahan logam memiliki sejumlah besar elektron yang tidak terlokalisasi yaitu elektron-elektron ini tidak terikat pada atom tertentu. Banyak sifat logam yang dapat diatribusikan secara langsung ke elektron-elektron ini. Misalnya, logam adalah konduktor listrik dan panas yang baik, dan tidak transparan terhadap cahaya tampak; permukaan logam yang dipoles memiliki penampilan yang berkilau. Selain itu, beberapa logam (yaitu, Fe, Co, dan Ni) memiliki sifat magnetik yang baik.
Keramik
Keramik adalah senyawa antara unsur logam dan nonlogam paling sering oksida, nitrida, dan karbida. Misalnya, bahan keramik umum terdiri dari: aluminium oksida (atau alumina, Al2O3), silikon dioksida (atau silika, SiO2), silikon karbida (SiC), silikon nitrida (Si3N4), dan, sebagai tambahan, keramik tradisional tersusun oleh mineral lempung (misalnya, porselen), serta semen dan kaca. Berkenaan dengan sifat mekanik, bahan keramik relatif kaku dan kuat, kekakuan dan kekuatan sebanding dengan logam. Selain itu, mereka biasanya sangat keras. Secara historis, keramik telah menunjukkan kerapuhan yang ekstrim (kurangnya keuletan) dan sangat rentan patah. Namun, keramik baru sedang direkayasa ke telah meningkatkan ketahanan terhadap fraktur; bahan-bahan ini digunakan untuk peralatan masak, peralatan makan, dan bahkan bagian-bagian mesin mobil. Selanjutnya, bahan keramik biasanya bersifat isolator terhadap aliran panas dan listrik (yaitu, memiliki konduktivitas listrik yang rendah) dan lebih tahan terhadap suhu tinggi dan lingkungan yang keras daripada logam dan polimer. Berkenaan dengan karakteristik optik, keramik bisa transparan, tembus cahaya, atau buram, dan beberapa keramik oksida (misalnya, Fe3O4) menunjukkan memiliki sifat magnetik.
Polimer
Polimer seperti bahan plastik dan karet sudah lama dikenal. Banyak polimer organik yang secara kimia terdiri dari karbon, hidrogen, dan unsur nonlogam lainnya (yaitu, O, N, dan Si). Selain itu, polimer memiliki struktur molekul yang sangat besar, seringkali seperti rantai di alam, yang sering memiliki tulang punggung atom karbon. Beberapa yang umum adalah polietilen (PE), nilon, poli (vinil klorida) (PVC), polikarbonat (PC), polistirena (PS), dan karet silikon. Bahan-bahan ini biasanya memiliki kepadatan, sedangkan karakteristik mekanisnya umumnya berbeda dari bahan logam dan keramik, mereka tidak kaku atau kuat seperti jenis material lainnya. Namun, berdasarkan kepadatannya yang rendah, sering kali kekakuan dan kekuatannya pada basis per-massa sebanding dengan logam dan keramik. Selain itu, banyak polimer sangat ulet dan lentur (yaitu, plastik), yang berarti mereka mudah dibentuk menjadi bentuk yang kompleks. Polimer relatif lembam secara kimia dan tidak reaktif di sejumlah besar lingkungan. Selain itu, mereka memiliki konduktivitas listrik yang rendah dan nonmagnetik. Salah satu kelemahan utama polimer adalah kecenderungannya untuk melunak dan/atau membusuk pada suhu sederhana sehingga penggunaannya terbatas.
Komposit
Komposit terdiri dari dua (atau lebih) bahan individu yang berasal dari kategori yang telah dibahas sebelumnya: logam, keramik, dan polimer. Tujuan desain dari komposit adalah untuk mencapai kombinasi sifat yang tidak ditampilkan oleh satu pun material dan juga untuk menggabungkan karakteristik terbaik dari masing-masing komponen material. Sejumlah besar jenis komposit diwakili oleh kombinasi yang berbeda dari logam, keramik, dan polimer. Beberapa bahan alami juga tersedia pada komposit misalnya kayu dan tulang.
Salah satu komposit yang paling umum adalah fiberglass, di mana serat kaca kecil tertanam dalam bahan polimer (biasanya epoksi atau poliester). Serat kaca relatif kuat dan kaku (tetapi juga rapuh), sedangkan polimernya lebih fleksibel. Dengan demikian, fiberglass relatif kaku, kuat, dan fleksibel. Selain itu, ia memiliki kepadatan yang rendah.
Material Tingkat Lanjut
Kategori bahan lainnya adalah bahan canggih yang digunakan dalam aplikasi berteknologi tinggi. Seperti semikonduktor (memiliki konduktivitas listrik antara mereka dari konduktor dan isolator), biomaterial (yang harus kompatibel dengan tubuh) jaringan), smart-material (yang merasakan dan merespons perubahan di lingkungan mereka dengan cara yang telah ditentukan), dan nanomaterial (yang memiliki fitur struktural pada orde nanometer, beberapa di antaranya dapat dirancang pada tingkat atom/molekul).
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL SEPUTAR MATERIAL TEKNIK LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
Callister, William D. Jr, dan Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering An Introduction (10th ed). Amerika Serikat: John Wiley & Sons, Inc.
Optimalisasi Penguatan Komposit Pada Komponen Sepeda Motor
Karena sifat spesifik beratnya yang luar biasa, material komposit serat saat ini telah diterapkan di berbagai industri. Karena biaya yang tinggi pada masa lampau komposit hampir secara eksklusif digunakan dalam industri kedirgantaraan. Sekarang, berbagai bagian dalam industri otomotif dan sepeda motor terbuat dari bahan ini. Dengan menggabungkan bahan serat dan matriks yang berbeda serta pembuatan struktur laminar dengan orientasi lapisan yang berbeda, dimungkinkan secara khusus mempengaruhi sifat mekanik untuk menghasilkan komponen yang sangat ringan.
Meskipun ada berbagai proses manufaktur yang berbeda, semua metode memiliki aspek yang sama, yaitu sifat material akhir diatur selama produksi, di mana parameter proses menjadi penentu. Tergantung pada jenis prosesnya, hamburan (scattering) mungkin terjadi di prosedur produksi. Selain kesalahan geometri dan sudut dari lapisan individu, kesalahan manufaktur seperti bundle serat yang bergelombang, akumulasi serat atau resin, impregnasi serat yang tidak mencukupi atau pengerasan yang tidak sempurna dapat terjadi. Tergantung pada kualitas proses pembuatannya, fitur-fitur ini dapat dikurangi, tetapi tidak sepenuhnya dihindari.
Berdasarkan contoh struktur komposit serat dari sektor sepeda motor, pendekatan baru menggunakan perangkat lunak Ansys Statistics on Structure akan disajikan dalam artikel ini untuk mengukur hamburan produksi ini dan untuk langsung mentransfernya kembali ke dalam simulasi. Contoh simulasi diambil dari eksperimen perusahaan sepeda motor KTM yang sedang mendesain komponen motor KTM Rally 450 bagian depan menggunakan komposit.
Overview
Untuk memberikan gambaran umum tentang prosedur, semua langkah awalnya dibuat sketsa di contoh aplikasi. Sebagai titik awal, RB-BC (roadbook base carrier) digunakan dengan standar struktur lapisan dan kasus beban yang relevan didefinisikan. Mereka juga dipilih sedemikian rupa sehingga dapat diterapkan dengan akurasi pengukuran yang tinggi dalam percobaan. Kondisi pembebanan kekakuan yang dievaluasi mencerminkan penggunaan RB-BC dalam praktiknya, tetapi hanya mewakili sebagian dari kasus beban operasi yang digunakan untuk desain. Analisis pretest menggunakan Statistik pada Struktur menentukan titik pengukuran dengan manfaat informasi maksimum dari hamburan (scattering) yang terjadi.
Ketiga skenario pengujian kembali dilakukan pada tiga RB-BC yang identik namun sedikit tercecer karena proses pembuatannya. Dalam setiap percobaan, empat titik pengukuran yang ditentukan oleh analisis pretest dipilih, yang juga mudah diakses dalam desain eksperimental. prosedur tes diulang lima kali dalam setiap kasus untuk mendeteksi kesalahan pengukuran disebabkan oleh fasilitas pengujian. Dengan demikian, total 240 nilai deformasi dipertimbangkan. Data pengukuran ini dievaluasi, diterapkan pada simulasi sebagai referensi titik dan digunakan untuk definisi fungsi target untuk kalibrasi berikutnya. Untuk ketidakpastian yang harus dikalibrasi, parameter berikut adalah: diperkenalkan untuk pemetaan sifat hamburan ke dalam model simulasi:
- Orientasi lapisan.
- Ketebalan lapisan.
- Sifat material.
- Bidang degradasi untuk mendeteksi hamburan lebih lanjut
Dengan model simulasi yang dikalibrasi, evaluasi ketahanan dapat dilakukan dilakukan dengan menggunakan parameter yang sama dan kesimpulan dapat diturunkan dari hasil untuk meningkatkan kualitas produk.
Simulasi Beban Desain
Kondisi pembebanan dalam desain komponen rumit dan tidak hanya kekakuan statis dan beban kekuatan, tetapi juga beban tabrakan dinamis untuk pertimbangan jatuh dan terguling tertentu. Karena terlalu memakan waktu untuk mempertimbangkan semua kasus beban desain untuk evaluasi metodologi hamburan, kasus direduksi menjadi kasus kekakuan untuk pembawa dasar roadbook yang dipertimbangkan secara terpisah untuk menghilangkan efek dari komponen di sekitarnya (dan hamburannya) pada hasil.
Simulasi Beban Uji
Di satu sisi, ini dipilih dengan cara yang masih mewakili tes asli dan, di sisi lain, untuk memastikan eksperimen dilakukan dengan sesedikit mungkin pengukuran hamburan. Mereka mewakili yang esensial yang dapat dijelaskan dalam pengukuran selanjutnya dengan cara perpindahan pada titik-titik tertentu. Pemodelan lapisan berorientasi objek struktur dilakukan secara ketat dalam Ansys Composite Prepost sesuai dengan instruksi manufaktur yang diringkas. Orientasi diatur oleh penyesuaian beberapa sistem koordinat, sehingga memungkinkan variasi cepat dari orientasi fiber.
Kalibrasi Simulasi ke Hasil Tes
Parameter berikut sekarang tersedia untuk kalibrasi simulasi ke hasil pengujian:
Analisis toleransi untuk menentukan akurasi pembuatan alat kelengkapan yaitu:
- Sifat material (modulus elastisitas berarah melintang atau searah serat, modulus geser).
- Ketebalan lapisan.
- Orientasi lapisan.
- Amplitudo bentuk hamburan untuk menggambarkan bidang degradasi.
Untuk mengkalibrasi hasil simulasi dengan hasil pengujian, dilakukan optimasi untuk masing-masing roadbook base carrier. Tujuannya adalah meminimalkan penyimpangan secara bersamaan di semua 12 titik pengukuran. 12 suku fungsi target diberi bobot sehubungan dengan nilai referensi dari masing-masing pengukuran. Jumlah parameter yang akan dikalibrasi masih sangat banyak (>50) akan menyebabkan jumlah yang tinggi dalam perhitungan berjalan. Untuk alasan ini, terlebih dahulu, studi sensitivitas dilakukan untuk memisahkan parameter yang tidak penting dari parameter penting dan untuk menghilangkannya dalam optimasi berikutnya. Penggunaan 12 titik pengukuran dalam fungsi target meningkatkan kemungkinan hasil yang jelas.
PT Tensor memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!
>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI
>> YOUTUBE PT TENSOR
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
https://www.ansys.com/content/dam/product/platform/optislang/ansys-ktm.pdf (diakses pada tanggal 15 Maret 2022)
Memprediksi Kelelahan (Fatigue) Tegangan Termal Pada Komponen PCB Kendaraan Listrik
Penggunaan elektronik semakin meningkat dalam aplikasi otomotif. Inovasi baru seperti sistem keselamatan aktif dan pasif, propulsi listrik dan kendaraan semi dan kendaraan otomatis penuh berkontribusi pada peningkatan ini. Namun, desainer otomotif tetap harus mematuhi batasan ukuran dan pengemasan yang sama untuk memastikan ukuran dan berat kendaraan tidak bertambah. Karena itu, ada dorongan untuk membuat elektronik komponen dan paket yang lebih kecil, sekaligus meningkatkan kinerja.
Salah satu contoh perusahaan yang berkutat dalam hal ini adalah Continental Automotive. Continental telah terlihat meningkatkan penggunaan komponen Ball Grid Array (BGA) dan papan FR4 High Density Interconnect (HDI) di Printed Circuit Board Assemblies (PBCA) mereka, di mana komponen ditempatkan dengan erat di kedua sisi PCB untuk memastikan penggunaan ruang board yang paling efisien. Perubahan ini bukannya tanpa masalah dan Continental telah memperhatikan masalah keandalan tambahan pada sambungan solder karena kelelahan solder. Oleh karena itu kemampuan untuk memprediksi kegagalan sangat penting.
Saat ini kemampuan untuk memprediksi kelelahan siklus tinggi (getaran) solder dan timah tembaga dapat dicapai menggunakan Aturan Miner’s. Namun kemampuan untuk memprediksi kelelahan siklus rendah karena siklus termal diperlukan. Continental memilih untuk mengatasi hambatan ini dengan menggunakan Ansys Sherlock untuk memodelkan papan mereka dan komponen.
Pendekatan
Ansys Sherlock bisa dengan cepat baca semua informasi dalam file dan membuat papan perwakilan dengan data tumpukan lengkap, semua komponen, dan pemasangan kondisi dengan lokasi dan karakteristik materialnya. Papan menampilkan beberapa komponen BGA tercermin, di mana papan memiliki BGA yang ditempatkan di lokasi yang sama di bagian atas dan sisi bawah papan. Kedua sisi papan juga memiliki lapisan konformal yang diterapkan yang dimodelkan Sherlock menggunakan potting fungsional yang tersedia.
Sherlock dengan mudah memodelkan komponen individual dengan tingkat detail yang tinggi, termasuk memodelkan setiap bola solder pada BGA untuk memastikan kegagalan kelelahan solder kecil direkap. Hal ini dicapai dengan menggunakan pengelola paket bawaan yang berisi banyak paket industri umum dengan instruksi tentang cara terbaik untuk memodelkannya. Untuk komponen non-standar, pengguna dapat memasukkan properti tersebut ke dalam Package Manager dan Sherlock masih dapat memodelkannya secara akurat serta mempertahankan ini informasi untuk penggunaan masa depan.
Insinyur Continental mendefinisikan siklus masa pakai papan yang mencakup getaran, suhu, dan beban kejut. Insinyur juga mendefinisikan tujuan siklus masa pakaidan tingkat kegagalan yang dapat diterima dan waktu. Papan dimodelkan dengan kondisi kondisi mapan serta suhu siklus dari (-40)˚C hingga 127˚C.
b) SRAM & FLASH (Bottom), Sherlock Package Manager, c) BGA terperinci termasuk Pemodelan Bola Solder
Dengan papan, komponen, batas, dan kondisi pemuatan yang ditentukan, Sherlock menganalisis PCBA menggunakan kondisi mekanik termal. Setelah hasil ini diperoleh, papan dimodifikasi dan direnovasi untuk menghilangkan BGA yang dicerminkan. Sebaliknya BGA dipindahkan sehingga semuanya berada di sisi papan yang sama. Analisis mekanik termal kemudian dijalankan kembali menggunakan kondisi yang sama.
Temuan Utama
Menggunakan Sherlock, Continental mengidentifikasi perkiraan masa pakai papan saat mengalami siklus termal. Kemampuan untuk menjadi model komponen dengan tingkat detail yang tinggi memberikan hasil yang lebih akurat. Hasil awal analisis Sherlock menunjukkan bahwa:
- Memiliki komponen cermin memang memengaruhi masa pakai papan yang diprediksi dan menghasilkan kemungkinan kegagalan yang lebih tinggi jika dibandingkan ke papan tanpa cermin.
- Pelapisan konformal juga dapat meningkatkan kemungkinan kegagalan. Namun, beberapa faktor yang berbeda, seperti komponen dan lokasi, dapat mempengaruhi efek ini. Insinyur perlu penyelidikan lebih lanjut untuk memahami sepenuhnya efek dari lapisan konformal sebagai lapisan, ketebalan dan komponen yang dilapisi semuanya mungkin memiliki efek pada kemungkinan kegagalan akhir.
Keuntungan
Continental mengimplementasikan Sherlock selama fase validasi desain untuk menyelidiki efek komponen cermin dan lapisan konformal di bawah kelelahan siklus rendah (Siklus Termal). Sherlock menghasilkan hasil dalam bentuk kurva PoF yang memungkinkan insinyur untuk memahami perkiraan umur PCBA mereka. Hasil ini diperoleh dalam waktu yang jauh lebih singkat daripada secara tradisional mungkin jika mereka membuat dan menguji sampel. Karena Sherlock digunakan selama tahap desain, para insinyur di Continental dapat menggunakan hasil ini untuk memodifikasi papan mereka untuk desain yang lebih baik serta mengidentifikasi area yang membutuhkan penyelidikan lebih lanjut. Sherlock’s kemampuan untuk mengidentifikasi masalah selama tahap awal pengembangan mempercepat proses menghilangkan desain yang cacat dan membantu dalam menghindari komplikasi di masa depan.
PT Tensor memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!
>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI
>> YOUTUBE PT TENSOR
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA!
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
https://www.ansys.com/content/dam/product/structures/sherlock/ansys-sherlock-predicting-thermal-stress-fatigue.pdf (diakses pada tanggal 10 Maret 2022)
Analisis Termal Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya
Pembangkit listrik tenaga surya termal mirip dengan yang konvensional dengan pengecualian bahwa sebuah kolektor surya berkonsentrasi menggantikan boiler konvensional. Pada unit hybrid, boiler juga disediakan, menggunakan bahan bakar, biasanya gas alam, kapan saja ada kebutuhan. Karena itu, analisis termal pembangkit tenaga surya mirip dengan pembangkit lain dan hubungan termodinamika yang sama diterapkan. Analisisnya menggunakan diagram siklus T – S. Dalam kasus ini, ketidakefisienan pompa dan turbin uap harus dipertimbangkan.
Proses pemompaan yang sebenarnya ditunjukkan oleh 1 – 2 dan proses ekspansi turbin yang sebenarnya ditunjukkan oleh 3 – 4 . Berbagai parameter penting pada siklus rankine adalah sebagai berikut:
- Efisiensi turbin: ηturbin = (h3-h4‘) / (h3-h4)
- Efisiensi pompa: ηpompa= (h2-h1) / (h2‘-h1)
- Kerja ouput bersih: W = (h3-h4′) / (h2′-h1)
- Input kalor: Q = h3-h2‘
- Kerja Pompa: 1W2′ = h2′-h1= ν (P2-P1) / ηpompa
- Efisiensi siklus: η = W/Q = [(h3-h4′) / (h2′-h1)] / [h3-h2‘]
- h = entalpi jenis (kJ/kg)
- ν = volume jenis
- P = tekanan (bar)
Umumnya, efisiensi siklus Rankine dapat ditingkatkan dengan mengatur tekanan di dalam boiler. Untuk menghindari peningkatan kelembaban dalam uap keluar dari turbin, uap diekspansi ke tekanan menengah dan dipanaskan kembali dalam boiler. Dalam siklus pemanasan ulang, pemuaian terjadi dalam dua turbin. Uap berekspansi di turbin tekanan tinggi ke beberapa perantara tekanan, kemudian melewati kembali ke boiler, di mana dipanaskan kembali pada tekanan konstan ke suhu yang biasanya sama dengan suhu superheat asli. Uap yang dipanaskan kembali diarahkan ke tekanan rendah turbin, di mana diekspansi sampai tekanan kondensor tercapai.
Efisiensi siklus pemanasan ulang dapat ditulis menjadi:
η = [(h3-h4′) + (h5-h6′) – (h2′-h1)] / [(h3-h2‘) + (h5-h4′)]
PT Tensor memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!
>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI
>> YOUTUBE PT TENSOR
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA
Kontributor : Daris Arsyada
Sumber:
Kalogirou, Soteris A. 2009. Solar Energy Engineering: Processes and Systems. Amerika Serikat: Elsevier.
Desain Sistem Panel PV
Output daya listrik dari panel PV tergantung pada radiasi , suhu sel, sudut datang matahari, dan tahanan beban. Di dalam bagian, metode untuk merancang sistem PV disajikan dan semua parameter ini dianalisis. Awalnya, metode untuk memperkirakan beban listrik suatu aplikasi disajikan, diikuti dengan estimasi radiasi matahari yang diserap dari panel PV dan deskripsi metode untuk menentukan ukuran sistem PV.
Beban Listrik
Ukuran sistem PV dapat bervariasi dari beberapa watt hingga ratusan kilowatt. Dalam sistem grid-connected, daya terpasang tidak begitu penting karena daya yang dihasilkan, jika tidak dikonsumsi, diumpankan ke jaringan. Dalam sistem stand-alone, satu-satunya sumber tenaga listrik adalah sistem PV; karena itu, sangat penting pada tahap awal desain sistem untuk menilai beban listrik yang akan ditanggung sistem. Ini sangat penting dalam sistem peringatan keadaan darurat. Pertimbangan utama yang perlu dilakukan oleh perancang sistem PV pertama-tama adalah:
- Menurut jenis beban yang akan dipenuhi oleh sistem PV, lebih penting, total output energi harian atau rata-rata atau daya puncak?
- Pada tegangan berapa daya akan dikirimkan, dan apakah itu arus AC atau DC?
- Apakah diperlukan sumber energi cadangan?
Biasanya hal pertama yang harus diperkirakan oleh perancang adalah beban dan beban profil yang akan dipenuhi oleh sistem PV. Sangat penting memperkirakan tepatnya beban dan profilnya (waktu ketika setiap beban terjadi). Karena pengeluaran awal yang dibutuhkan, sistem berukuran minimum yang diperlukan untuk memenuhi permintaan spesifik. Jika, misalnya, tiga peralatan ada, membutuhkan 500 W, 1000 W, dan 1500 W, masing-masing; setiap peranti harus beroperasi selama 1 jam; dan hanya satu alat menyala pada satu waktu, maka sistem PV harus memiliki daya puncak terpasang 1500 W dan kebutuhan energi 3000 Wh. Jika memungkinkan, saat menggunakan sistem PV, beban harus sengaja disebarkan selama periode waktu tertentu untuk menjaga sistem kecil dan dengan demikian hemat biaya. Umumnya, daya puncak diperkirakan dengan nilai kekuatan tertinggi yang terjadi pada waktu tertentu, sedangkan kebutuhan energi diperoleh dengan mengalikan watt masing-masing alat dengan jam operasi dan menjumlahkan kebutuhan energi dari semua peralatan yang terhubung ke sistem PV.
Radiasi Matahari yang Diserap
Faktor utama yang mempengaruhi keluaran daya dari sistem PV adalah daya serap radiasi matahari pada permukaan PV. S bergantung pada radiasi datang, massa udara, dan sudut datang. Seperti dalam kasus termal kolektor, ketika data radiasi pada bidang PV tidak diketahui, perlu untuk memperkirakan radiasi matahari yang diserap menggunakan data horizontal dan informasi pada sudut datang. Seperti pada kolektor panas, energi surya yang diserap radiasi termasuk balok, difus, dan ground-refl terpengaruh komponen.
Temperatur Sel
Kinerja sel surya tergantung pada suhu sel. Suhu ini dapat ditentukan dengan neraca energi dan mengingat energi matahari yang diserap yang tidak diubah menjadi listrik adalah diubah menjadi panas, yang dibuang ke lingkungan. Umumnya, saat mengoperasikan sel surya pada suhu yang terus naik, efisiensinya diturunkan. Dalam kasus di mana pembuangan panas ini tidak mungkin, seperti di gedung terintegrasi fotovoltaik dan sistem PV pemusatan, panas harus dihilangkan dengan beberapa cara mekanis, seperti sirkulasi udara paksa, atau dengan heat exchanger. Dalam hal ini, panasnya bisa digunakan untuk suatu keuntungan; sistem ini disebut sistem hybrid fotovoltaik/termal (PV/T). Karena sistem ini menawarkan sejumlah keuntungannya, bahkan PV biasa yang dipasang di atap dapat diubah menjadi PV/T hybrid.
PT Tensor memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!
>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI
>> YOUTUBE PT TENSOR
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA
Kontributor : Daris Arsyada
Sumber:
Kalogirou, Soteris A. 2009. Solar Energy Engineering: Processes and Systems. Amerika Serikat: Elsevier.
Pengaplikasian Panel Surya PV
Modul PV dirancang untuk penggunaan di luar ruangan dalam kondisi ekstrim seperti: lingkungan laut, tropis, kutub, dan gurun. Array PV terdiri dari jumlah modul fotovoltaik individu yang terhubung bersama untuk memberikan arus dan tegangan keluaran. Kekuatan modul umumnya memiliki kekuatan terukur keluaran sekitar 50- 180 W masing-masing. Sebagai contoh, sistem kecil 1,5 – 2 kWp karenanya dapat terdiri dari sekitar 10 – 30 modul yang mencakup area sekitar 15–25 m2, tergantung pada teknologi yang digunakan dan orientasi array terhadap matahari.
Prinsip dasar sistem PV ditunjukkan pada Gambar 1. Seperti yang terlihat, array PV menghasilkan listrik, yang dapat diarahkan dari pengontrol baik ke penyimpanan baterai atau beban. Kapan pun sinar matahari tidak tersedia, baterai bisa memasok daya ke beban jika memiliki kapasitas yang memuaskan.
Jenis-jenis Aplikasi
Ini adalah beberapa aplikasi PV yang paling umum:
Elektrifikasi Lokasi Terpencil
Sistem fotovoltaik dapat menyediakan persediaan listrik jangka panjang di lokasi yang jauh dari pusat listrik. Beban terdiri dari pencahayaan, peralatan kecil, pompa air (termasuk pemanas air tenaga surya) sistem, dan peralatan komunikasi. Dalam aplikasi ini, permintaan dapat bervariasi dari beberapa watt hingga puluhan kilowatt. Biasanya, PV lebih disukai untuk bahan bakar generator, karena mereka tidak bergantung pada bahan bakar fosil yang bisa menjadi masalah, dan terhindar dari masalah polusi lingkungan.
Komunikasi
Fotovoltaik dapat memberikan daya yang andal untuk sistem komunikasi, terutama di lokasi terpencil. Contohnya menara komunikasi relai, pemancar informasi, pemancar telepon seluler, stasiun radio relai, unit panggilan darurat, dan fasilitas komunikasi militer. Jelas sekali, sistem ini adalah unit yang berdiri sendiri di mana baterai menyediakan tegangan DC yang stabil yang memenuhi berbagai permintaan saat ini. Praktik di lapangan telah menunjukkan daya PV bisa beroperasi andal untuk waktu yang lama dengan sedikit perawatan.
Pemantauan jarak jauh
Karena kesederhanaan, keandalan, dan kapasitasnya untuk operasi tanpa pengawasan, modul fotovoltaik lebih disukai dalam menyediakan daya di lokasi terpencil ke sensor, pencatat data, dan pemancar pemantauan meteorologi terkait, irigasi kontrol, dan pemantauan lalu lintas. Sebagian besar aplikasi ini membutuhkan kurang dari 150 W dan bisa didukung oleh modul fotovoltaik tunggal. Baterai yang dibutuhkan sering terletak di selungkup tahan cuaca sebagai akuisisi data atau peralatan pemantauan. Vandalisme mungkin menjadi masalah dalam beberapa kasus. Namun, memasang modul pada tiang yang tinggi dapat menyelesaikan masalah dan menghindari kerusakan dari penyebab lain.
Pemompaan air
Sistem fotovoltaik yang berdiri sendiri dapat memenuhi kebutuhan untuk aplikasi pemompaan air ukuran kecil hingga menengah. Hal ini termasuk irigasi, keperluan rumah tangga, penyediaan air desa, dan pengairan ternak. Keuntungan menggunakan pompa air yang ditenagai oleh sistem fotovoltaik yaitu perawatan yang rendah, kemudahan pemasangan, dan keandalan. Sebagian besar sistem pemompaan tidak menggunakan baterai tapi menyimpan air yang dipompa dalam tangki penampungan.
Bangunan rumah
Panel PV dapat dipasang baik di fasad atau atap suatu bangunan dan merupakan bagian yang tidak terpisahkan dari struktur bangunan serta dapat menggantikan komponen bangunan dalam kasus bangunan tertentu. Untuk menghindari peningkatan beban termal bangunan, biasanya celah dibuat antara PV dan elemen bangunan (bata, pelat, dll.) yang berada di belakang PV, dan di celah ini, udara sekitar disirkulasikan untuk menghilangkan panas yang dihasilkan. Selama musim dingin, udara diarahkan ke gedung untuk menutupi sebagian dari beban bangunan. Selama musim panas, udara hanya ditolak kembali ke lingkungan pada suhu lebih tinggi. Contoh umum di mana sistem ini dipasang adalah rumah yang disebut rumah tanpa energi, di mana bangunannya adalah unit penghasil energi yang memenuhi semua kebutuhan energinya sendiri. Dalam aplikasi lain yang terkait dengan bangunan, PV dapat digunakan sebagai perangkat peneduh yang efektif.
Baterai kendaraan listrik
Saat tidak digunakan, baterai kendaraan akan terisi sendiri pada waktu lebih. Ini adalah masalah utama bagi organisasi yang memelihara kendaraan, seperti jasa pemadam kebakaran. Baterai PV pengisi daya dapat membantu memecahkan masalah ini dengan menjaga baterai dalam keadaan tinggi dengan menyediakan arus pengisian kecil saat ini. Dalam aplikasi ini, modul bisa dipasang di atap gedung atau parkir mobil (juga menyediakan shading) atau pada kendaraan diri. Aplikasi penting lainnya dalam hal ini daerah adalah penggunaan modul PV untuk mengisi daya baterai kendaraan listrik.
PT Tensor memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!
>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI
>> YOUTUBE PT TENSOR
>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA
Kontributor : Daris Arsyada
Sumber:
Kalogirou, Soteris A. 2009. Solar Energy Engineering: Processes and Systems. Amerika Serikat: Elsevier.
https://www.weforum.org/agenda/2019/07/zimbabwe-solar-energy (diakses pada tanggal 21 Februari 2022)