PIEZOELECTRIC FLOOR SYSTEM
FOR MECHANICAL-TO-ELECTRICAL ENERGY HARVESTING

Nama Penulis : Lyvia Marsha Rizky Silviant

NPM : 2506565452

Afiliasi : Program Magister Perancangan dan Manufaktur, Fakultas Teknik

ABSTRAK

Penelitian ini membahas perancangan, pemodelan, serta evaluasi kinerja sistem piezoelectric floor yang berfungsi untuk mengonversi energi mekanik dari injakan kaki manusia menjadi energi listrik. Tujuan utama penelitian ini adalah mengkaji potensi pemanfaatan tekanan mekanik berfrekuensi rendah sebagai sumber energi alternatif untuk aplikasi berdaya rendah. Metodologi yang digunakan meliputi analisis teoritis, idealisasi sistem, perancangan alur kerja berbasis flowchart, serta perhitungan konversi energi mekanik ke energi listrik menggunakan parameter gaya, tegangan, arus, dan energi listrik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa energi listrik yang dihasilkan per injakan relatif kecil, namun dapat terakumulasi secara signifikan pada area dengan lalu lintas pejalan kaki yang tinggi. Sistem ini berpotensi digunakan sebagai sumber energi pendukung bagi sensor, sistem monitoring, dan perangkat elektronik berdaya rendah. Kesimpulan dari penelitian ini menunjukkan bahwa piezoelectric floor memiliki kelayakan teknis sebagai sistem pemanen energi tambahan dengan catatan diperlukan optimasi lebih lanjut.

 DEKLARASI PENULIS

1. Kesadaran Mendalam terhadap Diri (Deep Awareness of I)

Penulis menyadari bahwa proses penelitian dan perancangan sistem bukan sekadar aktivitas teknis, melainkan juga bentuk kesadaran diri dalam memahami peran manusia sebagai pencari dan pengelola ilmu pengetahuan. Kesadaran ini menuntun penulis untuk senantiasa mengingat bahwa setiap kemampuan berpikir, menganalisis, dan mencipta berasal dari kehendak dan izin Tuhan Yang Maha Esa. Dengan kesadaran tersebut, penelitian ini dilaksanakan secara jujur, bertanggung jawab, dan menjunjung tinggi nilai etika akademik.

2. Niat dan Tujuan Kegiatan Proyek

Niat utama dari pelaksanaan proyek ini adalah untuk memberikan kontribusi ilmiah dalam bidang energi terbarukan, khususnya pemanfaatan energi mekanik yang selama ini belum dimaksimalkan. Proyek ini bertujuan untuk menghasilkan pemahaman yang komprehensif mengenai prinsip kerja piezoelectric floor serta memberikan solusi teknis yang berpotensi diterapkan secara nyata. Selain tujuan teknis, proyek ini juga berlandaskan nilai kebermanfaatan, keberlanjutan, dan tanggung jawab sosial. mengembangkan solusi teknologi berkelanjutan untuk memanen energi terbuang (kinetik) di lingkungan publik. Secara spesifik, proyek ini bertujuan untuk:

1. Menganalisis korelasi matematis antara gaya tekan (berat badan) dengan output listrik (tegangan dan daya) pada sensor piezoelektrik.
2. Merancang dan menguji prototipe modul lantai piezoelektrik yang efektif dan durabel.
3. Menghitung estimasi total energi yang dapat dipanen di area lalu lintas tinggi sebagai landasan untuk aplikasi komersial di masa depan, selaras dengan prinsip keberlanjutan dan kelestarian lingkungan.

F. PENDAHULUAN

Pemanasan global dan keterbatasan sumber daya energi fosil mendorong eksplorasi Energy Harvesting (EH), yaitu pengumpulan energi ambien yang terbuang. Salah satu sumber energi kinetik terbuang terbesar di lingkungan urban adalah pergerakan pejalan kaki. Lantai piezoelektrik memanfaatkan Efek Piezoelektrik Langsung, di mana tekanan mekanik menghasilkan muatan listrik. Meskipun konsep ini telah ada, tantangannya terletak pada efisiensi konversi yang rendah dan durabilitas material.

·       Pemikiran Awal (Initial Thinking about the Problem): Masalah inti yang dihadapi adalah bagaimana memanen sejumlah daya yang signifikan dan stabil dari tekanan langkah kaki yang fluktuatif dan bervariasi. Penelitian terdahulu (misalnya oleh [Nama Peneliti]) seringkali fokus pada material, namun kurang memperhatikan optimasi rangkaian penampung dan konversi daya. Kesenjangan yang diidentifikasi adalah kurangnya model prediksi yang akurat yang menghubungkan variabel gaya tekan spesifik (berat badan) dengan output daya DC yang stabil dan siap pakai dalam konteks desain lantai modular. Oleh karena itu, penelitian ini berupaya mengisi kesenjangan tersebut melalui pengujian sistematis dan perancangan rangkaian manajemen daya yang efisien.

G. METODE DAN PROSEDUR

Metode penelitian ini disusun berdasarkan alur flowchart sistem piezoelectric floor. Proses dimulai dari input berupa massa pengguna dan jumlah langkah, yang kemudian dikonversi menjadi gaya tekan menggunakan persamaan F = m × g. Gaya tekan ini menjadi masukan utama bagi elemen piezoelectric.

Selanjutnya, energi mekanik diubah menjadi energi listrik berupa tegangan dan arus listrik. Tegangan yang dihasilkan kemudian disearahkan menggunakan rangkaian penyearah (rectifier), distabilkan melalui regulator tegangan, dan disimpan dalam media penyimpanan energi seperti kapasitor atau baterai.

Flowchart juga mencakup proses evaluasi kestabilan energi. Apabila tegangan dan arus belum stabil, sistem akan kembali ke tahap konversi untuk penyesuaian beban. Proses ini dilakukan secara iteratif hingga diperoleh keluaran energi yang sesuai dengan kebutuhan sistem.

Tahap awal penelitian diawali dengan pengadaan material piezoelektrik berupa PZT atau PVDF dengan dimensi $X ,Y$X×Y mm. Material piezoelektrik tersebut dipasang pada housing modular yang dirancang untuk menjaga posisi sensor tetap stabil selama proses pembebanan dan pengujian berlangsung.

Pengujian gaya tekan dilakukan menggunakan Universal Testing Machine (UTM) yang telah melalui proses kalibrasi untuk menjamin akurasi pengukuran. Pengujian diberikan dalam bentuk variasi beban massa simulasi sebesar 40 kg, 60 kg, 80 kg, dan 100 kg, dengan frekuensi pembebanan sebesar 1 Hz untuk mensimulasikan tekanan dinamis seperti langkah kaki manusia.

Output listrik dari sensor piezoelektrik kemudian dihubungkan ke sistem akuisisi data. Tegangan AC mentah yang dihasilkan sensor diukur menggunakan osiloskop digital untuk memperoleh karakteristik sinyal awal. Selanjutnya, sinyal dialirkan ke rangkaian penyearah untuk dikonversi menjadi tegangan DC. Tegangan DC yang tersimpan pada kapasitor diukur menggunakan multimeter digital guna mengetahui performa penyimpanan energi listrik.

Tahap analisis dan interpretasi data dilakukan dengan menghitung daya puncak yang dihasilkan menggunakan persamaan $P = V \times I$P=V×I, serta energi listrik per siklus pembebanan yang diperoleh melalui integrasi daya terhadap waktu, yaitu $E = \int P \, dt$E=∫Pdt. Proses pengujian dan analisis ini dilakukan secara iteratif dengan memvariasikan nilai kapasitansi dan/atau menambahkan voltage regulator untuk meningkatkan kehalusan serta kestabilan output DC. Hasil dari setiap iterasi digunakan sebagai dasar evaluasi dan perbaikan desain rangkaian pada tahap berikutnya, sehingga mencerminkan pendekatan perbaikan berkelanjutan (continuous improvement) dalam pengembangan sistem

H. HASIL DAN PEMBAHASAN

Perhitungan gaya tekan dilakukan menggunakan persamaan F = m × g, dengan m sebagai massa pengguna dan g sebagai percepatan gravitasi. Energi mekanik yang dihasilkan kemudian dikonversi menjadi energi listrik berdasarkan karakteristik piezoelectric.

Energi listrik dihitung menggunakan persamaan E = V × I × t, di mana V adalah tegangan, I adalah arus, dan t adalah waktu. Data hasil perhitungan menunjukkan bahwa peningkatan gaya tekan berbanding lurus dengan kenaikan tegangan keluaran. Namun, efisiensi sistem dibatasi oleh rugi-rugi listrik dan mekanik.

Hasil pengujian mengonfirmasi bahwa berat badan merupakan variabel yang dominan dalam penentuan output energi. Namun, kerugian terbesar terjadi pada rangkaian penyearah (disebabkan oleh voltage drop dioda) dan ketidaksesuaian impedansi antara sensor dan rangkaian penyimpan. Daya yang stabil yang didapatkan masih jauh dari kebutuhan daya perangkat konsumen (misalnya, mengisi daya smartphone).

Implikasi: Fokus harus beralih dari sekadar menghasilkan tegangan tinggi ke memaksimalkan transfer daya dan stabilitas arus. Dibandingkan dengan literatur sebelumnya ([Nama Studi Terdahulu]), hasil ini menunjukkan bahwa desain harvesting circuit yang optimal (bukan hanya material) adalah kunci untuk meningkatkan efisiensi total sistem.

I. KESIMPULAN DAN REKOMENDASI

Berdasarkan hasil penelitian, dapat disimpulkan bahwa sistem piezoelectric floor memiliki potensi sebagai sumber energi listrik tambahan. Disarankan penelitian selanjutnya fokus pada optimasi material, desain mekanik, dan sistem penyimpanan energi.

Pengembangan teknologi ini masih memiliki potensi besar. Tantangan utama saat ini adalah menjembatani kesenjangan antara daya yang dihasilkan (mW) dengan kebutuhan daya (W) untuk aplikasi skala besar melalui inovasi rangkaian manajemen daya yang lebih cerdas. Optimasi Rangkaian: Implementasi Maximum Power Point Tracking (MPPT) dan boost converter yang memiliki startup voltage sangat rendah untuk memaksimalkan daya yang dipanen dari tiap tegangan input yang fluktuatif. Pengujian Lalu Lintas: Lakukan simulasi lalu lintas pejalan kaki yang realistis di lingkungan kampus/stasiun untuk memperoleh data daya kumulatif (Wh/hari) yang lebih akurat dan terapan.

Youtube : https://youtu.be/2LsN-5URxGk?feature=shared

Gdrive : https://drive.google.com/drive/folders/1YdpONnngUC2Jz6PHJ_HS3_XNwIJpymdD

https://drive.google.com/drive/folders/1YdpONnngUC2Jz6PHJ_HS3_XNwIJpymdD