.Label: Eksperimen dan Panduan, Teknologi Hijau, Turbin Angin
Eksperimen bagi merekabentuk turbin janakuasa angin. Menghasilkan tenaga elektrik daripada angin merupakan proses mengubah tenaga kinetik kepada tenaga elektrik. Untuk menghasilkan rekaan
turbin yang melaksanakan perubahan asas ini sebenarnya satu proses yang mudah, yang sukar adalah bagaimana untuk memaksimumkan kecekapan, terutama di kawasan berpotensi kelajuan angin rendah seperti di Malaysia.
Artikel berkaitan:
Turbin Janakuasa Angin Mikro V1.0
Panduan Praktikal Sel Solar (Photovoltaic Cell)
Tiada sistem turbin yang 100% efisyen, yakni tenaga 100% tenaga kinetik daripada angin dapat diubah kepada tenaga elektrik. Bahkan sistem yang 50% efisyen juga adalah mustahil berdasarkan teknologi semasa. Namun diharap ianya tidak melunturkan semangat anda untuk bereksperimentasi :)
Perkara penting yang harus dipertimbangkan adalah lokasi pemasangan dan potensi kelajuan angin di kawasan tersebut. Sekiranya anda tinggal di bandar atau sub-bandar, anda juga perlu
mengambilkira faktor keluasan halaman rumah, hadangan bangunan dan lain-lain.
Rapid Prototype golongan yang kurang mampu :) Rekaan di atas adalah binaan ala kadar untuk bereksperimen.
Generator
Pemilihan dan rekaan generator boleh menentukan sejauh mana keberjayaan atau kegagalan sesuatu rekaan turbin. Semua generator terdiri daripada magnet kekal dengan gegelung wayar kuprum berenamel (enamelized copper wire). Arus yang terhasil akan mengikut Hukum Tangan Kanan Fleming (Fleming Right Hand Rule). Terdapat dua pilihan iaitu menghasilkan generator sendiri, atau mengunakan motor magnet kekal sebagai generator.
Motor magnet kekal sebenarnya adalah penjana yang berfungsi secara terbalik. Gandar atau axle motor tersebut akan berputar apabila tenaga elektrik dibekalkan. Sebaliknya jika axle diputarkan, tenaga elektrik akan
dihasilkan.
Secara jujurnya pilihan menghasilkan generator sendiri adalah lebih menarik sebagai projek eksperimentasi terutama jika anda mempunya akses kepada kemudahan fabrikasi atau wang saku yang agak banyak.
Saya sepertimana ramai rakyat Malaysia yang lain tidak mempunyai akses kepada kemudahan bengkel / makmal fabrikasi, maka hanya perlu berpuas hati dengan komponen ready-made yang diubahsuai.
Meskipun generator asas dapat dihasilkan sendiri dengan mudah dengan merujuk kepada Fleming Right Hand
Rule, namun jika membandingkan generator pada saiz yang sama, saya dapati prestasi menggunakan motor
magnet kekal sebagai generator sebenarnya adalah lebih baik daripada generator hasilan sendiri (yang dibina tanpa kemudahan fabrikasi dan peralatan terhad).
Pemilihan Motor Magnet Kekal Yang Sesuai
Semua jenis DC motor yang mempunyai magnet kekal boleh digunakan untuk tujuan ini. Brushless DC motor seperti yang digunakan sebagai kipas penyejukkan komputer juga boleh digunakan untuk tujuan ini (model terntentu sahaja, dan sila rujuk kekangan yang mungkin timbul di bahagian seterusnya). Motor AC daripada peralatan rumah seperti kipas angin, pengisar (blender) dan sebagainya umumnya adalah dari jenis induksi dan ianya tidak sesuai untuk tujuan penjaan tenaga.
sumber kereta mainan kawalan jauh, kipas penyejuk (cooling fan) dan sebagainya mempunyai rating RPM yang tinggi, bermakna ianya direka untuk operasi pada kelajuan tinggi. Bagi motor jenis ini, saya dapati untuk menghasilkan cukup tenaga untuk menyalakan sebutir LED 5mm dengan malap
memerlukan putaran axle yang amat pantas.
Kelajuan ini adalah jauh lebih tinggi daripada putaran yang dapat dihasilkan oleh tiupan angin yang biasa. Sebagai contoh, DC motor daripada model kereta kawalan jauh mempunyai RPM sekitar 20000 atau lebih.
Saya dapati bahawa motor daripada dek pemain kaset (bagi pembaca daripada generasi iPod, dek pemain kaset digunakan secara meluas pada era 80an - 90an sebelum wujudnya CD, MP3 Player dan iTunes) memberikan prestasi yang lebih baik daripada kebanyakan DC motor yang lain kerana ianya direka untuk beroperasi sekitar 2000 – 3000 RPM . Lebih baik, namun masih tidak memuaskan hati.
Adakalanya jika bernasib baik, rating RPM motor akan dilabel pada motor. Adakalanya hanya model motor sahaja yang tertulis dan anda perlu merujuk kepadadatasheet yang dimuat turun secara online (Google adalah rakan anda).
Selalunya, tiada sebarang label terdapat pada motor, maka anda perlu mengagak berdasarkan saiz motor dan kegunaannya. Motor daripada alatan permainan, dan alatan elektrik yang menggunakan bateri umumnya mempunyai rating RPM tinggi.
Berdasarkan pengalaman, motor DC dengan RPM rendah begitu sukar diperolehi dari pembekal Malaysia (online mahupun offline) melainkan dari jenis DC motor bergear (DC geared motor). Malangnya motor dari jenis bergear, meskipun mempunyai RPM rendah (serendah 60rpm) ianya tidak sesuai kerana mekanisma gear di dalam motor menghalang putaran bebas axle.
Jika anda mempunyai akses kepada komponen kereta, motor power window mungkin sesuai sebagai generator. Saya tidak berpeluang mengujinya kerana ianya memerlukan peralatan pemotongan logam untuk
mengakses axle secara terus. Selain itu geseran ataupun dragdaripada motor jenis ini juga adalah tinggi.
Rating Voltan dan Arus
Selain RPM rendah, voltan dan arus operasi (operating voltage / current) juga memainkan peranan penting, tetapi ianya bukanlah keperluan.
Perkara yang harus diingat adalah, semakin tinggi voltan operasi, semakin tingi arus operasi dan semakin rendah rating RPM, maka semakin baik fungsi motor tersebut sebagai generator.
Stepper motor merupakan pilihan terbaik berdasar eksperimentasi terhad yang dilakukan, ini adalah kerana meskipun model yang saya gunakan adalah mempunyai rating 12V dan 900mA, stepper motor direka untuk operasi pada RPM rendah. Harus diambilkira bahawa meskipun ia dioperasikan oleh arus DC, arus yang dijana pula adalah arus AC. Maka litar rektifikasi adalah diperlukan. Walaupun terdapat beberapa pilihan stepper motor di dalam simpanan, saya memilih untuk
menggunakan stepper motor dari jenis Bipolar. Motor dari jenis ini umumnya mempunya 4 wayar (foto di bawah). Sementara motor dari jenis Unipolar umumnya mempunyai 5 atau 6 wayar. Tujuannya adalah untuk mempermudahkan litar rektifikasi yang perlu dibina.
Sumber stepper motor Bipolar ini adalah daripada sebuah mesin pencetak (printer) HP yang rosak. Sekiraya anda tidak mempunyai akses kepada pencetak yang boleh dileraikan, boleh mencuba mesin faks, tetapi sumber terbaik untuk stepper motoradalah mesin fotokopi (sukar untuk ditemui dalam keadaan terbuang, namun jika nasib anda cukup baik, mesin fotokopi merupakan sumber berharga untuk pelbagai komponen yang sukar diperolehi di pasaran).
Sekiranya anda mempunyai pilihan beberapa stepper motor, selain daripada Unipolardengan 4 wayar, anda juga disaran untuk memilih stepper motor yang mempunyacogging yang kecil. Cogging terhasil daripada tarikan magnet kekal terhadap amature di dalam motor. Cogging yang kecil
membolehkan bilas kipas beputar pada tork pemula yang rendah. Tork (torque) adalah daya memutar yang terhasil daripada putaran bilah turbin. Jika cogging adalah tinggi, maka sukar untuk bilah turbin ini untuk mula berputar.
Cara mudah untuk mengesan cogging adalah dengan memutar axle dengan jari. Semakin tinggi cogging semakin tersekat-sekat putaran axle. Pilih Unipolar stepper motor yang mempunyai cogging yang rendah. Stepper motor yang mempunyai darjah putaran yang kecil
(contohnya 1.8 degree per step) mempunyai cogging yang rendah. Nilai degree per step ini biasanya terdapat pada stepper motor, jika tiada, anda perlu merujuk datasheet online.
Konfigurasi Turbin
Terdapat dua konfigurasi di dalam rekaan turbin sama ada mengunakan paksi mendatar (horizontal axis wind turbine - HAWT) atau paksi menegak (vertical axis wind turbine - VAWT).
Diringkaskan, rekaan VAWT tidak perlu mengambilkira arah tiupan angin. Ia mampu berputar dengan angin dari semua arah. Pendekatan HAWT pula adalah sedikit mencabar dari segi rekaan. Ia
memerlukan sirip ekor (tail fin) bagi memastikan bilah turbin senantiasa selari dengan arah tiupan angin. Galas (bearing) membolehkan putaran paksi rewang (yaw) dan HAWT juga memerlukan mekanisma sama ada dalam bentuk slip rings atau cummutator bagi mengelakkan wayar daripada berpintal apabila turbin beralih arah berulang kali.
Oleh kerana saya mensasarkan kegunaan pada kelajuan angin rendah, saya memilih konfigurasi HAWT kerana dari segi prestasi, ianya lebih cekap menukar tiupan angin kepada daya putaran. Jenis Bilah Bagi Konfigurasi HAWT
memberikan tork yang rendah meskipun menggunakan bilah yang mempunyai sudut lengkungan (pitch) yang tinggi. Ia direkabentuk untuk memberikan tujahan pada kelajuan angin tinggi. Namun daya putaran yang dihasilkan pada angin rendah tidak memadai untuk melawan cogging motor yang saya gunakan, maka bilah hanya kekal kaku. Secara teori, bilah yang lebih panjang mampu
mengatasi masalah ini (dan tiupan angin yang kuat), namun ianya menjadikan saiz keseluruhan turbin menjadi besar.
Bilah axial flow daripada kipas angin elektrik memberikan prestasi terbaik pada angin rendah. Oleh kerana bilah axial flow direkabentuk untuk menggerakkan isipadu udara yang maksimum, ia mampu menghasilkan tork yang mencukupi pada kelajuan angin rendah.
Namun jika di kawasan yang mempunyai purata kelajuan angin yang tinggi, bilah jenis propeller adalah lebih efisyen. Turbin angin yang sering kita lihat di wind farmkomersil menggunakan variasi bilah jenis propeller atas sebab tersebut.
Idea Penambahbaikan
Magnet Berkuasa Tinggi
Magnet yang digunakan di dalam motor elektrik biasanya adalah daripada jenis Ferrite. Bagi
meningkat potensi janaan tenaga turbin, rekaan generator sendiri dengan magnet berkuasa tinggi dari jenis Neodymium Iron Boron (NIB) dengan nilai gred antara 30-52 boleh digunakan.
Neodymium gred N52 mempunyai kekuatan tertinggi, tetapi mudah dilemahkan sekiranya terdedah kepada haba kepanasan (demagnetization). Magnet Neodymiumdi dalam cakera keras (hard drive) bergantung kepada model dan pengeluar adalah dari gred sekitar N30 – N40 dan berupaya menahan kepanasan sehingga 80 darjah Celsius. Tetapi satu cakera keras umumnya hanya mempunyai 2 butir magnet sahaja, anda perlu meleraikan antara 4 hingga 5 cakera keras untuk memperolehi jumlah magnet yang mencukupi untuk projek turbin.
Jalan terakhir adalah pembekal online dari luar negara.
Artikel berkaitan:
Panduan Magnet Ferrite, Alnico dan Neodymium Untuk Projek RekaciptaMenggunakan gear untuk menaikkan RPM. Kombinasi gear dari jenis spur mahupunpinion dengan nisbah 1:10 contohnya mampu meningkatkan RPM sehingga 10 kali ganda. Tetapi harus
diingat bahawa tork yang diperlukan untuk memutar bilah turbin akan turut meningkat.
Saya ada berkunjung ke beberapa kedai yang menjual komponen permainan kawalan jauh bagi mencari kombinasi gear yang bersesuaian (dan tepat) bagistepper motor yang saya gunakan tetapi gagal. Jika tiada sumber gear ready-madeyang tepat, sebaiknya anda mengelak daripada
mengunakan gear sama sekali kerana ia akan mengakibatkan loss yang agak tinggi.
Jika anda mempunyai akses kepada mesin pemotong laser (Laser Cutter) resolusi tinggi, masalah dapat diselesaikan dengan mudah dengan merekabentuk sendiri kombinasi gear yang anda perlukan.
Sekiranya anda ada menemui sumber tempatan untuk membeli / membuat tempahan pelbagai jenis gear (pada harga berpatutan), sila berkongsi di ruangan komen.
Motor yang cukup terkenal di kalangan mereka yang bereksperimen dengan turbin angin adalah motor pemacu pita maknetik (magnetic tape drive) komputer kerangka utama (mainframe) dari era 70an-80an daripada pengeluar Ametek. Ianya beroperasi pada arus dan voltan tinggi (sehingga 50V) pada RPM rendah.