Farid Ridha Muttaqin. Dr. BambangL. W, ST, MT. Ir. Ali Musyafa, M.Sc.

(1)

Seminar

Seminar TugasTugas AkhirAkhir

Pemilihan

Pemilihan SudutSudut Pitch Optimal Pitch Optimal UntukUntuk TurbinTurbin AnginAngin SkalaSkala Kecil Kecil Pemilihan

Pemilihan SudutSudut Pitch Optimal Pitch Optimal UntukUntuk TurbinTurbin AnginAngin SkalaSkala Kecil Kecil Berkecepatan

Berkecepatan RendahRendah DenganDengan TipeTipe BilahBilah NonNon--uniform Airfoil uniform Airfoil NREL

NREL S83nS83n

Farid Ridha Muttaqin

2407 100 026 2407 100 026

(2)

Latar Belakang

• Isu krisis energi, harga minyak, dan emisi karbon.

karbon.

• Indonesia berada di urutan 70 dunia untuk kapasitas SKEA terpasang sebesar 1.4 GW (World Wind Energy Association)

• Blueprint pengelolaan energi nasional 2010 – 2015 target SKEA skala menengah.

(3)

Permasalahan

• Bagaimana merancang turbin angin skala kecil dengan tipe bilah non-uniform airfoil NREL S83N. • Bagaimana mencari sudut pitch optimal dengan • Bagaimana mencari sudut pitch optimal dengan

kecepatan angin yang bervariasi.

Tujuan Tujuan

M

Mencari hubungan antara sudut encari hubungan antara sudut pitchpitch optimal bilah turbin angin optimal bilah turbin angin dengan kecepatan putar rotor turbin pada kecepatan angin yang dengan kecepatan putar rotor turbin pada kecepatan angin yang bervariasi.

(4)

Batasan Masalah

• Turbin angin skala kecil dengan diameter 2 m. • Bilah non-uniform dengan airfoil NREL S83N

mengacu pada literatur

• Variabel yang dimanipulasi sudut pitch dan kecepatan angin

• Pengaturan sudut pitch dan pengambilan data mikrokontroler AVR terhubung dengan komputer

(5)

Tinjauan Pustaka

• C. Thumthae, T. Chitsomboon, “Optimal angle

of attack for untwisted blade wind turbine,” of attack for untwisted blade wind turbine,”

Elsevier, Renewable energy, 2008.

• A.K. Wright, D.H. Wood, “The starting and low

wind speed behaviour of a small horizontal wind speed behaviour of a small horizontal axis wind turbine,” Elsevier, Renewable

(6)

Tinjauan Pustaka

• Adam Harika, “Rancang Bangun Blade Pitch

Angle Control System Berbasis Classic fuzzy Pada Angle Control System Berbasis Classic fuzzy Pada Prototipe Wind Turbine,” Institut Teknologi

Sepuluh Nopember, Tugas Akhir, 2008.

• Jorge Antonio Villar Alé, “Procedures Laboratory

For Small Wind Turbines Testing,” Pontifical For Small Wind Turbines Testing,” Pontifical

(7)

Dasar Teori

• Turbin angin mengubah energi kinetik dari angin menjadi gerak mekanis untuk

angin menjadi gerak mekanis untuk menghasilkan listrik.

(8)

Dasar Teori

• Komponen terpenting Rotor (Bilah) turbin

(Tony Burton, Wind Energy Handbook, 2001)

• Jenis airfoil, jenis material, dimensi, jumlah bilah, sudut pitch.

(9)

Perancangan Bilah

• Airfoil NREL S83N for small scale WT (1 m – 3 m).

m – 3 m).

• Non-uniform, Tapered, Untwisted.

M. Buhl, Wind Turbine Airfoils, 2009 http://wind.nrel.gov/airfoils/

(10)

Perancangan Bilah

• Penentuan dimensi chord

(11)

Pengaturan Sudut Pitch & Monitoring

• Pitch Angle ≠ Angle of Attack

• Sudut Pitch Sudut antara garis chord dengan bidang putaran rotor. • Optimal Sudut yang menghasilkan daya tertinggi

Axis of Rotation

(12)

Pengaturan Sudut Pitch & Monitoring

• Sistem pengaturan sudut pitch dan monitoring kecepatan rotor.

kecepatan rotor.

(13)

Pengaturan Sudut Pitch & Monitoring

• Algoritma pengaturan sudut pitch

PC Monitoring Servo Driver

Mengirim karakter “s” Dan 5 digit setting OCR1A

Menerima karakter dan nilai setting

Mengubah nilai OCR1A Berdasarkan setting

Menerima pulsa PWM

Mencacah jumlah pulsa perdetik

Mengubah nilai sinyal servo berdasarkan hasil pencacah Menerima respon dari mikro

Dan menampilkan pada software

Tx USART Rx USART Rx USART PIND.2 INT0 Mengeluarkan pulsa PWM Dengan frekuensi tertentu

Mengirim balik nilai OCR1A

berdasarkan hasil pencacah

Mengirim sinyal kendali servo

Motor Servo PORTD.4 OCR1B Tx USART USART PORTC.0 PORTC.2 PORTC.4

(14)

Pengaturan Sudut Pitch & Monitoring

• Algoritma Monitoring

PC Monitoring

Mengirim karakter “a” Menerima karakter

Mengambil nilai hasil pencacahan (PPS) Tx USART Rx USART PIND.2 INT0

Mencacah jumlah pulsa Per detik

Menyimpan nilai PPS pada database

Mengirim nilai PPS

Rotary Encoder

Relative

Menerima nilai PPS dari mikro

Dan menampilkan pada software PulseOut

Tx USART Rx

(15)

Pengaturan Sudut Pitch & Monitoring

(16)

(17)

Perancangan Alat Uji

• Open Jet Wind Tunnel

Forrest S. Stoddard,

Wind Tunnel Test Program Of A 200-Watt, 12-Volt Wind Generator System. Final Report

(18)

Pengujian Sistem

• Kinerja Sensor Putaran Turbin

– Akurasi 0.9133 – Akurasi 0.9133

– Presisi 83.885%

• Kinerja Pengaturan Sudut Pitch

– Sudut terkecil 5o + 0.39o.

• Kinerja slip ring • Kinerja slip ring

– Loss tegangan 1.59%

– Mampu bekerja dengan baik pada kecepatan 180 RPM.

(19)

Pengujian Sistem

• Histeresis Pengaturan Sudut Pitch

– Eror histeresis = 7.8% – Eror histeresis = 7.8%

(20)

Pengujian Sistem

• Mode Kecepatan angin

Mode Kipas 1 Kipas 2 Ducting Kecepatan Angin

1 High High No 7.5 m/s

2 Medium Medium No 7.0 m/s

3 Low Low No 6.5 m/s

4 High High Yes 4.8 m/s 5 Medium Medium Yes 4.1 m/s

6 High - Yes 3.1 m/s

(21)

Pengambilan Data

• Sudut Pitch (θ)

– 0o – 90o dengan interval 5o.

• Kecepatan angin dari blower (v1)

– Sesuai dengan mode blower

• Kecepatan angin setelah melewati turbin (v4)

• Durasi pengambilan tiap data 350 sekon • Durasi pengambilan tiap data 350 sekon • Kecepatan putaran rotor (PPS, RPS, RPM)

– Diambil rata-rata data 120 detik terakhir (asumsi kecepatan telah steady)

(22)

Analisa Data

• RPM Maksimum

Analisa melalui grafik RPM fungsi sudut pitch

60 . 20 RPS RPM PPS RPS = =

• Analisa melalui grafik RPM fungsi sudut pitch untuk tiap kecepatan angin, dan nilai RPM

(23)

Analisa Data

(24)

Analisa Data

• Tip Speed Ratio

– Tip speed ratio adalah perbandingan antara – Tip speed ratio adalah perbandingan antara

kecepatan ujung bilah dengan kecepatan angin.

– RPS = rotasi per sekon

V

RPS R

TSR = 2.π. .

– RPS = rotasi per sekon

– R = jari-jari rotor (m)

(25)

Analisa Data

(26)

Analisa Data

• Power Coefficient (Cp)

– Koefisien daya turbin angin adalah kemampuan turbin angin untuk – Koefisien daya turbin angin adalah kemampuan turbin angin untuk

mengekstrak daya total yang dihasilkan oleh angin. – Dihitung menggunakan pendekatan tube angin ideal.

1 3 2 1 3 2 v v v v v = = = 1 4 1 3 2 1 4 3 2 3 3 1 A A v A A v v = = = =

(27)

Analisa Data

• Power Coefficient (Cp)

– Berdasarkan pendekatan tersebut, maka daya angin yang diekstrak – Berdasarkan pendekatan tersebut, maka daya angin yang diekstrak

adalah daya angin sebelum melewati turbin dikurangi daya angin setelah turbin

(28)

Analisa Data

(29)

Analisa Data

• Sudut Pitch Optimal

– Cp Sudut Pitch

(30)

Analisa Data

– RPM Sudut Pitch – RPM Sudut Pitch

(31)

Analisa Data

– RPM Sudut Pitch – RPM Sudut Pitch

Kecepatan Angin (m/s) Sudut Pitch Optimal

2.8 10.35 3.8 10.37 4.1 13.10 4.8 10.15 6.5 13.16 7.0 16.19 7.5 10.87

(32)

Kesimpulan

• Telah berhasil dirancang dan dibangun sebuah Prototipe Turbin

Angin dengan koefisien daya, Cp maksimum 0.544 pada sudut pitch

10o _{dan kecepatan angin 7.5 m/s.} 10o _{dan kecepatan angin 7.5 m/s.}

• Prototipe turbin angin tidak mampu untuk bekerja secara self start karena beban center plate yang tidak seimbang.

• Sudut pitch optimal untuk prototipe turbin angin adalah 10 sampai 20 derajat, dengan rincian Cp maksimum 0.545 (kecepatan angin 7.5 m/s pada sudut 10), 0.545 (kecepatan angin 7.5 m/s pada sudut 15), dan 0.510 (kecepatan angin 7.5 m/s pada sudut 20).

• Hasil perancangan slip ring dapat mengalirkan daya listrik dan sinyal listrik dengan loss daya 1.58 %.

listrik dengan loss daya 1.58 %.

• Hasil perancangan sensor RPM menggunakan rotary encoder dapat bekerja dengan tingkat akurasi 0.9133 dan tingkat presisi 83.8856%. • Hasil perancangan pengatur sudut pitch mampu mengatur sudut

(33)