LAPORAN
TUGAS AKHIR
ANALISA DAYA GENERATOR PADA PEMBANGKIT
LISTRIK TENAGA ANGIN
“Analisa Daya yang di Hasilkan Generator Terhadap Perubahan Kecepatan Putaran Blade Kincir Angin Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin 200 Waat”
Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Kurikulum Sarjana Strata Satu ( S-1 ) Pada Program Studi Teknik Mesin - Fakultas Teknik
Disusun oleh : EDY SUCIPTO
4130412 - 025
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
JAKARTA
LEMBAR PENGESAHAN
Saya yang bertanda tangan dibawah ini : Judul Tugas Akhir :
ANALISA DAYA GENERATOR PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN
“Analisa Daya yang di Hasilkan Generator Terhadap Perubahan Kecepatan Putaran Blade Kincir Angin Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin 200 Waat”
Disusun Oleh Nama : Edy Sucipto NIM : 4130412-025 Program Studi : Teknik Mesin Fakultas : Teknik Universitas : Mercu Buana
Mengetahui,
Pembimbing Koordinator TA
( DR. A. Hamid, M.Eng ) ( DR. A. Hamid, M.Eng ) Ketua Program studi
Abstrak
Pemenuhan energi listrik untuk berbagai kebutuhan saat ini dirasakan masih sangat tergantung pada sumberdaya energi tak terbarukan yang relatif semakin terbatas. Oleh karena itu dimasa mendatang pemanfaatan sumberdaya energi terbarukan merupakan alternatif yang perlu terus dikembangkan agar dapat mencapai daerah perdesaan sekalipun daerah tersebut terpencil.
Melalui tugas akhir ini penulis melakukan penelitian pada pembangkit listrik tenaga angin dengan melakukan analisa terhadap daya yang di hasilkan oleh generator berdasarkan torsi yang di pengaruhi oleh gaya angkat dan gaya geser pada blade kincir angin . Untuk mencapai tujuan tersebut dilakukan percobaan dengan menggunakan benda uji berupa satu set pembangkit listrik tenaga angin berkapasitas 200 Watt . Percobaan di lakukan di 2 tempat berbeda yang pertama di lapangan terbuka dilokasi BMG cengkareng ( 8 m dpl ) dan di daerah puncak Bogor ( ± 2000 m dpl ) .Dari data yang di dapat dari hasil percobaan kemudian di analisa atau di hitung dengan menggunakan pendekatan rumus perhitungan yang berdasarkan pengaruh gaya angkat dan gaya geser.
Dari Hasil penelitian pada kincir angin dengan sudut antara blade terhadap arah angin Φ = 60 menunjukkan Torsi maksimal yang terjadi pada generator sebesar 14,4 Nm dengan menghasilkan daya 203 Watt pada putaran rotor 850 Rpm. Dari daya yang di hasilkan dapat d alirkan ke baterai sebagai backup power.
KATA PENGANTAR
Dengan memanjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT atas ijin dan karunia-Nya lah sehingga Laporan Tugas Akhir ini bisa terselesaikan.Tugas Akhir ini berjudul :
ANALISA DAYA GENERATOR PADA PEMBANGKIT
LISTRIK TENAGA ANGIN
Laporan Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat akademis bagi mahasiswa untuk memperoleh gelar sarjana Teknik Strata-1 (S1) dalam menyelesaikan Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik - Universitas Mercubuana
Tujuan penyusunan Tugas Akhir ini adalah agar mahasiswa lebih mendalami bidang studinya dan dapat mengaplikasikanya ke bidang teknologi yang bersangkutan. Penulis menyampaikan ucapan banyak terimakasih kepada semua pihak yang memberikan bantuannya dengan sukarela dan ikhlas hingga tersusunnya tulisan ini, khususnya kepada :
1. Bapak DR. A. Hamid, M.Eng selaku Kepala Program Studi Teknik Mesin sekaligus dosen pembimbing, yang telah banyak memberikan ide, saran, bimbingan dan motivasi dalam menyelesaikan laporan tugas akhir ini. 2. Bapak Nanang Ruhyat ST.MT,selaku sekretaris jurusan teknik mesin,yang
telah memberikan banyak kemudahan.
3. Bapak dan ibu dosen yang telah memberikan ilmunya selama proses perkuliahan.
4. Kepala bagian dan seluruh staf BMG Cengkareng dan Citeko yang telah memberikan data-data yang kami butuhkan selama penelitian.
5. Komandan Lanud Atang Sendjaja Bogor beserta jajarannya, yang memberikan izin menggunakan area TNI AU di puncak sebagai tempat percobaan.
6. Kedua Orang Tua yang telah melimpahkan kasih sayangnya dan selalu mengiringi setiap langkah Ananda dengan do’a.
7. Kakak-kakak ku yang menjadi inspirasi serta selalu memberikan dukungan dan semangat dalam menyelesaikan tugas akhir..
8. Teman-teman seperjuangan Program Kelas Karyawan UMB Angkatan 6, terimakasih buat persahabatan kita selama ini.
9. Rekan kerja di kantor serta bapak/ibu di TU FTI – UMB yang telah banyak membantu urusan administrasi.
Dan berbagai pihak yang telah membantu yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Penulis merasa sebagai “seorang manusia biasa” pastilah dalam menyusun Laporan ini masih banyak kekurangannya, maka penulis mengharapkan masukan-masukan yang bermanfaat. Dan yang terakhir penulis sangat berharap agar Laporan Tugas Akhir ini bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan.
Jakarta, 18 Juli 2009
DAFTAR ISI
Halaman Judul
Lembar Pengesahan ...i
Abstrak ... ...ii
Kata Pengantar ... ...iii
Daftar Isi ... ...v
Daftar Gambar ... ...ix
Daftar Tabel ... ...xi
Daftar Notasi ...xii
BAB I PENDAHULUAN ... ... 1
I.1 Latar Belakang ... 1
I.2 Perumusan Masalah ... 5
I.3 Batasan Masalah ... 6
I.4 Tujuan Penulisan ... 8
I.5 Metodologi Penulisan ... 8
I.6 Sistematika Penulisan ... 9
BAB II LANDASAN TEORI... ... 11
2.1 Dasar Teori ... ...11
2.1.1 Turbin Angin ... ... 11
2.2.1 Pengertian dan Kegunaan Generator... ...13
2.2.2 Dasar-dasar Generator Arus Searah... ... ...14
2.2.3 Terbentuknya GGL pada Kumparan Berputar ...15
2.2.4 Bagian-bagian Terpenting dari Generator ...17
2.2.5 Hubungan Frekuensi (f) dengan rpm... ...22
2.2.6 Tegangan Induksi...23
2.2.7 Prinsip Kerja Generator Secara Umum...25
2.3. Sifat Angin dan Geografi...26
2.3.1 Karakteristik Angin...26
2.3.2 Besar Angin yang dapat di Manfaatkan...27
2.3.3 Nilai Rancangan Kecepatan awal,kecepatan rencana,kecepatan furling...29
2.3.4 Data dan Analisa Kecepatan Angin...29
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... ... ...31
3.1 Konfigurasi System ... ...31
3.2 Perencanaan Kincir Angin ...32
3.2.1. Perencanaan Generator...35
3.3 Parameter yang Diukur...36
3.3.1 Analisa Gaya Angkat (.Lift force )...36
3.3.2 Gaya geser ( Drag force ) ...38
3.3.3 Kecepatan Relatif Angin...40
3.4 Metode Eksperimental... 44
3.5 Metode dan Langkah Kerja ...45
3.5.1 Persiapan Peralatan Eksperimen ...45
3.5.2 Pengambilan data ...46
3.5.3 Benda uji ...47
3.6 Urutan Langkah Penelitian ...48
BAB IV PERHITUNGAN DAN ANALISA ... ... 49
4.1 Data Penelitian ... 49
4.2 Data Hasil Percobaan ...51
4.3 Perhitungan ...52
4.3.1 Perhitungan axial induction faktor...52
4.3.2 Tangential induction faktor ...53
4.3.3 Kecepatan Relatif Angin...53
4.3.4 Gaya Angkat dan Gaya Gesar ...59
4.3.4.1 Gaya Angkat dan Gaya Geser pada Φ : 6°...60
4.3.5 Analisa Torsi pada Rotor.. ... 63
4.3.5.1 Analisa Torsi terhadap Gaya Angkat dan Gaya Geser Pada Φ : 6°………...63
4.3.6 Analisa dan Pengujian...68
4.3.6.1 Data Hasil Percobaan ...68
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... ...71
5.2 Saran ... 73
Daftar Pustaka ...74 Lampiran
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.2 Sketsa sederhana rancang bangun kincir angin... 7
Gambar 2.1 GGL Induksi... 14
Gambar 2.2 Kumparan Berputar dalam Medan Magnet ...15
Gambar 2.3 Bentuk Fluks Magnit dan GGL Terbentuk pada Sisi Kumparan.. 17
Gambar 2.4 Badan ( body ) Generator... 18
Gambar 2.5 Inti Kutub Magnet dan Kumparan... 19
Gambar 2.6 Pemasangan Komutator dan Segmen Komutator... 20
Gambar 2.7 Jangkar dan Lilitannya... 20
Gambar 2.8 Kumparan Jangkar... 21
Gambar 3.1 Blok Diagram System Pengisian Baterai pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin... 31
Gambar 3.2 Perencanaan Kincir Angin... 33
Gambar 3.3 Grafik koefisien gaya angkat dan gaya geser terhadap angle of attack ( α = 3o ), untuk tipe sayap profil S809 yang dipakai pada percobaan... 39
Gambar 3.4 Potongan Bagian dari Sayap ( blade )Turbin Angin Menggambarkan gaya-gaya yang bekerja dan kecepatan yang saling berhubungan... .40
Gambar 4.1 Grafik Gaya Angkat yang terjadi pada Kincir Angin... 69
Gambar 4.2 Grafik Gaya Geser yang terjadi pada Kincir Angin... 69
Gambar 4.3 Grafik Torsi yang terjadi pada Kincir Angin... 70
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kecepatan Angin Perbulan di BMG Cengkareng Th 2008... 30 Tabel 3.1 Tipe Kincir Angin dan Kegunaannya... 34 Tabel 4.1 Data Hasil Percobaan Kincir Angin pada tgl 7 s/d 9 Maret
Pengamatan pada pukul 10.00 – 18.00 Wib... 51 Tabel 4.2 Data Hasil Percobaan Kincir Angin... 52 Tabel 4.4 Data Hasil Perhitungan Gaya Angkat,Gaya Geser,Torsi dan
Daya... 68
DAFTAR NOTASI
a : Jumlah cabang paralel (cabang jangkar )……..………… ( tanpa satuan )
A : Luas penampang ………....( m² )
L
C : Koefisien Lift (gaya angkat)..……….…( tanpa satuan ) D
C : Koefisien gaya geser …...………..…..( tanpa satuan ) d (t) : Perubahan waktu…...………...( detik ) d (ø) : Perubahan Fluks magnit yang di potong………..…( Weber ) e (t) : GGL Induksi sesaat……….……… ( Volt )
E : GGL Induksi………( Volt ) k
E : Energi kinetic……….( Joule ) max
E : GGL maksimum terbentuk…………..………...( Volt ) f : frekuensi………..………( Hz ) L F : Gaya Angkat……….…....( N ) D F : Gaya geser………...( N ) g : grafitasi……….( m/s2 ) l : Panjang blade………...( m ) m : Massa………( kg/s ) g
n : Putaran generator permenit………...( rpm ) N : Jumlah belitan atau kumparan………...( lilitan )
b
P : Daya ……… .( Watt ) q : Jumlah kutub magnet ………...( buah )
i
Q : Torsi………( N.m )
r : Jari-jari blade ………...( m ) R : Jari-jari rotor………...( m ) t ; waktu tertentu………...( detik )
T : Periode………..( detik ) i T : gaya dorong………( N ) a v : Kecepaatan angin.………...( m/s ) i
v : Perubahan Kecepatan Angin dari Upstream ke Rotor…………....( m/s ) i
V : Kecepatan Relatif Angin……….( m/s ) o
V : Kecepatan Angin Awal………( m/s ) rot
V : Kecepatan rotor ……….( m/s ) w : Lebar blade………( m ) Z : Jumlah batang penghantar………( buah )
ρ : Massa jenis udara………....( kg/m³ )
Φ : Besar sudut antara blade terhadap arah angin………...( º )
φ (t) : Fluks magnet yang di potong pada saat tertentu………( Weber ) max
φ : Fluks magnet maximum yang dipotong……….( Weber )
ω : Rotasi putaran kincir angin.. ………...( rad/s )
µ : Fiskositas fluida……….( Ns/m² )
T
λ : Koefisien gaya dorong………..( tanpa satuan ) Q
λ : Koefisien Torsi……….( tanpa satuan )
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Listrik sudah menjadi suatu kebutuhan yang sangat penting bagi kelangsungan hidup masyarakat Indonesia, baik diperumahan, perkantoran maupun sektor perindustrian, di Indonesia catu daya utama hanya berasal dari PLN,sayangnya Pemenuhan energi listrik untuk berbagai kebutuhan saat ini dirasakan masih sangat tergantung pada sumberdaya energi tak terbarukan yang relatif semakin terbatas. Padahal Indonesia merupakan negara kepulauan yang 2/3 wilayahnya adalah lautan dan mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu ± 80.791,42 Km merupakan wilayah potensial untuk pengembangan pembanglit listrik tenaga angin, namun sayang potensi ini nampaknya belum dilirik oleh pemerintah.
Menurunnya tinggi muka air di berbagai bendungan-terutama yang dimanfaatkan sebagai sumber pembangkit listrik tenaga air (PLTA)-telah menurunkan pasokan listrik di Jawa hingga 500 megawatt. Sebagai salah satu sumber pemasok listrik, PLTA bersama pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dan pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) memang memegang peran penting terhadap ketersediaan listrik terutama di Jawa, Madura, dan Bali. Energi angin yang sebenarnya berlimpah di Indonesia ternyata belum dimanfaatkan sebagai
sebagai sumber energi alternatif nonkonvensional sudah semakin mendapatkan perhatian.Hal ini tentu saja didorong oleh kesadaran terhadap timbulnya krisis energi dengan kenyataan bahwa kebutuhan energi terus meningkat sedemikian besarnya.Di samping itu, angin merupakan sumber energi yang tak ada habisnya sehingga pemanfaatan sistem konversi energi angin akan berdampak positif terhadap lingkungan.
Asal energi angin
Semua energi yang dapat diperbaharui dan bahkan energi pada bahan bakar fosil-kecuali energi pasang surut dan panas bumi-berasal dari Matahari. Matahari meradiasi 1,74 x 1.014 kilowatt jam energi ke Bumi setiap jam. Dengan kata lain, Bumi menerima 1,74 x 1.017 watt daya.Sekitar 1-2 persen dari energi tersebut diubah menjadi energi angin. Jadi, energi angin berjumlah 50-100 kali lebih banyak daripada energi yang diubah menjadi biomassa oleh seluruh tumbuhan yang ada di muka Bumi.
Sebagaimana diketahui, pada dasarnya angin terjadi karena ada perbedaan temperatur antara udara panas dan udara dingin. Daerah sekitar khatulistiwa, yaitu pada busur 0°, adalah daerah yang mengalami pemanasan lebih banyak dari Matahari dibanding daerah lainnya di Bumi.Daerah panas ditunjukkan dengan warna merah, oranye, dan kuning pada gambar inframerah dari temperatur permukaan laut yang diambil dari satelit NOAA-7 pada Juli 1984. Udara panas lebih ringan daripada udara dingin dan akan naik ke atas sampai mencapai ketinggian sekitar 10 kilometer dan akan tersebar ke arah utara dan selatan. Jika
Bumi tidak berotasi pada sumbunya, maka udara akan tiba di kutub utara dan kutub selatan, turun ke permukaan lalu kembali ke khatulistiwa. Udara yang bergerak inilah yang merupakan energi yang dapat diperbaharui, yang dapat digunakan untuk memutar turbin dan akhirnya dapat menghasilkan listrik.
Di Indonesia telah mulai dikembangkan proyek percontohan baik oleh lembaga penelitian maupun oleh pusat studi beberapa perguruan tinggi. Proyek ini perlu memperoleh perhatian dari pihak yang terkait untuk dikembangkan karena membutuhkan riset yang cukup intensif mengenai kecepatan angin, lokasi penempatan turbin angin, serta cara untuk mengatur pembebanan turbin yang tidak merata. Misalnya pada malam hari angin cukup kencang, sedangkan pada pagi dan siang hari kecepatan angin turun sehingga harus ada mekanisme penyimpanan energi serta mekanisme untuk menstabilkan fluktuasi tegangan listrik yang dihasilkan.
Kelebihan dan Kekurangan Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Kelebihan :
1. Ramah Lingkungan (environmental friendly) 2. Praktis digunakan pada wilayah pesisir pantai 3. Tidak memerlukan perawatan khusus
5. Disainnya dari bahan yang tidak mudah karatan (korosi) 6. Mudah mengoperasikan
Kekurangan :
1. Butuh biaya yang cukup besar untuk pembelian dan pelatihan operator teknis 2. Tersedianya suku cadang dan aki mobil yang cukup, apalagi letaknya jauh di pulau
Dalam situasi yang serba kekurangan pasokan listrik seperti sekarang, tampaknya alternatif energi angin perlu dikaji ulang. Selain hasilnya selalu berkelanjutan, harganya pun kompetitif dibanding pembangkit listrik lainnya.
1.2. Perumusan Masalah
Energi listrik sangat penting dalam kehidupan sekarang ini, namun tidak semua daerah di Wilayah Indonesia dapat merasakan aliran listrik dari PLN.
akibat krisis energi Listrik dari PLN yang terjadi saat sekarang ini,maka pemanfaatan Energi Angin sebagai Energi alternative pada pembangkit Listrik Tenaga Angin,terutama pada daerah-daerah pegunungan dan pesisir pantai yang memiliki potensi Angin melimpah, diharapkan dapat membantu mengatasi krisis energi Listrik yang terjadi pada saat sekarang ini. Terutama pada daerah –daerah pedalaman sehingga tidak serta merta bergantung pada keberadaan listrik dari PLN. Pemanfaatan Energi Angin merupakan pemanfaatan energi terbarukan yang paling berkembang pada saat ini. Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power), adalah pembangkit yang memanfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik. Alat utamanya adalah generator, dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari gerakan blade ( baling-baling ) yang bergerak karena hembusan angin. Pembangkit ini lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam menghasilkan listriknya.
1.3.Batasan Masalah
Dalam penulisan Tugas Akhir ini dengan judul Analisa Generator Set System pada pembangkit Listtrik Tenaga Angin,pokok bahasan yang akan di bahas hanya pada menganalisa untuk mengetahui sistem atau prinsip kerja dari generator set sistem pada pembangkit listrik tenaga Angin sampai dia
menghasilkan arus listrik.terutama daya yang dihasilkan terhadap perubahan kecepatan putaran kincir angin.
Gambar 1.1. Sketsa Sederhana Rancang Bangun Kincir Angin Sumber : www.kincirangin.info
1.4. Tujuan Penulisan.
1. Mengetahui System kerja dari Kincir Angin Generator Set System 2. Mengetahui kecepatan Putaran Angin yang dapat menghasilkan Listrik 3. Menghitung daya listrik yang dapat hasilkan oleh sistem
4. membuat instalasi penampungan Listrik sebelum digunakan untuk keperluan rumah tangga.
1.5. Metodologi Penulisan
Penulisan tugas akhir ini terdiri dari lima bab yang membahas tentang sistem kerja teknologi kincir Angin Generator set system pada pembangkit listrik tenaga angin.teori pendukung penghitungan serta analisa dan hasil pengujian serta satu bab mengenai kesimpulan dan saran-saran tambahan
lainnya,metodologi yang digunakan adalah : a. Studi literatur
Penulis akan mencari literatur mengenai generator listrik pada pembangkit listrik tenaga angin dan sistem pemasangannya,dan hal-hal lain yang ada
hubungannya dengan pokok permasalahan yang sedang di bahas. b. Studi Observasi
yaitu pengamatan langsung ke lokasi dan melakukan wawancara langsung dengan pihak-pihak yang berkompeten,sehingga didapat data-data atau informasi yang lebih jelas dan akurat.
c. Analisa dan Evaluasi
Dengan spesifikasi yang telah ditentukan ,maka penulis akan melakukan analisa yang dapat menghambat kinerja sistem dan melkukan Evaluuasi atau perbaikan pada bagian-bagian yang perlu di evaluasi,agar sistem dapat berfungsi dan berjalan lancar.
1.6. Sistematika Penulisan .
Dalam penulisan ini,penulis menggunakan sistematika penulisan yang terdiri dari lima bab antara lain :
BAB I PENDAHULUAN
Pada bab pendahuluan ini adalah terdiri dari pendahuluan dan latar belakang masalah,metodologi penulisan, tujuan penulisan,perumusan masalah ,pembatasan masalah kontribusi dan sistematika penulisan. BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini memuat teori-teori yang berkaitan dengan penelitian yang dilakukan, hasil – hasil dan kesimpulan dari penelitian terdahulu serta berbagai persamaan dan pengertian yang mendukung penelitian tersebut.
Bab ini memuat prosedur pelaksanaan penelitian dan pengambilan data, dimensi
benda uji serta spesifikasi peralatan yang digunakan. BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN
Bab ini memuat contoh perhitungan, hasil perhitungan yang ditampilkan dalam bentuk grafik serta analisa dan pembahasan dari hasil penelitian tersebut.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini memuat kesimpulan dari hasil penelitian yang dilakukan serta saran-saran yang ditujukan untuk penelitian-penelitian selanjutnya.
LAMPIRAN
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. TEORI DASAR
2.1.1. Turbin Angin
Turbin angin merupakan kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik.
Turbin angin banyak di gunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dengan menggunakan sumber daya alam yang dapat di perbaharui yaitu angin. Semakin sumber daya alam tak terbaharui seperti : Batu bara dan Minyak bumi sebagai bahan dasar untuk pembangkit listrik pada PLTU dan PLTD, ini menjadi salah satu alasan pentingnya dikembangkan sumber energi baru yang ramah lingkungan seperti pembangkit listrik tenaga angin. Belakangan sedang banyak di kembangkan oleh para ilmuan penelitian-penelitian untuk mencari solusi untuk mengatasi krisis energi terutama listrik. Diantaranya pemanfaatan turbin angin yang memanfaatkan energi angin untuk memutar turbin yang pada akhirnya dapat menghasilkan energi listrik,atau yang lebih kita kenal sebagai pembangkit listrik tenaga angin.
Prinsip dasar dari turbin angin adalah mengubah energi mekanis dari angin menjadi energi putar pada kincir,kemudian putaran kincir di gunakan untuk memutar generator yang akhirnya akan menghasilkan energi listrik.
Pada prakteknya tidak sesederhana itu karena terdapat beberapa sub-sistem yang dapat meningkatkan safety dan effisiensi dari turbin angin yaitu :
a. Gear box
Berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadi putaran tinggi.biasanya menggunakan gear box 1 : 60
b. Break system
Berfungsi untuk menjaga putaran pada poros setelah gear box agar bekerja pada titik aman saat terdapat angin yang besar. Angin yang besar akan menyebabkan putaran yang cukup cepat pada poros generator yang dapat menyebabkan kerusakan pada generator, yang dapat menyebabkan over heat,rotor breakdown,kawat pada generator putus,karena tidak bisa menahan arus yang cukup besar.
c. Generator
Merupakan salah satu komponen terpenting dalam pembuatan turbin angin .generator dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik.
d. Penyimpan Energi
Alat penyimpan energi berfungsi sebagai back-up power,digunakan untuk menyimpan sebagian energi yang dihasilkan pada saat terjadi kelebihan daya pada waktu turbin angin berputar kencang,atau pada saat penggunaan daya menurun,alat penyimpan ini bisa menggunakan aki mobil 12 volt,65 Ah
Rectifier berarti penyearah, rectifier bisa menyearahkan gelombang sinusoidal ( AC ) yang dihasilkan generator menjadi gelombang DC. Inverter berarti pembalik yaitu mengubah gelombng DC yang di keluarkan oleh aki menjadi gelombang AC, agar dapat digunakan oleh rumah tangga.
2.2. Generator
2.2.1. Pengertian dan Kegunaan Generator.
Merupakan sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanikal, tenaga mekanik di sini di gunakan untuk memutar kumparan kawat penghantar dalam medan magnet ataupun sebaliknya memutar magnit diantara kumparan kawat penghantar . tenaga mekanik dapat berasal dari tenaga panas,tenaga potensial air,motor diesel,atau kincir angin dengan angin sebagai tenaga penggerak sudu kincir.yaitu dengan menggunakan Induksi elektromagnetik,proses ini dikenal sebagai proses pembangkit listrik.
Generator yang tersedia banyak di pasaran biasanya berjenis high speed induction generator, dimana pada generator jenis ini membutuhkan putaran tinggi dan juga membutuhkan energi listrik awal untuk membuat medan magnetnya. Sedangkan untuk pembangkit listrik tenaga angin generator yang digunakan adalah generator yang berjenis “ low speed “ yang tidak memerlukan energi listrik awal karena biasanya ditempatkan di daerah-daerah yang tidak memiliki aliran listrik. Arus yang di hasilkan pembangkit listrik tenaga angin adalah arus AC,tetapi cenderung tidak setabil karena bergantung pada kecepatan angin ,oleh karena itu supaya
stabil maka arus yang dihasilkan di Inverter ke DC dan di simpan ke baterai sebagai backup power dan di convert lagi ke AC ketika akan digunakan untuk keperluan rumah tangga seperti lampu dan lain-lain.
2.2.2. Dasar-dasar Generator Arus Searah
Salah satu percobaan yang erat hubungannya dengan prinsip generator adalah percobaan yang di lakukan oleh Michael Faraday,yang sering di sebut percobaan Faraday.
Gambar 2.1. GGL Induksi
( Reff : Drs.Sumanto,Mesin Arus Searah )
“ ujung-ujung kumparan yang di hubungkan dengan galvanometer,apabila batang magnit didorongkan ,jarum galvanometer akan bergrak dan kembali diam bila batang magnit tadi di hentikan mendorongnya”.
Bergeraknya jarum tersebut di sebabkan oleh timbulnya gaya gerak listrik Induksi ( GGL Induksi ) pada kumparan.
Percobaan Faraday tersebut mengandung pengertian bahwa apabila sepotong kawat penghantar listrik berada dalam medan magnit berubah-ubah, maka didalam kawat tersebut akan terbentuk GGL Induksi,demikian pula sebaliknya bila sepotong kawat penghantar listrik digerak-gerakkan dalam medan
magnit,maka dalam kawat penghantar tersebut juga terbentuk GGL Induksi. Oleh karena itu dalam prinsip kerja Generator terdapat tiga hal pokok yaitu :
1. Adanya flux magnit ,yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnit.
2. Adanya kawat penghantar listrik yang merupakan tempat terbentuknya GGL. 3. Adanya gerakan relative antara flux magnit dengan kawat penghantar listrik 2.2.3. Terbentuknya GGL Pada Kumparan Berputar
Telah di jelaskan bahwa terbentuknya GGL,pada generator berdasar pada “percobaan Faraday” yang menyatakan bahwa kumparan yang di gerakan dalam medan magnit,di dalam kawat kumparan tersebut akan terbentuk GGL.
Gambar 2.2. Kumparan Berputar dalam Medan Magnet ( Reff : Drs.Suato,Mesin Arus Searah )
Menggambarkan prinsip terbentuknya GGL pada kumparan yang berputar. Kumparan ABCD terletak dalam medan magnit serba sama,sedemikian rupa sehingga sisi AB dan CD terletak tegak lurus pada arah fluks magnit.kumparan ABCD di putar dengan kecepatan sudut yang tetap terhadap sumbu putarnya yang sejajar dengan sisi AB dan CD. Sesuai dengan hokum “Faraday” GGL Induksi yang terbentuk pada AB dan CD besarnya sesuai dengan perubahan fluks magnit
e ( t ) = - dt dφ volt ( 2.1 )
dimana : e (t) = GGL Induksi sesaat yang terbentuk
d (ø) = perubahan fluks magnit yang dipotong dalam Weber d (t) = perubahan waktu dalam detik.
Bila kumparan berputar dengan kecepatan sudut yang tetap dalam medan magnit serba sama,maka besarnya fluks magnit yang dipotong setiap saat adalah :
φ(t)=φmax.cosω.t ( 2.2 )
Bila persamaan 2.2 dimasukan kedalam persamaan 2.1 maka :
e (t) = Emax sin ω t ( 2.3 )
dimana : e (t) : GGL Induksi sesaat terbentuk Emax: GGL Induksi maksimum terbentuk
ø (t) : Fluks magnit yang dipotong pada saat tertentu φmax : Fluks magnit maksimum yang dipotong ω : kecepatan berputarnya kumparan t : waktu tertentu
dari persamaan diatas maka penggambaran GGL induksi yang terbentuk pada setiap sisi kumparan akan terlihat seperti pada gambar di bawah :
gambar 2.3.Bentuk Flux Magnit dan GGL Terbentuk pada Sisi Kumparan. ( Reff : Drs.Sumanto, Mesin Arus Searah )
2.2.4. Bagian-bagian Terpenting dari Generator
Pada mesin Generator listrik,terdiri dari bagian yang diam ( stator ) dan bagian yang berputar ( rotor ).yang termasuk bagian-bagian penting dalam generator listrik antara lain :
Gambar2.4. Badan ( body ) Generator ( Reff : Drs.Sumanto, Mesin Arus Searah )
Fungsi utama dari badan generator adalah sebagai bagian dari mengalirnya flux magnit yang di hasilkan kutub-kutub magnit,karena itu badan generator di buat dari bahan ferromagnetic.selain itu juga berfungsi untuk meletakan alat-alat tertentu dan melindungi bagian-bagian mesin lainnya. Oleh sebab itu badan generator harus terbuat dari bahan yang kuat.
2. Inti kutub magnit dan lilitan penguat magnit
Sebagaimana diketahui bahwa flux magnit yang terdapat pada generator dihasilkan oleh kutub-kutub magnit yang dibuat dengan prinsip elektromagnetisme.sedangkan lilitan penguat magnit berfungsi untuk mengalirkan arus listrik untuk terjadinya proses elektromagnetisme.
Gambar 2.5. Inti Kutub Magnet dan Kumparannya. ( Reff : Drs.Sumanto, Mesin Arus Searah )
Berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus dari lilitan jangkar dengan beban. Juga untuk terjadinya komutasi,agar gesekan antar komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator,maka sikat harus lebih lunak dari komutator.
4. Komutator
Berfungsi sebagai penyearah mekanik dan juga untuk mengumpulkan GGL induksi yang terbentuk pada sisi-sisi kumparan.oleh karena itu komutator dibuat dari bahan konduktor,biasanya di gunakan dari campuran tembaga.
Gambar 2.6. Pemasangan Komutator dan Segmen Komutator ( Reff : Drs.Sumanto, Mesin Arus Searah )
5. Jangkar
Jangkar yang digunakan pada generator arus searah umumnya yang berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada permukaanya untuk tempat melilitkan kumparan-kumparan tempat terbentuknya GGL induksi.jangkar terbuat dari bahan ferromagnetic,dengan maksud agar liliatan jjangkar terletak dalam daerah yang induksi magnitnya besar,agar GGL induksi yang terbentuk dapat bertambah besar.
Gambar 2.7. Jangkar dan Lilitannya. ( Reff : Drs.Sumanto, Mesin Arus Searah ) 6. Lilitan jangkar
Lilitan jangkar berfungsi sebagai tempat terbentuknya GGL induksi.
Gambar 2.8. Kumparan Jangkar.
( Reff : Drs. Sumanto, Mesin Arus Searah ) Pada prinsipnya kumparan terdiri dari :
a. Sisi kumparan aktif,
Yaitu bagian sisi kumparan yang terdapat dalam alur jangkar yang merupakan bagian terjadinya GGL induksi sewaktu generator bekerja,setiap sisi kumparan biasanya terdiri beberapa buah kawat. b. Kepala kumparan
Bagian dari kumparan yang terletak di luar alur,berfungsi sebagai penghubung antar sisi kumparan aktif.
c. Juluran
Yaitu bagian ujung kumparan yang menghubungkan sisi aktif dengan komutator.
2.2.5. Hubungan Frekuensi (f) dengan r.p.m.
Waktu yang digunakan untuk menggerakan dua kutub yang tak senama yang berturutan melalui kumparan sama dengan satu perioda,yang menghasilkan satu gelombang penuh.yang terdiri dari satu lengkung positif dan satu lengkung negative dalam satu bentuk sinus secara sempurna. Sedangkan banyaknya gelombang yang terbentuk setiap detik disebut frekuensi. Hal ini dapat di lihat dengan persamaan :
f = T 1
( 2.4 ) Dimana : f = frekuensi listrik dalam Hz atau cps
T = perioda dalam satuan detik.
Apabila kumparan terletak diantara dua kutub magnet ( q = 2 ),maka dalam satu putaran akan terbentuk satu gelombang . untuk ( q = 4 ) maka dalam satu putaran akan terbentuk dua gelombang .dengan demikian banyaknya gelombang listrik
yang dihasilkan bergantung pada jumlah kutub magnet ( q ). Sehingga diperoleh hubungan : 120 .ng q f = ………( 2.5 )
Dimana : f = frekuensi listrik
q = banyaknya kutub magnet ng = putaran generator per menit
Ada dua jenis generator di lihat dari hubungan antara generator dan frekuensi listrik yang manghasilkan arus bolak-balik :
a. Generator Sinkron
Di sebut generator sinkron karena besarnya frekuensi listrik yang di hasilkan sebanding dengan jumlah kutub dan putaran generator.
f = q.ng / 120 b. Generator Asinkron
Disebut generator Asinkron karena besarnya frekuensi listrik yang di hasilkan tidak sebanding dengan jumlah kutub dan putaran generatornya. f ≠ q.ng / 120
2.2.6. Tegangan Induksi
Tegangan Induksi yang dihasilkan dalam generator tergantung dari jumlah kumparan atau lilitan jangkar pada generator.GGL Induksi di bangkitkan dari kumparan-kumparan jangkar dari suatu generator.karena cabang jangkar
merupakan cabang kumparan-kumparan yang di hubungkan paralel maka besarnya GGL jangkar adalah sama dengan GGL yang di bangkitkan pada satu cabang jangkar.karena tiap cabang jangkar juga terdiri belitan-belitan seri maka untuk memudahkan perhitugan, kita cari rata-rata dalam satu belitan kemudian di kalikan jumlah belitan yang terhubung seri tersebut dimana,
Harga rata-ratanya adalah : max . . 2 ωφ π = E volt ( 2.6)
jika pada satu putaran jangkar berkutub q,GGL melalui satu periode dalam n putaran per menit atau putaran per detik maka satu periode lamanya ( T )
g n q T . 2 60 = ( 2.7 )
Dalam satu periode di lalui sudut yang besarnya 2 π radial sehingga : = ω T π 2 ( 2.8 ) Dari persamaan ( 2,6 ),di peroleh :
= E 2. π . 2 T π max φ ………….volt ( 2.9 ) = . max . 2 60 . 4 φ g n q
Jangkar memuat N belitan yang terdiri dari a cabang parallel ( cabang jangkar ) sehingga tiap cabang jangkar mempunyai N /a ,buah belitan yang tersambung seri,sedangkan setiap belitan mempunyai dua batag penghantar,jika batang penghantar dinyatakan denan “ Z “ maka N = Z / 2. sehingga diperoleh persamaan : = E .4 . . max 60 2 . 2 ngφ q a Z .………..volt max . . 60 .n Zφ a q E = g ……….. ( 2.10 )
2.2.7. Prinsip Kerja Generator Secara Umum
Generator merupakan alat pengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Sumber tegangan arus bolak-balik pada umumnya menggunakan generator sinkron sebagai alternatornya. Pembangkit tegangan ini dilakukan dengan cara melintaskan lilitan penghantar memotong medan magnit. Besar kecilnya tegangan yang di Induksikan oleh penghantar tergantung dari kecepatan penghantar
memotong medan magnit. Jika kecepatan putar dari penghantar dalam memotong medan magnit sebesar (n) putaran per menit,maka dalam satu detik penghantar tersebut akan memotong 2.q.φ Weber . karena tegangan yang di Induksikan penghantar dihitung dari rata-rata pemotongan medan magnit per detik,maka besar tegangan yang dihasilkan oleh sumber penghantar adalah :
= E 60 . . . 2qφng volt………. ( 2.11 )
Supaya tegangan keluarannya besar maka jumlah lilitan penghantarnya diperbanyak, misalnya N adalah jumlah lilitan penghantar yang diseri dalam satu phasa, maka besar tegangan yang di Induksikan per phasa adalah :
60 . . . . 2Nq ng E = φ volt……….( 2.12 )
Jika tegangan yang dihasilkan digunakan untuk mensuplay beban yang besar,maka penampang pengahantarnya di perbesar,agar mampu menahan arus yang besar.
2.3. Sifat Angin dan Geografi
Pada pembangkit listrik tenaga angin, memerlukan angin yang cukup untuk memutar kincir yang dihubungkan dengan poros yang memutar generator sehingga dapat menghasilkan arus listrik. Pada dasarnya angin terjadi karena adanya perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin dan perbedaan udara,dimana angin pada siang hari berhembus dari laut ke darat ( angin darat ), sedangkan dimalam hari berhembus dari darat ke laut ( angin laut ). Disamping itu
kecepatan angin tergantung pada ketinggian dan kekasaran daerah. Semakin tinggi kearah langit,kecepatan semakin besar dan semakin banyak hambatan kecepatan semakin rendah.
2.3.1. Karakteristik Angin
Pemanfaatan energi angin sebagai sumber energi selain memerlukan pengembangan dan pengawasan teknologinya,juga memerlukan informasi tentang potensi dan karakteristik energi angin yang dapat di manfaatkan. Data yang kita pergunakan bersumber dari badan Meteorologi dan Geofisika. Untuk memanfaatkan energi angin sebagai energi pengganti,perlu dilakukan analisa terhadap data angin, analisa yang di lakukan dapat berbentuk :
1. Distribusi kecepatan dan arah angin rata-rata, serta kecepatan angin maksimal per bulan.
2. Distribusi peluang arah dan kecepatan angin. 3. Distribusi komulatif kecepatan angin.
4. Besar energi angin yang dapat di manfaatkan.
2.3.2. Besar Energi Angin Yang Dapat Di Manfaatkan
Sebagaimana di ketahui menurut fisika klasik energi kinetic dari sebuah benda dengan massa ( m ) dan kecepatan angin va adalah Ek = ½.m.va, dengan ketentuan,kecepatan angin va tidak mendekati kecepatan cahaya. Persamaan tersebut berlaku juga untuk angin,yang merupakan udara yang bergerak .
EK= ½.m.va ( 2.13 )
Dimana : EK = Eenergi ( joule ) m = massa udara ( kg/s )
a
v = kecepatan angin ( m/s )
Apabila suatu blok udara yang mempunyai penampang A ( m² ),dan bergerak dengan kecepatan va ( m/s ),maka jumlah massa yang melewati suatu tempat adalah :
m = A.va.ρ ( kg/s ) ( 2.14 )
Dimana : A = Luas penampang va = Kecepatan angin ( m/s ) ρ = Kepadatan udara ( kg/ m³ )
Dengan demikian maka energi angin yang dapat di hasilkan per satuan waktu adalah : . . . 3 2 1 a v A P= ρ ( 2.15 ) Dimana : P = daya ( W )
ρ = kepadatan udara ( 1,225 kg/m³ ) pada suhu 20◦ a
v = kecepatan angin ( m/s ) A = Luas penampang ( m² ).
Persamaan diatas merupakan sebuah persamaan untuk kecepatan angin pada turbine yang ideal, dimana dianggap energi angin dapat diekstract seluruhnya menjadi energi listrik. Namun kenyataannya tidak seperti itu. Jadi terdapat faktor efisiensi dari mekanik turbine angin dan efisiensi dari generator sendiri. Sehingga daya yang dapat diekstrak menjadi energi angin dapat diketahui dari persamaan berikut: . . . . . 2 1 3 a v A P = ρη Di mana :
η = efesiensi kincir angin ( % )
2.3.3. Nilai Rancangan Kecepatan Awal,Kecepatan Rencana dan Kecepatan Furling.
Pengertian dari ketiga kecepatan tersebut diatas adalah :
1. kecepatan awal ( cut in ) : yaitu kecepatan angin dimana kincir angin itu mulai menghasilkan daya listrik atau pemompaan.
2. kecepatan rencana ( rated ) : yaitu kecepatan angin dimana kincir penggerak generator mencapai keluaran dengan efisiensi tertinggi.
3. kecepatan furling : yaitu kecepatan angin dimana kincir angin tidak beroperasi guna menghindari kerusakan atau kecepatan angin batas operasi.
2.3.4. Data dan Analisa Kecepatan Angin.
Data dari kecepatan angin yang di peroleh penulis berdasarkan data yang valid yang berasal dari badan pemantau cuaca BMG yang ada di daerah Jakarta,dalam kurun waktu satu tahun.
Sebagai bahan studi perancangan penulis mengambil nilai rata-rata kecepatan angin per bulan di stasiun Badan meteorologi dan geofisika di wilayah cengkareng.
Tabel 2.1. Kecepatan Angin per bulan di BMG cengkareng tahun 2008.
Bulan V rata-rata ( m / s ) Januari 2,9 Februari 2,7 Maret 2.2 April 2,1 Mei 2,4 Juni 2.6 Juli 2,7 Agustus 2,8 September 2,2 Oktober 2,4 Nopember 2,5
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Kincir angin merupakan salah satu mesin konversi yang dapat merubah energi kinetic dari gerakan angin menjadi energi listrik. Energi listrik ini di bangkitkan oleh generator yang rotornya berhubungan dengan poros sudu kincir angin yang di gerakan oleh angin.pada penelitian ini akan membahas tentang daya rotor akibat torsi yang di hasilkan berdasarkan gaya angkat dan gaya geser yang terjadi pada kincir angin.
3.1. Konfigurasi System
Kincir angin yang di buat adalah kincir angin poros horizontal dengan tiga buah variable sudu.yang berhubungan dengan poros rotor generator. Angin yang ada di lingkungan sekitar akan memutar blade yang behubungan dengan rotor sehingga akan menghasilkan arus listrik pada generator.
Gambar 3.1.Blok Diagram System Pengisian Baterai pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin. ( Reff : www.mst.gadjahmada.edu/kincir_Angin.pdf )
Tegangan out put dari generator di masukan ke dalam sebuah rangkaian bridge rectifier untuk mencegah adanya perubahan polaritas tegangan,kemudian dimasukan ke dalam sebuah rangkaian controller yang khusus di gunakan untuk mencharge accu/baterai.lama pengisian accu bergantung dari besarnya output dari controller dan kondisi angin yang ada.bila kecepatan angin semakin besar maka output dari controller akan semakin besar sampai batas nominalnya yaitu 12VDC. Accu yang di gunakan adalah accu 12V. tegangan output dari pembangkit listrik ini di masukan ke sebuah rangkaian controller yang kemudian digunakan untuk melakukan pengisian terhadap accu dan bisa juga untuk menyalakan lampu untuk penerangan. Pada konstruksi kincir angin pada proyek Tugas Akhir ini sebagai penyeimbang dan penunjukan arah angin pada bagian belakang generator di lengkapi dengan ekor penyeimbang.
Gaya yang terjadi pada sudu-sudu kincir angin adalah kombinasi dari gaya –gaya aerodinamis,gaya angkat dan gaya geser sehingga menghasilkan momen torsi yang besar.
3.2. Perencanaan Kincir Angin
Kincir angin adalah alat bantu yang digunakan untuk menggerakkan generator dan membangkitkan tenaga listrik. Kincir angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dan lain-lain. Kincir angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda dan
negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Kincir angin dalam sistem ini berfungsi sebagai penggerak mula dari generator. Dalam proyek tugas akhir ini kami menggunakan kincir angin dengan bentuk blade seperti ditunjukkan pada gambar 3.2.
Gambar 3.2: Perencanaan kincir angin.
( Reff : Michael Schmidt/ The Economic Optimization of Wind Turbine Design ) Kincir angin dibuat dari bahan serat (fiber) kemudian dicetak kedalam cetakan sehingga terbentuk sesuai dengan perencanaan. Panjang blade juga harus sesuai, jika besar blade yang dipakai terlalu kecil dipasang pada generator besar tidak akan bisa berputar cepat untuk mendapatkan tenaga yang tepat. Perencanaan
kincir angin harus disesuaikan untuk keperluan apa kincir tersebut digunakan. Dari data yang kami peroleh (tabel 3.1), kita dapat menentukan berapa jumlah blade yang harus digunakan.
(
Reff : www.energyefficiensia.org )Sesuai dengan data pada tabel 3.1, untuk membuat kincir angin yang akan digunakan untuk memproduksi tegangan listrik harus digunakan kincir angin dengan 3 blade (Sudu). Kincir angin dengan menggunakan 3 blade akan menghasilkan kecepatan tinggi dengan torsi rendah dan mempunyai solidity² yang rendah, dan khusus digunakan untuk menghasilkan Tegangan listrik. Proyek akhir ini memiliki Komponen pendukung kincir angin dalam sistem ini dirancang dengan menggunakan beberapa komponen sebagai berikut:
1. Sudu atau daun (Blade)
Berfungsi sebagai penangkap angin. Sudu ini berjumlah 3 buah. Dari ketiga sudu ini mempunyai panjang, lebar yang sama.
2. Pillow Block
Berfungsi untuk tempat dudukan dari poros kincir, yang dilengkapi dengan bearing.
3. Poros
Berfungsi sebagai tempat menempelnya sudu (Blade).
Untuk perancangan dan pembahasan mengenai sudu ( blade ) tidak di terangkan secara mendetail,tetapi akan di bahas dalam penulisan skripsi yang di buat oleh teman saya satu team dalam proyek tugas akhir ini.
3.2.1. Perencanaan Generator
Generator yang di gunakan pada pembangkit listrik tenaga angin pada proyek tugas akhir ini meiliki spesifikasi generator AC dengan magnet permanen dan kumparan di dalamnya,dengan tegangan keluaran mencapai 24 volt. Bentuk dan gambaran mengenai generator yang di gunakan dalam proyek pembangkit listrik tenaga angin dapat di lihat pada gambar di bawah.
3.3. Parameter yang Diukur
Untuk mengetahui daya yang di hasilkan pada rotor ada beberapa faktor yang perlu di perhatikan diantaranya mengenai dimensi dari kincir angin yang mempengaruhi torsi yang akan terjadi yang berhubungan dengan daya rotor yang akan dihasilkan.
Analisa dimensi sangat diperlukan untuk mengetahui apakah suatu parameter berpengaruh terhadap suatu percobaan atau tidak. Pada Pembangkit
Listrik Tenaga Angin, parameter-parameter yang mempengaruhi karakteristik aliran adalah massa jenis fluida ( ρ), viscositas fluida (µ), kecepatan angin ( va ), besar sudut antara blade terhadap arah angin (Φ ) ,Jumlah blade ( Nb ), Panjang ( l ) dan Lebar blade ( w ). Dalam Penelitian ini, analisa dimensi digunakan untuk mengetahui variable apa saja yang mempengaruhi Gaya angkat ( Lifting Force ) , Gaya geser ( Drag Force ), Torsi ( Qi ) , Tenaga ( W ) yang di hasilkan oleh rotor. Cara yang digunakan adalah dengan menerapkan Teori analisa thrust,torsi dan daya berdasarkan gaya angkat dan gaya geser.
3.3.1. Analisa Gaya Angkat ( Lift Force )
Untuk mengetahui energi angin yang dapat di manfaatkan untuk memutar rotor pada generator,maka kita perlu mengetahui gaya apa saja yang terjadi dan mempengaruhi pada blade kincir angin yang berhubungan dan menggerakan rotor generator.
Gaya angkat yang diukur pada penelitian ini meliputi gaya angkat pada tiap-tiap blade. Parameter-parameter yang mempengaruhi Gaya angkat adalah massa jenis fluida ( ρ), kecepatan relatif angin (Vi), Angel of attack ( α ), Koefisien Lift ( CL ), Panjang blade ( l ) dan Lebar blade ( w ). Gaya angkat diperoleh melalui persamaan dibawah ini :
g w l V C FL L . . i .. . 2 1 . ρ 2 =
( 3.1 ) Dimana :
FL :Gaya angkat
CL : Koefisien Gaya angkat
ρ : Kerapatan Udara
V
i: Kecepatan Relatif Angin
l : Panjang blade
w : Lebar blade
g : grafitasi
3.3.2. Gaya geser ( Drag Force )
Gaya geser ( Drag Force ) yang diukur pada penelitian ini meliputi gaya geser pada tiap-tiap blade. Parameter-parameter yang mempengaruhi Gaya geser adalah massa jenis
fluida ( ρ), kecepatan relatif angin ( vi ), Angel of attack ( α ), Koefisien drag ( D
C ), Panjang blade ( l ) dan Lebar blade ( w ). Gaya geser diperoleh melalui persamaan dibawah ini :
FD CD . .Vi .l.w.g 2 1 . ρ 2 =
( 3.2 )
Dimana : FD : Gaya geser
CD : Koefisien Gaya geser ρ : Kepadatan Udara Vi : Kecepatan relatif angin l : Panjang blade
w : Lebar blade g : grafitasi
Untuk mendapatkan koefisien lift dan koefisien drag maka di gunakan pendekatan grafik dibawah ini :
Gambar 3.3. Koefisien Gaya angkat dan Gaya geser terhadap angle of attack ( α ), untuk tipe sayap S809 yang umum dipakai untuk jenis kincir angin 3 blade
( Reff : Michael Schmidt/ The Economic Optimization of Wind Turbine Design )
Gambar 3.4 Potongan bagian dari sayap ( blade ) turbin angin menggambarkan gaya-gaya yang bekerja dan kecepatan yang saling berhubungan ( Reff : Michael Schmidt/ The Economic Optimization of Wind Turbine Design ) dan ( Reff : R. Lanzafame, M. Messina / Renewable Energy 32 (2007) 2291–2305 )
Dimana :
a’ : Tangential Induction Faktor
untuk mendapatkan nilai ( a dan a' ) di cari dengan persamaan :
( 3.3 )
( 3.4 )
Dari gambar di atas dapat di simpulkan : i
o in V v
V = + atau Vin =Vo(1−a) ( 3.5 )
dengan kata lain :
Vin =Vo +vi =Vo(1−a) ( 3.6 )
dan
u R
Vrot =ω. − atau Vrot =ω.r(1+a') ( 3.7 )
Vrot =ω.R−u=ω.r(1+a') ( 3.8 )
Sehingga kecepatan relatif angin adalah : 2 2 rot in i V V V = + ( 3.9 ) Dimana : i
V : Kecepatan relatif angin o
V : Kecepatan angin awal rot
V : Kecepatan rotor R : Jari-jari rotor
3.3.4. Analisa Torsi yang Terjadi pada rotor
Pada penelitian ini adalah untuk mengetahui Daya yang di hasilkan oleh generator pada kincir angin pembangkit listrik yang di pengaruhi oleh besarnya torsi yang terjadi pada rotor akibat putaran blade kincir angin.
Torsi yang diukur berdasarkan pengaruh gaya angkat dan Gaya geser yang bekerja pada tiap-tiap blade di pengaruhi oleh koefisien torsi yang dapat di cari dengan persamaan :.
Q λ = CL.sin Φ - CD.cos Φ ( 3.10) Dimana : Q λ : Koefisien Torsi Sehingga didapat : g R w l v Qi Q . . i .. . . 2 1 . ρ 2 λ =
( 3.11 ) Dimana : i Q : Torsi ( Nm )
Kemudian untuk mendapatkan Qi total maka jumlah Qi dikalikan dengan jumlah blade pada rotor, maka :
i
Q total = Qi.3 ( 3.12.)
P = ω . i Qtotal ( 3.13 ) Dimana :
P : Tenaga rotor ( watt )
ω : Rotasi Putaran Kincir Angin ( Rad/s ) 3.4. Metode Ekperimental
Ekperimen yang ditunjang oleh beberapa hal sebagai peralatan ekperimen yang digunakan untuk memperoleh hasil yang ingin dicapai sebagai berikut :
• Pembangkit Listrik Tenaga Angin set
Merupakan 1 set Pembangkit listrik dengan penggerak tenaga angin, berupa :
Blade 3 pcs Generator set
Inverter dari arus DC menjadi AC Mounting dan bracket
• Anemometer
Anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan angin ( fluida kerja ) pada saat percobaan
Tachometer digunakan untuk mengukur jumlah putaran rotor per-menit ( RPM ) pada saat percobaan.
• Multimeter
Multimeter digunakan untuk mengukur tegangan keluaran ( voltage ) dari generator.
• Wind source
Wind source disini maksudnya sumber angin buatan yaitu berupa kipasangin yang cukup besar dengan beberapa variasi kecepatan.
3.5. Metode dan Langkah Kerja
Untuk melakukan eksperimen guna mengetahui daya yang di hasilkan generator pada pembangkit listrik tenaga angin berdasarkan keluaran torsi yang terjadi pada rotor yang di pengaruhi gaya angkat dan gaya geser pada blade kincir angin, maka disusun langkah kerja sebagai berikut :
1. Persiapan peralatan ekperimen
2. Pelaksanaan ekperimen dan pengambilan data dengan menggunakan wind source, alat ukur serta benda uji yang telah ditentukan.
3. Pengolahan data hasil eksperimen
4. mengulang percobaan untuk mendapatkan data yang lebih akurat
Langkah awal ini merupakan proses penentuan dimensi, perakitan benda uji dan posisi wind source serta pemasangan alat ukur. Benda uji ditempatkan pada posisi axial terhadap wind source dengan kedudukan yang kokoh diatas lantai. Reflector di tempelkan pada salah satu blade untuk kemudian ditembak dengan sinar oleh Tachometer yang akan menghitung jumlah putaran rotor. Kemudian Anemometer di pasang antara Wind source dan rotor untuk memonitor kecepatan angin yang bekerja . Sementara itu multimeter dipasang pada output generator untuk memonitor tegangan DC yang keluar.
3.5.2. Pengambilan Data
Tahap ini adalah tahap yang paling penting dalam ekperimen dimana data yang diperoleh akan dianalisa dan dimasukan kedalam rumus perhitungan yang telah dibuat sebelumnya. Proses Pengambilan data dilakukan dengan langkah – langkah sebagai berikut :
1. Pengukuran putaran ( RPM ) rotor pada tiap-tiap perubahan kecepatan angin. Kecepatan angin di atur sesuai dengan tabel yang telah ditentukan. 2. Pengambilan data kecepatan Angin lingkungan dengan menggnakan Alat
pengukur angin ( Anemometer )
3. Pengukuran tegangan DC yang keluar dari generator pada tiap-tiap perubahan kecepatan angin. Kecepatan angin di atur sesuai dengan tabel yang telah ditentukan
3.5.3. Benda Uji
Pada experimen ini, benda uji yang digunakan adalah Pembangkit Listrik Tenaga angin dengan kapasitas daya 200 watt
Dimana profil model dengan spesifikasi sebagai berikut :
Model 200
Rated Power(w) 200
Tegangan keluaran rata-rata(v) 24 DCV
Rotor diameter ( m ) 2.2
Start wind speed (m/s) 3
Rated wind speee (m/s) 6
Scurity wind speed (m/s) 16
Rated rotated speed (rpm/m) 450
Material blade Fiber glass steel
Jumlah Blade 3
Tinggi Tower (m) 6
Tower diameter (m) 60
Tipe inverter Modified wave
Kapasitas Battery yg disarankan 12V/100 AH
Jumlah Battery 2
Berat total 80
Dalam penulisan tugas akhir ini akan menitik beratkan pada analisa terhadap daya yang di hasilkan generator terhadap pengaruh sudut blade pada kincir angin pembangkit listrik.
3.6. Urutan Langkah Penelitian
Keseluruhan proses diatas dapat digambarkan dalam diagram alir berikut :
Perumusan masalah
Studi literatur
Persiapan alat dan Perakitan benda uji Pengujian alat Pengambilan data Vo, Rpm mulai Pembuatan Grafik Hasil pengujian Alat brfungsi sesuai harapan selesai Analisa data dan perhitungan
Gambar 3.6. Flowchart Eksperimen
BAB IV
PERHITUNGAN DAN ANALISA
4.1. Data Penelitian
Dalam proyek tugas akhir ini penelitian di lakukan untuk mengetahui daya yang di hasilkan generator pada pembangkit listrik tenaga angin dengan menitik beratkan pada daya yang di hasilkan akibat torsi yang terjadi pada rotor yang di pengaruuhi gaya angkat dan gaya geser pada blade kincir angin dengan sudut blade 6° ( original )
Pada penelitian ini,udara digunakan sebagai fluida kerja dengan spesifikasi sebagai berikut :
¾ Asumsi aliran udara dinamis dan incompressible
¾ Temperatur lingkungan kerja ( T ) : 30°c = 303 K dan di asumsikan konstan selama pengujian berlangsung.
¾ Massa jenis ( ρ ) = 1,176 kg/m³
Yang diperoleh dengan persamaan :
ρ = ρo . To . P T. Po
Di mana :
ρ = Massa jenis udara ( kg/m3 ) 0
ρ = Massa jenis udara standar ( 1,225 kg/m3 ) To = Temperatur standar ( 288 K )
p = Tekanan ruangan ( 760 mmHg ) T = Temperatur lingkungan kerja ( K )
0
p = Tekanan udara standar (760 mmHg )
sehingga : 3 3 176 , 1 760 301 760 288 225 , 1 m kg mmHg Kx mmHg Kx x m kg = = ρ
• Spesifikasi dimensi alat uji l = 0,935 m w = 0.105 m b N = 3 r = 0.935 m R = 1,065 m α = 30 Φ = 6°
Tabel : 4.1. Data hasil percobaan kincir angin pada tgl 7 s/d 9 Maret ,pengamatan pada pukul 10.00 – 18.00 WIB.
No Waktu pengambilan ( Wib ) Kec.Angin rata-rata ( m/s )
Kec .Angin rata-rata di bulatkan (m/s) 1 7 Maret (10.00- 12.00 ) 3,1 3 2 7 Maret (13.00- 15.00 ) 7,2 7 3 7 Maret (16.00- 18.00 ) 3,8 4 4 8 Maret (10.00- 12.00 ) 3,8 4 5 8 Maret (13.00- 15.00 ) 5,8 6 6 8 Maret (16.00- 18.00 ) 3,4 3 7 9 Maret (10.00- 12.00 ) 4,4 4 8 9 Maret (13.00- 15.00 ) 9,8 10 9 9 Maret (16.00- 18.00 ) 3,2 3
Tabel : 4.2.Data Hasil Percobaan Kincir Angin
Hasil percobaan Φ Vo (m/s) 1 2 3 4 5 Rpm rata-rata Nilai Rpm rata-rat di bulatkan 3 150 150 151 150 149 150 150
4 225 230 220 225 223 224,6 225
6° 6 452 451 449 449 450 450,2 450
7 535 530 525 540 520 530 530
10 851 851 850 848 850 850 850
4.3. Perhitungan
4.3.1. Perhitungan axial induction faktor
Dengan menggunakan persamaan ( 3.3 ) :
dari Gambar 3.2 diagramlif and drag coeficient pada bab III , diketahui : untuk α = 30 diperoleh koefisien lift atau CL = 0.4
koefisien drag atau CD = 0.01
ketika :
4.3.2. Tangential induction faktor
Dengan menggunakan persamaan ( 3.4 ) :
Dari perhitungan di peroleh pada : Φ = 6° diperoleh a' = 0,0548
4.3.3. Kecepatan Relatif Angin Kecepatan relatif angin untuk Φ = 6°
Pada perhitungan diatas telah diperoleh : Dengan Φ = 6° diperoleh : a = 0,2653 dan a' = 0,0548
Pada saat Vo = 3 m/s
Dengan menggunakan persamaan : ) 1 ( a V v V Vin = o+ i = o − Maka : in V = 3 + vi = 3 ( 1 - 0,2653 )
in
V = 3 + vi = 2,204 m/s
vi = 2.204 – 3 = -0,796 m/s
dan untuk mencari Vrot menggunakan persamaan : Vrot =ω.R−u =ω.r(1+a')
Dari data hasil percobaan diketahui putaran kincir adalah 150 rpm sehingga : ω =
60 150
= 2,5 rad /s .
dan dari spesifikasi alat di ketahui : r = 0,935 m R = 1,065 m Sehingga : ) ' 1 ( . .R u r a Vrot =ω − =ω + rot V = ( 2,5 . 1,065 ) – u = 2,5 . 0,935 . ( 1 + 0,0548 ) rot V = 2,662 – u = 2,465 m/s u = 2,662 – 2,465 = 0,197 m/s.
Jadi kecepatan relatif angin adalah dengan menggunakan persamaan ( 3.9 ) 2 2 rot in i V V V = + 2 2 (2,465) ) 204 , 2 ( + = i V
i
V = 3,306 m/s
Jadi pada 6 Φ °, pada saat Vo = 3 m/s , di ketahui Vi = 3,306 m/s.
Pada saat Vo = 4 m/s
Dengan menggunakan persamaan ( 3.5 ),maka : Vin = 4 + vi = 4 ( 1 - 0,2653 )
Vin = 4 + vi = 2,938 m/s
vi = 2,938 – 4 = - 1,061 m/s
kemudian dari hasil percobaan diketahui putaran kincir = 225 Rpm Sehungga ω = 60 225 = 3,75 m/s di bulatkan menjadi 3,8 m/s Maka : Vrot = ωR – u = 3,8 . 0,935 ( 1 + 0.0548 ) = 3,747 m/s Vrot = ( 3,8 . 1,065 ) - u = 3,747 m/s u = 4,047 – 3,747 = 0,3 m/s
Jadi kecepatan angin relatif dapat di peroleh dengan persamaan ( 3.9 ) :
2 2 ) 747 , 3 ( ) 938 , 2 ( + = i V i V = 4,76 m/s
Pada saat Vo = 6 m/s .
Dengan menggunakan persamaan ( 3.5 ) : Vin = 6 + vi = 6 ( 1 - 0,2653 )
= 4,408 m/s
vi = 4.408 – 6 = -1,592 m/s
kemudian dari data hasil percobaan diketahui putaran = 450 Rpm sehingga ω = 60 450 = 7,5 m/s Maka : Vrot = ωR – u = 7,5 . 0,935 ( 1 + 0.0548 ) = 7,397 m/s Vrot = ( 7,5 . 1,065 ) - u = 7,397 m/s u = 7,987 – 7,397 = 0,59 m/s
Jadi Kecepatan relatif angin adalah dengan menggunakan persamaan ( 3.9 ):
2 2 (7,397) ) 408 , 4 ( + = i V i V = 8,61 m/s
Jadi : Pada Φ = 60 , Vo = 6 m/s ; diperoleh Vi = 8,61 m/s
Pada saat Vo = 7 m/s
Vin = 7 + vi = 7 ( 1 - 0,2653 )
= 5,143 m/s
vi = 5,143 – 7 = -1,857 m/s
kemudian dari hasil percobaan di ketahui putaran kincir = 530 Rpm Sehingga ω = 60 530 = 8,8 m/s Maka : Vrot = ωR – u = 8,8 . 0,935 ( 1 + 0.0548 ) = 8,678 m/s Vrot = ( 8,8 . 1,065 ) - u = 8,678 m/s u = 9,372 – 8,678 = 0,694 m/s
Jadi Kecepatan relatif angin adalah dengan menggunakan persamaan ( 3.9 ): 2 2 ) 678 , 8 ( ) 143 , 5 ( + = i V i V = 10,08 m/s
Jadi : Pada Φ = 60 , Vo = 7 m/s ; diperoleh Vi = 10,08 m/s
Pada saat Vo = 10 m/s
Vin = 10 + vi = 10 ( 1 - 0,2653 )
= 7,347 m/s
kemudian dari data hasil percobaan diketahui putaran = 850 Rpm sehingga ω = 60 850 = 14,167 m/s Maka : Vrot = ωR – u = 14,167 . 0,935 ( 1 + 0,0548 ) = 13,972 m/s Vrot = ( 14,167 . 1,065 ) – u = 13,972 m/s u = 15,087 – 13,972 = 1,116 m/s
Jadi Kecepatan relatif angin adalah dengan menggunakan persamaan ( 3.9 ):
2 2 (13,972) ) 347 , 7 ( + = i V i V = 15,785 m/s
Jadi : Pada Φ = 60 , Vo = 10 m/s ; diperoleh Vi= 15,785 m/s
4.3.4. Gaya angkat ( Lift Force ) dan gaya geser ( Drag Force )
Dengan persamaan ( 3.1 ) untuk mencari gaya angkat :
g w l V C FL L . . i .. . 2 1 . ρ 2 =
g w l V C FD D . . i .. . 2 1 . ρ 2 =
Dari perhitungan sebelumnya diketahui ρ = 1,176 kg/m3
Dari spesifikasi alat di ketahui : l = 0.935 m w = 0.105 m
dari diagramlif and drag coeficient Gambar 3.2 pada bab III , diketahui :
pada : α = 30 maka CL = 0.4
CD = 0,01
4.3.4.1. Gaya angkat dan Gaya geser pada Φ = 60
Pada kecepatan V = 3 m/s o Diketahui Vi = 3.3 m/s Sehingga : FL= 0,4 . 2 1 . 1,176 . 3,3 2 . 0,935 . 0,105 . 9,8 L F = 2,464 N dan : FD= 0,01. 2 1 . 1,176 . 3,32 . 0,935 . 0,105 . 9,8
D F = 0,062 N Pada kecepatan V = 4 m/s o Diketahui Vi = 4,8 m/s Sehingga : FL= 0,4 . 2 1 . 1,176 . 4,8 2 . 0,935 . 0,105 . 9,8 L F = 5,214 N dan : FD= 0,01. 2 1 . 1,176 . 4,82 . 0,935 . 0,105 . 9,8 D F = 0,13 N Pada kecepatan V = 6 m/s o Diketahui Vi = 8.61 m/s Sehingga : FL = 0,4 . 2 1 . 1.176 . 8,61 2 . 0,935 . 0,105 . 9,8 L F = 16,775 N dan FD= 0,01 . 2 1 . 1,176 . 8,612 . 0,935 . 0,105 . 9,8 D F = 0,42 N
Pada kecepatan V = 7 m/s o Diketahui Vi = 10,08 m/s Sehingga : FL= 0,4. 2 1 . 1.176 . 10,08 2 . 0,935 . 0,105 .9,8 L F = 22,992 N dan FD= 0,01 . 2 1 . 1,176 . 10,082 . 0,935 . 0,105 .9,8 D F = 0,575 N Pada kecepatan V = 10 m/s o Diketahui Vi = 15,785 m/s Sehingga : FL= 0,4. 2 1 . 1.176 . 15,785 2 . 0,935 . 0,105 .9,8 L F = 56,384 N dan FD= 0,01 . 2 1 . 1,176 . 15,7852 . 0,935 . 0,105 .9,8 D F = 1,411 N 4.3.5. Analisa Torsi pada rotor
Torsi yang di ukur berdasarkan pengaruh gaya angkat dan gaya geser yang bekerja pada tiap-tiap blade kincir angin.oleh karena itu perlu di cari terlebih dahulu koefisien torsi dengan persamaan ( 3.10 ). :
Q
λ = CL.sin Φ - CD.cos Φ
Sedangkan untuk mencari torsi menggunakan persamaan ( 3.11 )
g R w l V Qi Q . . i .. . . 2 1 . ρ 2 λ =
Sehingga tenaga rotor di peroleh dengan persamaan ( 3.13 )
P = ω . i
Qtotal
4.3.5.1. Analisa torsi terhadap gaya angkat dan gaya geser pada Ф 6°
Dari persamaan ( 3.10 ) diperoleh :
Q
λ = 0,4 . sin 6° - 0,01 . cos 6°
= 0,0319
Pada saat Vo = 3 m/s :
ρ = 1,176 kg/m3
l = 0.935 m
w = 0.105 m
R = 1.065 m
Dengan menggunakan persamaan ( 3.11 ) di peroleh torsi :
i
Q = 0,5 . 0,0319 . 1,176 . 3,32 . . 0.935 . 0.105 . 1,065 . 9,8
i
Q = 0,21 Nm
Karena terdiri dari 3 blade sehingga : Qitotal=Qi.3
= 0,21 . 3 = 0,63 Nm
Dari hasil percobaan di peroleh ω = 2,5 m/s Sehingga tenaga rotor yang dihasilkan adalah : P = ω . i Q total = 2.5 x 0,63 = 1,575 Watt. Pada saat Vo = 4 m/s Di ketahui : Vi = 4,8 m/s
i Q = 0,5 . 0,0319 . 1,176 . 4,82. . 0.935 . 0.105 . 1,065 . 9,8 = 0,44 Nm Jadi : Qitotal = 0,44 x 3 = 1,32 Nm
Dari hasil prcobaan diperoleh ω = 3,8 m/s Sehingga tenaga rotor yang di peroleh adalah : P = 3,8 x 1,32 = 5,016 Watt. Pada saat Vo = 6 m/s Di ketahui : Vi = 8,61 m/s i Q = 0,5 . 0,0319 . 1,176 . 8,612. . 0.935 . 0.105 . 1,065 . 9,8 = 1,42 Nm Jadi : Qitotal = 1,42 x 3
