DESAIN DAN IMPLEMENTASI TEST BENCH TURBIN ANGIN UNTUK MENGETAHUI KARAKTERISTIK TURBIN ANGIN

(1)

Abstrak— Turbin angin merupakan sebuah alat yang dapat mengubah energi kinetik angin menjadi energi listrik. Pembangkit energi listrik berbasis turbin angin harus mengetahui karakteristik turbin tersebut sehingga dapat mengetahui daya maksimal yang terbangkitkan dengan besaran kecepatan angin yang tertentu. Penentuan karakteristik turbin angin dapat dilakukan dengan menggunakan metode empiris (pemodelan) dan metode tes. Metode tes merupakan metode pengambilan data dengan menggunakan implementasi test bench. Dalam tugas akhir ini akan dibuat implementasi test bench yang terdiri dari blower, turbin angin, sensor kecepatan angin, dan generator.

Dengan test bench turbin angin ini akan diperoleh besaran tegangan, arus, daya dan kecepatan putaran. Dari data yang diperoleh kemudian dianalisa nilai daya maksimum di setiap kecepatan angin sehingga diperoleh nilai Cp (Power Constant). Dengan mengetahui nilai Cp maka dapat diperhitungkan daya maksimum yang terbangkitkan dengan ukuran blade dan kecepatan angin tertentu. Dengan demikian adanya test bench ini diharapkan lebih mudah untuk mengetahui karakteristik turbin angin yang akan digunakan.

Kata Kunci : Turbin angin, Test Bench, Generator I. PENDAHULUAN

Turbin angin merupakan pembangkitan energi listrik yang mengkonversikan dari energi angin. Kelebihan dari turbin angin ini merupakan pembangkit listrik terbarukan sehingga tidak menggunakan minyak atau gas alam dan merupakan pembangkit listrik yang ramah lingkungan.

Kecepatan angin merupakan hal yang paling utama terhadap besaran daya yang terbangkitkan oleh turbin angin. Semakin besar kecepatan angin maka semakin besar daya yang terbangkitkan. Tetapi pada kecepatan angin tertentu, daya yang terbangkitkan tidak bertambah besar walaupun kecepatan angin bertambah terus

Untuk mendapatkan daya terbesar dari turbin angin di setiap kecepatan angin yang berbeda-beda, maka diperlukan pengujian terhadap turbin angin tersebut sebelum dipasang pada tempat yang memiliki kecepatan angin yang dimiliki tempat tersebut. Sehingga kecepatan angin yang tersedia dapat dikonversikan menjadi tenaga listrik seefisien mungkin.

II. DASARTEORI A. Turbin Angin

Turbin angin atau kincir angin merupakan suatu alat yang dapat mengubah energi kinetik dari angin menjadi energi listrik. Sistem yang digerakkan oleh angin telah banyak digunakan secara luas sejak abad kesepuluh untuk memompa air, menumbuk biji, dan lain-lain. Turbin angin sendiri dahulu banyak digunakan di Negara Denmark, Belanda, dan Negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan nama windmill. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik masyarakat dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber energi terbarukan yaitu berupa angin. walaupun sampai saat ini penggunaan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (PLTD, PLTU, PLTG).

Energi angin bisa ditangkap dengan baling-baling yang berjumlah dua atau tiga. Baling-baling didesain seperti sayap pesawat terbang yang berguna untuk memberikan gaya dorong sesuai dengan kebutuhan. Ketika gaya dorong dari angin sangat lemah atau sangat besar, maka baling-baling tersebut diatur kemiringannya. Untuk mendapatkan kecepatan angin yang besar maka peletakkan turbin angin harus sekitar 30 meter atau lebih.

Hukum Betz Limit merupakan hukum yang berasal dari prinsip kekekalan massa dan momentum aliran udara yang mengalir melalui suatu media yang diekstrak menjadi energi dari energi angin. Menurut hukum Betz tidak ada turbin angin yang dapat mengkonversi energi lebih dari 16/27 (59,3 %) dari energi angin. Sekarang faktor 16/27 (0,593) dikenal sebagai koefisien Betz. Turbin angin skala utilitas praktis mencapai 75% sampai 80% pada puncaknya yang melebihi batas Betz.

Ada dua jenis turbin angin yang umum digunakan saat ini, yaitu berdasarkan arah poros berputar (sumbu) yaitu turbin angin sumbu horisontal dan turbin angin sumbu vertikal. Turbin angin sumbu horizontal merupakan jenis turbin angin yang sering digunakan. Turbin angin sumbu horizontal merupakan turbin angin yang sumbu rotasi rotornya paralel terhadap permukaan tanah dan letak generatornya berada di puncak menara. Kelemahan dari jenis ini adalah arah turbin angin harus searah searah dengan arah angin untuk mendapatkan daya dorong yang maksimum.

DESAIN DAN IMPLEMENTASI TEST BENCH

TURBIN ANGIN UNTUK MENGETAHUI

KARAKTERISTIK TURBIN ANGIN

Zadid Muttaqin, Dedet C. Riawan

1)

_{, Heri Suryoatmojo}

2)

Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. AriefRahman Hakim, Surabaya 60111

(2)

Baling-baling merupakan bagian utama pada turbin angin yang berfungsi untuk mengkonversi energi angin menjadi energi penggerak untuk generator. Bila baling-baling memiliki jari-jari R dilewati angin dengan kecepatan v, maka daya yang dihasilkan oleh turbin angin tersebut dapat ditentukan dengan rumus:

... (1) Dimana: P = Daya (Watt) ρ = Kerapatan Udara (Kg/m2₎ v = Kecepatan Angin (m/s) Cp = Power Constant A = jari-jari (m)

Cp (Power Constant) merupakan besaran yang dimiliki oleh motor dan berbeda-beda setiap tipe motor yang berbeda. Cp merupakan keahlian suatu motor untuk mengkonversi dari energi gerak menjadi energi listrik atau sebaliknya dengan memperhitungkan nilai setiap rugi-rugi yang dimilikinya. Sehingga bilamana menggunakan generator dengan nilai Cp yang besar untuk turbin angin, maka daya yang akan dihasilkan akan lebih besar bila dibandingkan dengan bila digunakan generator yang memiliki nilai Cp yang lebih rendah. Pengujian turbin angin dilakukan dengan cara memberikan kecepatan angin yang berbeda-beda dan beban yang bisa diubah-ubah sehingga akan didapatkan sebuah grafik sebagai berikut:

Gambar 1 Kurva Daya Keluaran Turbin Angin Dari kurva di atas dapat diambil didapatkan daya maksimum disetiap kecepatan angin yang diujiakan ke turbin angin tersebut. Dari kurva di atas juga dapat dibentuk sebuah kurva sebagai berikut:

Gambar 2 Kurva Daya Keluaran Maksimal Turbin Angin Kurva di atas merupakan kurva yang memperlihatkan daya maksimum yang dihasilkan oleh turbin angin disetiap kecepatan angin yang berbeda-beda. Dari kurva tersebut dapat mengetahui kecepatan angin yang effisien untuk turbin angin yang diuji.

B. Generator

Generator merupakan sebuah dinamo besar yang berfungsi sebagai pembangkit listrik. Generator listrik ini mengubah energi kinetik menjadi energi listrik dan menghasilkan energi listrik searah (DC) atau energi listrik bolak-balik (AC). Generator listrik pertama kali ditemukan oleh Faraday pada tahun 1831. Pada saat itu, generator listrik dibuat dalam bentuk gulungan kawat pada besi yang berbentuk U. Generator listrik tersebut terkenal dengan nama Generator cakram faraday.

Generator menghasilkan arus listrik induksi dengan cara memutar kumparan di antara celah kutub utara-selatan sebuah magnet.

Gambar 3 Prinsip Kerja Generator

Dari gambar di atas dapat dijelaskan jika kumparan diputar, jumlah garis gaya magnetik yang menembus kumparan akan berubah-ubah sesuai dengan posisi kumparan terhadap magnet. Perubahan jumlah garis gaya magnetik inilah yang menyebabkan timbulnya ggl induksi di ujung-ujung kumparan sehingga menghasilkan energi listrik.

(3)

berbeda. Untuk generator DC kumparan jangkar ada pada bagian rotor dan terletak di antara kutub-kutub magnet. Sedangkan pada generator AC kontruksinya sebaliknya yaitu kumparan jangkar disebut sebagai kumparan stator karena berada pada tempat yang tidak bergerak atau berputar, kalau kumparan rotor bersama-sama dengan kutub magnet diputar oleh tenaga mekanik.

Generator dapat dibagi menjadi dua menurut tegangan yang dihasilkan yaitu AC dan DC. Generator ac sering disebut juga sebagai alternator (alternating current) atau juga generator sinkron. Generator ini sering dipakai untuk pembangkit-pembangkit energi listrik. Generator ini memiliki dua macam yaitu generator ac sinkron dan induksi tetapi yang sering dipakai adalah yang sinkron.

Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar, jenis generator DC yaitu:

• Generator penguat terpisah • Generator shunt

• Generator kompon

Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanen. Generator menggunakan permanen magnet merupakan generator yang memiliki magnet sungguhan bukan suatu konduktor yang dialiri arus listrik.

III. PERANCANGANDANIMPLEMENTASI Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan implementasi turbin angin untuk mengetahui karakteristik dari turbin angin yang digunakan. Pengambilan data dilakukan dengan cara merubah-ubah kecepatan angin dan hasil daya keluaran dari turbin angin tersebut akan di-plot langsung oleh software LABVIEW. Untuk lebih jelasnya akan dijelaskan pada gambar di bawah ini:

Gambar 4 Gambar Perencanaan Turbin Angin

Dari gambar di atas dapat dijelaskan bahwa dalam tugas akhir ini akan dilakukan perencanaan dan pembuatan hardware (perangkat keras) dan software (perangkat lunak).

Hardware di sini meliputi blower anemometer, turbin angin, generator, tachometer, beban resistor variabel, dan ADC (Analog to Gigital Converter). ADC di sini berguna untuk mengubah data dari analog ke data digital agar dapat dibaca oleh komputer.

Turbin angin di sini merupakan turbin angin sederhana dengan menggunakan sebuah motor dc magnet permanen 24 volt sebagai generator. Motor tersebut menjadi generator dengan penggerak blade yang mana blade berukurang 16 inch tersebut disambungkan terhadap rotor motor. Tetapi pemasangan blade tidak langsung pada rotor motor melainkan melalui dua gear yang dihubungkan dengan sebuah sabuk (belt). Gear yang terpasang pada rotor motor memiliki ukuran lebih kecil dibandingkan dengan gear yang terhubung dengan blade. Ukuran gear tersebut memiliki perbandingan 1:2 sehingga putaran pada sisi rotor akan lebih cepat dua kali dibandingkan dengan sisi blade.

Untuk ADC digunakan untuk mengirimkan data hasil keluaran dari turbin angin berupa tegangan, arus, dan daya ke perangkat komputer. ADC yang digunakan yaitu mikrokontroler yang sudah berbentuk modul dengan tipe Arduino Uno. Arduino Uno merupakan sebuah board mikrokontroler yang didasarkan pada IC ATmega328. Arduino Uno memiliki 14 pin digital sebagai input maupun output, 6 input analog, sebuah Kristal 16 MHz, dan dapat langsung dikoneksikan ke computer melalui koneksi USB (Universal Serial Bus).

Untuk membaca keluaran dari turbin angin maka dibutuhkan sebuah sensor tegangan, sensor arus dan sensor kecepatan. Di mana sensor tegangan menggunakan sebuah rangkaian pembagi tegangan yang berfungsi untuk membatasi masukkan pada mikrokontroler agar tidak melebihi dari 5 volt. Rangkaian pembagi tegangan tersebut terdiri dari dua resistor dengan satu resistor menggunakan variabel resistor.

Sedangkan untuk arus menggunakan sensor arus berbentuk modul dengan tipe ACS721. Dan untuk sensor kecepatan menggunakan motor dc dengan tegangan 9 volt yang dijadikan generator dengan cara dihubungkan dengan generator. Keluaran dari motor dc tersebut berupa tegangan, sehingga harus diubah menjadi rpm melalui program yang ada di mikrokontroler.

Ketiga sensor tersebut dihubungkan ke input analog pada Arduino Uno. Penghubungan antara kedua sensor dengan Arduino Uno seperti gambar di bawah ini:

(4)

Dari gambar di atas dapat diketahui bahwa keluaran dari generator dc yang positif masuk pada sensor arus, kemudian dari sensor arus dihubungkan ke rangkaian pembagi tegangan. sedangkan keluaran generator dc yang negatif langsung masuk ke rangkaian pembagi tegangan yang negative. Sumber tegangan pada sensor arus didapatkan dari 5 volt Arduino Uno. Begitu juga dengan ground sensor arus dan tachometer dihubungkan ke ground Arduino Uno. Sedangkan untuk rangkaian pembagi tegangan, negatifnya yang terhubung dengan ground Arduino Uno.

Untuk masukkan ke input analog pada Arduino Uno, sensor arus dihubungkan ke input analog A5, rangkaian pembagi tegangan dihubungkan ke input analog A2 dan sedangkan tachometer dihubungkan ke input analog A3. Dari sensor tegangan dan arus tersebut didapatkan juga besaran daya. Besaran daya diperoleh dari perkalian besaran arus dan besaran tegangan.

Pengujian dan pengambilan data tegangan, arus, daya, dan kecepatan dilakukan beberapa kali dengan kecepatan angin yang berbeda sehingga didapatkan beberapa daya maksimal di setiap kecepatan angin. Dari daya maksimal yang dihasilkan tersebut akan dianalisa sehingga akan didapatkan nilai Constants Power (CP) dari motor dc yang digunakan sebagai generator tersebut.

Labview (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) merupakan salah satu bahasa pemograman komputer grafik yang menggunakan ikon-ikon sebagai pengganti teks dalam membuat aplikasi. Program ini adalah salah satu produk keluaran National Instrument.

Software LabView dalam Tugas Akhir ini digunakan untuk menampilkan hasil keluaran dari turbin angin dalam bentuk kurva. Data yang sudah diproses oleh software Arduino akan dijadikan masukkan pada software Labview. Data masukkan yang berupa tegangan dan arus tersebut akan diproses sehingga akan membentuk sebuah kurva dan semua data yang ditampilkan pada kurva tersebut.

Dari kedua masukkan tersebut, didapatkan juga besaran daya yang diperoleh dari perkalian data tegangan dan data arus. Sehingga dari software LabView ini akan ditampilkan 3 kurva yang berbeda yaitu kurva tegangan dengan waktu, kurva arus dengan waktu, dan kurva daya dengan waktu.

IV. PENGUJIANDANANALISA

Pada bab ini akan dibahas pengujian dan analisa dari perancangan dan implementasi Test Bench turbin angin untuk mengetahui karakteristik turbin angin dengan menggunakan motor dc magnet permanen sebagai generatornya. Pengujian ini dilakukan terhadap perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software) dari sistem secara sendiri-sendri maupun dari keseluruhan sistem secara bersama-sama. 4.1 Pengujian Saat 4,6 m/s

Pengujian saat kecepatan angin diatur sebesar 4,6 m/s maka didapatkan gambar kurva dan data tegangan, arus, daya dan kecepatan turbin angin berbanding dengan daya sebagai berikut:

Gambar 6 Kurva Pengujian Saat 4,6 m/s Tabel 1 Hasil Daya Maksimal Turbin Angin Saat 4,6 m/s

Tegangan Daya Arus RPM

4.905 0.461 0.094 860

Dari kurva dan data di atas diketahui bahwa pada saat kecepatan angin sebesar 4,6 m/s maka daya maksimal yang dihasilkan adalah sebesar 0,461 VA dengan tegangan 4,905 volt dan arus 0,094 ampere.

Dari kurva daya dengan kecepatan dapat dibuat suatu persaamaan, yaitu:

Y = -10-6_X2 _{+ 0,001X - 0,288 ... (2)} Dengan persamaan di atas maka didapatkan hasil kebenaran mendekati 100% yaitu 82,2%.

4.2 Pengujian Saat 5,8 m/s

Gambar 4.7 Kurva Pengujian Saat 5,8 m/s Tabel 2 Hasil Pengujian Turbin Angin Saat 5,8 m/s

6.137 1.125 0.183 1063

Y = -10-6_X2 _{+ 0,003X - 0,627 ... (3)} Dengan persamaan di atas maka didapatkan hasil kebenaran mendekati 100% yaitu 94%.

(5)

Gambar 7 Kurva Pengujian Saat 6,8 m/s Tabel 3 Hasil Pengujian Turbin Angin Saat 6,8 m/s

5.99 1.568 0.262 1039

Y = -10-6_X2 _{+ 0,003X - 0,431 ... (4)} Dengan persamaan di atas maka didapatkan hasil kebenaran mendekati 100% yaitu 90,3%.

Pengujian saat kecepatan angin diatur sebesar 7,9 m/s maka didapatkan gambar kurva dan daya tegangan, arus, daya dan kecepatan turbin angin berbanding dengan daya sebagai berikut:

Gambar 8 Kurva Pengujian Saat 7,9 m/s Tabel 4.4 Hasil Pengujian Turbin Angin Saat 7,9 m/s

7.652 3.051 0.399 1316

Y = -2.10-6_X2 _{+ 0,005X - 1,003 ... (5)}

Dengan persamaan di atas maka didapatkan hasil kebenaran mendekati 100% yaitu 96,8%.

8.268 3.993 0.483 1420

Y = -2.10-6_X2 _{+ 0,006X - 1,103 ... (6)} Dengan persamaan di atas maka didapatkan hasil kebenaran mendekati 100% yaitu 96,8%.

11.044 6.263 0.567 1888

(6)

Y = -2.10-6_X2 _{+ 0,008X - 1,693 ... (7)} Dengan persamaan di atas maka didapatkan hasil kebenaran mendekati 100% yaitu 97,7%.

Dari pengujian keseluruhan sistem tersebut maka dihasilkan data karakteristik turbin angin sebagai berikut:

Tabel 4.7 Hasil Pengujian Disetiap Kecepatan angin Daya Kecepatan angin

0.461 4.6 1.125 5.8 1.568 6.8 3.051 7.9 3.993 8.23 6.263 10.4

Dari tabel di atas dapat digambarkan sebuah kurva karakteristik turbin angin melalui LabView sebagai berikut:

Gambar 10 Kurva Karakteristik Turbin Angin

Data yang diperoleh dari semua pengambilan data di atas dapat dicari nilai Cp (Constan Power) dengan menggunakan rumus (1)

•Saat kecepatan angin : 4,6 m/s

Dari perhitungan nilai Cp dari setiap kecepatan angin maka didapatkan nilai Cp dari motor yang digunakan sebagai turbin angin tersebut adalah sebesar 0.023.

Untuk nilai losses dari motor yang di pakai dapat dihitung saat daya maksimum sebagai berikut:

Pout = 6,263 VA Tegangan = 11,044 Volt Arus = 0,567 Ampere Ra = 13,84 Ohm Pcu = = 0,5672 _{× 9,6 = 3,08 VA} Pin = Pout ÷ Efisiensi

= 6,263 ÷ 65,8% = 9,518 VA Ploss = Pin – Pout

= 9,518 – 6,263 = 3,255 VA Pm + Pcore = Ploss – Pcu

= 3.255 – 3.08 = 0,175 VA

Dari perhitungan di atas dapat didapatkan nilai losses sebesar 3,255 VA yang terdiri dari losses pada tembaga yaitu 3,08 VA dan losses pada mekanik dan inti kecil yaitu 0,175 VA.

V. KESIMPULAN/RINGKASAN

Berdasarkan analisis implementasi test bench turbin angin, maka dapat diambil beberapa kesimpukan sebagai berikut :

1. Pemilihan generator dc pada turbin angin diharapkan memilih rating yang sesuai dengan keperluan (Cp minimal dari 0,2) sehingga rugi-rugi yang terdapat pada generator tidak terlalu besar.

2. Pemilihan gearbox harap dilakukan dengan pengujian terlebih dahalu agar generator dapat berputar sesuai rating dari generator saat mendapatkan kecepatan angin yang ada.

LAMPIRAN

Berikut ini adalah foto test bench yang digunakan pada tugas akhir ini:

(7)

Gambar 11 Foto Test Bench Turbin Angin UCAPANTERIMAKASIH Ucapan terima kasih kami haturkan kepada:

1. Gusti Allah SWT atas limpahan Rahmat dan Petunjuk-Nya serta Nabi Muhammad SAW atas tuntunan jalan-Nya. 2. Kedua orang tua kami yang telah membesarkan kami dan

menyayangi kami serta membiayai kami semasa kami kuliah.

3. Dedet C. Riawan, ST., M.eng., Ph.D dan Heri Suryoatmojo, ST.,MT.,Ph.D sebagai dosen pembimbing yang telah memberikan arahan dan perhatiannya dalam Tugas Akhir ini.

4. Seluruh dosen yang telah memberikan ilmunya selama kuliah, karyawan, dan keluarga besar Jurusan Teknik Elektro ITS.

5. Kawan-kawan LJ Teknik Elektro 2011 gasal khusunya bidang studi Teknik Sistem Tenaga, terimakasih atas bantuan dan dorongan kalian semua selama Tugas Akhir ini.

6. Kawan-kawan D3 Elektro Industri ITS, Kawan-kawan Kontraan 3B/1A Keputih Sby, terimakasih atas bantuan moral dan dukungannya.

7. Semua pihak yang telah membantu kami dalam penyelesaian Tugas Akhir ini yang tidak mungkin disebutkan satu persatu.

DAFTARPUSTAKA

[1] Stephen J. Chapman, 2005. Electric Machinery Fundamentals. Mc Graw Hill

[2] W. Tong, 2010. Wind Power Generation and Wind Turbine Design. WitPress

[3] Gu Yujie, 2010. The Small Wind Turbin. IEEE

[4] Yao Xingjia, 2008. Research and Simulation of Direct Drive Wind Turbine VSCF Characteristic. IEEE

[5] Kent Burnett, 2010. Cal Poly Wind Turbine Speed Controller.

San

Luis Obispo

[6] LIU Min-dan, 2011. Simulation of the Characteristic of Wind Turbine Based on DC Machine. IEEE

[7] Gu Yujie, 2010. The Small Wind Turbine Characteristics Test. IEEE

RIWAYAT HIDUP

Zadid Muttaqin dilahirkan di Sidoarjo pada tanggal 28 Juli 1989. SDN Ploso selama 6 tahun, SMPN Porong selama 3 tahun, SMAN Krembung selama 3 tahun, D3 Elektro Industri ITS selama 3 tahun, dan sekarang masih aktif menjadi mahasiswa Jurusan Teknik Elektro ITS