RANCANG BANGUN GENERATOR TURBIN ANGIN
TIPE AKSIAL KAPASITAS 200 W
Agus Nurtjahjomulyo
Peneliti Bidang Konversi Energi Dirgantara, LAPAN ABSTRACT
Generator is t h e component of wind turbine t h a t convert mechanical to electrical energy a n d h a s a specific c h a r a c t e r which operates at low speed rotation (< 1000 rpm). Engineering design of wind turbine generator capacity 200 W discussed in this paper repreaents t h e results of fabrication a n d testing of the generator as a model. The experiment showed t h a t t h e generator can be producing power 200 W at rotation 4 5 0 r p m with torque a b o u t 8.5 Nm.
ABSTRAK
Generator turbin angin m e r u p a k a n s a l a h s a t u b a g i a n / k o m p o n e n d a r i turbin angin y a n g berfungsi mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik d a n memiliki k a r a k t e r y a n g spesifik dibandingkan d e n g a n generator lainnya, y a k n i beroperasi p a d a p u t a r a n r e n d a h (< 1000 rpm). Rancang bangun generator turbin angin kapasitas 2 0 0 W y a n g d i b a h a s d a l a m tulisan ini menyajikan hasil p e r a n c a n g a n , p e m b u a t a n dan pengujian model generator. Hasil pengujian m e n u n j u k k a n b a h w a generator ini m a m p u menghasilkan daya 2 0 0 W p a d a p u t a r a n 4 5 0 rpm dengan torsi s e b e s a r 8,5 Nm.
Kata k u n c i : Generator, Turbin angin 1 PENDAHULUAN
Turbin angin adalah s e b u a h sistem y a n g m a m p u mengkonversi energi angin secara l a n g s u n g menjadi energi listrik. S a l a h s a t u b a g i a n / k o m p o n e n turbin angin yang berfungsi mengkonversi energi m e k a n i k menjadi energi listrik adalah generator. Generator turbin angin memiliki k a r a k t e r y a n g spesifik dibandingkan dengan generator lainnya, yakni m a m p u menghasilkan energi listrik p a d a putaran y a n g r e n d a h (di b a w a h 1000 rpm). Gene-rator y a n g memiliki k a r a k t e r s e m a c a m itu masih jarang dijumpai di pasaran, d a n w a l a u p u n a d a , harganya c u k u p mahal dan h a r u s menunggu dalam jangka waktu tertentu u n t u k m e n d a p a t k a n n y a . Tinggi-nya harga generator mengakibatkan tingginya h a r g a j u a l t u r b i n angin k e Masyarakat, k a r e n a hampir 30 - 40 % dari harga total turbin angin berada di generator. Masalah ini tentunya h a r u s segera diatasi agar harga turbin angin terjangkau oleh masyarakat.
Rancang b a n g u n generator turbin angin k a p a s i t a s 2 0 0 W d i m a k s u d k a n scbagai langkah awal u n t u k memutuskan k e t e r g a n t u n g a n p a d a produk impor. B a h a n / k o m p o n e n p e m b u a t a n generator p u t a r a n rendah, h a m p i r 90 % rneng-g u n a k a n produk yanrneng-g tersedia di pasaran dalam negeri. Sehingga diharapkan produk turbin angin y a n g dihasilkan h a r g a n y a terjangkau oleh d a y a beli m a s y a r a k a t , t e r u t a m a d i d a e r a h p e d e s a a n d a n pesisir p a n t a i y a n g a k a n menjadi s a s a r a n implementasi- Untuk melengkapi generator a g a r menjadi s e b u a h turbin angin, p a d a t a h a p berikutnya a k a n d i r a n c a n g model rotor (sudu) dan sistem orientasi y a n g s e s u a i dengan karakteristik generator agar menghasilkan daya keluaran yang optimal.
Generator t u r b i n angin k a p a s i t a s 2 0 0 W ini m e r u p a k a n hasil pengem-b a n g a n dari model generator y a n g di-produksi oleh s e b u a h p e r u s a h a a n di Inggris b e r n a m a Marlec. Generator ini m e n g g u n a k a n magnet p e r m a n e n p a d a 96
rotornya, sehingga. d a p a t s e c a r a langsung menghasilkan energi listrik ketika ber-putar. Posisi rotor d a n s t a t o r n y a tegak lurus t e r h a d a p p o r o s n y a sehingga dina-m a k a n generator tipe aksial. Generator kapasitas 2 0 0 W d i r a n c a n g m e n g g u n a -kan b a h a n m a g n e t p e r m a n e n j e n i s Neodynium Ferit Boron (NdFeB), s e d a n g
-kan stator dirancang m e n g g u n a k a n kawat tembaga terisolasi (kawat email) yang dibungkus d e n g a n b a h a n komposit. Rumah generator t e r b u a t dari b a h a n komposit y a n g m e n y a t u d e n g a n s u d u rotor.
Kegiatan rancang b a n g u n generator diawali d e n g a n m e n g u m p u l k a n sejumlah data dan informasi yang berkaitan dengan generator p u t a r a n r e n d a h , dilanjutkan dengan p e r h i t u n g a n , p e m b u a t a n g a m b a r teknis, p e m b u a t a n c e t a k a n d a n model generator. Kegiatan ini diakhiri d e n g a n pengujian model generator di laboratorium Uji SKEA.
2 DASAR TEORI
Prinsip kerja generator dalam mengkonversi energi m e k a n i k menjadi energi listrik a d a l a h b e r d a s a r k a n h u k u m Faraday. Hasil penelitian Faraday m e n u n -j u k k a n b a h w a bila s e u t a s k a w a t a t a u k u m p a r a n k o n d u k t o r b e r a d a dalam medan m a g n e t y a n g b e r u b a h t e r h a d a p waktu, m a k a p a d a u j u n g - u j u n g kawat atau k u m p a r a n konduktor tersebut akan timbul tegangan a t a u gaya gerak listrik (ggl) induksi. Demikian p u l a h a l n y a j i k a kawat atau k u m p a r a n konduktor tersebut digerak-gerakkan d a l a m m e d a n magnet yang tetap. Besarnya tegangan atau ggl induksi y a n g t i m b u l p a d a k u m p a r a n konduktor s e b a n d i n g d e n g a n b e s a r n y a p e r u b a h a n f l u k s m a g n e t y a n g b e r u b a h terhadap waktu, d a n dituliskan dalam bentuk p e r s a m a a n :
Fluks magnet didefinisHom seJx^a/
banyaknya garis-garis gaya magnet yang
memiliki kerapatan fluks magnet B
menembus suatu permukaan dengan
luas sebesar A, persamaannya
dituns-kan dalam b e n t u k :
Besarnya ggl yang timbul akibat
gerakan ini dapat dihitung dengan
meng-gunakan beberapa metode. Metode
per-tama adalah dengan melihat usaha W
yang diperlukan muatan q untuk bergerak
dari ujung satu ke ujung lain sepanjang
I pada batang konduktor di bawah
pengaruh medan listrik akibat gaya yang
diterima elektxon. Usaha yang dilakukan
muatan q adalah sebesar.
Metode lain yang juga digunakan
untuk menentukan besarnya ggl yakni
dengan menganggap batang konduktor
bergerak sejauh dx = v dt dalam medan
magnet, maka luasan fluks magnet yang
berubah akibat gerakan tersebut adalah
sebesar dA = I v dt. Masukan hasil ini
kedalam persamaan (2-3), ggl induksi
sama dengan perubahan/fu/cs persatuan
waktu, maka diperoleh
Pada generator, posisi kumparan
konduktor dan medan magnet B tidak
selalu tegak lurus, tetapi membentuk
sudut sebesar 9. Kecepatan v_i tegak
lurus kumparan terhadap medan magnet
akan membentuk sudut sebesar 0. Pada
saat posisi kumparan tegak lurus dengan
medan magnet, ggl-nya akan maksimum,
sedangkan pada saat sejajar dengan
medan magnet ggl-nya akan minimum,
sehingga kecepatannya dapat dituliskan
Untuk memperbesar ggl yang
dihasilkan dapat dilakukan dengan cara
menambah jumlah lilitan atau kumparan
dan jumlah kutub magnet. Jika kumparan
konduktor terdiri dari N lilitan dan
jumlah pasang kutubnya adalah P, maka
besarnya ggl dapat dituliskan sebagai
berikut.
Pada pemakaian praktis, banyak
faktor yang mempengaruhi kinerja sebuah
generator. Faktor-faktor tersebut antara
lain : faktor bentuk, faktor lilitan, faktor
celah udara dan sebagainya. Untuk
me-nentukan besarnya tegangan keluaran
generator, beberapa pendekatan
dilaku-kan, persamaan berikut dapat digunakan
sebagai salah satu rumus pendekatan
dalam pemakaian praktis.
l u r u s t e r h a d a p s u m b u p u t a r (aksial). Rotor terdiri a t a s d u a bilah y a n g ber-b e n t u k piringan, m a s i n g - m a s i n g ber-bilah berisi 4 p a s a n g m a g n e t p e r m a n e n j e n i s NdFeB. Stator b e n t u k n y a b u l a t pipih y a n g berisi k u m p a r a n k a w a t t e m b a g a terisolasi b e r b e n t u k segitiga s a m a kaki. Stator d i t e m p a t k a n m e n y a t u dengan s u m b u p u t a r (poros). Ketika rotor d a n stator d i s a t u k a n , posisi stator diapit oleh k e d u a bilah rotor. A n t a r a rotor d a n s u m b u p u t a r d i p a s a n g bearing yang berfungsi sebagai b a n t a l a n p u t a r . G a m b a r 3-1 d a n 3-2 m e m p e r l i h a t k a n g a m b a r t e k n i s model generator 2 0 0 W. 3 . 2 Spesifikasi T e k n i s
T a b e l 3 - 1 : SPESIFIKASI TEKNIS GENE-RATOR 2 0 0 W No. 1. 2. 3. 4. 5. Nama Komponen Rotor • Jenis magnet • Jumlah magnet • Ukuran magnet Stator • Jenis kawat • J u m l a h lilitan • J u m l a h kum-paran • Diameter kawat • Diameter stator Poros • Jenis • Diameter • B a h a n Rumah Generator • B a h a n • Diameter Output •Tegangan • Arus • Daya • Putaran • Fasa • Torsi Keterangan NdFeB 8 pasang 30 x 40 mm Tembaga email 2 x 5 2 8 buah 0,8 mm 220 mm
Besi poros berlu-bang
25 mm Stainless Steel
Fiber glass (poly-ester) 270 mm 24 V D C 9 A 200 W 450 - 500 rpm 1 fasa 8,26 Nm
Gambar 4-1 d a n 4-2. memperlihatkan b e n t u k cetakan dan model generator.
Gambar 3 - 1 : Salah s a t u bilah generator
Gambar 3-2: Model r a n c a n g a n generator 200 W PEMBUATAN GENERATOR DAN PENGUJIAN 4.1 Pembuatan Model Setelah memperoleh d a t a - d a t a spesifik komponen generator d a n mem-b u a t g a m mem-b a r teknisnya, la ng ka h mem- berikut-nya a d a l a h m e m b u a t cetakan rotor d a n stator s e s u a i d e n g a n model r a n c a n g a n generator tersebut. Beberapa bagian perlu dimodifikasi u n t u k mempermudah proses pengerjaan. Cetakan dibuat dengan m e n g g u n a k a n b a h a n dari fiber glass d a n nylon y a n g dibentuk s e s u a i dengan u k u r a n rotor d a n stator.
Setelah cetakan rotor d a n stator selesai dibuat, kegiatan berikutnya adalah mencetak rotor d a n stator generator dengan m e n g g u n a k a n b a h a n dari f i b e r glass. Sebelum dicor dengan b a h a n fiberglass, posisi k u m p a r a n konduktor
pada stator d a n magnet p e r m a n e n p a d a rotor diatur d a n diset d e n g a n meng-gunakan mal yang telah disiapkan.
Gambar 4 - 1 : Model c e t a k a n generator
G a m b a r 4-2:Model generator 2 0 0 W 4 . 2 Peralatan Uji
Pengujian generator dilakukan u n t u k m e n d a p a t k a n d a t a karakteristik listrik y a n g dihasilkan generator b e r u p a tegangan, a r u s , daya d a n torsi. J e n i s peralatan uji d a n p r o s e d u r pengujian d a p a t dijelaskan sebagai berikut.
Peralatan uji yang digunakan meliputi :
• Simulator berupa motor listrik kapasitas 10 kW y a n g porosnya d i h u b u n g k a n dengan poros generator melalui s a b u k P u t a r a n simulator berkisar a n t a r a 130-830 rpm.
• Data Logger yang berfungsi sebagai alat penerima d a t a yang dikirim oleh sensor alat u k u r . Melalui t r a n d u s e r sinyal yang dikirim oleh sensor alat dikonversi ke b e n t u k d a t a digital, sehingga bisa diterima oleh komputer. Peralatan ini terdiri dari 20 c h a n n e l
yang dapat digunakan u n t u k mengukur: tegangan AC, tegangan DC, frekuensi, temperatur, a r u s d a n p u t a r a n .
• Komputer y a n g berfungsi u n t u k mere-k a m d a n mengolah d a t a yang dihasil-kan generator. Komputer ini berisi program u n t u k mensetting parameter, mengedit d a n mengoperasikan d a t a logger
• Torsimeter yang berfungsi u n t u k meng-u k meng-u r b e s a r n y a torsi yang dihasilkan generator.
4 . 3 Pengujian
4 . 3 . 1 S e t t i n g peralatan uji
Peralatan uji disetting sesuai dengan prosedur yang ditetapkan sebelum melakukan pengujian. Parameter-parameter y a n g a k a n diuji ditampilkan dalam layar k o m p u t e r agar termonitor selama pengujian berlangsung
4 . 3 . 2 Pengujian tanpa beban
Pengujian t a n p a b e b a n dilakukan u n t u k m e n d a p a t k a n d a t a h u b u n g a n a n t a r a tegangan AC y a n g dihasilkan generator t e r h a d a p p u t a r a n .
4 . 3 . 3 Pengujian dengan beban
Pengujian dengan beban dilakukan u n t u k mengetahui karakteristik tegangan AC, tegangan DC, a r u s DC dan daya yang dihasilkan generator t e r h a d a p p u t a r a n . Beban yang d i g u n a k a n a d a l a h baterai 40 Ah 24 V d a n l a m p u 300 W / 3 6 V. 4 . 3 . 4 Pengujian torsi
Pengujian torsi dilakukan u n t u k m e n d a p a t k a n d a t a b e s a r n y a torsi yang diperlukan generator p a d a p u t a r a n ter-tentu.
5 HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA 5.1 Data Hasil Pengujian
Pengujian dilakukan t a n p a b e b a n d a n dengan b e b a n yang diperlihatkan p a d a G a m b a r 5-1 d a n 5-2 m e n u n j u k k a n h u b u n g a n a n t a r a tegangan d a n daya t e r h a d a p p u t a r a n generator (rpm) yang d a l a m h a l ini diambil dari 100 rpm-500 rpm. Pengujian torsi yaitu h u b u n g a n
a n t a r a torsi (Nn) d a n d a y a (w) diperlihat-k a n p a d a Gambar 5-3.
G a m b a r 5-3: Karakteristik torsi t e r h a d a p daya
5.2 Analisa Hasil Pengujian
Hasil pengujian t a n p a b e b a n memperlihatkan bahwa besarnya te-gangan keluaran t e r b u k a yang dihasil-k a n berbanding l u r u s dengan b e s a r n y a k e n a i k a n p u t a r a n . Hal ini s e s u a i dengan teori d a n hasil p e r h i t u n g a n y a n g telah dilakukan. Pengujian d e n g a n b e b a n di-m a k s u d k a n u n t u k di-m e n g e t a h u i b e s a r n y a daya yang dihasilkan generator. Hasil pengujian tersebut memperlihatkan bahwa 100
fl^'tH""* f * * J » « * * * * **f* r*i * ™ - f * » * r » ' * J i y i * i * j i * * J 1 1 1 _ - t \ / " - + • J \ J i > » * M i # * M A W I f t ^ / F *1 - J* V
d a y a s e b e s a r 2 0 0 W b i s a dicapai p a d a p u t a r a n rotor 4 5 0 r p m . P a d a titik ter-sebut torsi y a n g d i p e r l u k a n u n t u k me-m u t a r poros generator a d a l a h s e b e s a r 8,5 Nm. Angka-angka tersebut diperlukan u n t u k m e r a n c a n g s u d u rotor turbin angin agar daya keluaran y a n g dihasilkan turbin angin menjadi optimal.
6 KESIMPULAN
• Hasil r a n c a n g b a n g u n generator k a p a s i t a s 2 0 0 W y a n g telah d i l a k u k a n m e n u n j u k k a n b a h w a generator turbin angin y a n g memiliki k a r a k t e r spesifik beroperasi p a d a p u t a r a n r e n d a h d a p a t d i b u a t d e n g a n m e n g g u n a k a n b a h a n / k o m p o n e n y a n g t e r s e d i a d i dalam negeri. Dengan demikian d i h a r a p k a n biaya p r o d u k s i / p e n g a d a a n turbin angin d a p a t lebih ditekan agar h a r g a n y a terjangkau oleh d a y a beli m a s y a r a k a t di Indonesia.
• Rancangan ini m a s i h h a r u s lebih d i s e m p u r n a k a n , k a r e n a m a s i h a d a n y a b e b e r a p a k e l e m a h a n y a n g terjadi, t e r u t a m a d a l a m s t r u k t u r d a n kompo-sisi b a h a n komposit y a n g d i g u n a k a n . • Rancang b a n g u n generator dengan
kapasitas y a n g lebih b e s a r a k a n di-l a k u k a n p a d a t a h a p berikutnya. DAFTAR RUJUKAN
Abdul Kadir, 1999. Mesin Sinkron, Penerbit Djambatan, J a k a r t a .
Akio Toba, Hiroshi O s h s a w a , T u k a s a Miora, T h o m a s A. Lipo, Experimen-tal Evaluations of the dual Excita-tion Permanent Magnet Vernier Machine, Tokyo J a p a n .
Djoko Achyanto, 1 9 9 7 . Mesin-mesin Listrik, Penerbit Erlangga.
Douglas C. Giancoli, 1999. Physics, Fifth Edition, Alih B a h a s a : Yuhilza H a n u m , Irwan Arifin, Penerbit Erlangga.
E. Mulyadi, C.P. Butterfield, Yih Huei Wan, 1998. Axial Flux, Modular, Permanent Magnet Generator with a Toroidal Winding for Wind Turbine Applications, NREL, Colorado.
F. Suryatmo, 1984. Teknik Listrik Motor Ss Generator Arus Bolak Batik, Penerbit Alumni, B a n d u n g .
H. M. Rusli Harahap, 1996. Mesin Listrik: Mesin Arus Searah, Penerbit PT Gramedia P u s t a k a Utama, J a k a r t a . H.J.Hengeveld, E. H. Lysen, L. M. M.
Paulissen, 1 9 8 1 . Matching of Wind Rotor To Low Power Electrical Gene-rator For A Given Wind Regime, Steering Committee for Wind Energy in Developing Countries.
J.A. de J o n g h , R.P.P. Rijs, J.T.G. Pierik, Small Wind Turbine Systems For Battery Charging, ECN/ARRAKIS The N e t h e r l a n d s .
L. Soderlund , J.T. Eriksson , J. Salonen, H. Vihrilla, R. Pirrela, 1996. A Permanent Magnet Generator for
Wind Power Applications, Tampere University of Technology.
M.R Dubois, H. Polinder, J.A. Ferreira Axial and Radial Flux Permanen Magnet Generator For Direct - Drive
Wind Turbine, Delft University of Technology The Netherlands.
S a n g Young J u n g , Ho Yong Choi, Hyun Kyo J u n g , Performance Evaluation of Permanent Magnet Linear Generator For Charging the Battery of Mobile Apparatus, School of Electrical Engineering Seoul National Univer-sity, Seoul, Korea.
