Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro (1)

Perancangan Prototype Generator Magnet Permanen Fluks

Aksial Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin Untuk

Penerangan Lampu Jalan

Dhiyaul Farhan M. Nur

1) )

Ramdhan Halid Siregar S.T,. MT

2)

Mahdi Syukri S.T., MT

3)

1)

Teknik Elektro Universitas Syiah Kuala

Jl. Syech Abdurrauf No.7, 23111, Darussalam, Banda Aceh, ACEH -INDONESIA

email : reuleng_geulumpang@yahoo.co.id

ABSTRACT

Wind energy conversion system (WECS) is very significant in transforming wind kinetic energy into mechanical energy which turns a generator to produce electricity as a source to light the bridge lamp. The using of alternator for producing electrical energy in small-scale wind energy power plant is less effective. This is due to the meticulous alternator construction. Moreover, it needs to strengthen or excitation on alternator rotor winding to produce a flux. The design of axial flux permanent magnet generator prototype as a replacement for alternator on wind power plant is a suitable alternative, due to the construction of axial flux permanent magnet generator is not complicated and the production of flux does not use any DC voltage gain. This is because part of the rotor is a permanent magnet. The design uses wind turbines with savonius type as the mover with turbine rotor diameter of 1 meter and height angle of 1.5 meter

axial flux permanent magnet generator, wind turbine savonius type

1. Pendahuluan

1.1 Latar Belakang

Penerangan lampu jembatan saat ini masih di hubungkan pada jala-jala listrik PLN yang menggunakan energi fosil untuk membangkitkan energi listrik. Dimana cadangan energi fosil Indonesia jumlahnya tidak tak terbatas, yang akan habis pada suatu saat nanti.[4]

Oleh karena itu untuk menghidari pemanasan global, Sistem konfersi energi angin (SKEA) ini sangat berperan dalam mengubah energi kinetik angin menjadi

energi mekanik yang memutar generator untuk menghasilkan listrik sebagai kebutuhan penerangan lampu jembatan. Penggunan alternator (generator sinkron) sebagai penghasil listrik pada pembangkit listrik tenaga angin skala kecil kurang efektif disebabkan konstruksi yang rumit, dan untuk menghasilkan fluks, kumparan medan yang terdapat pada rotor altenator diberi (eksitasi)

Dengan demikian perlu adanya perancangan generator sederhana sebagai pengganti generator biasa (alternator) untuk pembangkitan energi listrik skala kecil, generator magnet permanen fluks aksial merupakan salah satu pilihan terbaik untuk dikopling dengan turbin angin tersebut. Hal ini disebabkan karena jumlah kutub magnet yang tinggi, densitas daya listrik yang tinggi, dan perawatan yang lebih ringan adalah karakter menarik dari generator magnet permanen fluks aksial, serta untuk menghasilkan fluks tidak memerlukan eksitasi dari tegangan DC.

Perumusahan masalah pada penelitian ini Bagaimana merancang prototipe generator magnet permanen fluks aksial untuk pembangkit listrik tenaga angin sehingga keluaran mampu mengisi akumulator.

Adapun tujuan pada penelitian ini merancang prototipe generator tipe aksial untuk pembangkit listrik tenaga angin untuk sebagai penerangan jembatan serta Mengembangkan generator sinkron magnet permanent fluks aksial jenis cakram

2.Tinjauan Pustaka

2.1 Energi Angin

Energi angin adalah salah satu jenis sumber energi terbarukan yang potensial untuk menghasilkan energi listrik maupun mekanik melalui proses konversi energi kinetik ke mekanik dan selanjutnya ke listrik. Energi kinetik yang terdapat pada angin dapat diubah menjadi energi mekanik untuk memutar peralatan (pompa piston, generator, penggilingan, dan lain-lain).

lokasi pemasangan (suplai) dan kebutuhan di lokasi tersebut (kebutuhan). Kajian dan evaluasi yang lebih akurat mengenai kedua aspek ini bersama aspek ekonomis akan menghasilkan pemanfaatan SKEA yang optimal di suatu lokasi [1].

2.1.1 Energi Kinetik

Energi kinetik adalah energi dari suatu benda yang dimiliki karena pengaruh gerakannya.

(2.1)

Dengan menganggap suatu penampang melintang A, dimana udara dengan kecepatan v mengalami pemindahan volume untuk setiap satuan waktu, yang disebut dengan aliran volume V sebagai persamaan

V = vA (2.2)

Dimana:

V : laju volume (m3/s) v : kecepatan angin (m/s) A : luas area sapuan rotor (m2 ) Sedangkan aliran massa dengan kecepatan udara p sebagai:

m = ρAv (2.3)

Persamaan-persamaan diatas menunjukkan energi kinetik dan aliran massa yang melewati suatu penampang melintang A sebagai energi P yang ditunjukkan dengan mensubstitusi persamaan (2.3) ke persamaan 2.1) menjadi:

(2.4) 2.2 Turbin Angin Savonius

Kincir angin tipe savonius VAWT seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.1, diciptakan oleh seorang insinyur Finlandia SJ Savonius pada tahun 1929. Kincir VAWT ini merupakan jenis yang paling sederhana dan menjadi versi besar dari anemometer

. . Pada gambar

2.1 merupakan gambar prinsip kerja turbin savonius VAWT

.

gambar 2.1 Prinsip Kerja Turbin Savonius VAWT.

2.2.1 Dimensi Turbin

untuk menentukan jenis turbin yang digunakan dihitung berdasarkan kecepatan angin pada kondisi sekitar 2.2.1.1 Menentukan Dimensi Turbin Angin

Dimensi dari turbin angin dapat dicari dengan mengasumsikan daya yang dihasilkan dengan kecepatan angin yang terjadi disekitar kita. Dengan rumus daya (P) pada turbin angin sebagai berikut:

P = Cpr ρAv3 (2.5) 2.2.1.2 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin bebas [8].

. sistem transmisi speed increasing yaitu putaran keluar lebih tinggi dari putaran masuk, terjadi kenaikan putaran dengan konsekuensi momen gaya keluar menjadi lebih kecil [1].

2.4 Generator Sinkron Magnet Permanen

Secara garis besar, generator sinkron magnet permanen dibagi menjadi dua jenis bila dilihat dari fluks magnet yang dihasilkan, yaitu :

 Generator magnet permanen dengan fluks radial/Generator MPFR (Radial Flux Permanent Magnet Generator)

 Generator magnet permanen dengan fluks aksial/Generator MPFA (Axial Flux Permanent Magnet Generator)

Pada proposal ini, hanya membahas mengenai generator sinkron magnet permanen, fluks aksial dengan rotor berbentuk piringan (cakram). Pada gambar 2.2 merupakan gambar generator sinkron magnet permanen, fluks aksial

2.4.1. Stator

Stator adalah bagian yang diam dari generator yang berfungsi sebagai tempat kumparan jangkar. Bentuk stator pada perancangan ini adalah stator tanpa inti, Gambar 2.3 Merupakan Stator Tanpa Inti Besi.

Gambar 2.3 Stator Tanpa Inti Besi 2.4.2 Rotor

Rotor adalah bagian yang berputar, rotor merupakan tempat meletakkan magnet permanen, dimana pada inti rotor tersebut telah dibentuk ruang untuk meletakkan magnet permanen. Rotor dari sebuah permanent magnet generator seperti pada gambar 2.8. berikut.

Gambar 2.4Rotor Permanent Magnet Generator 2.4.5 Air Gap

Celah udara pada generator merupakan tempat berpindahnya fluks magnet pada magnet permanen dan menginduksi ke kumparan stator. Sehingga pada celah udara ini terjadi mekanisme perpindahan atau konversi energi dari mekanik menjadi elektrik

2.5 Optimasi Dimensi Rotor

Salah satu hal yang mempengaruhi dimensi generator sinkron MPFA adalah ukuran rotor. Ukuran rotor sendiri juga dipengaruhi oleh beberapa hal:[5]

 Diameter magnet permanen

 Jarak antar kutub magnet permanen

 Diamater penampang (yoke) rotor

(2.7) Dy : diameter penampang (yoke) rotor

Dout : diameter luar magnet permanen pada rotor Din : diameter dalam magnet permanen pada roto ry : jari-jari yoke

rm : jari-jari magnet 2p : jumlah kutub magnet

P :` jumlah pasangan kutub magnet

X : jarak antar kutub magnet permanen(Xmp).

2.6 DIODA PENYEARAH

Dioda hanya dapat dialiri arus listrik secara satu arah saja. Prinsip inilah yang digunakan untuk merubah arus AC yang dibangkitkan di kumparan stator menjadi arus DC. Gambar 2.5 Merupakan dioda penyearah

Gambar 2.5 dioda penyearah 2.7 Voltage Regulator

Voltage Regulator merupakan suatu komponen yang berfungsi mengatur tegangan, pada aplikasinya Voltage Regulator ini mengatur nilai tegangan pada saat pengisian . Gambar 2.6 Merupakan voltage regulator.[7]

Gambar 2.6 Voltage Regulator. 2.9 Baterai

beterai adalah alat listrik kimia yang menyimpan energi dan mengeluarkannya dalam bentuk listrik. Baterai terdiri dari tiga komponen, yaitu:

 Batang karbon sebagai anoda

 Seng (Zn) sebagai katoda

 Pasta sebagai elektrolit atau penghantar 2.10 Tegangan Induksi

Prinsip kerja generator dalam mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik adalah berdasarkan hokum Faraday. Tegangan induksi yang dihasilkan oleh generator ini dapat dihitung dengan persamaan [4]:

(2.8) Erms : tegangan induksi (volt) N : jumlah lilitan per kumparan

F : frekuensi

: fluks magnet (Wb) Ns : jumlah kumparan Nph : jumlah fasa

.(2.9) Dimana:

(2.10)

Dimana:

..(2.11) Dimana ;

: jarak antar rotor dan stator

2.11 Beban Resistif (R)

Beban resistif (R) yaitu beban yang terdiri dari komponen tahanan ohm saja (resistance), seperti elemen pemanas (heating element) dan lampu pijar. Beban jenis ini hanya mengkonsumsi beban aktif saja dan mempunyai faktor daya sama dengan satu. Tegangan dan arus sefasa. Persamaan daya sebagai berikut:

P = VI…..(2.12) Dimana:

P : daya aktif yang diserap beban (watt) V : tegangan yang mencatu beban (volt) I :arus yang mengalir pada beban (Ampere)

3.Metodelogi Penelitian

Penelitian ini dilakukan secara bertahap, berikut tahapan yang dilakukan dalam penulisan tugas akhir ini adalah :

Gambar 3.1 Diagram Alir Dari Tahapan Penelitian

Tahapan awal dalam menyelesaikan tugas akhir ini dimulai dengan membangun ide awal dilanjutkan dengan studi literatur untuk mencari informasi dan data-data yang diperlukan, pencarian informasi mengenai dasar teori tentang turbin angin serta konsep permanenent magnet generator.

Pembuatan pembangkit terdiri dari beberapa tahapan, yaitu pembuatan sudu turbin secara vertical berdasarkan hasil pengukuran angin dan pembuatan transmisi dengan menggunakan gear box, kemudian pembuatan generator aksial meliputi pembuatan rotor dengan menggunakan magnet permanent, penggulungan lilitan stator serta pembuatan rumah bagi generator aksial.

Pada tahapan pengujian, parameter yang diukur baik dalam keadaan berbeban maupun tidak berbeban serta pengetesan kecepatan dari generator aksial.

3.1 Pengukuran Angin Di Lokasi Penelitian Pengukuran angin dilakukan di jembatan krueng cut Aceh Besar dengan menggunakan flowatch meter. Gambar 3.2 penggukuran angin dengan menggukan flowactmeter

Gambar 3.2 Penggukuran Angina Dengan Menggukan Flowactmeter

3.2 Proses Desain Turbin Angin Savonius

Proses desain ini menggunakan autocad, terdiri

dari 6 buah sudu, turbin savonius berfungsi sebagai penggerak utama rotor pada generator aksial , pada gambar 3.2 desain desain turbin savonius

Gambar 3.3 Desain Turbin Savonius 3.3 Proses Desain Generator Aksial

Proses desain ini menggunakan autocard,

pembuatannya berdasarkan optimasi dimensi rotor,

Gambar 3.4 Rotor dan Stator

3.4 Penggabungan Turbin Angin Dan Generator Aksial

Proses penggabungan ini dengan menambahkan sistem transmisi speed increasing, ,yaitu putaran keluar dari putaran rotor turbin angin lebih besar dari putaran masuk dimana perbandingan putaran rotor turbin 1 : 11 terhadap putaran rotor generator

Gambar3.5 Penggabungan Turbin Angin dan Permanen Magnet Generator

3.5

Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Angin Diawali dengan pembuatan rotor turbin dengan menggunakan kanopi yang dibentuk setengah lingkaran, dan proses pembuatan sistem transmisi dengan menggunakan gear box, kemudian pembuatan generator aksial yang diawali dengan membuat diameter rotor serta menentukan jumlah lilitan dan kumparan pada stator aksial, kita dapat menentukan besarnya diameter kawat tembaga yang akan dililitkan untuk mendapatkan nilai tegangan output sesuai dengan yang diinginkan. dari hasil lilitan tersebut dapat dioperasikan dengan putaran yang lebih rendah namun menghasilkan tegangan output yang lebih besar dibesar. Kemudian listrik yang dihasilkan dari pembangkit untuk pengisian baterai membutuhkan arus searah, oleh karena itu diperlukan dioda yang berfungsi untuk merubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Tegangan yang dihasilkan generator aksial bervariasi bergantung dari kecepatan putaran dan banyaknya beban. Untuk itulah digunakan regulator yang

berfungsi untuk menjaga tegangan output generator aksial tetap konstan.

3.6 Analisa Dan Pembahsan

Analisa kinerja unit pembangkit yaitu keluaran dari

generator magnet permanen fluks aksial

langsung diukur setiap 60 menit sekali, agar mengatahui berapa waktu yang dibutukan untuk mengisi akumulator 3.7 Penarikan Kesimpulan

Kesimpulan dari penelitian

.

4.Hasil Dan Pembahasan

4.1 Pembuatan Luasan Dimensi Sudu Turbin Angin.

Pada penelitian ini hasil yang diperoleh berupa desain sudu turbin angin menggunakan software AutoCad bedasarkan rumus yang tertera pda bab 2

Diketahui

D : 1 meter

V : 3,2 m/s

n : 40 rpm (asumsi)

tip speed ratio (λ)

λ = λ

torsi Q =

Luas sapuan rotor turbin (A) A =

Menetukan cqr =

= = 1,25 Menentukan cpr = λ x cqr

= 0,65 x 1,25 = 0,81

Luas turbin = 2 x 3,14 x r x ( r + t) = 2 x 3,14 x 0,5 x ( 0,5 + 1,5)

= 6,28

Dengan didapatkannya luas penampang 6 buah sudu (A) sebesar 6,28 m2, maka dengan menggunakan 6 buah sudu diperoleh dimensi sudu sebagai berikut: Diketahui

Tinggi (l) = 1,5 meter Jumlah sudu = 6 sudu

A = 6 x 0,5 x 3,14 x d xL d = 2 x 6,28 / 6 x 3,14 x 2

d = 0,45 meter

Jadi dimensi jenis turbin yang digunakan adalah jenis turbin angin tipe savonius dengan dimensi D x L yaitu 0, 45 meter x 1,5meter, pada gambar 3.2sudu turbin savonius

Gambar 4.1 Sudu Turbin Savonius

4.2 Pembuatan Dimensi generator magnet permanen fluks aksial .

Perhitungan luasan rotor Rotor generator magnet permanen fluks aksial.

Dy = 2[ ]

Dy = ( 0,22 mm

Dout = 160,22 mm

Din =160,22 – 4 x ( 12,5) = 110,22 mm

Table 1 Rotor Generator Magnet Permanen Fluks Aksial

Symbol keterangan mm

z Diemeter luar 160,22

r Lubang poros 12

y Jari –jari luar 80,11 x Jari –jari dalam 55,11 p Diameter magnet

permanent

25

q Jarak antar magnet 1

Gambar .4.2 Rotor Generator Magnet Permanen Fluks Aksial Dengan Menggunakan Software Autocad.

4.3 Dimensi Stator

stator merupakan bagian yang diam pada generator aksial yang terdiri dari 9 kumparan

Gambar 4.3 Stator Generator Aksial

Gambar 4.3 Stator Generator Aksial .2data Tabel Stator

Simbol Keterangan Panjang (cm)

Jari – jari stator bagian dalam

3

Jari – jari stator bagian luar 5 Lebar lubang stator bagian

luar

0,5

Lebar lubang stator bagian dalam

1,5

Tbl Tebal kumparan stator 0,5

Banyak lilitan 50

Panjang lilitan 3705

Diameter kawat 0,45

4.4 Tegangan Induksi

Generator ini didesain untuk berkerja pada putaran 560 rpm dengan frekuensi 56 Hz. Tegangan induksi yang dihasilkan oleh generator ini dapat dihitung dengan persamaan.

(3.9)

4,44 x 30 x 100 x 0,000493 x 3 = 19,7 volt (AC)

19,7 x

= 34,1 Vdc

4.5 Hasil Percobaan.

Tabel 4. Data hasil perbandingan perhitungan dengan dan pengukuran berdasarkan waktu

Berikut ini adalah perbandingan grafik berdasarkan waktu dan tegangan yang dihasilkan. Hasil perbandingan berdasarkan tampilan grafik, dibagi menjadi 4 grafik beradaskan waktu, grafik A dari pukul 01.00 – 06.00. garik B dari pukul 07.00 – 13.00. grafik C dari pukul 14.00 – 18.00. grafik D pukul 19,00 – 00.00.

Gambar 1 Grafik A Perbandingan Ukur Dan Hitung

.

Garik B dari pukul 07.00 – 13.00.

Gambar 2 Grafik B Perbandingan Ukur Dan Hitung

Grafik C dari pukul 14.00 – 18.00.

Gambar 3 grafik C perbandingan ukur dan hitung Grafik D pukul 19,00 – 00.00

Gambar 4 grafik D perbandingan ukur dan hitung

4.6

Pembahasan

Berdasarkan data diatas semakin cepat putaran turbin maka semakin cepat pula putaran generator, sehingga keluarannya semakin besar. Dengan demikian pengukuran efektif pengisian akumulator dari pukul 10.00 – 18.00. disebabkan kerapatan medan magnet sangat kecil. Sehingga diameter kawat kecil, maka arus yang dihasilkan kecil. Pada kisaran pukul 13.00 -14.00 tegangan yang dihasilkan sebesar 30 Vdc merupakan tegangan yang paling besar dan daya yang dihasilkan 8, 65 watt

5. kesimpulan.

1.

Semakin cepat putaran penggerak maka semakin besar tegangan yang dihasilkan.

2. Pada pukul 10.00 – 18.00 merupakan waktu yang efektif untuk pengisian akumulator, dimana pada pukul tersebut tegangan yang dihasilkan berkisar dari dari 13 volt dc sampai 30 volt dc.

4. Pembangkit listrik tenaga angin dengan menggunakan generator Magnet Permanen Fluks Aksial ini sangat tepat digunakan untuk penerangan lampu jembatan karena pada siang hari angin pada daerah jembatan mampu mengisi akumulator.

5.2 saran

Penelitian tentang perancangan prototipe generator magnet permanent fluks aksial pada pembangkit listrik tenaga angin untuk penerangan lampu jaan dapat dikembangtkan lebih lanjut dengan memvariasikan lilitan serta kerapatan magnet

REFERENSI

[1] Purwanto adtyo dkk, 2011, Rancang Bangun Turbin Angin Vertikal Untuk Penerangan Rumah Tangga, Laporan Tugas Akhir. fakultas teknik program studi diploma iii teknik mesin semarang

[2] Pane Ennopati.2009, Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (aplikasi pada generator sinkron di pltd pt. manunggal wiratama) ,departemen teknik elektro fakultas teknik universitas sumatera utara medan

[3] Dimas waluyo jati, Perancangan Generator Fluks Aksial Putaran Rendah Magnet Permanen Jenis Neodymium (Ndfeb) Dengan Variasi Celah Udara, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik – Universitas Diponegoro

[4] 4Chatra Hagusta Prisandi, 2011”Studi Desain Kumparan Stator Pada Generator Sinkron Magnet

Permanen Fluks Aksial Tanpa Inti Stator” Universitas Indonesia.

[5] Edo Adhi Fitradhana, 2012 “Studi Desain Rotor Generator Sinkron magnet Permanen Fluks Aksial

Jenis Cakram” Universitas Indonesia.

[6] M Kahlil Firdausi, 2010”Simulasi Pengaruh Disain Magnet Permanen Pada Generator Sinkron Fluks Aksial Rotor Cakram Ganda Stator Tanpa Inti” Universitas Indonesia.

[7] Sukma Harry, 2012 “ Rancang Bangun Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro Sistem Terapung ”Jurusan Teknik Elektrofakultas Teknik Universitas Syiah Kuala Darussalam-Banda Aceh