LAPORAN PENELITIAN
PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
BAYU 400 WATT TIPE HORIZONTAL AXIS DENGAN
GENERATOR TIGA FASA
Tim Peneliti :
Joko Kuncoro, S.T., M.T Ketua Asepta Surya W., S.T., M.T Anggota M. Zaky Zaim M, ST., M.Eng Anggota
KEMENTERIAN ENERGI DAN SUMBER DAYA MINERAL REPUBLIK INDONESIA
BADAN PENDIDIKAN DAN PELATIHAN ENERGI DAN SUMBER DAYA MINERAL
PERGURUAN TINGGI KEDINASAN AKADEMI MINYAK DAN GAS BUMI
CEPU
DAFTAR ISI
BAB I PENDAHULUAN ………..…….…..… 1
1.1 Latar Belakang Masalah ………..….…...… 1
1.2 Tujuan dan Manfaat ...……….………...…… 1
1.3 Sistematika Penulisan ………...…...……. 2
BAB II LANDASAN TEORI ………...………... 3
2.1 Energi Angin ...….…………...……... 3
2.1.1 Energi Kinetik Angin ...………...…… 3
2.1.2 Daya Energi Angin ………...…...…………....………… 4
2.2 Turbin Angin... 5
2.2.1 Kincir Angin Horizontal …...…. 6
2.2.2 Kincir Angin Vertikal ... 7
2.3 Generator ... 8
BAB III PERANCANGAN TURBIN ANGIN ... 11
3.1 Pendahuluan ………...…...……… 11
3.2 Pemilihan Generator ………...……....…..… 12
3.3 Pemilihan Stator dan Rotor... 13
3.4 Penggulungan Kumparan pada Stator ... 14
3.5 Pemasangan Stator dan Rotor... 18
3.6 Sistem Kendali ... 20
3.6.1 Sudu …...…. 21
3.6.2 Ekor ... 21
3.6.3 Yaw Mekanisme …...…. 22
3.6.4 Sistem Pengereman ... 23
BAB IV IMPLEMENTASI DAN PENGUJIAN GENERATOR... 25
4.1 Metode Pengumpulan Data …..………...…...……... 25
4.2 Pengujian Laboratorium ………...…………...…….…. 25
4.3 Pengujian Lapangan... 28
BAB V KESIMPULAN ...………...… 35
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Kerapatan Sudu ... 5
Gambar 2.2. Komponen Utama Turbin Angin Sumbu Horizontal ... 7
Gambar 2.3. Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal ... 8
Gambar 2.4. Konstruksi Generator ... 8
Gambar 2.5. Kaidah Tangan Kanan Fleming ... 9
Gambar 3.1 Bagan Alir Tahapan Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin ... 12
Gambar 3.2. Alur Kumparan dalam Stator ... 13
Gambar 3.3. Kerangka Luar Stator ... 13
Gambar 3.4. Rotor Generator ... 14
Gambar 3.5. Metode Gulungan pada Stator ... 15
Gambar 3.6. Tahap Penggulungan Phase R ... 15
Gambar 3.7. Tahap Penggulungan Akhir ... 16
Gambar 3.8. Pengukuran Resistansi setiap Phase. ... 16
Gambar 3.9. Pengukuran Resistansi antar Phase. ... 17
Gambar 3.10. Pengukuran Resistansi antar Phase setelah dipasang Isolator ... 17
Gambar 3.11. Memasukkan Alur Pada Kerangka Stator ... 18
Gambar 3.12. Alur terpasang pada Stator ... 18
Gambar 3.13. Pemasangan Kabel AC dan DC pada Penyearah ... 19
Gambar 3.14. Pemasangan Rotor pada Kerangka Stator. ... 19
Gambar 3.15. Pemasangan Penutup Depan Generator ... 20
Gambar 3.16. Desain Sudu Generator Tampak Samping dan Depan ... 21
Gambar 3.17. Desain Ekor Generator ... 22
Gambar 3.18. Yaw Mekanisme ... 23
Gambar 3.19. Mekanisme Pengereman dengan Mengubah Posisi Ekor ... 24
Gambar 4.1. Peralatan Uji Laboratorium ... 25
Gambar 4.2. Grafik Tegangan terhadap Kecepatan ... 27
Gambar 4.3. Grafik Arus terhadap Kecepatan ... 27
Gambar 4.4. Hasil Pengukuran Tegangan dan Arus pada beban 40 Watt ... 28
Gambar 4.5. Proses Pemasangan Generator pada Tower ... 28
Gambar 4.6. Alat Pengukur Kecepatan Angin ... 29
Gambar 4.8. Grafik Arus terhadap Kecepatan ... 32
Gambar 4.9. Grafik Prediksi Arus Generator terhadap Kecepatan Angin ... 33
Gambar 4.10. Pengukuran Pengujian Lapangan. ... 34
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Pengujian Generator Tanpa Beban... 26
Tabel 4.2 Pengujian Generator Beban 40 Watt... 26
Tabel 4.3 Pengujian Generator Tanpa Beban... 29
Tabel 4.4 Pengujian Generator Beban 35 Watt... 30
Tabel 4.5 Pengujian Generator Beban 70 Watt... 31
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Dewasa ini, penggunaan energi terutama energi listrik diperlukan sekali oleh masyarakat yang sudah maju maupun yang sedang berkembang dalam jumlah yang besar, namun diusahakan dengan biaya serendah mungkin. Banyak sekali energi alternatif dari alam terutama di Indonesia yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik. Salah satu contoh alternatif energi yang dapat dipilih adalah angin, karena angin terdapat dimana-mana sehingga mudah didapat serta tidak membutuhkan biaya besar. Karena energi listrik tidak dihasilkan langsung oleh alam maka untuk memanfaatkan angin ini diperlukan sebuah alat yang yang bekerja dan menghasilkan energi listrik. Alat yang dapat digunakan adalah kincir angin. Kincir angin ini akan menangkap energi angin dan menggerakkan generator yang nantinya akan menghasilkan energi listik. Kincir angin yang penulis gunakan adalah kincir angin bersudu banyak dengan poros horisontal. Kincir ini dapat ditingkatkan efisiensinya untuk mendapat koefisien daya yang maksimal. Salah satunya dengan penggunaan magnet permanen. Generator Magnet Permanen (PGM), mesin listrik pada dasarnya adalah suatu peralatan yang digunakan untuk konversi energi, yaitu dari energi mekanik menjadi energi listrik, energi listrik menjadi energi mekanik, atau dari energi listrik ke energi listrik dalam level tegangan yang lain. Fungsi ini sangat erat kaitannya dengan medan magnet sebagai medium dalam proses pengubahan energi.
Generator sinkron (alternator) adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga phase atau generator sinkron satu phase tergantung dari kebutuhan. Secara garis besar, generator memiliki 2 komponen utama yaitu stator dan rotor yang menentukan jenis dan karakteristik generator. Rotor terbuat dari besi karbon yang ditempatkan magnet permanen (NdFeB) pada permukaannya. Rotor generator diputar oleh prime mover menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini menginduksi tegangan tiga phase pada kumparan stator generator.
1.2 Tujuan dan Manfaat
Tujuan :
1. Mengaplikasikan kincir angin sebagai penggerak mula generator. 2. Menguji kemampuan generator dalam menghasilkan listrik.
2 3. Menganalisa pengaruh kecepatan angin dengan besarnya daya listrik yang dihasilkan
generator. Manfaat :
1. Bagi Dosen, dapat dijadikan sebagai media untuk penelitian dan pengembangan dengan skala yang lebih besar lagi.
2. Bagi Mahasiswa, dapat memahami mengenai kegunaan turbin angin sebagai pembangkit tenaga listrik dan sebagai sarana praktek di kampus.
3. Bagi Pemerintah, dapat dijadikan sebagai masukan referensi untuk pembangkit listrik tenaga angin dan dimanfaatkan untuk kepentingan masyarakat Indonesia.
1.3 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan dalam penelitian ini adalah:
a. BAB I berisi tentang latar belakang, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.
b. BAB II berisi landasan teori yang membahas, energi angin, turbin angin.
c. BAB III berisi metodologi penelitian yang membahas tentang waktu dan lokasi penelitian, alat, tahap implementasi, pengujian dan teknik analisa data, di mana bab ini merupakan langkah yang digunakan untuk membahas bab berikutnya.
d. BAB IV membahas tentang hasil penelitian dan analisanya sesuai dengan urutan masalah yaitu membahas tentang hasil pengujian dan unjuk kerja dari generator
e. BAB V berisi kesimpulan dan saran f. BAB VI berisi daftar pustaka
3
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Energi Angin
Salah satu energi terbarukan yang berkembang pesat di dunia saat ini adalah energi angin. Energi angin merupakan energi terbarukan yang sangat fleksibel. Energi angin dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya pemompaan air untuk irigasi, pembangkit listrik, pengering atau pencacah hasil panen, aerasi tambak ikan/udang, pendingin ikan pada perahu-perahu nelayan dan lain-lain. Selain itu, pemanfaatan energi angin dapat dilakukan di mana-mana, baik di daerah landai maupun dataran tinggi, bahkandapat di terapkan di laut, berbeda halnya dengan energi air.
Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat sehingga zat tersebut mempunyai pengaruh pada keadaan sekitarnya. Menurut mediumnya dikenal banyak jenis energi antaranya, energi gelombang, energi arus laut, energi kosmos, energi yang terkandung pada senyawa atom, dan energi-energi lain yang bila dimanfaatkan akan berguna bagi kehidupan manusia. Salah atunya adalah energi angin yang jumlahnya sangat tak terbatas dan banyak dimanfaatkan untuk meringankan kerja manusia. Angin memberikan energi gerak sehingga mampu menggerakkan kincir angin, perahu layar, dan bahkan bisa dimanfaatkan untuk pembangkit listrik yang berupa turbin angin.
Keberadaan energi angin ini terdapat di atsmosfer atau lapisan udara bumi yang mengandung banyak partikel udara dan gas. Kondisi atmosfer atau lapisan udara yang menyelimuti bumi mengandung berbagai macam molekul gas dan terdiri daribeberapa lapisan. Lapisan atmosfer yang paling rendah berupa troposfer. Lapisan troposfer sangat tipisbila dibandingkan dengan diameter bumi. Bumi memiliki diameter sekitar 12.000 km lebih besar dibandingkan troposfer yang memiliki ketebalan sekitar 11 km. Pada lapisan troposfer, semua peristiwa cuaca termasuk angin terjadi.
2.1.1 Energi Kinetik Angin
Bentuk energi yang terdapat pada angin yang dapat diekstraksi oleh turbin angin adalah energi kinetiknya. Angin adalah massa udarayang bergerak. Besarnya energi yang terkandung pada angin bergantung pada besarnya kecepatan angin dan massa jenis angin atau udara yang bergerak tersebut. Jika diformulasikan, besar energi kinetik yang terkandung pada angin atau udara bergerak yang bermassa m dan berkecepatan v adalah:
4
E = ½ . m . V2
E = Energi Kinetik (joule) m = massa udara (kg) V = kecepatan angin (m/s)
Energi kinetik yang terdapat pada angin berbanding lurus dengan massa jenis udara (ρ) dan berbanding lurus dengan kuadrat dari kecepatannya.
2.1.2 Daya Energi Angin
Daya angin adalah daya (watt) yang dibangkitkan oleh angin tiap luasan, sehingga daya angin dapat digolongkan sebagai energi potensial. Pada dasarnya daya angin merupakan angin yang bergerak per satuan waktu sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :
Daya = kerja / waktu
= energi kinetik / waktu = ½ . m . V2/ t = ½.(ρ.A.d.).V2 /t = ½ . ρ. A . V2 .(d/t) Îd/t = V = ½ . ρ. A . V3
Beberapa hal yang harus diingat : a. Daerah sapuan (A) = π. R2
(m2) daerah dari sapuan berbentuk lingkaran oleh rotor. b. ρ = kerapatan udara = 1,2 kg/m3
Contoh perhitungan daya yang terdapat di angin : Daya angin = ½ . ρ. A .V3
Kecepatan angin = V = 5 meters (m) per second (s), m/s Kerapatan udara = ρ = 1,0 kg/m3
Jari – jari sudu = R = 0,2 m = daerah sapuan = A = 0,125 m2 Daya angin = ½. ρ. A .V3 = (0,5) . (1,0) . (0,125) . (5)3 = 7,85 Watt Satuan energi = (kg/m3)x (m2)x (m3/s3) = (kg-m)/s2x m/s = N-m/s = Watt
5
Gambar 2.1. Kerapatan Sudu
2.2 Turbin Angin
Turbin angin merupakan salah satu alat yang mekanisme geraknya memanfaatkan energi angin. Banyak pemakaian turbin angin, khususnya di negara yang sudah berkembang, digunakan untuk menghasilkan listrik. Turbin angin yang digunakan dapat menghasilkan kapasitas listrik yang cukup tinggi yaitu mencapai ratusan megawatt. Adapun di negara berkembang, penggunaan turbin angin berada dalam skala riset. Hal ini dikarenakan teknologi yang berada di negara tersebut masih dalam tahap pengembangan untuk menghasilkan sebuah turbin angin yang bagus. Oleh karena itu, untuk riset turbin angin akan dicari sebuah desain dan bahan beserta analisanya untuk membuat turbin angin yang lebih baik dari sebelumnya.
Turbin angin adalah alat yang berfungsi untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi gerak berupa putaran rotor dan poros generator untuk menghasilkan energi listrik. Energi gerak yang berasal dari angin akan diteruskan menjadi gaya gerak dan torsi pada poros generator yang kemudian dihasilkan energi listrik. Turbin angin merupakan mesin penggerak yang energi penggeraknya berasal dari angin. Berdasarkan arah sumbu geraknya, turbin angin terbagi menjadi 2, yaitu: turbin angin sumbu horizontal dan vertikal. Sedangkan berdasarkan prinsip gaya aerodinamik yang terjadi, turbin angin dibagimenjadi 2, yaitu jenis: lift dan drag. Pengelompokan berdasarkan prinsip aerodinamik pada rotor yang dimaksud adalah apakah turbin angin menangkap energi angin dengan hanya memanfaatkan gaya drag
6
dari aliran udara yang melalui rotor atau memanfaatkan gaya lift yang dihasilkan dari aliran udaya yang melalui bentuk aerodinamis sudu. Dapat dikatakan terdapat turbin angin yang menggunakan rotor jenis drag dan turbin angin yang memanfaatkan rotor jenis lift. Dua kelompok ini memiliki perbedaan yang jelas pada kecepatan putar rotornya. Rotor turbin angin jenis drag berputar dengan kecepatan putar rendah sehingga disebut juga turbin angin putaran rendah. Rotor turbin angin jenis lift pada umumnya berputar padakecepatan putar tinggi bila dibandingkan dengan jenis drag sehingga disebut jugasebagai turbin angin putaran tinggi.
Turbin angin digolongkan menjadi dua kelompok berdasarkan arah sumbu geraknya yaitu turbin angin sumbu vertikal dan turbin angin sumbu horizontal. Turbin angin sumbu vertikal memiliki sumbu putar yang arahnya tegak lurus dengan tanah, sedangkan turbin angin sumbu horizontal memiliki sumbu putar yang sejajar dengan tanah. Setiap jenis turbin angin memiliki perancangan, kekurangan dan kelebihan masing-masing.
2.2.1 Kincir Angin Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal mempunyai sumbu putar yang terletak sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan arah angin. Komponen utama turbin angin sumbu horizontal meliputi: sudu (blade), ekor (tail), tiang penyangga (tower), dan alternator. Sudu pada turbin angin sumbu horizontal dibuat dengan material yang ringan supaya momen inersianya kecil sehingga mengakibatkan sudu bisa berputar pada kecepatan angin yang rendah. Misalnya material sudu yang digunakan berasal dari bahan kayu atau serat karbon. Semakin banyak jumlah sudu, semakin cepat putaran poros turbin, tetapi torsinya semakin kecil. Selain itu, banyaknya jumlah sudu menyebabkan turbulensi aliran udara dan tingkat kebisingan akibat efek suara (noise) semakin besar. Sebaiknya, untuk turbin angin dipilih sudu yang panjang sehingga torsi yang dihasilkan akan lebih besar. Ekor pada turbin berfungsi untuk menstabilkan kondisi turbin ketika sudu mulai berputar akibat gaya angin. Ekor akan membuat badan turbin selalu bergerak sehingga sudu akan selalu searah dengan arah datangnya angin. Meskipun arah angin selalu berubah-ubah, dengan bantuan ekorakan menyebabkan sudu selalu mengarah sesuai dengan arah datangnya angin. Toweradalah tiang penyangga yang menghubungkan perangkat turbin angin dengan permukaan tanah. Tower dibuat dengan material yang sangat kuat agar dapat menahan beban akibat gaya berat turbin angin dan gaya dari angin. Sedangkan alternator adalah sejenis generator yang dipasangkan pada turbin angin untuk menghasilkan daya listrik akibat putaran dari poros turbin. Poros turbin dipasang menyatudengan poros generator (satu poros) atau
7
bisa pula dengan dipasang sistem transmisi roda gigi (lebih dari satu poros). Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin, turbin angin aksial dibedakan menjadi dua macam yaitu:
1. Upwind 2. Downwind
Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi arah datang angin.
Gambar 2.2. Komponen Utama Turbin Angin Sumbu Horizontal
2.2.2 Kincir Angin Vertikal
Turbin angin sumbu vertikal adalah jenis turbin angin yang pertama dibuat manusia. Pada awalnya, putaran rotornya hanya memanfaatkan efek magnus yaitu karena adanya selisih gaya drag padakedua sisi rotor atau sudu sehingga menghasilkan momen gaya terhadap sumbu putar rotor. Salah satu contoh turbin angin sumbu vertikal jenis drag adalah turbin angin savonius, yang mana terdiri dari dua atau tiga lembar pelat yang dilengkungkan pada arah tangensial yang sama terhadap sumbu putar. Turbin angin sumbu vertikal modern menerapkan bentuk yang aerodinamis pada rotornya untuk menghasilkan momen gaya. Contohnya adalah turbin angin Darrieus. Pada turbin angin Darrieus, sudu dibentuk melengkung dan berputar menyapu ruangan seperti tali yang berputar pada sumbu vertikal. Hal ini menyebabkan bentuk geometri sudunya rumit dan sulit untuk dibuat. Rotor turbin angin Darrieus pada umumnya terdiri atasdua atau tiga sudu. Variasi dari turbin angin Darrieus adalah yang disebut dengan Turbin angin H (tipe H). Tersusun dari dua atau tiga sudu lurus yang dihubungkan dengan struktur rangka ke poros.
8
Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal adalah sederhana dalam perancangannya, diantaranya adalah memungkinkan menempatkan komponen mekanik dan komponen elektronik, transmisi roda gigi dan generator dekat permukaan tanah. Rotor turbin angin sumbu vertikal berputar tanpa dipengaruhi arah angin sehingga tidak mebutuhkan mekanisme pengatur arah (seperti ekor) seperti pada turbin angin aksial sumbu horizontal.
Gambar 2.3. Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal
2.3 Generator
Generator merupakan sumber utama energi listrik yang dipakai sekarang ini dan merupakan converter terbesar di dunia. Pada prinsipnya tegangan yang dihasilkan generator bersifat bolak-balik, sedangkan generator yang menghasilkan tegangan searah karena telah mengalami proses penyearahan.
Gambar 2.4. Konstruksi Generator
Generator adalah suatu mesin yang menggunakan magnet untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Prinsip generator secara sederhana dapat dikatakan bahwa
9
tegangan diinduksikan pada konduktor apabila konduktor tersebut bergerak pada medan magnet sehingga memotong garis-garis gaya.
Generator adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanikal, biasanya dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik. Walau generator dan motor punya banyak kesamaan, tapi motor adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Generator mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit listrik eksternal, tapi generator tidak menciptakan listrik yang sudah ada di dalam kabel lilitannya. Hal ini bisa dianalogikan dengan sebuah pompa air, yang menciptakan aliran air tapi tidak menciptakan air di dalamnya. Sumber enegi mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin mesin uap, air yang jatuh melakui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin, engkol tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimampatkan, atau apapun sumber energi mekanik yang lain.
Hukum tangan kanan Fleming berlaku pada generator dimana menyebutkan bahwa terdapat hubungan antara penghantar bergerak, arah medan magnet dan arah resultan dari aliran arus yang terinduksi. Apabila ibu jari menunjukkan arah gerakan penghantar, telunjuk menunjukkan arah fluks, jari tengah menunjukkan arah aliran elektron yang terinduksi.
Gambar 2.5. Kaidah Tangan Kanan Fleming
Hukum ini juga berlaku apabila magnet sebagai pengganti penghantar yang digerakkan. Jumlah tegangan yang diinduksikan pada penghantar saat penghantar bergerak pada medan magnet tergantung pada:
Kekuatan medan magnet, makin kuat medan magnet makin besar tegangan yang diinduksikan.
Kecepatan penghantar dalam memotong fluks, makin cepat maka semakin besar tegangan yang diinduksikan.
Sudut perpotongan, pada sudut 90 derajat tegangan induksi maksimum dan tegangan kurang bila kurang dari 90 derajat.
10
Panjang penghantar pada medan magnet.
Untuk menghasilkan energi listrik dari putaran turbin, perangkat turbin angin harus menggunakan generator. Generator adalah alat yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik. Prinsip kerja generator adalah menjadikan medan magnet yang ada di sekitar konduktor mengalami perubahan atau flukstuasi, sehingga timbul tegangan listrik. Magnet yang berputardisebut sebagai rotor dan konduktor yang diam disebut sebagi stator.
Dari segi sifat kemagnetan, generator dibagi menjadi 2 jenis, yaitu generator magnet tetap dan generator magnet sementara. Pada generator dengan magnet tetap, sifat kemagnetannya tidak berubah dan tidak mudah hilang. Untuk membangkitkan listrik dengan generator ini, dilakukan dengan memutar poros generator supaya menyebabkan flukstuasi magnet dan dihasilkan tegangan listrik. Untuk generator dengan magnet sementara, sifat kemagnetannya mudah hilang. Sifat medan magnet yang terjadi pada generator jenis ini dihasilkan dengan induksi. Untuk membangkitkan daya listrik, generator harus diberi arus listrik ketika kumparan magnetnya berputar.
Dari segi arus listrik yang dihasilkan, generator dibagi 2, yaitu generator arus bolak balik (AC) dan generator arus searah (DC). Generator arus bolak-balik (AC) menghasilkan tegangan yang arahnya bolak-balik dan biladihubungkan dengan beban akan menimbulkan arus yang bolak-balik pula. Generator AC dapat menghasilkan daya pada putaran yang bervariasi bergantung pada spesifikasi generator itu sendiri.
Pada generator arus searah (DC) terdapat rectifier yang berfungsi untuk mengubah arus AC menjadi DC. Generator ini menghasilkan tegangan yang arahnya tetap dan bila dihubungkan dengan beban, akan menghasilkan arus yang searah pula. Pada umumnya generator arus searah dapat menghasilkan listrik pada putaran yang tinggi. Untuk digunakan pada turbin angin, jenis generator ini memerlukan transmisi untuk menaikkan putaran. Pada penelitian turbin angin ini, generator yang digunakan adalah generator AC dengan menggunakan magnet permanen. Generator jenis ini disebut juga Permanent Magnet Generator (PMG) yang dapat menghasilkan tegangan dan daya listrik pada putaran yang rendah.
11
BAB III
PERANCANGAN TURBIN ANGIN
3.1 Pendahuluan
Dalam pembuatan suatu mesin pada umumnya, terutama mesin turbin, aspek desain memegang peranan yang sangat penting. Sebelum suatu alat dibuat dan diujikan, alat tersebut perlu didesain oleh perancang supaya dapat diketahui gambaran awal mengenai alat tersebut. Dengan desain dapat diketahui bentuk alat, komponen-komponen mesin yang digunakan, letak kelemahan, titik kritis, hubungan dengan mesin lain dan mekanisme penggunaan alat ketika sudah jadi. Desain awal ini dapat menjadi pijakan untuk langkah berikutnya dalam pembuatan alat.
Pembuatan prototipe merupakan bagian awal dari pembuatan mesin dalam kapasitas yang lebih besar. Dengan prototipe, gambaran awal mengenai mesin tersebut dapat diketahui, sehingga mempermudah untuk pembuatan mesin selanjutnya. Selain itu, prototipe yang dibuat akan dievaluasi berkaitan dengan desain awal yang digunakan. Kelemahan-kelemahan yang terjadi dalam pembuatan prototipe ini akan menjadi acuan proses berikutnya, sehingga pembuatan mesin berikutnya akan lebih baik lagi. Termasuk dalam pembuatan prototipe turbin angin adalah pembuatan kompenen-komponen yang melingkupinya. Pembuatan komponen merupakan langkah awal dalam pembuatan prototipe. Komponen-komponen yang sudah jadi akan dirakit (assembly) membentuk turbin angin.
Turbin angin memiliki beberapa komponen, seperti: sudu rotor, hub, generator, mekanisme yaw (yaw mechanism), ekor turbin, dan tiang penyanggah. Komponen-komponen turbin angin dalam penelitian ini dirancang dan dibuatkan barangnya, sedangkan generator yang digunakan sebagai penghasil energi listrik merupakan produk jadi yang berupa permanent magnet generator (PMG) yang mempunyai spesifikasi khusus, sehingga kapasitas listrik dan dayanya sudah tertentu. Untuk mentransmisikan putaran dan torsi dari sudu rotor terhadap poros generator, pangkal rotor menempel pada poros generator sehingga ketika sudu rotor berputar maka akan memutar poros generator sehingga akan dihasilkan energi listrik. Tahapan perancangan dan pembuatan turbin angin dapat dilihat pada blok diagram berikut :
12
Gambar 3.1 Bagan Alir Tahapan Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin
3.2 Pemilihan Generator
Generator adalah alat yang mengubah energi mekanik atau gerak menjadi energi listrik. Energi listrik yang dihasilkan berasal dari perubahan medan magnet yang terdapat di dalam generator. Magnet ini dapat berupa kumparan kabel-kabel terlilit yang dialiri arus listrik dengan cara induksi atau suatu magnet yang sifatnya permanen (permanent magnet). Magnet yang berasal dari kumparan kabel-kabel mempunyai sifat kemagnetan sementara. Untuk menghasilkan magnet, kumparan kabel-kabel ini dialiri arus listrik dan dikenal dengan istilah induksi elektromagnetik. Kumparan kabel-kabel tersusun melilit sekitar plat konduktor. Jika lilitan kabel yang dialiri arus listrik dan memiliki sifat elektromagnetik ini bergerak (misalnya berputar) sehingga terjadi fluktuasi medan magnet, maka akan timbul gaya gerak listrik (ggl) dan beda tegangan listrik.
Selain berasal dari kumparan lilitan kabel yang dialiri arus listrik supaya terjadi kemagnetan yang sifatnya sementara, magnet pada generator juga dapat berupa magnet permanen (permanent magnet). Magnet permanen ini diletakkan di dalam generator dan mengelilingi plat konduktor. Ketika terjadi fluktuasi medan magnet karena adanya putaran dari platkonduktor atau magnet permanen tersebut, maka terjadi gaya gerak listrik (ggl) dan beda tegangan listrik.Kelebihan pemakaian magnet permanen dibandingkan magnet induksi adalah pada permanen magnet beda tegangan yang terjadi lebih besar, putaran plat konduktor atau magnet dapat lebih rendah untuk menghasilkan beda tegangan, dan tidak perlu adanya arus listrik induksi (non induksi elektromagnetik). Generator yang digunakan pada penelitian ini diharapkan dapat menghasilkan daya 400 watt dengan putaran optimal 400 RPM.
Pemilihan jenis generator Menentukan metode gulungan Menggulung kumparan pada stator Pemasangan stator dan rotor Pemilihan
stator dan rotor
Uji tegangan dan arus skala lab. Sudu, Ekor dan
Yaw mekanisme Uji tegangan dan
13
3.3 Pemilihan Stator dan Rotor
Stator terbuat dari terdiri dari beberapa coil atau kumparan dari kawat tembaga yang dilapisi oleh bahan isolator. Besar putaran minimal yang diperlukan generator AC untuk dapat menghasilkan energi listrik bergantung pada jumlah kutub dan kumparan dalam pada stator. Jumlah kumparan menentukan tegangan yang bisa dikeluarkan oleh generator dan besar diameter kawat menentukan besar arus yang dapat dihasilkan oleh generator. Stator terdiri dari kerangka generator dan alur tempat kumparan. Alur kumparan digunakan dari bahan plat besi yang disusun sebanyak 50 buah dan dihubungkan menjadi satu sebanyak 12 alur. Alur kumparan terletak didalam stator yang berisi lilitan dengan aturan putaran yang telah ditentukan.
Gambar 3.2. Alur Kumparan dalam Stator
Kerangka luar stator berupa bahan aluminium yang mempunyai diameter 14 cm dan panjang 8.5 cm. Pada kerangka stator terdapat kisi-kisi yang digunakan sebagai pendingin. Kerangka ini tempat dari kumparan dan rotor serta rangkaian penyearah dari AC ke DC.
14 Kerangka stator terhubung dengan poros atau yaw mekanisme dimana yaw mekanisme sebagai slip ring dan pengendali dari posisi dari generator. Kerangka stator terdapat dua bagian yaitu depan dan belakang. Bagian depan digunakan sebagai tempat penghubung rotor dengan sudu dan bagian belakang digunakan sebagai tempat dari rangkaian penyearah AC ke DC.
Rotor merupakan bagian dari generator yang berputar, rotor mempunyai bagian-bagian seperti magnet permanen, poros, bearing dan alur besi (tempat magnet). Rotor ini mempunyai magnet permanen sebanyak 10 buah dengan panjang poros 17 cm. Pemilihan magnet permanen dengan bertujuan dapat menghasilkan energi pada putaran rendah. Semakin banyak jumlah kutub generator maka putaran yang dibutuhkan semakin kecil untuk membangkitkan energi listrik.
Gambar 3.4. Rotor Generator
3.4 Penggulungan Kumparan pada Stator
Setelah pemilihan stator dan rotor yang digunakan maka direncanakan masing-masing alur terdiri atas 45 lilitan dan tiap 4 alur digabung secara seri sehingga didapat 3 fasa tegangan. Semakin banyak jumlah kumparan maka akan meningkatkan besar tegangan dan semakin besar diameter akan meningkatkan arus yang keluar. Pada perencanaan ini digunakan diameter kawat sebesar 1 mm dengan harapan dapat menghasilkan arus yang cukup besar dalam putaran rendah. Adapun pola gulungan yang direncanakan seperti gambar dibawah ini
15
Gambar 3.5. Metode Gulungan pada Stator
Pola lilitan dapat dimulai dari titik 0 pada alur pertama dengan arah putaran berlawanan jarum jam / kekiri sebanyak 45 lilitan dan diteruskan ke alur sebelahnya dengan arah putaran searah jarum jam / kekanan sebanyak 45 lilitan. Arah alur yang berlawanan bertujuan agar tercipta medan magnet yang membentuk kutub – kutub magnet utara dan selatan. Setelah 2 alur yang berpasangan selesai maka hubungan dilanjutkan dengan alur lain dengan beda 4 alur yang dilompati. Beda 4 alur yang dilompati menyebabkan 2 alur pasangan yang pertama dan kedua membentuk sudut 120° sehingga dapat membentuk 3 phase. Keluaran dari akhir alur digunakan sebagai keluaran tegangan phase untuk gulungan pertama dinamai dengan R dan kedua S serta terakhir T. Ujung kumparan yang merupakan titik nol setiap phase dihubungkan menjadi satu dan keluaran 3 phase RST tegangan AC dimasukkan ke rangkaian penyearah untuk menghasilkan tegangan DC.
Gambar 3.6. Tahap Penggulungan Phase R
Pada tahap penggulungan lilitan pada alur diperlukan ketelitian dan ketepatan dalam menanta setiap lilitan. Lilitan dapat disusun secara rapi bersebelah dan rapat sehingga alur stator dapat terpenuhi serta tidak menyebabkan over lapping dengan alur sebelah. Kesulitan yang diperoleh saat penggulungan yaitu mengatur posisi lilitan dengan baik apabila ada kesalahan pada peletakan ini menyebabkan alur pada stator tidak bisa tertutup rapat dan lebih buruknya alur stator tidak dapat dimasukkan ke dalam kerangka stator.
16
Gambar 3.7. Tahap Penggulungan Akhir
Dalam pembuatan gulungan ini diperlukan tenaga ektra dan kerapihan dalam membentuk lilitan yang baik sehingga dibutuhkan kerjasama dalam mengerjakan. Dalam kondisi pada gambar diatas terdapat kesulitan dalam menyelesaikan lilitan terakhir karena lilitan alur terlalu padat untuk dapat dimasuki kumparan sejumlah 45 lilitan sehingga dicarikan celah di antara lilitan yang dapat dimasuki oleh kawat. Proses selanjutnya mengukur resistansi dari setiap phasenya dengan cara menggunakan ohm meter dan menghubungkan ujung lilitan sebagai 0 dan ujung lain sebagai keluaran phase.
Gambar 3.8. Pengukuran Resistansi setiap Phase.
Pengukuran pada gambar diatas diperoleh nilai resistansi sebesar 0.4 Ohm semakin kecil nilai resistansi maka semakin kecil hambatan yang peroleh sehingga dapat memperbesar arus yang keluar. Nilai resistansi dari phase R, S dan T adalah sama yaitu 0.4 Ohm. Setelah mengukur setiap phase kemudian diukur antar phasenya RST dengan menghubungkan ketiga ujung 0 menjadi satu dan pengukuran dilakukan di ujung-ujung phasenya.
17
Gambar 3.9. Pengukuran Resistansi antar Phase.
Dari hasil pengukuran diperoleh nilai 0.8 Ohm hasilnya telah sesuai karena 2 kali dari nilai setiap phase yang bernilai 0.4 Ohm. Hasil pengukuran pada antar phase diperoleh hasil yang sama RS = 0.8 Ω, RT = 0.8 Ω dan ST = 0.8 Ω dengan hasil ini jumlah lilitan yang terdapat disetiap alur jumlahnya sama banyak yaitu 45 lilitan.
Setelah dilakukan pengukuran maka tahap selanjutnya memasang isolator / pengaman dan konektor penghubung ke rangkaian penyearah. Pemasangan pengaman ini bertujuan menghindari gesekan atau bersentuhannya dengan rotor, karena tempat yang sempit didalam stator dan celah yang rapat dengan stator dapat menyebabkan kumparan bergesekan dan menyebabkan kumparan terkelupas. Kemudian semua kabel diperiksa kembali hubungannya dan nilai resistasinya untuk memastikan kondisinya sesuai dengan yang diharapkan jangan sampai hubungan kabel terputus.
18
3.5 Pemasangan Stator dan Rotor
Kumparan pada stator yang telah digulung dan diperiksa hubungannya kemudian dilakukan pemasangan ke dalam kerangka stator. Pemasangan dilakukan dengan secara hati-hati diharapkan alur kumparan dapat masuk ke dalam kerangka tanpa merusak lilitan. Alur kumparan dimasukkan melalui depan dari posisi stator dengan cara dipukul menggunakan palu dan kayu pada sekelilingnya secara bersamaan.
Gambar 3.11. Memasukkan Alur Pada Kerangka Stator
Pemasangan alur stator kedalam stator harus dalam posisi rata antara satu dengan yang lain. Alur dimasukkan sampai posisi lilitan rata dengan tepi luar kerangka stator. Ketinggian alur disesuaikan dengan posisi magnet rotor apabila posisi magnet dan alur tidak sesuai maka mempengaruhi hasil putaran dan keluaran tegangan atau arus menjadi tidak optimal.
19 Rangkaian penyearah digunakan untuk mengubah tegangan AC 3 phase menjadi tegangan DC. Pemasangan rangkaian penyearah diletakkan pada penutup belakang dari kerangka stator. Sebelum pemasangan rotor ke dalam kerangka stator maka dilakukan pemasangan kabel RST pada masukan dari rangkaian penyearah. Pemasangan kabel RST dapat dilakukan secara acak disesuaikan dengan panjang kawat yang tersedia. Kabel keluaran DC dihubungkan dengan rangkaian yang ditandai dengan warna merah sebagai positif dan warna hitam sebagai negatif. Kutub positif dan negatif DC tidak boleh ditukar/dibalik seperti AC.
Gambar 3.13. Pemasangan Kabel AC dan DC pada Penyearah
Rangkaian penyearah AC ke DC berisikan komponen utama berupa dioda bridge 35 A sebagai penyearah 3 phase sebanyak 2 buah, kapasitor 1000uF/63V sebagai filter sebanyak 3 buah, dioda 6 A sebanyak 6 buah sebagai pengaman arus/tegangan jika terjadi feedback, dioda zener 1N47 47A022 sebanyak 1 buah sebagai pembatas tegangan.
20 Pemasangan rotor didalam kerangka stator perlu diperhatikan kembali posisi dari alur stator jika terdapat perbedaan ketinggan maka disesuaikan kembali agar kuat medan magnet dengan posisi alur menjadi tepat sehingga gaya gerak listrik yang dihasilkan dapat optimum. Pada perancangan ini terdapat kendala karena rotor tidak berputar secara penuh. Penyebabnya pada alur stator ada permukaan yang menonjol sehingga menghambat pada putarannya. Penonjolan yang terjadi di alur disebabkan posisi alur tidak menutup rapat karena banyaknya lilitan pada alur yang tebal.
Gambar 3.15. Pemasangan Penutup Depan Generator
Setelah rotor dapat diputar dengan sempurna maka pemasangan terakhir yaitu menutup bagian depan generator. Pemasangan dilakukan dengan hati-hati karena dapat menyebabkan posisi poros tidak center jika dipaksakan maka putaran rotor menjadi berat atau macet.
3.6 Sistem Kendali
Sistem kendali merupakan kumpulan dari sudu, ekor, yaw mekanisme dan sistem
pengereman. Sistem kendali digunakan untuk mengatur posisi dari generator agar dapat menghasilkan energi yang optimal. Sudu merupakan bagian depan yang berfungsi menangkap energi angin yang akan berputar menggerakkan rotor. Ekor merupakan bagian belakang generator yang berfungsi sebagai penyeimbang kecepatan dari generator dan kecepatan dari angin sehingga generator tetap mengarah pada arah angin. Yaw mekanisme digunakan sebagai poros putar yang terhubung dengan kerangka stator sehingga sudu dapat menangkap arah angin dari segala penjuru. Sistem pengereman yaitu penggabungan dari yaw mekanisme dan ekor yang berfungsi menjaga agar generator tidak over revolution.
21
3.6.1 Sudu
Blade / Sudu merupakan komponen turbin angin yang sangat signifikan. Sudu berkontak dengan udara yang mengakibatkan sudu bergerak (berputar) karena adanya gaya drag dan lift. Pangkal sudu menempel pada suatu hub yang menghubungkan antara sudu dengan poros. Gerak putar sudu karena efek gaya drag dan lift akan memutar poros generator yang pada akhirnya akan timbul energi listrik. Oleh karena putaran pada sudu merupakan suatu hal yang menentukan dalam pembangkitan daya, maka kontruksi sudu pun harus dibuat sebaik mungkin.
Pada kontruksi sudu ini berbahan fiber karena selain mudah dibuat dan kuat untuk kondisi yang cuaca yang berubah-ubah. Sudu ini mempunyai spesifikasi sebagai berikut : Panjang 44.5 cm, lebar belakang 8.4 cm, lebar depan 4.5 cm,sudut kemiringan 45°.
Gambar 3.16. Desain Sudu Generator Tampak Samping dan Depan
3.6.2 Ekor
Ekor turbin angin (tail) adalah komponen yang letaknya di bagian belakang turbin angin. Fungsi ekor adalah untuk merespon angin dan menstabilkan gerakan turbin angin sehingga sudu rotor selalu menghadap arah datangnya angin. Selain itu, ekor dapat berfungsi sebagai penyeimbang terhadap berat komponen turbin angin bagian depan seperti generator, hub, dan sudu rotor. Gaya yang terjadi pada ekor berupa gaya drag dan lift akibat energi angin, serta gaya berat dari material ekor tersebut. Pada poros ekor juga terjadi moment lentur (bending) akibat energi angin tersebut. Untuk mampu menahan beban yang diterima ekor,
10 cm 16 cm 28.5 cm
4.5 cm 8.4 cm
45° 4.5 cm
22 material yang digunakan untuk membuat ekor harus kuat. Dalam penelitian ini, material yang digunakan berupa baja karbon rendah. Kekuatan baja karbon rendah dalam menahan beban yang diterima menjadi acuan dalam pemilihan material.
Selain faktor material, desain dan kontruksi ekor memegang peranan penting. Pada penelitian turbin angin ini ekor yang dibuat berasal dari plat poros yang panjangnya 60 cm. Pada ujung ekor dipasang pelat berbentuk segitiga dengan sisi 24 cm, 31,5 cm, 32 cm. Penggunaan pelat ini bertujuan untuk merespon arah angin. Ekor disambung dengan mekanisme yaw dengan menggunakan baut dan mur. Pembuatan ekor dilakukan dengan cara menggabungkan (assembly) poros dengan plat yang berada pada bagian ujung belakang ekor dengan menggunakan mur dan baut. Sedangkan yang bagian depan poros dihubungkan dengan pengait yang yang menempel pada bagian yaw mechanism.
Gambar 2.17. Desain Ekor Generator
2.6.3 Yaw Mekanisme
Yaw Mechanism adalah komponen yang menghubungkan antara tiang penyanggah dan rangka turbin angin. Fungsi yaw mechanism adalah menjaga arah turbin angin sehingga sudu rotor selalu menghadap arah datangnya angin. Prinsip kerja yaw mechanism berupa putaran pada sumbunya dimana ketika sudu menerima angin dari arah samping, yaw mechanism akan berputar sehingga sudu tetap menghadap angin dan dapat berputar. Yaw mechanism menggunakan material dari logam seperti baja karbon atau alumunium paduan. Hal ini dikarenakan beban yang diterima yaw mechanism sangat besar yang berasal dari beban komponen turbin selain tiang dan beban dari energi angin itu sendiri. Oleh karena beban yang diterima sangat besar, maka material yang dipilih harus mampu menahan beban-beban tersebut dan baja atau alumunium alloy yang kuat merupakan material yang cocok untuk digunakan. 32 cm 31.5 cm 24 cm Lubang poros
23 Yaw mechanism terdiri dari beberapa komponen mekanis, seperti poros dalam, poros luar, dan bearing. Poros dalam digunakan untuk jalur kabel dari generator yang terhubung dengan kerangka stator dalam dan bearing sedangkan poros luar terhubung dengan rangka turbin angin. Pada poros dalam terdapat slip ring yang berupa ring penghubung yang dapat berputar sebagai penghubung kabel dari dalam generator dengan kabel keluaran dari yaw. Sehingga pada saat generator berputar mengikuti arah angin tidak menyebabkan kabel menjadi menyilang.
Sebuah rangka turbin angin terdiri dari generator, sudu, ekor, dan pipa penghubung yang sudah terpasang menjadi satu kesatuan. Karena poros luar menempel pada tiang penyangga/tower dengan cara dibaut, maka poros ini bersifat statis dan tidak berputar. Untuk poros dalam yang berhubungan dengan rangka cenderung bergerak (berputar) karena adanya gerak angin. Poros ini selalu berputar mengikuti putaran rangka turbin. Poros dalam dengan poros luar dihubungkan dengan menggunakan bearing. Bearing tersebut terdiri dari satu buah dan diletakan pada atas mekanisme yaw. Penggunaan bearing harus memperhatikan gerak putar poros dan beban poros sehingga poros luar tidak lepas. Dalam hal ini dapat diketahui bahwa bearing atas menerima beban radial, sehingga dalam perancangan turbin angin ini dipilih bearing radial untuk bagian atas. Pemilihan ukuran bearing sangat berkaitan dengan ukuran poros yang akan digunakan.
Gambar 3.18. Yaw Mekanisme
3.6.4. Sistem Pengereman
Sistem pengereman diberikan dalam dua tahap. Tahap pertama adalah melepaskan pin pengunci ekor sehingga ekor perpindah orientasi menjadi menyamping yang akibatnya turbin angin mengarah menyamping terhadap arah angin sehingga putaran rotor berkurang. Tahap kedua adalah dengan short circuit. Kabel-kabel kutub generator dihubungkan secara langsung
7 cm
41 mm Kabel DC
24 menyebabkan terjadinya arus pendek. Arus pendek ini menyebabkan generator memberi momen yang arahnya melawan arah putaran rotor. Bagaimana perubahan posisi ekor mengurangi putaran ditunjukkan oleh pada gambar berikut:
Gambar 3.19. Mekanisme Pengereman dengan Mengubah Posisi Ekor
Rotor turbin angin akan berputar dan mencapai performa yang maksimum jika arah angin sejajar dengan arah sumbu rotasi rotor. Pada posisi tersebut sudut yang dibentuk antara sumbu rotor dan arah angin adalah nol sehingga luas daerah sapuan rotor maksimum terhadap arah angin karena fluks angin yang melalui area sapuan rotor maksimum. Namun pada saat posisi rotor menyamping arah angin, tidak terjadi konversi energi oleh rotor karena luas area sapuan rotor dapat dikatakan nol terhadap arah angin. Hal ini karena sudut yang dibentuk oleh sumbu rotor dan arah angin adalah 90° (nilai cos 90° adalah nol). Artinya tidak ada fluks angin yang melalui area sapuan rotor.
Tahap kedua pengereman adalah dengan melakukan hubungan arus pendek atau short circuit. Cara pengereman ini dengan menghubungkan kabel kutub generator secara langsung. Arus pendek ini sangat besar dan menyebabkan timbulnya medan induksi elektromagnet yang besar pada generator yang arahnya melawan arah induksi magnet permanen. Medan induksi yang dihasilkan menimbulkan momen yang besar dan arahnya melawan arah rotasi rotor. Cara short circuit ini tidak selalu cocok untuk generator, namun generator yang digunakan pada penelitian ini memiliki kapabilitas untuk hal tersebut.
25
BAB IV
IMPLEMENTASI DAN PENGUJIAN GENERATOR
4.1 Metode Pengumpulan Data
Pada penelitian ini metode dalam pengumpulan data menggunakan 2 cara yaitu percobaan di laboratorium dan percobaan di lapangan. Pengumpulan data dilakukan di Workshop PLTHybrid Pandansimo Bantul-DIY, workshop ini mempunyai peralatan uji daya, tegangan dan arus menggunakan kopel motor induksi. Untuk percobaan di laboratorium digunakan motor induksi yang dihubungkan/dikopel menggunakan belt/sabuk dengan generator yang diuji. Motor ini digunakan untuk memutar generator dengan diatur dengan besarnya tegangan yang diberikan ke motor kemudian dibaca kecepatannya menggunakan thacometer. Percobaan di laboratorium dilakukan dengan berbagai metode antara lain uji generator tanpa beban dan menggunakan beban. Pengujian ini juga menggunakan aki 12 volt 105 Ah yang dipakai sebagai pengisian arus dari generator.
Pengujian di lapangan yaitu mengaplikasikan generator secara nyata dengan memasang sudu dan ekor pada tower yang tingginya + 8 meter. Sudu yang digunakan sebanyak 6 buah dengan besar sesuai dengan perencanaan, selain itu pada tower dilakukan pemantauan kecepatan angin menggunakan data logger berupa anemometer. Semua pengujian di laboratorium dan di lapangan menggunakan alat ukur berupa voltmeter dan ampermeter.
4.2 Pengujian Laboratorium
Pengujian dilaboratorium dilakukan dengan bantuan motor induksi sebagai pemutar generator dimana kecepatan yang digunakan mulai 0 sampai 400 RPM.
26 Tahap pengujian pertama dengan mengambil data sebagai berikut :
Tabel 4.1 Pengujian Generator Tanpa Beban
RPM Tegangan (V) Arus (V) 0 11.6 0 50 11.6 0 75 11.6 0 100 11.6 0 125 11.6 0 150 11.6 0.05 175 11.6 0.18 200 11.61 0.35 225 11.63 0.55 250 11.65 0.87 275 11.67 1.45 300 11.82 2.18 325 11.95 2.93 350 12.14 3.63 375 12.32 4.4 400 12.49 4.97
Tahap pengujian kedua dengan mengambil data sebagai berikut :
Tabel 4.2 Pengujian Generator Beban 40 Watt
RPM Tegangan (V) Arus (A) 0 11.72 0 50 11.72 0 75 11.72 0 100 11.72 0 125 11.72 0 150 11.72 0.03 175 11.73 0.15 200 11.74 0.31 225 11.76 0.49 250 11.78 0.63 275 11.85 1.23 300 11.93 1.88 325 12.05 2.64 350 12.18 3.47 375 12.31 4.18 400 12.46 4.85
Pada tahap pengujian diatas terlihat bahwa arus mulai muncul pada saat putaran 150 RPM sehingga tegangan pada pengisian aki mulai naik. Dilihat dari tabel diatas terdapat
27 perbedaan yang kecil terhadap arus yang dihasilkan generator, untuk arus tanpa beban lebih besar 0.12 A pada saat 400 RPM dibandingkan dengan pada beban 40 Watt.
Gambar 4.2. Grafik Tegangan terhadap Kecepatan
Gambar 4.3. Grafik Arus terhadap Kecepatan
11.6 11.6 11.6 11.6 11.6 11.6 11.6 11.61 11.63 11.65 11.67 11.82 11.95 12.14 12.32 12.49 11.72 11.72 11.72 11.72 11.72 11.72 11.73 11.74 11.76 11.78 11.85 11.93 12.05 12.18 12.31 12.46 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 0 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 Tegan gan ( V) RPM
Uji Generator
Tanpa beban Beban 40 W
0 0 0 0 0 0.05 0.18 0.35 0.55 0.87 1.45 2.18 2.93 3.63 4.4 4.97 0 0 0 0 0 0.03 0.15 0.31 0.49 0.63 1.23 1.88 2.64 3.47 4.18 4.85 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 0 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 A ru s (A) RPM
Uji Generator
28
Gambar 4.4. Hasil Pengukuran Tegangan dan Arus pada beban 40 Watt
Dari data pengujian pada tabel 4.1 bahwa diketahui arus yang dihasilkan pada saat 400 RPM yaitu 4.97 A sehingga jika keluaran dari generator 12 Volt maka daya yang dapat dihasilkan sebesar P = V*I = 12 * 4.97 = 59.64 Watt.
4.3 Pengujian Lapangan
Pengujian dilapangan dilakukan dengan menaikkan generator yang sudah lengkap terpasang sudu dan ekor ke atas tower yang tingginya + 8 meter.
Gambar 4.5. Proses Pemasangan Generator pada Tower
Pengujian dilakukan pada siang hari dengan kondisi cuaca cerah dan kecepatan rata-rata angin + 4 m/s. Kecepatan ini telah dapat kategorikan kecepatan yang normal untuk dapat
29 menghasilkan energi listrik. Pengujian ini dilakukan dengan 3 tahap yaitu pengujian tanpa beban, beban lampu 35 watt dan beban lampu 70 watt.
Gambar 4.6. Alat Pengukur Kecepatan Angin
Tahap pengujian pertama dengan mengambil data sebagai berikut :
Tabel 4.3 Pengujian Generator Tanpa Beban
Data ke- Kecepatan Angin (m/s) Tegangan (V) Arus (A) 1 3.2 12.5 1.09 2 5.5 12.42 0.86 3 4.6 12.38 0.52 4 0.8 12.22 0.01 5 1.4 12.22 0.01 6 4.3 12.3 0.84 7 3.5 12.38 1.07 8 2.3 12.36 0.4 9 3.8 12.24 0.28 10 2.5 12.23 0.01 11 0.5 12.2 0.01 12 0.2 12.28 0.8 13 3.6 12.23 0.3 14 3.3 12.24 0.8 15 2.5 12.28 0.25 16 3.3 12.27 0.8 17 4.1 12.29 0.3 18 4.5 12.26 0.4 19 4.8 12.3 0.52 20 4.4 12.3 0.4 21 4.6 12.27 0.57 Rata-rata 3.22381 12.29381 0.487619
30 Dilihat dari tabel 4.3 bahwa kecepatan angin tertinggi 5.5 m/s namun arus yang didapat 0.86 A tetapi pada saat 3.2 m/s arus 1.09 A. Pengumpulan data ini menunjukan bahwa kecepatan angin yang terjadi pada saat 5.5 m/s terjadi sesaat sehingga arus yang terjadi tidak menunjukkan pengingkatan yang maksimum. Kesulitan dalam pengambilan data disebabkan data kecepatan angin dan arus dilakukan dengan manual sehingga setiap detik perubahannya tidak akurat. Untuk daya yang dapat dihasilkan dari generator jika rata-rata arus 0.48 A maka daya P = V*I = 12*0.48 = 5.76 Watt.
Tahap pengujian kedua dengan mengambil data sebagai berikut :
Tabel 4.4 Pengujian Generator Beban 35 Watt
Data ke- Kecepatan Angin (m/s) Tegangan (V) Arus (A) 1 6.9 11.91 1.99 2 5.9 11.87 0.98 3 5.2 11.85 0.34 4 3.2 11.84 0.27 5 2.4 11.86 0.53 6 1.6 11.89 0.05 7 2.2 11.87 0.25 8 3.5 11.91 1.28 9 6.2 11.81 0.7 10 4.8 11.81 1.27 11 5.9 11.82 1.22 12 6.6 11.83 1.11 13 3.6 11.83 0.2 14 5.6 11.96 1.4 15 4.5 11.94 0.89 16 3.5 11.94 0.7 17 3.2 11.94 0.55 18 4.6 11.93 0.97 19 2.6 11.9 0.21 20 3.1 11.91 0.24 21 2.8 11.89 0.19 Rata-rata 4.185714 11.88143 0.730476
Perbandingan data dari tabel 4.3 dan tabel 4.4 menunjukkan bahwa rata-rata kecepatan angin meningkat 0.96 m/s dan rata-rata arus meningkat 0.24 A. Namun hasil pengisian aki menunjukkan penurunan karena aki diberikan beban lampu 35 watt sehingga pengisian aki menjadi tidak mencapai maksimum secara cepat karena harus mengeluarkan energinya untuk beban lampu.
31 Tahap pengujian ketiga dengan mengambil data sebagai berikut :
Tabel 4.5 Pengujian Generator Beban 70 Watt
Data ke- Kecepatan Angin (m/s) Tegangan (V) Arus (A) 1 2.8 11.83 0.04 2 1.4 11.83 0.05 3 4.1 11.83 0.9 4 3.8 11.83 0.37 5 3.5 11.86 0.57 6 3.8 11.84 0.6 7 2.6 11.84 0.22 8 4.1 11.84 0.6 9 4.5 11.84 0.57 10 3.3 11.85 0.41 11 3.3 11.85 0.41 12 2.2 11.85 0.23 13 5.3 11.91 1.22 14 6.8 11.91 0.6 15 4.2 11.91 0.7 16 3.3 11.83 0.22 17 2.4 11.83 0.01 18 3.8 11.86 0.53 19 3 11.86 0.85 20 4.8 11.87 0.56 21 3.3 11.87 0.54 Rata-rata 3.633333 11.85429 0.485714
Perbandingan data dari tabel 4.4 dan tabel 4.5 menunjukkan kecepatan angin mengalami penurunan sehingga pengumpulan arus juga mengalami penurunan. Pengisian pada aki mengalami hambatan disebabkan arus yang masuk sedikit dan adanya pembebanan aki dengan lampu 70 watt.
32
Gambar 4.7. Grafik Tegangan terhadap Kecepatan
Gambar 4.8. Grafik Arus terhadap Kecepatan
11.7 11.8 11.9 12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 Tegan gan ( V) Kecepatan Angin (m/s)
Uji Lapangan
Tanpa Beban Beban 35 Watt Beban 70 Watt Linear (Tanpa Beban) Linear (Beban 35 Watt) Linear (Beban 70 Watt)
-0.4 0.1 0.6 1.1 1.6 2.1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 A ru s (A) Kecepatan Angin (m/s)
Uji Lapangan
Tanpa Beban Beban 35 Watt Beban 70 Watt Linear (Tanpa Beban) Linear (Beban 35 Watt) Linear (Beban 70 Watt)
33 Dari grafik tegangan terhadap arus dapat dilihat bahwa perubahan kenaikan tegangan lebih cepat bila tanpa beban sehingga pengisian aki lebih cepat, namun pengisian aki juga dipengaruhi oleh kecepatan angin yang diterima oleh sudu. Jika kecepatan angin hanya terjadi sesaat maka arus yang timbul juga sesaat. Diharapkan dalam pengisian aki dapat secara linier dengan kecepatan angin yang konstan.
Tabel. 4.6 Prediksi Arus Geneartor terhadap Kecepatan Angin
Kecepatan Angin (m/s) Arus (A) 2.1 0.01 2.2 0.23 2.5 0.25 3.2 0.27 3.3 0.41 3.5 0.57 3.8 0.6 4.2 0.7 4.3 0.84 4.5 0.89 4.6 0.97 5.3 1.22 5.6 1.4 6.9 1.99
Gambar 4.9. Grafik Prediksi Arus Generator terhadap Kecepatan Angin
0.01 0.23 0.25 0.27 0.41 0.57 0.6 0.7 0.84 0.89 0.97 1.22 1.4 1.99 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 A ru s (A) Kecepatan Angin (m/s)
Prediksi Perubahan
34 Tabel 4.6 merupakan hasil perkiraan dari semua data yang telah diambil dengan kecepatan angin yang berbeda-beda. Data diambil secara acak dengan menampilkan nilai-nilai yang mempunyai kesamaan dalam pengamatan sehingga dapat diperkirakan pada kecepatan angin tertentu generator dapat menghasilkan sejumlah arus yang sebenarnya.
Gambar 4.10. Pengukuran Pengujian Lapangan.
Gambar 4.11. Pengujian dengan Beban 35 W dan 70 W.
Kelebihan generator dengan enam sudu saat putaran awalnya (starting) lebih mudah berputar dari pada turbin yang memakai tiga sudu, dikarenakan angin mudah ditangkap oleh turbin enam sudu dan semakin banyak jumlah turbin semakin mudah berputar walaupun dengan kecepatan angin yang rendah.
35
BAB V KESIMPULAN
Generator dengan menggunakan magnet permanent sangat efisien untuk digunakan keperluan kincir angin/air karena mampu bekerja baik pada kecepatan putar yang rendah. Kemudahan dalam pembuatan dan juga scale up generator ini sangat memudahkan kita dalam mendisain suatu generator dengan kapasitas daya tertentu, tegangan tertentu dan juga kecepatan kerja tertentu hanya dengan merubah - rubah parameter seperti kekuatan fluks magnet, jumlah kumparan dan lilitannya, jumlah magnet serta ukuran diameter kawat. Hal inilah yang menjadi salah satu kelebihan dari generator magnet permanen ini sehingga generator jenis ini akan terus dipakai dan dikembangkan untuk memperoleh generator yang terbaik dan pada akhirnya dapat mengatasi permasalahan krisis energi listrik yang terjadi.
36
BAB VI
DAFTAR PUSTAKA
Hariyotejo, P., dkk., 2009, Pengembangan Generator Mini dengan Menggunakan Magnet Permanen, Teknik Mesin Pasca Sarjana Universitas Indonesia.
Markus Nanda Andika, dkk., 2007, Kincir Angin Sumbu Horisontal Bersudu Banyak, Teknik Mesin Fakultas Sains Dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Suhardi, D, 2008, Generator Listrik 100 watt Putaran Rendah untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air dan Angin Miko, UMM, Malang
37 Tegangan induksi yang dihasilkan oleh generator ini dapat dihitung dengan persamaan:
Erms = Tegangan induksi (Volt)
N = Jumlah lilitan per kumparan ƒ = Frekwensi (Hz)
Φmax = Fluks magnet (Wb)
Ns = Jumlah kumparan
Nph = Jumlah fasa
Amagn = Area magnet
Bmax =Densitas fluks maksimum
ro = Radius luar magnet
ri = Radius dalam magnet τƒ = Jarak antar magnet
Nm = Jumlah magnet
Br = Densitas fluks magnet Lm = Panjang magnet
