Makalah Turbin Angin “PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL” HORIZONTAL ”
Oleh: FACHRUL ROZI DEWANTO I. Nim. 161910101063
TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS JEMBER 2017
i
KATA PENGANTAR
Assalamualaikum Wr. Wb Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan rahmat, taufiq, hidayah serta inayah-Nya, sehingga kami dapat menyelesaikan makalah mata kuliah Mesin-Mesin Mesin-Mesin Fluida yang berjudul “ PERANCANGAN
TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL” HORIZONTAL ”” ini dengan penuh kemudahan dan dapat terselesaikan tidak lebih dari pada waktunya. Maksud dan tujuan dari penyusunan makalah ini untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah Mesin-Mesin Fluida serta merupakan bentuk langsung tanggung jawab penyusun pada tugas yang yang diberikan. Demikian pengantar yang dapat kami sampaikan dimana kami pun sadar bahwasannya penyusun hanyalah hanyalah seorang manusia yang tidak luput dari kesalahan dan kekurangan, sedangkan kesempurnaan hanya milik Tuhan hingga dalam penyusunan masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu, kritik dan saran sar an yang akan senantiasa kami nanti. Wassalamualaikum Wr. Wb
Jember, November 2017
Penulis
ii
DAFTAR ISI
COVER …………………………………………………………………………
i
KATA PENGANTAR ………………………………………………………….
ii
DAFTAR ISI …………………………………………………………………...
iii
BAB 1 PENDAHULUAN……………………………………………………...
1
A. Latar belakang …………………………………………………….
1
B. Rumusan masalah …………………………………………………
2
C. Tujuan ……………………………………………………………..
2
BAB 2 PEMBAHASAN ……………………………………………………….
3
DEFINISI TURBIN ANGIN ………………………………………….
3
PERENCANAAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL ……..
3
Perencanaan sudu rotor ………………………………...
6
b. Perancangan Yaw Mechanism ……………………………….
9
c. Perancangan Ekor ……………………………………………
12
d. Perancangan Hub dan Hidung………………………………..
13
e. Perancangan Tiang …………………………………………..
14
f.
Pemilihan Generator …………………………………………
16
g. Perakitan Turbin Angin ……………………………………...
20
h. Penentuan Daya Angin ………………………………………
21
BAB 3 PENUTUP………………………………………………………..
23
a.
Kesimpulan ………………………………………………... 23 DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………. 24
iii
BAB 1 PENDAHULUAN
A. Latar belakang Kincir angin pertama kali digunakan untuk membangkitkan listrik dibangun oleh P. La Cour dari Denmark diakhir abad ke-19. Setelah perang dunia I, layar dengan penampang melintang menyerupai sudut propeler pesawat sekarang disebut kincir angin tipe propeler' atau turbin. Eksperimen kincir angin sudut kembar dilakukan di Amerika Serikat tahun 1940, ukurannya sangat besar yang disebut mesin Smith-Putman, karena dirancang oleh Palmer Putman, kapasitasnya 1,25 MW yang dibuat oleh Morgen Smith Company dari York Pensylvania. Diameter propelernya 175 ft(55m) beratnya 16 ton dan menaranya setinggi 100 ft (34m). Tapi salah satu batang propelernya patah pada tahun 1945. (Astu Pudjanarso, 2006) Pada tahun 2005, cadangan minyak bumi di Indonesia pada tahun 2004 diperkirakan
akan
habis
dalam
kurun
waktu
18
tahun
dengan
rasio
cadangan/produksi pada tahun tersebut. Sedangkan gas diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 61 tahun dan batubara 147 tahun. Sementara tingginya kebutuhan migas tidak diimbangi oleh kapasitas produksinya menyebabkan kelangkaan sehingga di hampir semua negara berpacu untuk membangkitkan energi dari sumber-sumber energi baru dan terbarukan. (DESDM, 2005) Kebutuhan energi di Indonesia khususnya dan di dunia pada umumnya terus meningkat karena pertambahan penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pola konsumsi energi itu sendiri yang senantiasa meningkat. Salah satu sumber pemasok listrik, PLTA bersama pembangkit listrik tenaga ua p (PLTU) dan pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) memang memegang peran penting terhadap ketersediaan listrik terutama di Jawa, Madura, dan Bali. Indonesia adalah negara yang memiliki sumber daya energi yang sangat melimpah, salah satunya adalah sumber energi angin. Indonesia yang merupakan negara kepulauan dan salah satu Negara yang terletak di garis khatulistiwa merupakan faktor, bahwa Indonesia memiliki potensi energi angin yang melimpah. Pada dasarnya angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di daerah katulistiwa, udaranya menjadi panas mengembang dan
1
menjadi ringan, naik ke atas dan bergerak ke daerah yang lebih dingin. Sebaliknya daerah kutub yang dingin, udara menjadi dingin dan turun ke bawah. Salah satu pemanfaatan energi angin adalah penggunaan turbin angin yang banyak digunakan untuk kebutuhan pertanian, seperti untuk menggerakkan pompa untuk keperluan irigasi, serta kebutuhan akan energi yaitu sebagai pembangkit listrik energi angin. Berbagai macam penemuan turbin angin sebagai pembangkit energi alternatif sudah ditemukan sejak lama dengan berbagai macam bentuk desain. Turbin angin tipe horizontal adalah salah satu macam turbin angin yang ditemukan sebagai pemanfaatan energi angin yang bekerja dengan memanfaatkan kecepatan angin. Bentuk sudu dibuat sedemikian rupa sehingga dapat menghasilkan gaya dorong yang akan memutar rotor. Besarnya putaran rotor yang dihasilkan berbanding lurus dengan besarnya kecepatan angin.
B. Rumusan masalah 1. Apa definisi dari turbin angina 2. Bagaimaa perencanaan sebuah turbin angina
C. Tujuan Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah : 1. Menentukan definisi turbin angin 2. Menentukan proses perencanaan turbin angin
2
BAB 2 PEMBAHASAN
DEFINISI TURBIN ANGIN Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Kini turbin angin lebih banyak digunakan
untuk
mengakomodasi
kebutuhan
listrik
masyarakat,
dengan
menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin (Daryanto, 2007) Saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (Contoh: PLTD, PLTU, dll), namun turbin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak dapat diperbaharui (Contoh: batubara, minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik. Turbin angin dapat dibagi menjadi dua kategori utama, yaitu: turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu vertikal (Daryanto, 2007)
PERENCANAAN TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTAL 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
3
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 mesihyn 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), nacelle, ekor turbin, dan tiang penyanggah. Komponen-komponen turbin angin dalam penelitian tugas akhir 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.
4
Tahapan perancangan dan pembuatan turbin angin dapat dilihat pada bagan alir ( flowchart ) gambar 3.1.
Mulai Memilih dan Menyiapkan Generator Listrik Merancang dan Membuat Sudu Rotor Menentukan dan Membuat Landasan Tiang Merancang dan Membuat Mekanisme Yaw Tidak
Merancang dan Membuat Ekor Turbin Angin
Apakah Komponen Turbin Angin Sudah Siap
Ya
Merakit dan Memasang Turbin Angin Merancang dan Membuat Hub dan Nose
Melakukan Pengujian Merancang dan Menyiapkan Tiang Turbin Angin Selesai
Gambar 3.1 Bagan alir tahapan perancangan dan pembuatan turbin angina
5
A. Perencanaan sudu rotor
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 s ebaik mungkin. Pada pembuatan kontruksi turbin angin ini material yang digunakan untuk membuat sudu berasal dari kayu. Selain karena dari segi ekonomisnya yang handal seperti: harganya yang murah, penggunaannya mudah, dan mudah dicari, j uga dari aspek pembuatan yang efisien dimana material kayu mudah dibuat. Dibandingkan dengan material logam yang memerlukan mesin khusus dalam membentuk atau men- deformasi logam menjadi sudu, pengolahan material kayu menjadi sudu memerlukan alat yang lebih efisien yaitu berupa alat potong (cutter ) dan alat serut. Secara mekanika, material kayu ini memiliki massa yang relatif ringan sehingga memperkecil beban yang diterima oleh tiang penyangga, memiliki nilai inersia yang rendah, mudah digerakkan oleh energi angin dengan kecepatan yang rendah, dan torsi yang terjadi pada rotor dapat dibuat lebih besar. Pembuatan sudu meliputi beberapa macam tahapan. Karena bentuk penampang sudu berupa airfoil yang memanjang dari pangkal ke ujung sudu dan bentuknya semakin mengecil, maka perlu ketelitian dalam pembuatan sudu. Untuk mempermudah pembuatan airfoil sudu, maka perlu dibuat cetakan (mold ) setiap layer atau stasiun. Misalnya panjang sudu 1,5 m dengan jumlah layer 13, maka setiap layer dibuatkan bentuk penampang airfoil beserta ukurannya yang meliputi ketebalan dan lebar sudu dari sisi leading edge. Dengan menggunakan hubungan jari-jari sudu r terhadap jumlah sudu dan lebar sudu, didapatkan nilai lebar sudu (chord ) yaitu: C=
16 R ( R r ) 9 2 B
dimana C adalah ketebalan sudu, r adalah jari-jari sudu, R adalah jari-jari bidang 6
putar turbin, dan B adalah jumlah sudu, maka perhitungan ketebalan dan lebar sudu untuk jumlah sudu 2 buah, dapat diperlihatkan pada tabel 3.1.
Tabel 3.1 Ketebalan dan lebar peanampang sudu setiap stasiun
penampang r (mm)
R
Λ
Vwd
B
C
(mm)
(mm)
0
125
1750
7
5
2
1395,56
1
250
1750
7
5
2
697,78
2
375
1750
7
5
2
465,19
3
500
1750
7
5
2
348,89
4
625
1750
7
5
2
279,11
5
750
1750
7
5
2
232,59
6
875
1750
7
5
2
199,37
7
1000
1750
7
5
2
174,44
8
1125
1750
7
5
2
155,06
9
1250
1750
7
5
2
139,56
10
1375
1750
7
5
2
126,87
11
1500
1750
7
5
2
116,3
12
1625
1750
7
5
2
107,35
13
1750
1750
7
5
2
99,68
Perhitungan di atas berdasarkan data dan asumsi awal sebagai berikut: o
Diameter sudu, D = 3,5 m
o
Tip Speed Ratio, λ = 7 (untuk sudu 2 buah)
o
Kecepatan angin nominal, Vwd = 5 m s
o
Jumlah sudu 2
o
Tebal sudu merupakan 10% dari lebar sudu
o
Letak puncak ketebalan adalah 25% dari lebar sudu yang ditandai dari arah leading edge atau bagian model airfoil
7
o
C pada lambing diatas adalah chord atau lebar sudu Sketsa gambar penampang sudu dapat diperlihatkan seperti gambar 3.2.
Gambar 3.2 Penampang sudu setiap layer Setelah sketsa gambar sudu dibuat, langkah berikutnya adalah membuat sudu yang berasal dari material dengan menggunakan alat-alat mekanik yang berupa alat potong atau gergaji, alat serut, dan alat penghalus yang memakai amplas. Tahap-tahap pembuatan sudu kayu dapat dijelaskan sebagai berikut: 1. Menyiapkan papan yang berbentuk balok persegi panjang dengan ukuran 250 cm x 30 cm x 3 cm. 2. Menandai pada papan letak setiap stasiun untuk dibuatkan ukuran sudu yang sesuai dengan bentuk airfoil . 3. Memotong papan mengikuti kurva yang dibentuk dari chord setiap stasiun (yang perlu diperhatikan adalah leading edge dibuat lurus, sehingga bagian yang membentuk kurva adalah bagian tailing edge).
8
4. Menyerut bagian atas sesuai dengan distribusi ketebalan setiap stasiun. 5. Menandai lokasi dimana ketebalan maksimum berada. 6. Menyerut dan mengamplas hingga setiap stasiun membentuk profil airfoil yang baik. 7. Membuat alur dan lubang baut untuk memasang batang sudu. 8. Tahap penyelesaian, dengan menambahkan pelapis untuk menutup pori- pori kayu dan melakukan pengecatan.
Gambar 3.3 Tahapan pembuatan sudu dari kayu B. Perancangan Yaw Mechanism
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 merupakan 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
9
material yang dipilih harus mampu menahan beban-beban tersebut dan baja atau alumunium alloy yang kuat merupakan material yang cocok untuk digunakan. Yaw mechanism terdiri dari beberapa komponen mekanis, seperti poros dalam, poros luar, dan bearing (bantalan). Poros dalam menempel pada tiang penyangga yang terhubung pada sebuah flange, sedangkan poros luar terhubung dengan rangka turbin angin. Sebuah rangka turbin angin terdiri dari generator, sudu, ekor, dan pipa penghubung yang sudah terpasang ( assembly) menjadi satu kesatuan. Karena poros dalam menempel pada tiang penyangga melalui sebuah flange dengan cara dilas, maka poros ini bersifat statis dan tidak berputar. Untuk poros luar yang berhubungan dengan rangka cenderung bergerak (berputar) karena adanya gerak angin. Poros ini selalu berputar mengikuti putaran rangka turbin. Pemilihan dan pembuatan poros berkaitan dengan seberapa besar beban yang akan diterima. Poros dalam dengan poros luar dihubungkan dengan menggunakan bearing . Bearing tersebut terdiri dari dua buah dan diletakan pada tiap ujung bawah dan atas mekanisme yaw. Penggunaan bearing harus memperhatikan gerak putar poros dan beban poros sehingga poros luar tidak lepas. Poros luar dapat lepas dalam arah aksial akibat putaran dan beban poros. Dalam hal ini dapat diketahui bahwa bearing atas menerima beban radial, sedangkan bearing bawah menerima beban aksial dan radial sehingga dalam perancangan turbin angin ini dipilih bearing radial untuk bagian atas dan bearing aksial-radial untuk bagian bawah. Pemilihan ukuran bearing sangat berkaitan dengan ukuran poros yang akan digunakan. Pada penelitian turbin angin ini ukuran bearing yang digunakan mengikuti ukuran poros. Untuk poros dalam ukuran dimater luarnya 25 mm dengan ketebalan 5 mm, sedangkan poros luar diameter dalamnya 60 mm dengan ketebalan 10 mm sehingga ukuran bearing tersebut adalah adalah d25 dan D60 (diameter dalam 25 mm dan diameter luar 60 mm) untuk bearing atas dan d30 dan D60 (diamter dalam 30 mm dan diemeter luar 60 mm) untuk bearing bawah.
10
Gambar 3.4 Desain yaw mechanism
Pembuatan yaw mechanism dilakukan melalui proses pemesinan (machining process). Poros yang yang menggunakan material baja dibubut untuk mendapatkan diameter dan bentuk poros sesuai dengan yang dinginkan. Setelah dibubut, kemudian poros luar dan dalam dipasangkan bearing . Setelah itu, dilakukan proses pengelasan yang mana poros dalam dilas dengan flange yang terdapat pada tiang penyangga, sedangkan poros luar dilas dengan peghubung ekor dan hub sudu. Terakhir, poros dalam dan luar dikunci dengan menggunakan mur M50 sehingga poros dalam dan luar menyatu dan tidak lepas.
11
Gambar sketsa yaw mechanism dapat dilihat pada gambar 3.5.
C. Perancangan 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, material yang digunakan untuk membuat ekor harus kuat. Dalam tugas akhir ini, material yang digunakan berupa baja karbon rendah. Kekuatan baja karbon rendah dalam menahan beban yang diterima menjadi acuan dalam pemilihan material.
12
Selain faktor material, desain dan kontruksi ekor memegang peranan penting. Pada penelitian turbin angin ini ekor yang dibuat berasal dari poros yang panjangnya 1,5 meter. Pada ujung ekor dipasang pelat dengan panjang dan lebar sekitar 30 cm dan 20 cm. Penggunaan pelat ini bertujuan untuk mersepon 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 3.6 Ekor turbin angin D. Perancangan H ub dan Hidung
Hub adalah bagian rotor yang berada di pusat rotasi. Hub dibuat dari pelat baja yang melalui proses pemesinan dan pengelasan sehingga memungkinkan untuk dipasangkan pada poros generator. Hub juga harus memungkinkan untuk dipasangi batang sudu dan bila perlu counterbalance. Diameter hub dibuat sama dengan diameter generator yaitu 265 mm. Hidung diletakkan pada hub dengan bentuk hampir menyerupai setengah bola. Hidung memiliki beberapa fungsi diantaranya mengurangi tahanan turbin angin terhadap angin, melindungi komponen-komponen yang menempel pada hub,
13
dan memberikan nilai keindahan pada turbin angin. Bentuk hidung yang menyerupai setengah bola menjaga agar aliran udara yang menerpa hub tetap laminar atau setidaknya meminimalisir turbulensi yang terjadi di sekitar hub. Bentuk hidung yang menutupi bagian depan hub juga berfungsi sebagai p elindung komponen-komponen dalam hub dari pengaruh cuaca. Fungsi lain dari hidung adalah menambah nilai estetika pada turbin angin dimana turbin angin akan tampak lebih aerodinamis dengan penambahan hidung pada hub.
Gambar 3.7 Hidung turbin angin E. Perancangan Tiang
Tiang penyanggah berfungsi untuk menahan beban yang terjadi pada turbin angin. Beban yang terjadi pada turbin angin adalah beban total dari berat komponen- komponen turbin angin dan beban karena adanya gaya yang ditimbulkan oleh angin. Termasuk beban komponen turbin angin adalah beban pada sudu, ekor, generator, dan yaw mechanism. Karena beban yang diterima tiang sangat besar, maka material yang digunakan harus kuat. Biasanya bahan yang digunakan untuk tiang berasal dari baja. Selain faktor berat, tiang juga harus mampu menahan beban lentur akibat gaya angin yang mendorong sudu dan komponen turbin angin.
14
Panjang dan besarnya tiang penyanggah bergantung pada sejauh mana beban dan efektivitas turbin angin. Turbin angin yang diletakkan pada tempat yang tinggi bertujuan agar sudu rotor menerima angin dengan kecepatan yang besar dan kondisi kecepatan angin yang stabil. Kecepatan angin yang besar akan menaikkan beban yang diterima turbin. Semakin tinggi penempatan turbin, semakin besar dan panjang tiang yang digunakan. Material yang digunakan untuk membuat tiang juga harus semakin kuat. Pada tiang penyanggah terdapat tali pengait yang menggunakan material baja yang berfungsi untuk memperkuat tiang sehingga tiang mampu berdiri dan menahan beban turbin angin. Ujung tali pengait ini dihubungkan ke tiang penyanggah, sedangkan ujung yang lainnya dihubungkan ke tanah atau permukaan bawah ( ground ) yang kuat. Panjang tiang penyanggah yang digunakan pada penelitian tugas akhir ini sebesar 3,5 m, sedangkan diameter tiang 10 cm dengan ketebalan pipa 1 cm. Panjang tiang yang dipakai ini berdasarkan tempat uji mesin turbin angin yang mengambil lokasi di atas gedung program studi teknik mesin ITB sehingga letak uji tersebut sudah cukup tinggi dari permukaan tanah dengan kondisi angin yang relatif stabil. Adapun pemilihan diameter 10 cm dengan ketebalan 1 cm cocok dan efektif untuk menerima beban total mesin turbin angin. Pemilihan diameter dan ketebalan yang sangat kecil mengakibatkan tiang tidak cukup kuat menahan beban total sehingga tiang bisa patah dan perangkat turbin angin bisa jatuh ke bawah. Kerusakan dan kegagalan pengujian turbin angin dapat dipengaruhi oleh kondisi pipa tiang penyanggah yang tidak kuat menerima beban.
15
Gambar 3.8 Tiang turbin angin
F. 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 permannen ( 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
16
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 plat konduktor 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 sudah memiliki spesifikasi yang khusus, yang mana daya yang mampu dihasilkan oleh generator sebesar 500 watt dengan putaran optimal 500. Generator yang digunakan merupakan bahan yang sudah jadi dan sudah memepunyai spesifasi tertentu. Generator ini didatangkan dari
Ginlong
Manufacturer , sebuah perusahaan pembuat generator listrik, termasuk jenis PMG yang digunakan pada penelitian ini.
Gambar 3.9 Generator yang digunakan pada penelitian turbin angin
17
Tabel 3.2 Spesifikasi Generator 500 watt
No Spesifikasi
Keterangan
1 Trade mark
GINLONG
2 Type
GL-PMG-500A (500W)
3 Casing
Aluminium alloy with TF/T6 heat treatment
4 Finishing
Anodised
and
anti-corrosion
Painted 5 Shaft material
stainless steel
6 Shaft bearing
SKF or NSK bearings
7 Fasteners
Stainless steel
8 Lamination stack
Cold rolled steel
9 Rated windings temperature
180°C
10 Magnet material
NdFeB
(Neodynium
Iron
Boron) 11 Rated magnets temperature
150°C
12 Generator configuration
3
phase star connected AC
Output 13 Short circuit braking
Capable
14 Prevention of electrical shock
Class I for electrical safety
Tabel 3.3 Fitur-fitur yang diklaim sebagai kelebihan GL-PMG-500A (500W)
No
Feature
1
Low start up speed due to low cogging and resistive torque design
2
Gearless, direct drive, low rpm generator
3
High standard, quality components for use in hars and extreme environments for wind turbines
4
High efficiency and low mechanical resitance energy loss
18
5
Excelent heat dissipation due to alluminium alloy outer frame and special internal structure
6
High strength from the specially design structure and fully heat treatment alluminium
7
Generator is treated to resist corrosion and oxidation
8
Reliable and long operational life time under long-term full Output
9
Designed for 20 years operation life
10
Patent protected design
PMG memiliki kurva karakteristik daya terhadap putaran. Grafik di bawah ini menunjukkan kurva daya output terhadap putaran yang diberikan oleh generator GL- PMG-500 A (500W).
Gambar 3.10 Kurva hubungan daya dan putaran yang terdapat pada Generator GL- PMG 500 A (500 watt) (Sumber: Ginlong Manufacturer)
19
G. Perakitan Turbin Angin
Setelah semua komponen turbin angin tersedia, langkah berikutnya adalah merakit semua komponen turbin angin. Perakitan dilakukan per bagian dengan memperhatikan aspek keamanan komponen. Kakurangtelitian saat pemasangan dapat menyebabkan kerusakan pada komponen dan data yang dihasilkan saat pengujian kurang optimal. Perakitan dilakukan dengan 3 tahapan, yang pertama memasang semua komponen badan turbin angin seperti: yaw mechanism, generator dan hub pada saat turbin angin belum dibawa ke atas dan terpasang dengan tiang. Tahap kedua yaitu memasang badan turbin angin dengan tiang. Selanjutnya, tahap ketiga berupa pemasangan sudu rotor pada hub dan pemasangan ekor turbin pada mekanisme yaw. Pada tahap ketiga ini, kondisi tiang turbin sudah didirikan di atas landasan.
Gambar 3.11 Konstruksi turbin angin
20
H. Penentuan Daya Angin
Dari persamaan Betz’s dapat dik etahui tentang persamaan daya yang terjadi pada turbin angin untuk berbagai kecepatan angin, yaitu: =
2
3
Dimana C P adalah koefisien daya rotor, ρ adalah massa jenis udara, vw adalah kecepatan udara, dan A adalah luas bidang putar sudu. Besarnya energi angin yang melalui luas bidang putar rotor dilakukan oleh energi kinetik yang dikandung pada angin yang mengalir dengan kecepatan tertentu. Besar energi kinetik angin yang melalui luas bidang rotor pada setiap satuan waktu dihitung dengan persamaan Betz’s di atas. Menurut aturan Betz’s, daya yang diserap turbin angin tidak akan melebihi 0.593 bagian dari daya total udara yang melalui luas area sapuan rotor. Pada kenyataannya nilai energi yang dapat diekstraksi oleh sudu rotor lebih kecil dari nilai tersebut dikarenakan adanya faktor-faktor lain yang merpengaruh seperti adanya losses karena gesekan antar komponen, efek wake yang terjadi, adanya turbulensi aliran udara di sekitar sudu dan faktor-faktor lainnya.
Tabel 3.4 Hubungan kecepatan aliran udara terhadap nilai daya angin
Kecepatan angin
Nilai daya
Nilai luaran
(m/s)
(watt)
daya (watt)
1
2,18
1,96
2
17,43
15,69
3
58,84
52,96
4
139,47
125,53
5
272,41
245,17
6
470,73
423,65
7
747,49
672,74
21
8
1115,79
1004,21
9
1588,70
1429,83
10
2179,28
1961,35
11
2900,63
2610,56
12
3765,80
3389,22
13
4787,88
4309,10
14
5979,95
5381,96
15
7355,08
6619,57
Untuk perhitungan daya yang diekstraksi turbin angin dari udara yaitu dengan melihat nilai koefisien daya atau C P untuk tip speed ratio 7 dan jumlah sudu 2 buah sebesar 0,37, nilai massa jenis udara ρ sebesar 1,225 kg/m 3 untuk daerah di atas pantai, dan luas bidang putar sudu dengan diameter sudu 3,5 m sebesar 9,61625 m 2. Tabel di atas menunjukkan bahwa daya maksimum yang terkandung pada angin dan dapat diekstraksi oleh sudu rotor dengan asumsi: tidak ada losses, tidak terjadi efek wake, tidak ada turbulensi, dan efek perubahan luas area diabaikan. Dari tabel tersebut dapat dilihat bahwa pada kecepatan angin 5 m/s, daya maksimum yang terkandung pada angin dan dapat diekstraksi oleh rotor sebesar 272,41 watt. Jika terjadi efisiensi secara mekanika dan elektrika pada generator sebesar 90%, daya yang dapat dihasilkan oleh generator hanya sebesar 245,17 watt. Namun pada kenyataannya, daya yang diekstraksi oleh rotor dan dihasilkan oleh generator kurang dari angka tersebut karena banyak faktor yang tidak dilibatkan dalam perhitungan. Perhitungan ini hanya sebagai gambaran kasar perkiraan hubungan kecepatan angin dengan daya yang dihasilkan.
22
BAB 3 PENUTUP
KESIMPULAN
1. Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan
tenaga listrik. 2. Perencanaan turbin angin terdapat beberapa langkah yaitu :
a. Perencanaan sudu rotor
Diameter sudu, D = 3,5 m
Tip Speed Ratio, λ = 7 (untuk sudu 2 buah)
Kecepatan angin nominal, Vwd = 5 m s
Jumlah sudu 2
Tebal sudu merupakan 10% dari lebar sudu
Letak puncak ketebalan adalah 25% dari lebar sudu yang ditandai dari arah leading edge atau bagian model airfoil
b. Perancangan Yaw Mechanism c. Perancangan Ekor d. Perancangan Hub dan Hidung e. Perancangan Tiang f. Pemilihan Generator g. Perakitan Turbin Angin h. Penentuan Daya Angin
23
DAFTAR PUSTAKA
WHyPGen - BPPT. 2015. Peta Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) di Indonesia dan Hasil Kajian Awal PLTB di 10 Lokasi. Serpong. Tangerang Selatan. Asy’i, Hisyam. 2012. Desain Prototipe Pembangkit Listrik Tenaga Angin Dengan Turbin Angin Horisontal dan Generator Magnet Per manen Tipe Axial Kecepatan Rendah. Seminar Nasional Aplikasi Sains &Teknologi (SNAST) Periode III Yogyakarta. Alfarisi, Mika Salman. 2016. Rancang Bangun Turbin Angin Sumbu Horizontal Kapasitas 1000 Watt. Tugas Akhir Program Studi Diploma III Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Diponegoro. Semarang Herlambang, Yusuf Dewantoro. 2013. Kaji Eksperimental Turbin Angin Multiblade Tipe Sudu Flate Plate Sebagai Penggerak Mula Pompa Air. Seminar Nasional Aplikasi Sains &Teknologi (SNAST) Periode 4 Universitas Wahid Hasyim Semarang. Semarang
24
