ALAT PERAGA ENERGI TERBARUKAN HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE
oleh Natan Novatianus Budiman NIM: 612010005
Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
Oktober 2015
INTISARI Dari perkuliahan pada mata kuliah Energi Baru dan Terbarukan di FTEK UKSW selama ini, dosen pengampu berpandangan bahwa belum ada alat peraga yang dapat memberikan gambaran secara sederhana dan nyata akan penerapan dari teori yang telah diajarkan. Sehingga dalam skripsi ini direalisasikan sebuah alat peraga berupa Horizontal Axis Wind Turbine. Secara garis besar, alat yang dirancang terdiri dari sumber angin datang yang dapat dikendalikan, sehingga kecepatan angin yang datang dapat diatur menggunakan potensio. Terdapat sebuah tiang sebagai poros untuk menyangga sebuah generator yang terhubung dengan blade secara horizontal. Alat peraga ini disediakan dua model bentuk blade yaitu persegi panjang dan segitiga siku – siku yang dapat diatur jumlah dan kemiringannya. Jumlah blade dapat diatur dengan 2 pilihan yaitu blade dengan jumlah tiga dan blade dengan jumlah enam. Kemiringan blade dapat diatur dengan 2 pilihan juga yaitu kemiringan blade 450 dan kemiringan blade 850.Disediakan beban berupa lampu LED dengan dua ukuran yang berbeda yaitu 3W dan 5W. Terdapat aki kering 12V,1.2Ah untuk menyimpan energi yang dihasilkan oleh alat peraga Horizontal Axis Wind Turbine yang dilengkapi dengan controller pengisian aki secara otomatis, untuk menghindari terjadinya over charge . Alat tersebut juga dilengkapi dengan sensor tegangan dan arus pada keluaran dari generator Horizontal Axis Wind Turbine yang diolah oleh PCDuino. Hasil dari data yang diolah akan ditampilkan pada monitor yang terhubung dengan PCDuino.
i
ABSTRACT In New and Renewable Energy lecture at Electronics and Computer Engineering SatyaWacana Christian University, the lecturer view that there is no apparatus which provide simple and realdescription about the applicationofthe theorythat has beentaught. So, in this final project,a Horizontal Axis Wind Turbine apparatus was implemented . In general, instrument designed consisting of a source of winds came that can be controlled , so that wind speeds are come can be set using potensio .There are a pole as a pivot for propping a generator that connected with blade horizontally. These props are provided two models namely the blade rectangular shape right triangle which can be set number and slope . Total blade can be adjusted with 2 choices, blade by blade with number three and number six . The slope of the blade can be adjusted with 2 option also is tilt blade 450 and blade tilt 850. Provided the burden of LED lights with two different sizes namely 3W and 5W . There is a dry battery 12V , 1.2Ah to store energy generated by props Horizontal Axis Wind Turbine is equipped with a battery charging controller automatically, to prevent over charge . The tool is also equipped with a sensor voltage and current at the output of the generator Horizontal Axis Wind Turbine processed by PCDuino . Results of the processed data will be displayed on the monitor connected to the PCDuino .
ii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala hikmah, karunia, dan penyertaan yang diberikan sehingga skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik.Segala yang telah penulis capai tidak terlepas dari bantuan, dorongan semangat, doa dan dukungan dari berbagai pihak. Maka, perkenankanlah penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Pembimbing I, Bapak Deddy Susilo, S.T., M.Eng. dan pembimbing II, Bapak Lukas B Setyawan, M.Sc. Terima kasih atas bimbingan, arahan, saran, nasihat juga yang tidakkalah penting, waktu dan kesabaran yang telah diberikan kepada penulis. 2. Terima kasih yang tidak terhingga untuk Ayah Pilipus Budiman dan Ibu Anie Ribowo, atas dukungan material dan immaterial juga doa. Kiranya Tuhan senantiasa memberkati. 3. Adikku tersayang, Angelia Janutirta Budiman, Jessica Janutirta Budiman. Terimakasih untuk dukungan dan kasihnya 4. Kresentia Alvita Ria Sanariyan, ”Seseorang spesial” yang dengan sabar dan setia selalu berdoa dan mendukung serta memberi semangat setiap hari. 5. Wang Darmasin, teman seperjuangan yang selalu memberikan dukungan dan selalu mengingatkan dalam penulisan skripsi ini. 6. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK, Mbak Rista, Mbak Dita, Mbak Vera, Pak Budi, Pak Harto, Pak Bambang, Mas Hari. 7. Teman-teman angkatan 2010, terimakasih atas kebersamaannya, suka duka dilalui bersama, harus lulus bersama! , special to Herry Fajar Mulyono, Grace Inneke, CahyoMahardika , Ivan Farrel, Bob William, Thomas Jeffryson, Henry hartawan, Efraim Anggriyono, Vires. 8. Mas-mas angkatan atas yang berbagi ilmu, Indra 07, Putu 07, Edwin 08, Ditya 08, Yahya 08, Kevin Ananta 09, Vinlux 09, Yonas 09, Henry 09. 9. Ibu Ivanna K Timmotius, yang telah menjadi pembimbing sewaktu mengikuti Program IIALE 2014 di Taiwan. 10. PT Triputra Group yang telah memberikan beasiswa dan uang saku selama perkuliahan mulai semester lima. iii
11. Pihak-pihak yang tidak bisA disebut kan satu per satu, yang turut andil dalam usaha penulis menyelesaikan studi di Universitas Kristen SatyaWacana. Tentunya ada begitu banyak pihak yang membantu penulis selama studi dan penulisan tugas akhir ini. Terimakasih. Berkah dalem. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata “sempurna”, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran dari pembaca sekalian sehingga skripsi ini dapat berguna bagi kemajuan teknik elektronika.
Salatiga, Oktober 2015
Penulis
iv
DAFTAR ISI
INTISARI .......................................................................................................
i
ABSTRAK ......................................................................................................
ii
KATA PENGANTAR ....................................................................................
iii
DAFTAR ISI ...................................................................................................
v
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................
vii
DAFTAR TABEL ...........................................................................................
ix
DAFTAR ISTILAH .........................................................................................
x
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................
1
1.1 Latar Belakang ......................................................................................
1
1.2 Spesifikasi Sistem .................................................................................
2
1.3 Sistematika Penulisan ...........................................................................
2
BAB II DASAR TEORI ..................................................................................
4
2.1 Sensor ACS 712 ....................................................................................
4
2.2 Voltage Divider ....................................................................................
6
2.3 PCDuino ................................................................................................
9
2.3.1 PCDuino Dual Core A20 ............................................................
9
2.3.1.1 ADC ................................................................................
13
2.4 Generator ...............................................................................................
14
2.5 Storage System ......................................................................................
14
2.6 Lampu LED ...........................................................................................
15
2.7 Pemodelan Sistem .................................................................................
16
2.7.1 Pemodelan secara fisik dan penurunan matematis ......................
16
BAB III PERANCANGAN ALAT .................................................................
21
3.1 Gambaran Alat ......................................................................................
21
3.2 Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras .........................................
22
3.2.1 Perangkat keras modul mekanik .................................................
22
3.2.2 Perangkat keras modul elektronik ...............................................
25
3.2.2.1 Pengolah data .................................................................
25
3.2.2.2 Sensor arus ......................................................................
26
v
3.2.2.3 Sensor Tegangan ............................................................
27
3.2.2.4 Controller pengisian aki secara otomatis ........................
29
3.2.2.5 Controller kecepatan angin ............................................
31
3.3 Perancangan Cara Kerja dan Pengoperasian Alat Peraga .....................
32
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS .......................................................
33
4.1 Pengujian Dimensi Mekanik .................................................................
33
4.2 Pengujian Bentuk dan Dimensi Blade serta Nose Cone ......................
35
4.3 Pengujian Tiang Tinggi dan Jarak Sumber Angin ke Turbin ...............
37
4.4 Pengujian Kemiringan Sudut Blade .....................................................
37
4.5 Pengujian Jumlah Blade .......................................................................
39
4.6 Pengujian Controller Kecepatan Angin ................................................
41
4.7 Pengujian Pengisisan Aki secara Otomatis ...........................................
43
4.8 Pengujian Keluaran yang Dihasilkan dengan Berbagai Variasi ...........
44
4.8.1 Pengujian Keluaran dengan Variable Bentuk Blade ...............
45
4.8.2 Pengujian Keluaran dengan Variabel Jumlah Blade ...............
46
4.8.3 Pengujian Keluaran dengan Variabel Kemiringan Blade ........
48
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .........................................................
52
5.1 Kesimpulan ...........................................................................................
52
5.2 Saran Pengembangan ............................................................................
52
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................
54
LAMPIRAN ....................................................................................................
56
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram blok dari IC ACS712 ....................................................
4
Gambar 2.2 Grafik tegangan keluaran dari sensor ACS712 terhadap arus listrik yang terukur .........................................................................
6
Gambar 2.3 Rangkaian dasar pembagi tegangan .............................................
6
Gambar 2.4 Rangkaian pembagi tegangan terbebani ......................................
7
Gambar 2.5 Hasil penyerdehanaan rangkaian .................................................
8
Gambar 2.6 Konfigurasi pin PCDuino Dual Core A20 ...................................
12
Gambar 2.7 Motor bor mini drill .....................................................................
14
Gambar 2.8 Aki Kering Yuasa NP 1.2-12 .......................................................
15
Gambar 2.9 Lampu LED .................................................................................
15
Gambar 2.10 Power in wind ............................................................................
17
Gambar 2.11 Pemodelan Betz untuk system aliran angin wind turbine ..........
17
Gambar 2.12 Grafik koefisien daya Cp sebagai fungsi faktor a ......................
20
Gambar 3,1 Blok diagram keseluruhan alat yang dirancang ...........................
21
Gambar 3.2 Desain mekanik tampak depan ....................................................
22
Gambar 3.3 Desain mekanik blade tampak depan dengan ukuran ..................
23
Gambar 3.4 Desain mekanik blade tampak depan blade dan keterangan ........
24
Gambar 3.5 Realisasi mekanik blade Horizontal Axis Wind Turbine ............
24
Gambar 3.6 Realisasi mekanik Horizontal Axis Wind Turbine ......................
25
Gambar 3.7 Skema perancangan sensor arus ...................................................
26
Gambar 3.8 Realisasi sensor arus ....................................................................
27
Gambar 3.9 Rangkaian Driver Tegangan ........................................................
27
Gambar 3.10 Skema perancangan pengisian aki 12V ....................................
28
Gambar 3.11 Realisas controller pengisian aki secara otomatis ......................
29
Gambar 3.12 Skema controller kecepatan angin .............................................
29
Gambar 3.13 Realisasi controller kecepatan angin ..........................................
30
Gambar 3.14 Diagram alir cara kerja alat ........................................................
31
Gambar 4.1 Pengujian panjang mekanik .........................................................
33
Gambar 4.2 Pengujian lebar mekanik ..............................................................
34
Gambar 4.3 Pengujian tinggi mekanik ............................................................
34
vii
Gambar 4.4 Pengujian panjang blade persegi panjang ....................................
35
Gambar 4.5 Pengujian lebar blade persegi panjang .........................................
35
Gambar 4.6 Pengujian panjang blade segitiga .................................................
36
Gambar 4.7 Pengujian lebar balde segitiga .....................................................
36
Gambar 4.8 Pengujian tinggi tiang sampai poros ............................................
37
Gambar 4.9 Pengujian jarak antara sumber angin ke turbin ............................
37
Gambar 4.10 Pengujian kemiringan sudut 450 persegi panjang ......................
38
0
Gambar 4.11 Pengujian kemiringan sudut 85 persegi panjang ......................
38
Gambar 4.12 Pengujian kemiringan sudut 450segitiga ....................................
38
Gambar 4.13 Pengujian kemiringan sudut 850segitiga ....................................
39
Gambar 4.14 Pengujian jumlah blade persegi panjang (sudut 450) .................
39
Gambar 4.15 Pengujian jumlah blade persegi panjang (sudut 850) ................
40
Gambar 4.16 Pengujian jumlah blade segitiga (sudut 450)..............................
40
0
Gambar 4.17 Pengujian jumlah blade segitiga (sudut 85 ) .............................
41
Gambar 4.18 Pengujian tegangan yang diterima motor dengan hambatan terbesar.......................................................................................
42
Gambar 4.19 Pengujian tegangan yang diterima motor dengan hambatan terkecil .........................................................................................
42
Gambar 4.20 Pengujian tegangan output pada rangkaian pengisi aki otomatis ........................................................................................
43
Gambar 4.21 Pengujian arus output rangkaian pengisian aki otomatis ...........
44
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Tipe-tipe IC ACS712 .....................................................................
5
Tabel 2.2 Spesifikasi PCDuino Dual Core A20 ............................................
10
Tabel 2.3 Spesifikasi Software PCDuino Dual Core A20 .............................
11
Tabel 3.1 Konfigurasi penggunaan pin Arduino pada bagian pengolahan data ...................................................................................................
26
Tabel 4.1 Pengujian Controller Kecepatan Angin .........................................
42
Tabel 4.2 Pengujian Keluaran dengan Bentuk Blade Persegi Panjang..........
45
Tabel 4.3 Pengujian Keluaran dengan Bentuk Blade Segitiga siku-siku ......
45
Tabel 4.4 Pengujian keluaran blade persegi panjang (jumlah 3) ..................
46
Tabel 4.5 Pengujian keluaran blade persegi panjang (jumlah 6) ..................
46
Tabel 4.6 Pengujian keluaran blade segitiga siku-siku (jumlah 3) ...............
47
Tabel 4.7 Pengujian keluaran blade segitiga siku-siku (jumlah 3) ...............
47
Tabel 4.8 Pengujian keluaran blade persegi panjang dengan jumlah blade 3(sudut 450) ..........................................................................
48
Tabel 4.9 Pengujian keluaran blade persegi panjang dengan jumlah blade 3 (sudut 850) .........................................................................
48
Tabel 4.10 Pengujian keluaran blade persegi panjang dengan jumlah blade 6 (sudut 450) .........................................................................
49
Tabel 4.11 Pengujian keluaran blade persegi panjang dengan jumlah blade 3 (sudut 850) .........................................................................
49
Tabel 4.12 Pengujian keluaran blade segitiga siku-siku dengan jumlah blade 3 (sudut 450) .........................................................................
50
Tabel 4.13 Pengujian keluaran blade segitiga siku-siku dengan jumlah blade 3 (sudut 850) ........................................................................
50
Tabel 4.14 Pengujian keluaran blade segitiga siku-siku dengan jumlah blade 6 (sudut 450) .......................................................................
51
Tabel 4.15 Pengujian keluaran blade segitiga siku-siku dengan jumlah blade 3 (sudut 850) ........................................................................
ix
51
DAFTAR ISTILAH
HAWT
Horizontal Axis Wind Turbine
ADC
Analog to Digital Converter
LED
Light Emiting Diode
ρ
Kerapatan udara
u0
Kecepatan Angin
Ek
Energi Kinetik
A
Luas Penampang
PT
Daya yang Diambil dari Turbin
PW
Daya yang Diambil dari Angin
𝑚
Impuls
𝐹
Gaya
𝑎
Induksi atau Pertubasi Faktor (bilangan)
𝑃o
Daya Angin yang Tersedia
𝑚
Massa
𝐶𝑝
Koefisien Daya
𝐶𝑝 𝑚𝑎𝑥
Koefisien Daya Maksimal
𝑉
Tegangan
𝐻𝑧
Satuan Frekuensi
𝐾𝑝𝑎
Satuan Tekanan Udara
𝑾
Watt
x
