BAB 4 PENGUJIAN, DATA DAN ANALISIS
4.1 Pengujian Turbin Angin Turbin angin yang telah dirancang, dibuat, dan dirakit perlu diuji untuk mengetahui kinerja turbin angin tersebut. Pengujian yang dilakukan bertujuan untuk mencari karakteristik tubin angin berupa kurva hubungan luaran daya generator terhadap kecepatan angin dengan menggunakan satu nilai sudut pitch yang telah ditentukan. Data-data yang didapat dalam pengujian turbin angin mempunyai pengaruh pada proses perancangan dan pembuatan turbin angin tersebut. Data-data ini bisa berupa putaran rotor atau sudu, daya generator, beda tegangan listrik yang dihasilkan generator, dan kecepatan angin yang memutar sudu. Data-data tersebut sangat berkaitan, seperti berapa jumlah putaran sudu pada berbagai kecepatan angin, bagaimana hubungan antara kecepatan angin terhadap daya yang dihasilkan generator pada saat dihubungkan dengan suatu beban maupun hubungan antara kecepatan angin terhadap nilai beda tegangan listrik pada saat tanpa beban (idle).
4.1.1 Tahapan Pengujian Tahapan pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut: 1. Mempersiapkan semua komponen, merakit, dan membuat turbin angin. 2. Turbin angin yang sudah jadi, dipasang pada suatu tempat untuk memulai pengujian. 3. Menyiapkan alat ukur beda tegangan dan arus listrik yaitu multimeter. 4. Menyiapkan dan memasang anemometer (alat ukur kecepatan angin) untuk mengetahui kecepatan angin. 5. Menyiapkan komputer untuk membaca kecepatan angin yang terjadi pada anemometer.
44
6. Menyiapakan dua buah beban dengan nilai beban yaitu 27 watt dan 47 watt untuk pengujian berbeban. 7. Memasang penyearah yang dihubungkan dengan 3 kabel generator sehingga didapatkan arus searah (DC). 8. Mengukur nilai tegangan listrik terhadap kecepatan angin pada saat generator tanpa beban untuk pengujian tanpa beban. 9. Mengukur nilai tegangan listrik terhadap kecepatan angin pada masingmasing beban untuk pengujian berbeban. 10. Mengukur nilai kuat arus terhadap kecepatan angin pada masing-masing beban untuk pengujian berbeban. 11. Menghitung nilai daya listrik terhadap kecepatan angin pada masing-masing beban dengan data yang sudah didapatkan berupa tegangan dan kuat arus pada berbagai kecepatan angin. 12. Mengukur putaran rotor terhadap kecepatan angin pada saat pengujian tanpa beban dan pengujian berbeban untuk masing-masing beban. Pengukuran tegangan dan kuat arus dilakukan secara bersamaan dan dilakukan berulang-ulang, sehingga tidak mengurangi kevalidan data yang didapat. Nilai tegangan dan nilai kuat arus yang dihasilkan secara bersamaan untuk satu nilai kecepatan angin memudahkan perhitungan nilai daya yang terjadi sehingga untuk mendapatkan nilai daya pada satu nilai kecepatan angin, dilakukan perkalian antara nilai tegangan dan kuat arus. Pengukuran tegangan dan kuat arus dilakukan dengan menggunakan 2 buah multimeter, yang mana masing-masing multimeter digunakan untuk membaca tegangan dan arus yang terjadi. Kesalahan pembacaan pengukur untuk pengukuran tegangan dan kuat arus ini sangat mungkin terjadi sehingga mempengaruhi hasil pengukuran. Bagan alir (flowchart) tahap pengujian dapat dilihat pada gambar 4.1.
45
M u la i
M e n g u k u r n ila i k u a t a ru s te rh a d a p k e c . a n g in
M e n y ia p k a n t u r b in a n g in M e n g u k u r n ila i p u ta ra n te rh a d a p k e c . a n g in
M e n y ia p k a n A la t U kur (a n e m o m e tre r & m u lt im e t e r )
M e n g h it u n g n ila i d a y a te rh a d a p k e c . a n g in
M e n y ia p k a n k o m p u te r d a n a la t p e n g h it u n g
D a ta p e n g u k u ra n (V , I, P , & v )
M e n y ia p k a n beban
t id a k
M e m b u a t k u rv a k a r a k t e r is t ik V - v d a n P - v t u r b in a n g in
A pakah p e r a la t a n s ia p Ya M e n g u k u r n ila i v o lt a g e t e r h a d a p k e c . a n g in
S e le s a i
Gambar 4.1 Bagan Alir Tahapan Pengujian
4.1.2 Perlengkapan Pengujian Benda yang akan diuji adalah turbin angin dengan tiang setinggi 2,5 m. Ketinggian ini sebenarnya kurang cocok untuk instalasi turbin angin, namun untuk mendirikan turbin angin dengan ketinggian yang lebih akan membutuhkan lebih banyak biaya, tenaga, dan waktu. Peralatan yang diperlukan untuk pengujian adalah sebagai berikut:
46
Tabel 4.1 Alat yang digunakan untuk penelitian No
Alat & bahan
Jumlah
1
Turbin angin
1 unit
2
Kabel
10 m
2
Multimeter
2 unit
3
Anemometer
1 unit
4
Alat tulis
5
Pencatat waktu
1 unit
6
Komputer
1 unit
7
Beban
2 unit
secukupnya
Alat-alat yang digunakan pada pengujian dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 4.2 Komponen beban dan multimeter pengujian
47
Gambar 4.3 Instalasi turbin angin 2 sudu yang diujikan 4.1.3 Prosedur pengujian Prosedur pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut: A. Pengukuran tegangan listrik terhadap kecepatan angin (Kondisi Idle dan Berbeban) 1. Melakukan balancing pada rotor. 2. Merakit badan turbin angin, termasuk generator, yaw mechanism, dan ekor dan memasangkan pada tiang. 3. Mendirikan tiang dengan badan turbin angin berada di atasnya. 4. Memasang sudu rotor pada badan turbin angin. 5. Menempatkan anemometer disamping turbin angin dengan ketinggian dan kondisi medan yang serupa dengan turbin angin. Jarak antara anemometer dan turbin angin tidak lebih dari 3 m.
48
6. Menyiapkan komputer yang dihubungkan ke anemometer untuk membaca skala kecepatan angin. 7. Memasangkan kabel dan menghubungkan pada penyearah dan beban serta alat ukur tegangan listrik (voltmeter/multimeter). Pastikan skala yang digunakan lebih besar dari tegangan maksimum. 8. Melakukan pengukuran setiap 3 (tiga) detik. Pada 3 detik tersebut diambil data awal dan akhir untuk kecepatan angin dan tegangan sehingga terdapat 2 data untuk masing-masing kecepatan angin dan tegangan dan diambil nilai rata-rata dari keduanya. 9. Pengukuran dilakukan berulang-ulang sehingga didapatkan data yang cukup valid. 10. Pengukuran dilakukan hingga selang nilai kecepatan angin tidak lebih dari 1 m/s. 11. Menyimpan data pengukuran. 12. Pengukuran dilakukan kembali dengan kondisi beban yang berbeda.
B. Pengukuran arus listrik terhadap kecepatan angin Pengukuran kuat arus listrik terhadap kecepatan angin dilakukan dengan prosedur sebagai berikut: 1. Poin 1 sampai 6 sama dengan prosedur pengukuran tegangan 2. Memasangkan kabel dan menghubungkan pada penyearah dan beban serta alat ukur tegangan listrik (ampermeter/multimeter). Pastikan skala yang digunakan lebih besar dari arus maksimum. 3. Melakukan pengukuran setiap 3 (tiga) detik. Pada 3 detik tersebut diambil data awal dan akhir untuk kecepatan angin dan kuat arus sehingga terdapat 2 data untuk masing-masing kecepatan angin dan kuat arus dan diambil nilai rata-rata dari keduanya. 4. Pengukuran dilakukan berulang-ulang sehingga didapatkan data yang cukup valid.
49
5. Pengukuran dilakukan hingga selang nilai kecepatan angin tidak lebih dari 1 m/s. 6. Menyimpan data pengukuran. 7. Pengukuran dilakukan kembali dengan kondisi beban yang berbeda.
C. Pengukuran putaran rotor terhadap kecepatan angin Pengukuran putaran rotor terhadap kecepatan angin dilakukan dengan prosedur sebagai berikut: 1. Poin 1 sampai 6 sama dengan prosedur pengukuran tegangan dan kuat arus listrik. 2. Memasangkan kabel dan menghubungkan pada penyearah dan beban serta alat ukur tegangan listrik (multimeter). Pastikan skala yang digunakan lebih besar dari arus dan tegangan maksimum. 3. Menyiapkan komputer yang dihubungkan ke anemometer untuk membaca skala kecepatan angin dan menyiapkan alat ukur stopwatch untuk mengukur waktu. 4. Melakukan pengukuran setiap 15 detik. Selama 15 detik tersebut diambil data kecepatan angin rata-rata dan jumlah putaran rotor. Pengukuran dilakukan secara manual dengan melihat dan menghitung langsung jumlah putaran rotor selama waktu tersebut. 5. Pengukuran dilakukan berulang-ulang sehingga didapatkan data yang cukup valid. 6. Pengukuran dilakukan hingga selang nilai kecepatan angin tidak lebih dari 1 m/s. 7. Menyimpan data pengukuran. 8. Pengukuran dilakukan kembali dengan kondisi beban yang berbeda. Setelah didapatkan data pengukuran, langkah selanjutnya adalah mengolah dan menganalisa data yang didapat.
50
4.2 Data Dan Pengolahan Data Pengujian turbin angin dilaksanakan untuk mengetahui karakteristik turbin angin yang telah dirancang dan dibuat. Berapa tegangan dan daya listrik yang dihasilkan oleh turbin angin yang terpasang dapat dilihat dari besarnya tegangan listrik dan daya yang dihasilkan generator turbin angin pada berbagai kecepatan angin. Untuk mengetahui seberapa besar tegangan dan daya yang dihasilkan, pada pengujian ini dilakukan 2 kali percobaan dimana turbin angin diuji ketika dalam kondisi tidak berbeban (idle) dan kondisi berbeban. Untuk pembacaan skala besarnya nilai beda tegangan, pada pengujian ini digunakan alat ukur berupa multimeter. Arus listrik yang dihasilkan oleh genarator berupa arus bolak-balik (AC) dengan beda fase 120o. Untuk membuat arus menjadi searah (DC), maka pada rangkaian beban digunakanlah dioda. Dioda yang digunakan sebanyak 6 buah dimana 3 buah dihubungkan pada kabel yang terhubung dengan generator yang menghasilkan arus listrik dan 3 buah yang lain sebagai ground sehingga dengan 6 dioda ini dapat dihasilkan arus searah dengan beda fase 180o. Gambar rangkain penyerah dengan menggunakan dioda dapat dilihat pada gambar berikut:
+
`
_
Gambar 4.4 Penyearah
51
4.2.1 Pengujian Tanpa Beban (Idle) Pengujian tanpa beban dilakukan untuk mengetahui karekteristik awal dari energi listrik yang dihasilkan oleh turbin angin. Pada pengujian ini dapat diketahui seberapa besar beda tegangan (voltage) yang dihasilkan. Hasil yang didapat dalam pengujian ini berupa data dan kurva hubungan antara kecepatan angin terhadap beda tegangan listrik yang dihasilkan. Seberapa besar beda tegangan yang dihasilkan oleh turbin angin pada berbagai kecepatan angin dapat diketahui dengan melihat data hasil pengujian. Data pengujian yang dihasilkan dapat dilihat pada tabel 4.2 dan 4.3.
Tabel 4.2 Nilai beda tegangan terhadap berbagai kecepatan angin pada kondisi tanpa beban No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Kec. Angin (m/s) 1,3 1,5 1,6 1,7 2,0 2,3 2,8 2,9 3,0 3,1 3,1 3,1 3,1 3,2 3,6 3,7 4,1 4,3 4,4 4,5 4,9 5,1
52
Tegangan listrik (volt) 2,95 4,70 5,65 4,10 5,05 7,50 7,65 6,70 8,65 10,00 6,45 9,45 9,35 8,90 10,30 11,25 11,25 12,10 14,45 13,40 14,60 15,85
Tebel 4.3 Nilai putaran (rpm) untuk kondisi tanpa beban No 1 2 3 4 5
Kec. Angin Putaran (m/s) (rpm) 1,5 36 2 52 2,1 64 2,2 76 3,8 124
Pada pengujian tanpa beban (idle) ini didapatkan besarnya nilai cut in wind speed 1,7 m/s.
4.2.2 Pengujian Berbeban Setelah pengujian tanpa beban (idle) selesai dilaksanakan dan diketahui karakteristik awal turbin angin, langkah selanjutnya adalah pengujian turbin angin dengan menggunakan beban. Tujuan pengujian dengan menggunakan beban adalah untuk mengetahui seberapa besar daya yang dihasilkan oleh turbin angin pada berbagai kecepatan angin. Untuk pengujian ini digunakan 2 beban dengan nilai tahanan listrik (ohm) dan daya (watt) berbeda. Masing-masing beban dirangkai dan dihubungkan dengan kabel daya keluaran generator. Dengan nilai beban listrik berbeda, maka arus yang melalui masing-masing rangkaian tersebut berbeda dan daya yang dihasilkan generator berbeda pula. Data yang dihasilkan berupa kecepatan angin dan daya terukur. Pengujian turbin angin dengan beban dan spesifikasi beban dapat dilihat pada penjelasan di bawah ini adalah:
A. Pengujian Beban 1 Pengujian dengan beban 1 berupa lima buah lampu yang disusun secara seri. Dengan penyusunan ini didapatkan tahanan listrik yang besar. Spesifikasi tiap lampu yang digunakan sebagai berikut: -
Tegangan listrik lampu, V = 3,6 volt
53
-
Arus lampu, I = 1,5 ampere
-
Didapatkan nilai tahanan listrik pada lampu, R =
-
Nilai daya yang terdapat pada lampu, Plampu = V x I = 3,6 x 1,5 = 5,4 watt
V 3,6 = = 2,4 ohm 1,5 I
Karena terdiri dari 5 buah lampu yang terpasang seri, maka daya dan tahanan totalnya sebesar: P = 5 x PLampu = 5 x 5,4 = 27 watt Rt = 5 x 2,4 ohm = 12 ohm Susunan rangkain beban terpasang sebagai berikut: 5 buah lampu terpasang seri
kabel dari generator
Penyearah
Multimeter
Gambar 4.5 Rangkaian lampu untuk beban 1
Dari rangkaian beban ini didapatkan data nilai beda tegangan dan arus listrik yang terukur pada multimeter untuk berbagai kecepatan angin. Dengan melihat nilai beda tegangan dan arus listrik terukur ini dapat diketahui berapa besar daya yang dihasilkan oleh generator turbin angin untuk berbagai kondisi kecepatan angin. Dengan data ini dapat diketahui hubungan antara kecepatan angin dengan daya yang dihasilkan generator. Data pengujian untuk beban 1 dapat dilihat pada tabel 4.4 dan 4.5.
54
Tabel 4.4 Daya terukur yang dihasilkan turbin angin pada berbagai kecepatan angin untuk beban 1 No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Kec. Angin (m/s) 1,4 1,7 1,8 1,9 1,9 2,4 2,4 2,7 3,0 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,6 3,6 4,0 4,0 4,5
Daya (watt) 0,65 0,36 0,27 0,23 0,84 0,73 0,64 1,74 2,74 1,79 1,20 1,32 0,82 0,93 2,17 1,40 2,63 2,55 3,98 3,71
Tabel 4.5 Nilai putaran (rpm) untuk beban 1 No
1 2 3 4 5
Kec. Angin (m/s) 1,9 2 2,6 2,7 2,8
Putaran (rpm) 52 72 80 92 96
Pada pengujian dengan menggunakan beban 5 buah lampu yang tersusun seri ini (beban 1) besarnya nilai cut in wind speed 1,8 m/s.
55
B. Pengujian Beban 2
Pengujian dengan beban 2 berupa lima buah lampu yang sudah tersusun seri (beban 1) kemudian dirangkai secara paralel dengan sebuah lampu berkapasitas 20 watt. Dengan penyusunan ini didapatkan hambatan listrik yang lebih kecil dari pada beban 1, tetapi arus dan daya yang melalui pada rangkaian menjadi lebih besar. Spesifikasi beban yang terpasang pada pengujian beban 2 ini adalah sebagai berikut: -
5 buah lampu yang tersusun secara seri sama seperti spesifikasi pada beban 1
-
Sebuah lampu yang dipasang paralel dengan karakteristik : - Daya lampu, P = 20 watt - Tegangan listrik lampu, V = 12 volt - Didapatkan nilai tahanan listrik, R =
V2 (12) 2 = = 7,2 ohm P 20
Karena lampu berkapasitas 20 watt disusun paralel dengan lima buah lampu yang sudah tersusun seri (beban satu), maka didapatkan daya dan tahanan total sebesar : P = 20 + 27 = 47 watt Rt =
R lampu x R1 R lampu + R1
=
7,2 x 12 = 4,5 ohm 7,2 + 12
Susunan rangkaian beban 2 sebagai berikut:
5 buah lampu tersusun seri
kabel dari generator
Penyearah Multimeter
Lampu dengan daya 20 watt
Gambar 4.6 Rangkaian Beban 2
56
Dengan menggunakan beban 2, maka nilai arus listrik dan beda tegangan dapat diketahui ketika poros generator berputar dan menghasilkan listrik. Besarnya arus listrik dan beda tegangan yang terjadi melalui rangkaian dicatat oleh multimeter. Besarnya nilai daya yang dikeluarkan oleh generator turbin angin merupakan hasil perkalian antara arus dan tegangan listrik rangkaian sehingga dengan demikian dapat diketahui berapa besar daya yang dihasilkan oleh generator pada berbagai kecepatan angin untuk kondisi beban 2. Data yang didapat berupa daya yang dihasilkan oleh turbin angin pada berbagai kecepatan angin. Dengan data ini dapat diketahui hubungan antara besarnya daya turbin angin dengan nilai kecepatan angin. Data pengujian untuk beban 2 dapat dilihat pada tabel 4.6 dan 4.7. Tabel 4.6 Daya terukur yang dihasilkan turbin angin pada berbagai kecepatan angin untuk beban 2 No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Kec. Angin (m/s) 1,5 1,9 1,9 1,9 2,1 2,3 2,4 2,6 2,7 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,4 3,6 3,7 3,9 4,2
57
Daya (watt) 0,72 2,00 1,92 1,54 2,80 1,95 3,04 1,78 7,29 4,63 2,70 4,31 3,60 13,30 7,23 9,12 11,93 13,04 7,88
No 20
Kec. Angin (m/s) 5,5
Daya (watt) 15,79
Tabel 4.7 Nilai putaran (rpm) untuk beban 2 No
1 2 3 4 5
Kec. Angin (m/s) 1,9 2 2,6 2,7 2,8
Putaran (rpm) 52 72 80 92 96
Pada pengujian dengan menggunakan beban 2 dimana 5 buah lampu yang tersusun seri (beban 1) dirangkai secara paralel dengan sebuah lampu dengan kapasitas 20 watt menghasilkan nilai cut in wind speed 1,9 m/s.
4.3 Analisis
Pada pengujian turbin angin didapatkan data-data yang berkaitan dengan kecepatan angin, putaran rotor, tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator seperti yang tertera pada pembahasan sebelumnya. Dari data yang didapatkan bisa dianalisis karakteristik turbin angin yaitu besarnya nilai daya dan tegangan listrik yang dihasilkan oleh turbin angin pada berbagai kecepatan angin sehingga didapatkan kurva hubungan antara daya (P) dan tegangan listrik (V) terhadap kecepatan angin (v).
4.3.1 Analisis Pengujian
Data yang didapatkan dari pengujian dianalisis secara bertahap. Analisis yang dibuat merepresentasikan data yang didapatkan. Hasil analisis akan mengacu pada tujuan laporan dan menjadi bahan penilaian apakah analisis yang didapatkan sesuai dengan tujuan pengujian. Keterkaitan antara hasil analisis dan tujuan awal pengujian pada akhirnya akan menentukan laporan pengujian.
58
Disini akan dianalisis per bagian, yaitu mulai dengan pengujian tanpa beban, pengujian beban 1, dan pengujian beban 2.
A. Pengujian Tanpa Beban
Dari data yang didapatkan pada pengujian, terdapat hubungan antara kecepatan angin terhadap beda tegangan listrik yang dihasilkan generator: 1. Besarnya cut in wind speed 1,7 m/s. 2. Pada saat turbin angin mengalami cut in wind speed, tegangan listrik yang dihasilkan sebesar 4,1 volt. 3. Data kecepatan angin yang diuji untuk kondisi ini mempunyai nilai kecepatan angin minimum 1,3 m/s dengan tegangan listrik 2,95 volt dan kecepatan angin maksimum 5,1 m/s dengan nilai tegangan listrik 15,85 volt. 4. Semakin besar kecapatan angin, maka semakin besar nilai tegangan listrik yang dihasilkan generator. 5. Kurva hubungan nilai tegangan listrik dan kecepatan angin dapat dilihat pada gambar 4.7.
Gambar 4.7 Kurva hubungan tegangan listrik (V) terhadap kecepatan angin (v) pada kondisi tanpa beban (idle)
59
6. Pada saat didapatkan nilai tegangan listrik maksimum (15,85 volt), putaran rotor yang terjadi sebesar 174 rpm. 7. Kurva hubungan nilai putaran rotor terhadap kecepatan angin dapat dilihat pada gambar 4.8.
Gambar 4.8 Kurva hubungan putaran sudu rotor (rpm) terhadap kecepatan angin (v) pada kondisi tanpa beban (idle) 8. Pengujian dilakukan berulang-ulang untuk mendapatkan data yang valid. 9. Kesalahan pada pengambilan data seperti yang tertera pada tabel disebabkan karena respon turbin (ekor turbin) yang kurang terhadap kecepatan angin dan terjadi karena kesalahan pembacaan alat ukur.
B. Pengujian Beban 1
Dari data yang didapatkan pada pengujian, terdapat hubungan antara kecepatan angin terhadap daya listrik yang dihasilkan generator: 1. Besarnya cut in wind speed 1,8 m/s.
60
2. Nilai cut in wind speed lebih besar dari pada kondisi tanpa beban karena adanya beban yang listrik yang diterima oleh generator sehingga generator memerlukan putaran yang lebih besar untuk menghasilkan listrik. 3. Pada saat turbin angin mengalami cut in wind speed, daya listrik pada beban sebesar sebesar 0,273 watt. 4. Data kecepatan angin yang diuji untuk kondisi ini mempunya nilai kecepatan angin minimum 1,4 m/s dengan nilai daya listrik 0,65 watt dan kecepatan angin maksimum 4,5 m/s dengan nilai daya listrik 3,713 watt. 5. Semakin besar kecapatan angin, maka semakin besar nilai daya listrik yang dihasilkan generator. 6. Kurva hubungan kecepatan angin dan daya dapat dilihat pada gambar 4.9.
Gambar 4.9 Kurva hubungan daya (P) terhadap kecepatan angin (v) pada rangkaian beban 1 (27 watt) 7. Pada saat didapatkan daya maksimum (3,713 watt), putaran rotor yang terjadi sebesar 164 rpm. 8. Kurva hubungan nilai putaran rotor terhadap kecepatan angin dapat dilihat pada gambar 4.10.
61
Gambar 4.10 Kurva hubungan putaran sudu rotor (rpm) terhadap kecepatan angin (v) pada rangkaian beban 1 (27 watt) 9. Daya listrik yang dihasilkan belum maksimal dikarenakan kecepatan rotor yang terjadi belum optimum (500 rpm) dan kurva yang terjadi dalam bentuk linear.
10. Pengujian dilakukan berulang-ulang untuk mendapatkan data yang valid. 11. Kesalahan pada pengambilan data seperti yang tertera pada tabel disebabkan karena respon turbin (ekor turbin) yang kurang terhadap kecepatan angin dan terjadi karena kesalahan pembacaan alat ukur.
C. Pengujian Beban 2
Dari data yang didapatkan didapatkan hubungan antara kecepatan angin terhadap daya listrik yang dihasilkan generator: 1. Besarnya cut in wind speed 1,9 m/s. 2. Nilai cut in wind speed lebih besar dari pada kondisi iddle dan beban 1 karena adanya beban listrik lebih besar yang diterima oleh generator sehingga generator memerlukan putaran yang lebih besar untuk menghasilkan listrik. 3. Pada saat turbin angin mengalami cut in wind speed, daya listrik pada beban sebesar sebesar 1,9 watt.
62
4. Data kecepatan angin yang diuji untuk kondisi ini mempunya nilai kecepatan angin minimum 1,5 m/s dengan nilai daya listrik 0,72 watt dan kecepatan angin maksimum 5,5 m/s dengan nilai daya listrik 15,792 watt. 5. Daya yang melalui rangkain beban 2 lebih besar dari pada beban 1 karena nilai tahanan listrik beban 2 lebih kecil dari pada beban 1. 6. Semakin besar kecapatan angin, maka semakin besar nilai daya listrik yang dihasilkan generator. 7. Kurva hubungan daya listrik dan kecepatan angin dapat dilihat pada gambar 4.11.
Gambar 4.11 Kurva hubungan daya (P) terhadap kecepatan angin (v) pada rangkaian beban 2
8. Pada saat didapatkan daya maksimum (15,792 watt), putaran rotor yang terjadi sebesar 154 rpm. 9. Kurva hubungan nilai putaran rotor terhadap kecepatan angin dapat dilihat pada gambar 4.12.
63
Gambar 4.12 Kurva hubungan putaran sudu rotor (rpm) terhadap kecepatan angin (v) pada rangkaian beban 2 (47 watt) 10. Daya yang dihasilkan belum maksimal dikarenakan kecepatan rotor yang terjadi belum optimum (500 rpm) dan kurva yang terjadi dalam bentuk linear.
11. Pengujian dilakukan berulang-ulang untuk mendapatkan data yang valid. 12. Kesalahan pada pengambilan data seperti yang tertera pada tabel disebabkan karena respon turbin (ekor turbin) yang kurang terhadap kecepatan angin dan terjadi karena kesalahan pembacaan alat ukur.
4.3.2 Analisis Kesalahan Proses Pengujian
Pada pengujian turbin angin dengan ketinggian 3,5 meter di atas lantai dari gedung program studi teknik mesin masih terdapat kelemahan. Hal ini dikarenakan ketinggian tersebut kurang ideal dan di sekitar tempat pengujian terdapat gedung dan pepohonan. Keberadaan pepohonan dan gedung sekitar mempengaruhi arus angin yang terjadi, yang mana angin yang berhembus akan memiliki kecepatan yang kurang optimal atau rendah dan kondisi kecepatan yang tidak stabil. Angin yang bertiup
64
melewati gedung dan pepohonan akan menabrak dan menumbuk permukaan gedung sekitar dan pepohonan sehingga terjadi momentum/tumbukan pada angin dan menyebabkan kecepatan angin mudah berubah dan terjadi fluktuasi yang besar. Aliran angin yang mengalami fluktuasi menyebabkan kecepatan angin untuk memutar generator semakin rendah. Hal ini bisa dilihat pada data pengamatan, yang mana kecepatan angin yang terjadi sangat fluktuatif dan cukup rendah untuk menentukan putaran rotor. Untuk mendapatkan angin yang relatif tinggi dan stabil, maka harus diupayakan pemasangan turbin angin di tempat yang luas atau cukup tinggi untuk menghindari penghalang aliran udara. Untuk meneliti kondisi awal dari desain turbin angin yang dibuat, diperlukan tempat dan kondisi ideal. Kondisi tempat seperti di atas gedung program studi teknik mesin dengan ketinggian turbin angin 3,5 meter bisa dikatakan kurang ideal, tetapi cukup bisa dilaksanakan untuk mencari karakteristik awal turbin angin. Pencarian nilai cut in wind speed atau kecepatan angin minimal untuk mengerakan sudu dapat dilaksanakan pada tempat yang termasuk kriteria ini. Penggunakan alat ukur multimeter pada pengujian ini menggunakan 2 buah multimeter dengan skala pembacaan yang berbeda yaitu yang satu digital dan yang lain analog. Hal ini menyebabkan kesulitan bagi pengukur ketika melakukan pembacaan data pada alat ukur analog. Kelemahan alat ukur analog dibandingkan digital adalah kekurangakuratan dalam pembacaan data oleh pengukur ketika membaca dan mencatat data yang tertera pada skala alat ukur analog. Ini perlu untuk diperhatikan bahwa untuk mencapai keakuratan data yang didapatkan diperlukan alat ukur yang mudah dibaca (seperti alat ukur digital) dan nilai keakuratan alat yang lebih baik. Akan lebih akurat dan lebih baik lagi dalam pembacaan data jika alat ukur yang ada bisa langsung logging dengan komputer. Disamping mudah dibaca karena data langsung tertera di komputer, juga data yang ada bisa langsung disimpan di dalam memori komputer sehingga mempermudah proses pengujian. Untuk pengukuran ke depan akan lebih baik jika dipersiapkan alat ukur yang sesuai untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal.
65
Selain alat ukur multimeter, alat ukur kecepatan angin yang berupa anemometer harus dipasang pada tempat yang sesuai. Pada pengujian ini penempatan anemometer dengan jarak tidak kurang dari 3 meter dari tiang turbin angin mempunyai kelebihan dan kelemahan. Kelebihan yang didapat berupa taksiran bahwa kecepatan angin yang terjadi pada turbin angin atau pada saat memutar generator adalah sama dengan kecepatan yang tertera pada anemometer. Karena jarak antara anemometer dengan turbin angin yang cukup dekat, maka dapat diasumsikan bahwa besaran kecepatan angin yang terbaca pada anemometer juga merupakan besaran kecepatan angin yang memutar sudu sehingga mempermudah proses pengambilan data yaitu dengan melihat pada skala anemometer. Jika jarak anemometer cukup jauh dari turbin angin, maka data yang didapatkan akan kurang valid karena bisa jadi kecepatan yang memutar sudu akan berbeda dengan kecepatan yang terdapat pada skala pembacaan anemometer. Jarak yang jauh menyebabkan taksiran atau asumsi yang kurang sesuai. Adapun kelemahan dari pemasangan anemometer dengan jarak cukup dekat terhadap turbin angin adalah memungkinkan kecepatan angin yang terbaca anemometer menjadi fluktuatif. Hal ini dikarenakan kecepatan angin yang akan memutar sensor anemometer terlebih dulu mengenai atau menumbuk sudu dan badan turbin sehingga kecepatan angin yang memutar sensor anemometer telah mengalami momentum. Akibatnya, kecepatan angin yang memutar anemometer menjadi lebih kecil dari pada kecepatan angin ketika memutar sudu. Sudu yang dibuat mengikuti bentuk airfoil sehingga bagian atas mengikuti sebuah alur sementara bagian bawah bentuknya datar. Hal ini menyebabkan aliran udara pada permukaan atas terjadi turbulensi sementara bagian bawah cenderung laminar. Akibatnya, ketika terjadi aliran angin pada suatu sudu atau lapisan sudu, maka bagian atas akan mengalami fluktuasi aliran yang lebih besar dari pada bagian bawah sehingga kecepatan aliran angin di bagian atas lebih besar dari pada bagian bawah. Hal ini menyebabkan tekanan statik di bagian bawah lebih besar dari pada bagian atas sehingga ketika terjadi aliran angin, bagian permukaan atas akan terangkat. Tekanan statik ini berguna untuk memberikan putaran pada sudu rotor.
66
Sudu turbin angin sebelum diuji perlu diukur dan disamakan momen inersia dari kedua sudu yang akan diujikan. Istilah ini lebih dikenal sebagai balancing rotor dimana sudu yang lebih ringan akan ditambahkan sebuah masa sebagai counter balance sehingga nilai momen inersia pada sedua sudu ini sama. Terjadinya
balancing antara kedua ini akan menyebabkan putaran rotor yang stabil dan starting torsion yang lebih kecil. Pengaruh lainnya dari tidak seimbangnya inersia kedua sudu
adalah terjadinya getaran yang besar pada sudu dan tiang ketika rotor berputar. Semakin besar putaran rotor, semakin besar pula efek getar akibat kondisi yang tidak seimbang (balance). Pada pengujian turbin angin 2 sudu yang sudah dilaksanakan, penguji tidak melakukan balancing yang sempurna dikarenakan perbedaan massa antara kedua sudu yang diujikan sama. Namun bila diteliti lebih cermat dan dengan melihat letak pusat massa (center of gravity), maka akan terdapat perbedaan momen inersia massa kedua sudu sehingga akan menyebabkan tidak seimbang dan mempengaruhi proses pengujian. Untuk kondisi dua sudu yang mana luas penampang permukaan lebih besar dari pada tiga sudu atau lebih menyebabkan gaya drag yang lebih besar. Akibatnya, ketika sudu telah terpasang, untuk melihat kondisi tidak seimbang dari kedua sudu ini pada saat rotor belum berputar akan mengalami kesulitan dikarenakan gaya drag yang terjadi lebih besar dari pada perbedaan momen inersia yang ada. Akibat kondisi tidak seimbang antara kedua sudu pada pengujian ini menyebabkan terjadinya getaran pada sudu dan tiang ketika putaran sudu rotor tinggi. Hal ini menyebabkan beban yang menimpa sudu dan tiang menjadi lebih besar dan mempengaruhi proses pengujian dan. Jika pondasi turbin angin tidak kuat, maka tiang turbin angin tidak akan mampu menahan efek getar. Untuk pengujian berikutnya, sangat disarankan untuk melakukan balancing masa sudu sebelum memasang dan menguji turbin angin. Akibat lain dari
kondisi kedua sudu yang tidak seimbang adalah nilai starting torsion untuk memutar turbin menjadi lebih besar.
67
Penggunaan turbin dengan 2 sudu juga menyebabkan aspek giroskopik, dimana sudu turbin angin tidak dapat berputar optimal ketika aliran angin tiba-tiba berubah arah. Salah satu keuntungan dari penggunaan sudu ini adalah bahwa material yang digunakan berasal dari bahan kayu sehingga massa sudu relatif ringan. Akibatnya nilai starting torsion menjadi lebih kecil dan putaran rotor menjadi lebih besar untuk kondisi kecepatan angin yang sama bila dibandingkan dengan menggunakan material logam atau alumunium. Aspek pembuatannya juga lebih mudah bila dibandingkan dengan logam. Namun, material sudu dari kayu juga mempunyai kelemahan, yang mana nilai kekuatan lentur (bending strength) sudu kayu lebih kecil dari pada logam, sehingga aspek keamanan sudu kayu untuk putaran sudu yang sangat tinggi akan lebih kecil bila dibandingkan dengan sudu logam. Selain itu, material yang berasal dari kayu bisa lapuk atau keropos atau menurun drastis kekuatannya manakala disiram air atau terkena air hujan. Untuk mengantisipasi hal ini, maka sudu perlu diberi lapisan anti air. Pada pengujian ini sudu yang digunakan telah dilapisi dengan cat tahan air, tetapi kurang merata sehingga sudu bisa terkena air. Pada pengujian ini tidak dicantumkan secara detil kekuatan kayu yang dibuat, namun hanya dilihat dari aspek kemudahan pembuatannya dan ringannya meterial yang digunakan. Untuk penelitian selanjutnya disarankan untuk terlebih dulu mengukur kekuatan kayu yang digunakan untuk membuat sudu. Faktor lain, selain meterial dan massa sudu, yang berpengaruh pada putaran rotor adalah sudut pitch (pitch angle). Secara teoritis, besaranya sudut pitch yaitu antara 5 sampai 20 derajat. Untuk turbin angin dengan diameter 3,5 meter, tip speed ratio 0,7 dan rated wind speed 5 m/s memiliki sudut pitc sebesar 5 derajat. Namun,
pada pengujian yang sudah dilakukan, ketika sudu turbin dipasang pada sudut 5 derajat, sudu turbin susah untuk mulai berputar dan cut in wind speed menjadi lebih besar. Hal ini dikarenakan gaya drag yang terjadi lebih besar dari pada gaya lift. Akibatnya, starting torsion yang terjadi juga semakin besar. Starting torsion dan cut in wind speed terjadi pada kecepatan angin yang besar. Untuk mengantipasi hal ini,
maka sudu dipasang pada sudut pitch maksimal yaitu 20 derajat. Dengan semakin
68
besar sudut pitch, starting torsion semakin rendah dan efek gaya lift semakin besar sehingga sudu dapat berputar pada kecepatan angin yang lebih rendah. Namun, penggunaan sudut pitch 20 derajat menyebabkan turbulensi udara yang lebih besar sehingga putaran sudu tidak optimal. Selain sudu, kompenen penting yang lain adalah generator. Generator yang digunakan adalah PMG (Permanent Magnet Generator) yang memiliki kapasitas daya 500 watt dengan putaran optimum 500 rpm. Ini berarti bahwa ketika sudu berputar pada kecepatan optimum 500 rpm, akan menghasilkan daya sebesar 500 watt. Desain dan spesifikasi generator tidak dijelaskan secara detil karena generator yang digunakan berasal dari luar negeri (import), yang mana perusahaan produksi generator tersebut tidak memberikan informasi yang cukup lengkap. Jika melihat pada data pengujian, pada saat kecepatan angin 5 m/s, turbin angin menghasilkan daya sebesar 15 watt. Hal ini dikarenakan terjadi efisiensi pada generator dan putaran rotor yang tidak optimal karena adanya turbulensi aliran udara. Pada penelitian ini didapatkan nilai daya yang lebih kecil dari pada nilai daya maksimal. Dari data penelitian, daya maksimal yang dihasilkan sebesar 15,6 watt. Hal ini dikarenakan putaran rotor yang rendah dan kecepatan angin yang ada belum menghasilkan putaran rotor yang optimal. Selain karena kondisi rotor yang tidak seimbang, kecepatan angin yang sangat fluktuatif, sudut pitch terlalu besar, terjadinya turbulensi aliran udara dan kondisi tempat yang kurang ideal menyebabkan kecepatan rotor belum optimal. Selain faktor alat dan komponen turbin angin, tempat pengujian, dan alat pencatat data, faktor lain yang berpengaruh adalah kemampuan yang dimiliki penguji (human factor). Kemampuan penguji sangat penting dalam banyak hal yang menyangkut turbin angin termasuk dalam hal perancangan, pembuatan dan pengujian. Jika melihat data percobaan di atas, akan kelihatan kesalahan-kesalahan yang dilakukan penguji. Dari data yang dicatat, terdapat perbedaan antara data kecepatan angin dan beda tegangan yang dihasilkan. Sebagai contoh, pada data beban 2 untuk kecepatan angin 2,7 m/s beda tegangan yang terjadi pada beban sebesar 4,5 volt, sedangkan pada saat kecepatan angin 3,1 m/s beda tegangan yang terjadi sebesar 2,7
69
volt. Seharusnya semakin besar kecepatan angin semakin besar pula beda tegangan yang terjadi. Hal ini terjadi dikarenakan kesalahan pembacaan oleh pengukur. Skala pembacaan alat ukur yang cepat untuk alat ukur digital atau jarum penunjuk yang masih bergerak untuk alat ukur analog menyebabkan kesalahan pembacaan yang dilakukan oleh pengukur ketika membaca data yang tertera pada alat ukur tersebut. Selain karena penguji, kesalahan pembacaan dan pengambilan data juga disebabkan karena respon turbin angin yang lambat. Ketika angin bertiup dengan kecepatan tertentu, dari arah samping atau belakang turbin angin misalnya, rotor turbin angin belum berputar dikarenakan kondisi badan turbin angin sedang berputar untuk mengarahkan sudu menghadap ke arah angin. Data yang terbaca pada anemometer adalah untuk semua kecepatan angin. Oleh karenanya, bisa saja kecepatan angin yang terbaca oleh anemometer cukup besar, tetapi kondisi badan turbin sedang berputar untuk mengarahkan sudu rotor menghadap arah angin dan sudu rotor turbin masih belum berputar. Jenis turbin angin pada penelitian ini termasuk jenis upwind, yang mana sudu turbin hanya bisa berputar jika arah kecepatan angin berasal dari depan atau muka sudu. Data-data akibat kesalahan pembacaan ini dimasukan ke dalam data percobaan dan grafik untuk mengetahui gambaran secara umum dalam proses pengujian turbin angin dan sebagai bahan pelajaran untuk penelitian berikutnya.
70
