BAB III PERANCANGAN ALAT
3.1
Prinsip Kerja Turbin Angin Prinsip kerja dari turbin angin adalah mengubah energi mekanis dari angin
menjadi energi putar pada kincir. Lalu putaran kincir digunakan untuk memutar rotor pada generator di bagian bawah turbin angin, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Energi Listrik ini biasanya akan disimpan ke dalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan.
3.2
Konfigurasi Sistem Turbin angin dengan konstruksi sederhana yang cocok untuk penggunaan
di pedesaan adalah temuan sarjana Finlandia bernama S. Savonius. Turbin ini termasuk jenis turbin angin dengan sumbu vertikal (vertical-axis differential drag windmill.), dengan rotor yang tersusun dari dua buah sudu-sudu setengah silinder, Konsep turbin angin Savonius ini cukup sederhana, praktis, dan tidak terpengaruh oleh arah angin. Turbin Savonius relatif sederhana dan terdiri dari dua atau lebih mangkuk ( Amrullah, F. 2007).
25
26
Gambar 3.1 Model turbin angin savonius
Turbin angin yang akan dibuat adalah turbin angin poros vertikal dengan dua buah variabel sudu yang berhubungan dengan poros rotor generator. Angin yang ada di lingkungan sekitar akan memutar blade yang berhubungan dengan rotor sehingga akan menghasilkan arus listrik pada generator. Arah putaran rotor adalah ke arah sisi masukan sudu sehingga sudu hanya dapat bergerak di daerah antara silinder dan tepi pelat saja. Gaya yang terjadi pada sudu-sudu kincir angin ini kombinasi dari gayagaya aerodinamis, gaya dorong, dan gaya tekan angin. Sehingga menghasilkan momen torsi yang besar.
27
3.3
Blok Diagram Turbin Angin Savonius Turbin angin merupakan sebuah sistem yang mampu mengkonversi energi
angin secara langsung menjadi energi listrik. Untuk mempermudah di dalam perancangan turbin angin, maka dibutuhkan blok diagram pada sebuah turbin angin savonius. Di bawah ini adalah gambar blok diagram turbin angin.
Angin
Sudu
Rotor
Stator
Beban
Gambar 3.2 Blok Diagram Turbin Angin
28
Pada blok diagram di atas, dapat dijelaskan bahwa angin yang bertiup dari udara akan memberikan gaya dorong sehingga dapat memutar sudu. Kemudian rotor savonius akan berputar seiring dengan putaran poros. Setelah itu, perputaran rotor terhadap stator merupakan bagian dari generator yang akan menghasilkan energi listrik untuk kebutuhan beban.
3.4
Prosedur Perancangan
3.4.1 Arah Aliran Angin Angin adalah salah satu bentuk energi yang tersedia di alam. Pembangkit listrik tenaga angin mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Pada turbin angin savonius, angin yang berhembus untuk menggerakkan turbin tersebut bergerak mengikuti arah aliran angin sesuai dengan bentuk sudu savonius. Di bawah ini merupakan gambar arah aliran angin pada sudu savonius.
Gambar 3.3 Arah Aliran Angin Pada Sudu Savonius
29
Pada turbin angin tipe savonius, angin yang bertiup untuk memutar turbin memiliki arah aliran angin seperti yang ditunjukan pada gambar 3.3. Angin yang masuk menuju sudu akan mengalir mengikuti ruang sudu yang berbentuk setengah lingkaran kemudian akan dibelokkan ke sudu berikutnya. Angin yang masuk tidak semua mengalir mengikuti sudu, melainkan ada sebagian angin yang melewati sisi samping sudu. Oleh karena itu, apabila diinginkan seluruh angin yang bertiup masuk melewati sudu maka diperlukannya sisi pendukung di samping sudu untuk menahan angin agar tidak keluar bebas dari sudu.
3.4.2 Sudu Sudu merupakan bagian penting dari sebuah turbin. Geometri dan posisi sudu yang tepat akan meningkatkan daya angkat yang dapat dihasilkan, yang pada akhirnya dapat meningkatkan efisiensi turbin. Selain bentuk geometri, bahan atau material sudu juga berpengaruh pada performa turbin. Sudu dikatakan baik apabila bahan yang digunakan ringan tetapi kuat, sehingga mampu menahan beban atau tegangan yang terjadi karena putaran rotor. Saat ini banyak dikembangkan sudu yang menggunakan material serat karbon.
Gambar 3.4 Skema sudu savonius
30
3.4.3 Tipe Sudu Savonius Tipe turbin angin savonius di bawah ini, terlihat dari bagian atas yaitu: 1. Savonius tipe U. Sangat kuat karena terpusat di tengah/ pusat batang, tetapi sedikit kurang efisien dibandingkan dengan dua tipe savonius lainnya.
Gambar 3.5 Savonius tipe U
2. Rancangan savonius tipe S ini juga sangat sederhana, dan juga dapat dilakukan dengan mudah dari logam pipa atau drum. Desain yang sedikit lebih efisien daripada tipe savonius di atas karena beberapa udara dibelokkan oleh kedua baling lalu keluar pada salah satu sisinya.
Gambar 3.6 Savonius tipe S
3. Ini merupakan desain paling efisien dari kincir angin Savonius. Savonius tipe L ini tidak hanya memiliki keunggulan dari udara yang dibelokkan menjadi dua kali seperti desain di atas, tetapi juga sebagian vanes
31
bertindak seperti sebuah airfoil ketika berada di tepi, membuat efek angkat kecil sehingga meningkatkan efisiensi.
Gambar 3.7 Savonius tipe L
3.4.4 Stator Stator terdiri dari beberapa coil atau kumparan dari kawat tembaga yang dilapisi oleh bahan isolator. Jumlah kumparan menentukan tegangan yang bisa dikeluarkan oleh generator tersebut. Stator yang telah dibuat terdiri dari 4 kumparan, 6 kumparan, dan 8 kumparan yang masing-masing kumparan terdiri atas 1000 lilitan dan setiap kumparan digabung secara seri sehingga didapat 1 fasa tegangan. Seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini :
(a)
(b)
(c)
Gambar 3.8 Skema stator (a). 4 kumparan, (b). 6 kumparan, dan (c). 8 kumparan
32
3.4.5 Rotor Rotor tipe ini dirancang oleh insinyur prancis S. J. Savonius pada tahun 1922. Ide dasarnya adalah menggabungkan dua silinder yang telah dibelah menjadi dua. Cara seperti ini sangat mudah dan sederhana untuk diaplikasikan. Tipe savonius bekerja karena adanya gaya drag dari angin, satu sisi savonius memiliki gaya drag yang lebih besar dari pada sisi yang lainnya sehingga terjadi perputaran. Tipe ini memiliki efisiensi rendah karena gaya angin yang mengenai sebuah bidang di transformasikan menjadi gaya drag yang lebih besar daripada gaya angkat. Menurut penelitian koefisien tenaganya (Cp) tidak lebih dari 30%, sehingga cocok untuk penghasil daya rendah dan kecepatan angin kecil. Rotor berfungsi mengubah energi kinetik angin menjadi energi gerak berupa putaran poros. Rotor terdiri dari bagian poros, sudu dan magnet yang dibuat menyatu. Bagian sudu pada rotor terbuat dari seng, sedangkan bagian ditempatkan magnet permanent (NdFeB) terbuat dari mika. Pada perancangan rotor tersebut dibuat dengan menggunakan 16 buah magnet yang dipasang pada setiap permukaan mika. Tetapi di dalam penempatannya dari 16 magnet tersebut dibagi 2 menjadi 8 buah, kemudian magnet tersebut digabung sehingga magnet menjadi 2 tingkat.
Gambar 3.9 Rotor menggunakan 16 magnet
33
3.4.6
Beban Dalam perancangan miniatur turbin angin tipe savonius, beban yang
digunakan adalah lampu LED (light emitting diode). LED adalah singkatan dari Light Emiting Dioda, merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. LED merupakan produk temuan lain setelah dioda. Strukturnya juga sama dengan dioda, tetapi belakangan ditemukan bahwa elektron yang menerjang sambungan P-N juga melepaskan energi berupa energi panas dan energi cahaya. LED dibuat agar lebih efisien jika mengeluarkan cahaya. Untuk mendapatkan emisi cahaya pada semikonduktor, doping yang dipakai adalah galium, arsenic dan phosporus. Jenis doping yang berbeda menghasilkan warna cahaya yang berbeda pula.
Gambar 3.10 Simbol LED
Pada saat ini warna-warna cahaya LED yang banyak ada adalah warna merah, kuning dan hijau. LED berwarna biru sangat langka. Pada dasarnya semua warna bisa dihasilkan, namun akan menjadi sangat mahal dan tidak efisien. Dalam memilih LED selain warna, perlu diperhatikan tegangan kerja, arus maksimum dan disipasi dayanya. Rumah (chasing) LED dan bentuknya juga bermacammacam, ada yang persegi empat, bulat dan lonjong.
34
Gambar 3.11 LED
3.4.7 Bahan dan Alat Dalam penelitian ini, turbin angin yang akan dirancang adalah model turbin angin poros vertikal satu tingkat dengan rotor savonius. Perancangan turbin angin tersebut terdiri dari rangka, sudu, poros, rotor, dan stator. Sebelum membuat turbin angin yang diinginkan, diperlukan susunan rangka yang berfungsi menopang keseluruhan beban turbin angin dan gaya yang diakibatkan oleh putaran turbin. Rangka ini juga berfungsi sebagai dudukan komponen rotor, generator,bantalan (bearing), penyangga poros, serta panel instrumen. Rangka yang akan didesain terdiri dari rangka atas, rangka samping, dan rangka bawah. Rangka-rangka tersebut dibuat menggunakan bahan kayu. Rangka atas dibuat dengan ukuran panjang 258 mm dan lebar 44 mm. 2 buah rangka samping dengan ukuran panjang 300 mm dan lebar 77 mm. Rangka bawah dibuat dengan ukuran panjang 300 mm dan lebar 194 mm serta 2 buah penyangga bawah dengan ukuran panjang 190 mm dan lebar 115 mm. Dari ukuran di atas dapat dilihat skema rangka turbin yang akan dibuat seperti pada yang ditunjukan pada gambar 3.12.
35
4
1 2
3
Gambar 3.12 Rangka Turbin
Keterangan : 1.
Rangka atas
2.
Rangka samping
3.
Rangka bawah
4.
Poros
Setelah rangka dibuat dengan ukuran seperti yang telah dijelaskan, maka selanjutnya membuat sudu yang berbentuk S (setengah silinder), seperti ditunjukkan pada Gambar 3.4. Pada perancangan turbin angin model satu tingkat terdapat 2 buah sudu. Sudu tersebut berdiameter 220 mm yang disusun berhadapan, dengan tinggi sudu 165 mm. Sudu terbuat dari seng dengan ketebalan
36
0,25 mm. Adapun bahan berupa besi dengan diameter 5 mm dan tinggi 285 mm yang digunakan sebagai poros. Pada stator dan rotor bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan turbin angin telah dijelaskan sebelumnya di bagian atas. Apabila semua rangka, sudu, poros, rotor dan stator telah dibuat sesuai dengan bahan dan ukuran yang telah ditentukan, maka perangkat tersebut mulai di pasang agar menjadi kerangka miniatur turbin yang diinginkan seperti pada gambar di bawah ini.
Gambar 3.13 Skema lengkap turbin angin savonius
Setelah perancangan selesai, maka akan dilakukan pengukuran dengan menggunakan beberapa peralatan listrik. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah multi tester dan tachometer. Di bawah ini dapat dilihat skema
37
rangkaian keseluruhan dari energi angin yang berasal dari desk fan sampai dengan beban yang diinginkan.
Gambar 3.14 Susunan peralatan turbin angin
Desk fan digunakan sebagai sumber angin dengan kecepatan angin yang dapat disetting dengan baik. Selanjutnya mensetting sudu-sudu savonius (rotor) pada poros yang terhubung dengan dudukan serta terhubung oleh generator (rotor dan stator). Kemudian multitester dipasang pada kabel yang terhubung dengan generator untuk mengukur tegangan yang dihasilkan oleh turbin.
