Bab III Perancangan Turbin Angin 3 Sudu
3.1 Metode Penelitian Metode yang digunakan pada pengerjaan tugas akhir ini adalah gabungan antara
perancangan
dan
eksperimental.
Metode
analitik
digunakan
untuk
mendapatkan prediksi awal beberapa variabel yang dibutuhkan, namun eksperimen pembuatan prototipe dilakukan untuk mendapatkan perkembangan yang lebih cepat dan lebih realistis.
3.1.1 Tahapan Penelitian Jika diuraikan, tahapan yang dilakukan dalam pengerjaan penelitian adalah sebagai berikut: 1. menentukan spesifikasi awal turbin angin meliputi diameter rotor, kecepatan angin nominal, putaran rotor, dan jumlah sudu 2. menentukan profil airfoil yang akan digunakan dan memodelkan aliran di sekitar profil airfoil tersebut untuk mengetahui nilai rasio lift/drag terhadap sudut pitch yang bervariasi 3. membuat rancangan geometri sudu dan membuat simulasi pemodelan aliran pada di sekitar rotor dengan fluent. Proses ini dilakukan berkali-kali hingga mendapatkaan nilai torsi output yang optimal untuk sudut pitch yang diberikan 4. membuat rancangan seluruh komponen turbin angin 5. membuat komponen turbin angin dan merangkainya 6. melakukan pengujian kinerja turbin angin Adapun tahapan yang dilakukan selama pengerjaan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
38
Mulai Input spesifikasi turbin angin Membuat komponen turbin angin
Merancang geometri sudu Tidak Simulasi profil airfoil dengan Fluent
ya
Sudu mungkin dibuat
Simulasi aliran rotor dengan Fluent
Assembly komponen turbin angin
Menguji kinerja turbin angin tidak
Input sudut pitch sudu
ya Apakah torsi maksimum
Memeriksa dan menganalisis hasil pengujian
selesai Merancang komponen turbin angin tidak Komponen memungkinkan dibuat
Gambar 3.1 Diagram alir perancangan dan pembuatan turbin angin
3.2 Penerapan Prinsip Konversi Energi Angin 3.2.1 Menentukan Kecepatan Angin Nominal Turbin angin yang akan dibuat dirancang untuk dapat memenuhi kebutuhan energi rumah tangga, sehingga penempatannya diupayakan tidak jauh dari daerah pemukiman. Turbin angin ini dirancang untuk penggunaan di Indonesia yang
39
memiliki kecepatan angin yang pada keadaan normal berkisar antara 0 sampai 12 m/s. Kecepatan angin yang diambil sebagai kecepatan nominalnya adalah 5 m/s.
3.2.2 Perhitungan Daya Maksimum Rotor Menurut aturan Betz, daya yang diserap turbin angin tidak akan melebihi 0.593 bagian dari daya total udara yang melalui area sapuan rotor. Tabel berikut menunjukkan daya maksimum yang dapat diekstraksi oleh rotor dengan asumsi tidak ada loses, tidak terjadi efek wake, tidak ada turbulensi, efek perubahan luas area diabaikan. Tabel 3.1 Daya rotor maksimum pada diameter 3,5 meter, berbagai kecepatan angin kecepatan
daya rotor
kecepatan
daya rotor
angin (m/s)
(Watt)
angin (m/s)
(Watt)
1
3,49
9
2546,21
2
27,94
10
3492,74
3
94,30
11
4648,84
4
223,54
12
6035,46
5
436,59
13
7673,55
6
754,43
14
9584,08
7
1198,01
15
11788,00
8
1788,28
Dari tabel 3.1 terlihat bahwa untuk kecepatan angin 5 m/s, daya maksimum yang dapat diekstraksi rotor adalah sebesar 436,59 Watt. Pada kenyataannya nilai energi yang dapat diekstraksi lebih kecil dari nilai tersebut karena faktor-faktor lain yang merpengaruh seperti adanya loses karena gesekan antar komponen, efek wake yang terjadi, adanya turbulensi dan faktor lainnya.
40
3.3 Perancangan Rotor Kemampuan rotor mengkonversi energi angin yang mengalir melalui area sapuannya menjadi energi mekanik secara jelas bergatung pada sifat aerodinamik rotor yang berpengaruh besar terhadap efisiensi konversi energi pada turbin angin. spesifikasi rotor turbin angin yang dipilih adalah sebagai berikut: Tabel 3.2 Spesifikasi turbin angin No
Spesifikasi
Keterangan
1
Jenis
Sumbu horizontal
2
Pengarah rotor
Upwind dengan pengarah ekor
3
Diameter rotor
3,5 m
4
Jumlah sudu
3
5
Bentuk sudu
Parabolik dengan sudut pitch seragam
6
Bahan sudu
Kayu diperkuat aluminium
7
Kecepatan angin nominal
5 m/s
8
Cut in speed
2,5 m/s
9
Putaran nominal rotor
200 rpm
10
Pengaman badai
Side furling
11
Generator
AC; Permanent Magnet Generator
12
Struktur menara
Tiang diperkuat wire rope
3.3.1 Diameter Rotor Penentuan diameter rotor dilakukan dengan mempertimbangkan beberapa parameter diantaranya besar daya yang ingin dihasilkan, rated wind speed, cut in speed, dan pertimbangan lain yang berkaitan dengan keindahan, ketersediaan lahan, dan lainnya. Semakin besar daya listrik yang ingin dihasilkan, maka diameter rotor yang dierlukan akan semakin besar. Semakin kecil rated wind speed, artinya kecepatan angin yang diperlukan untuk menghasilkan daya maksimum semakin kecil, maka diameter rotor yang dibutuhkan semakin besar. Demikian juga denga cut in speed yang rendah akan membutuhkan diameter rotor yang lebih besar.
41
Diameter yang dipilih untuk kecepatan angin nominal (rated wind speed) 5 m/s dan dengan asumsi tip speed ratio 7 adalah 3,5 m.
3.3.2 Tip speed ratio Tip speed ratio adalah nilai perbandingan kecepatan sisi terluar (ujung) rotor terhadap kecepatan angin. Nilai tip speed ratio berbeda untuk setiap jenis turbin angin, seperti telah diperlihatkan pada gambar 2.9. Pada gambar 2.9, diperlihatkan besar tip speed ratio yang memberikan nilai cp terbesar untuk turbin angin 3 sudu adalah pada angka 7 atau sekitar 6,5 sampai 7,5.
3.3.3 Pemilihan Bahan untuk Komponen-Komponen Rotor Sudu dibuat dari bahan dasar kayu. Pemilihan bahan dasar kayu didasarkan pada pertimbangan kemudahan pembuatan dan massa jenis yang ringan. Pada perancangan turbin angin ini diupayakan sekecil mungkin massa elemen berputar untuk meminimalisir momen inersia yang terjadi. Momen inersia yang besar akan menyebabkan respon rotor yang lambat terhadap angin, sehingga cut in speed tinggi. Bahan yang digunakan untuk membuat hub adalah logam, dapat berupa logam ferrous maupun logam non-ferrous, misalnya baja karbon, stainless steel, Aluminium, dll. Yang penting adalah hub mampu menahan beban statik dan dinamik akibat tahanan rotor terhadap angin dan akibat putaran rotor. Elemen yang menghubungkan sudu dengan flens hub dinamakan batang sudu. Batang sudu ini juga berfungsi sebagai pengatur sudut pitch, yaitu sudut kemiringan sudu terhadap bidang sapuan rotor. Batang sudu dibuat dari pipa baja dengan profil persegi yang dilas dengan flens yang berbahan baja karbon.
3.3.4 Batasan Profil Airfoil Berdasarkan Keterbuatan Untuk memudahkan pembuatan, bentuk airfoil yang dibuat adalah sebagai berikut:
42
Gambar 3.2 Profil airfoil untuk penampang sudu Proses pembentukan kayu hingga mencapai bentuk yang diinginkan adalah dengan pemesinan, yaitu dengan mereduksi bahan. Proses yang dilakukan diantaranya adalah menggergaji, menyerut, dan mengampelas. Perkakas yang digunakan untuk membentuk kayu memiliki keterbatasan, salah satunya sulit membentuk cekungan. Atas pertimbangan tersebut maka profil airfoil dengan garis lurus pada bagian bawah, untuk kemudahan produksi.
3.3.5 Simulasi Profil Airfoil Tabel 3.3 Variabel yang digunakan dalam simulasi profil airfoil No
Variabel
Keterangan
1
Solver
Segregated, absolut, implicit, dan steady state
2
Viscous equation
Realized K-ε (2 eqn)
3
Domain area
6000 mm x 5000 mm
4
Chord
240 mm
7
Edge mesh
500 mm pada inlet, outflow, dan periodic; 4 mm pada profil airfoil
8`
Inlet velocity
40 m/s
9
Input sudut
-5°, 0°, 5°, 10°, 15°, 20°, 25°
10
Cells
80965
11
Faces
121519
12
Nodes
40566
13
Massa jenis udara
1.225 kg/m3
14
Viskositas
1.789 x 10-5
15
Tekanan operasi
101325 Pa
43
Simulasi dilakukan dengan memasukkan nilai kecepatan udara sebesar 40 m/s. Sudut serang yang dimasukkan adalah -5°, 0°, 5°, 10°, dan 15°. Data yang diperoleh adalah besar gaya yang terjadi pada sudu dengan arah yang diminta. Gaya pada arah sejajar aliran disebut gaya drag sedangkan gaya pada arah tegak lurus aliran dinamakan gaya lift.
3.3.6 Pemilihan Bentuk Sudu Terdapat variasi bentuk sudu turbin angin diantaranya bentuk sudu lurus, bentuk sudu tirus, bentuk sudu tirus terbalik, dan bentuk sudu optimal. Bentuk sudu optimal dipilih dengan beberapa keuntungan yang diperoleh diantaranya: 1. Memberikan nilai Cp yang terbesar 2. Nilai Chord yang besar pada root adalah untuk memberikan nilai starting torque yang besar 3. Chord mengecil pada ujung sudu untuk meminimalisir kebisingan Sudut pitch dibuat seragam untuk kemudahan pembuatan. Pemilihan nilai sudut pitch dilakukan dengan pertimbangan untuk memperoleh nilai Cp maksimum dengan kondisi sudut pitch yang seragam.
3.3.7 Perancangan Geometri Sudu Untuk membuat geometri sudu dengan bentuk yang optimal, dilakukan pendekatan dengan menggunakan persamaan 2.20. Dengan mengambil nilai λ = 7, kecepatan angin nominal 5 m/s, dan jarak antara stasiun 125 mm, hasil perhitungan chord disajikan dalam tabel 3.4. Nilai Chord pada stasiun 1 adalah tak terhingga dan pada stasiun 2 adalah 930 mm, jika nilai chord pada stasiun 1, 2, 3, dan 4 diikuti, maka akan ada beberapa kelemahan diantaranya adalah sudu tidak mungkin dibuat dengan nilai ukuran tak terhingga (nilai chord pada stasuin 1), lebar bahan yang diperlukan besar, dan banyak bahan yang akan terbuang, hal ini mengurangi efisiensi produksi, dan mengurangi nilai estetika karena bentuk sudu menjadi tidak indah dilihat, terlalu besar pada bagian pangkal.
44
Tabel 3.4 Distribusi Panjang Chord r (mm)
Stasiun
C (mm)
r (mm)
Stasiun
C (mm)
0
1
∞
1000
9
116
125
2
930
1125
10
103
250
3
465
1250
11
93
375
4
310
1375
12
85
500
5
233
1500
13
78
625
6
186
1625
14
72
750
7
155
1750
15
66
875
8
133
Atas pertimbangan tersebut, maka lebar chord pada stasiun 1, 2, 3, dan 4 ditentukan bukan berdasarkan hasil perhitungan dengan rumus, tetapi dengan memilih nilai yang sesuai untuk pertimbangan estetika dan keterbuatannya. Stasiun 3 dan 4 diberi nilai 240 mm menyesuaikan dengan dimensi bahan yang tersedia. Sudu mulai dibuat pada stasiun 3 hingga stasiun 15, sedangkan daerah antara stasiun1, dan stasiun 3 adalah batang sudu yang memiliki bentuk seragam berupa pipa segi empat.
3.4 Pemodelan Geometri dengan Program Gambit Versi program Gambit yang digunakan untuk pemodelan geometri sudu adalah versi Gambit 2.2.30. Sudu dibuat dengan menyusun penampang airfoil pada setiap stasiun yang ukurannya sesuai dengan hasil perhitungan dan koreksi. Meshing yang diberikan berbentuk segitiga dan ukuran relatif kecil. Meshing pada sudu dibuat dengan ukuran 3 mm pada ujung sudu dan 15 mm pada pangkal sudu, dan meshing pada permukaan interior dibuat dengan ukuran 100 mm untuk meminimalisir penggunaan (banyak) waktu pada saat iterasi.
45
Gambar 3.3 Penampang badan sudu
Gambar 3.4 Turbo volume setelah melalui proses meshing 3.5 Pemodelan Aliran dengan Fluent Dalam pemodelan aliran, bentuk turbo volume adalah tabung yang berisi rotor. Bentuk rotor dalam fluent ditampilkan pada grafik berikut.
46
3.5.1 Pemilihan Formulasi Simulasi Aliran Untuk memberikan hasil yang terbaik dan efisien dalam penggunaan sumber daya komputasi, formulasi untuk pemodelan aliran dipilih seperti pada tabel berikut: Tabel 3.5 Formulasi yang digunakan dalam simulasi aliran 3D rotor No
Variabel
Keterangan
1
Solver
Segregated, absolut, implicit, dan steady state
2
Viscous equation
Realized K-ε (2 eqn)
3
Domain volume
xmin = -1,948 m; xmax = 1.948 m; ymin = -5,000 m; ymax = 5,000 m; zmin = -2,249 m; zmax = -0,005 m
4
Reference frame
Moving reference frame
5
Angular velocity
200 rpm (tip speed ratio 7.37)
6
Sumbu rotor
Y positif
7
Sumbu pitch
Z positif
8
Edge mesh
4; 7; 10; dan 15 pada sudu dan hub, dan 100 pada zona batas lain.
9
Inlet velocity
5 m/s
10
Input sudut
2,5°; 5°; 7,5°; dan 10°
11
Cells
183902
12
Faces
376230
13
Nodes
35479
14
Massa jenis udara
1.225 kg/m3
15
Viskositas
1.789 x 10-5
16
Tekanan operasi
101325 Pa pada koordinat (0, -2, 0)
3.5.4 Nilai Sudut Pitch Optimum Sudu dirancang dengan sudut pitch seragam untuk memudahkan pembuatan. Permasalahan yang muncul ialah berapa sudut pitch yang akan memberikan nilai torsi yang optimum. Torsi yang dihasilkan akan menentukan berapa besar daya yang dihasilkan oleh turbin angin dengan kecepatan angin dan putaran rotor tertentu.
47
Nilai torsi yang diberikan oleh setiap elemen sudu akan optimal jika setiap elemen sudu berada pada sudut pitch yang memberikan rasio lift terhadap drag paling besar. Rasio lift terhadap drag terbesar akan diperoleh pada sudut serang tertentu bergantung pada pofil airfoil yang digunakan. Sudut pitch dapat dihitung pada setiap stasiun. Hasil perhitungan sudut pitch akan memberikan nilai yang berbeda pada setiap stasiun, sudut pitch optimum untuk setiap stasiun diberikan pada tabel berikut, dengan nilai kecepatan angin 5 m/s, nilai tip speed ratio 7,37, dan sudut serang untuk semua stasiun dibuat seragam yaitu 6°. Tabel 3.6 Sudut pitch optimum untuk setiap stasiun No Stasiun
R (m)
Sudut pitch β (derajat)
0
0,000
∞
0
0,125
45,70387
1
0,250
26,34189
2
0,375
16,88615
3
0,500
11,56773
4
0,625
8,212931
5
0,750
5,918258
6
0,875
4,254669
7
1,000
2,995247
8
1,125
2,009538
9
1,250
1,217491
10
1,375
0,567369
11
1,500
0,024294
12
1,625
-0,43609
13
1,750
-0,83127
Dengan memberikan nilai 6° untuk sudut serang pada seluruh stasiun, sudut pitch bervariasi. Nilai sudut pitch terbesar terjadi pada root atau pangkal sudu yaitu sebesar 45,7° sedangkan sudut pitch yang terkecil berada pada ujung sudu sebesar 0,83°
48
Sudu tidak akan dibuat dengan sudut pitch bervariasi, namun dengan sudut pitch yang seragam. Besar sudut yang optimal didapatkan dari simulasi. Sudut pitch yang diambil adalah nilai sudut pitch yang masuk ke dalam range sudut pitch optimum yaitu -0,83127 hingga 45,7°. Dari range tersebut, penyusun memperkirakan sudut pitch akan mencapai nilai torsi optimum pada nilai 2° – 10°. Dengan perkiraan tersebut penyusun memasukkan nilai sudut pitch 2.5°, 5°, 7.5°, dan 10° untuk simulasi aliran awal.
3.5.5 Momen Torsi pada Sumbu Sudut Pitch Momen gaya yang terjadi pada sumbu pitch sudu dihitung dengan mentransformasikan gaya-gaya di permukaan sudu terhadap arah tangensial dari sumbu yang dimaksud. Nilai momen yang timbul pada sumbu pitch disajikan dengan metode tangan kanan terhadap arah sumbu z. Nilai momen positif menunjukkan momen terjadi pada arah yang menyebabkan sudu mengalami sudut pitch lebih besar. Sedangkan nilai momen negatif artinya momen tersebut menyebabkan sudu terpuntir pada arah sudut pitch mengecil.
+ bu m Su tc pi h
Gambar 3.5 Arah momen pada pitch sudu 3.6 Perancangan dan Pembuatan Komponen Turbin Angin Komponen-komponen turbin angin selain rotor tidak menjadi titik tekan pada penelitian ini, sehingga perancangannya tidak sepenuhnya melalui langkah-langkah teknik. Komponen yang lainnya dirancang untuk dibuat berdasarkan aspek
49
keterbuatan, namun untuk aspek kekuatan dan keamanan, analisis yang dilakukan masih minim. Bagaimanapun semua komponen harus dirancang dan diperhitungkan dengan maksimal agar memperoleh rancangan yang baik dilihat dari performanya maupun keamanan operasinya. Perhitungan kekuatan struktur dan keamanan operasi dilakukan diluar tugas sarjana ini.
Gambar 3.6 Turbin angin sumbu horizontal 3 sudu berdiameter 3,5 meter 3.6.1 Rotor Bagian-bagian yang penting membangun sebuah rotor adalah sudu, batang sudu, hub, dan komponen lainnya. Yang dimaksud dengan komponen lainnya dalam hal ini adalah hidung, mur dan baut, dan elemen counterbalance.
Sudu Dari semua komponen yang membangun rotor, sudu adalah komponen yang yang berkaitan langsung dengan proses konversi energi angin menjadi energi
50
mekanik rotasi rotor. Rotor memiliki 3 buah sudu yang dipasang pada posisi sudut yang sama yaitu 120°. Bahan sudu adalah kayu albasiah merah yang memiliki massa jenis yang relatif ringan jika dibandingkan dengan jenis kayu yang lainnya. Tahapan proses pemesinan sudu dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 3.7 Tahapan pemesinan pada pembuatan sudu Batang sudu Batang sudu berbahan dasar baja karbon, dibagi menjadi dua bagian yaitu batang sudu yang menempel pada hub dan batang sudu yang menempel pada sudu. Kedua bagian batang sudu ini ditempelkan menggunakan mur dan baut dengan bantuan flens yang dilas pada bagian yang harus disambung. Sambungan ini dibuat agar sudut pitch dapat diatur dengan mudah.
Hub 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
51
batang sudu dan bila perlu counterbalance. Diameter hub dibuat sama dengan diameter generator yaitu 265 mm.
Hidung Hidung diletakkan pada hub dengan bentuk hampir menyerupai setengah bola. Hidung memiliki beberapa fungsi diantaranya mengurangi tahanan turbin angin, melindungi komponen-komponen yang menempel pada hub, 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 pelindung 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 3.8 Hub, hidung, dan pengatur sudut pitch 3.6.2 Permanen Magnet Generator (PMG) Generator sebagai komponen yang penting dalam rantai konversi energi angin sudah semestinya dipilih sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan. Generator yang digunakan untuk turbin angin dalam penelitian ini adalah generator AC dengan
52
magnet permanen atau disebut juga Permanen Magnet Generator (PMG). PMG yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut: Tabel 3.7 Spesifikasi PMG Ginlong 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
PMG memiliki kurva karakteristik daya terhadap putaran. Grafik berikut menunjukkan kurva daya output terhadap putaran yang diberikan oleh generator GLPMG-500A (500W)
53
Gambar 3.9 Kurva karakteristik PMG 3.6.3 Base dan Yaw mechanism Base pada turbin angin ini adalah tempat menempelnya generator dan ekor untuk mengarahkan turbin angin frontal terhadap arah datangnya angin. Turbin angin harus memiliki kebebasan bergerak menggeleng (yawing) untuk memastikan arah rotor selalu menghadap arah datangnya angin, sehingga perlu mekanisme yang mendukung kebebasan bergerak turbin angin. Mekanisme yang memberikan satu derajat kebebasan di arah menggeleng (yawing) dinamakan yaw mechanism. Bagian-bagian turbin angin yang turut bergerak sesuai dengan arah angin adalah rotor dan semua bagiannya, generator, dan tentunya ekor yang memainkan peran paling penting sebagai pengarah. Semua bagian-bagian tersebut ditempelkan pada base, sedangkan base menempel pada tiang. Antara base dan tiang dibuat lubang dan poros untuk memberi kebebasan bergerak. Pada rancangan turbin angin ini tiang yang akan berfungsi sebagai porosnya dengan menambahkan komponen poros sedangkan base dibuat memiliki lubang. Bantalan yang digunakan pada pemasangan base pada tiang adalah sebuah ball bearing dan sebuah roll bearing. Ball bearing hanya menahan beban radial sedangkan roller bearing menahan beban radial sekaligus beban aksial yang merupakan beban yang timbul dari berat turbin angin.
54
Gambar 3.10 Yaw mechanism antara poros tiang dan base 3.6.4 Side Furling Side furling adalah mekanisme pengaman turbin angin pada kecepatan angin tinggi. Jika kecepatan angin terlampau tinggi, ada beberapa bahaya yang mengancam turbin angin diantarnya: 1. putaran rotor yang tinggi memberi gaya sentrifugal yang besar 2. putaran rotor yang tinggi menyebabkan vibrasi yang tinggi 3. angin yang besar menyebabkan gaya thrust yang besar pada struktur karena alasan-alasan tersebut, perlu dibuat mekanisme pengaman turbin angin saat terjadi kecepatan tinggi. Pada saat ini sudah ada beberapa cara yang dikembangkan untuk mengatasi kecepatan angin yang terlampau tinggi diantaranya dengan menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch yang bekerja berdasarkan gaya sentrifugal dan dengan menggunakan side furling. Side furling dirancang dengan memberikan eksentrisitas pada sumbu rotasi rotor. Artinya sumbu rotasi rotor tidak berpotongan dengan sumbu yaw mechanism. Eksentrisitas ini diberikan agar ketika kecepatan angin cukup besar dan gaya thrust yang terjadi juga besar, maka turbin angin akan mendapat momen dari gaya thrust dikalikan dengan jarak eksentrisitas yang diberikan.
55
Berapa besar eksentrisitas yang diberikan dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya: 1. pada kecepatan angin berapa turbin angin harus side furling 2. berapa besar gaya pada ekor oleh kecepatan angin pada sudut tertentu 3. berapa sudut yang diinginkan untuk side furling faktor-faktor tersebut perlu diperhitungkan dengan beberapa kali iterasi agar mendapat nilai eksentrisitas yang sesuai. Jika nilai eksentrisitas terlampau tinggi maka turbin angin akan mengalami side furling sebelum kecepatan angin kritis. Side furling yang terlalu dini menimbulkan kerugian karena turbin angin tidak maksimal menyerap energi saat side furling. Namun side furling yang terlambat akan membahayakan turbin angin, artinya side furling terjadi setelah kecepatan angin lebih tinggi dari kecepatan kritis dan dapat menyebabkan turbin angin mengalami kerusakan sebelum melakukan side furling. Yang dimaksud dengan kecepatan angin kritis dalam hal ini adalah kecepatan angin yang berpotensi menyebabkan kerusakan pada turbin angin. Side furling memerlukan perhitungan yang tidak sederhana. Pada penelitian ini, penyusun tidak melakukan perhitungan mendetail untuk mendapatkan nilai eksentrisitas, tetapi mengambil contoh dari turbin angin yang sudah ada yang menggunakan metode side furling untuk memberi perlindungan pada turbin angin pada kecepatan angin tinggi. Pada kesempatan yang lain, side furling ini perlu diperhitungkan untuk mendapatkan nilai side furling yang sesuai, tidak terlampau tinggi sehingga menyebabkan terjadinya side furling dini dan juga tidak terlampau rendah sehingga menyebabkan keterlambatan respon side furling.
3.6.5 Ekor Ekor selalu bergerak menjauhi arah datangnya angin, dengan demikian pemasangan ekor di bagian belakang turbin angin mengakibatkan bagian rotor yang berada di muka turbin angin akan selalu mendekati arah datangnya angin.
56
Ada beberapa variabel yang perlu dipertimbangkan untuk merancang ekor diantaranya panjang ekor, luas permukaan sirip ekor, bobot ekor dan sistem pemasangannya pada base. Dalam penelitian ini, ekor dibuat sebagai trusses atau rangka yang tersusun dari pipa persegi yang disambung dengan pengelasan. Panjang ekor yang umum digunakan pada turbin angin yang sudah ada adalah sekitar setengah hingga sama dengan diameter rotor turbin angin.
3.6.6 Sistem Pengereman Sistem pengereman diberikan dalam dua tahap. Tahap pertama adalah melepaskan pin pengunci ekor sehingga ekor perpindah orientasi menjadi menyamping yang akibatnya turbin angin mengarah menyamping terhadap arah angin sehingga putaran rotor berkurang. Tahap kedua adalah dengan short circuit. Kabelkabel kutub generator dihubungkan secara langsung menyebabkan terjadinya arus pendek. arus pendek ini menyebabkan generator memberi momen yang arahnya melawan arah putaran rotor. Bagaimana perubahan posisi ekor mengurangi putaran ditunjukkan oleh gambar berikut:
Arah angin
Gambar 3.11 Mekanisme pengereman dengan mengubah posisi ekor Rotor turbin angin akan berputar dan mencapai performa yang maksimum jika arah angin sejajar dengan arah sumbu rotasi rotor. Pada posisi tersebut sudut yang dibentuk antara sumbu rotor dan arah angin adalah nol sehingga luas daerah sapuan rotor maksimum terhadap arah angin karena fluks angin yang melalaui area sapuan
57
rotor maksimum. Namun pada saat posisi rotor menyamping arah angin, tidak terjadi konversi energi oleh rotor karena luas area sapuan rotor dapat dikatakan nol terhadap arah angin. Hal ini karena sudut yang dibentuk oleh sumbu rotor dan arah angin adalah 90° (nilai cos 90° adalah nol). Artinya tidak ada fluks angin yang melalui area sapuan rotor. Tahap kedua pengereman adalah dengan melakukan hubungan arus pendek atau short circuit. Cara pengereman ini dengan menghubungkan kabel kutub generator secara kangsung. Arus pendek ini sangat besar dan menyebabkan timbulnya medan induksi elektromagnet yang besar pada generator yang arahnya melawan arah induksi magnet permanen. Medan induksi yang dihasilkan menimbulkan momen yang besar dean arahnya melawan arah rotasi rotor. Cara short circuit ini tidak selalu cocok untuk generator, namun generator yang digunakan pada penelitian ini memiliki kapabilitas untuk hal tersebut.
3.6.7 Tiang dan Mekanisme Pendirian Turbin angin memerlukan ketinggian yang cukup untuk dapat mengekstraksi energi angin. Seperti telah diulas sebelumnya bahwa daya listrik yang dihasilkan adalah fungsi dari ketinggian instalasi. Turbin angin perlu ditempatkan di tempat yang memiliki kondisi angin yang baik. Pada penelitian ini, ketinggian instalasi yang dianjurkan adalah lebih dari 10 m.
3.6.8 Nacelle Nacelle adalah penutup badan turbin angin. Nacelle dibuat dari pelat tipis yang mudah dilengkungkan. Bahan yang dipilih adalah bahan aluminium agar perpindahan panas terjadi dengan baik.
58
3.6.9 Data Komponen Komponen yang terlibat dalam perakitan turbin angin adalah: Tabel 3.8 Daftar komponen turbin angin Bagian
rotor
Komponen
ukuran
Bahan
Jumlah
sudu
Kayu
3
batang sudu 1
baja 1040
3
batang sudu 2
baja 1040
3
mur-baut
M8
Baja 1035, 4042
36
mur-baut
M8
Baja 1035, 4042
6
skrup
M5
3
hub
Baja 1040
1
hidung
Aluminium
1
Baja 1035, 4042
1
Aluminium
1
mur
M24
Base generator
badan
1
bearing radial
stainless steel
1
bearing aksial
stainless steel
1
Baja 1035, 4042
1
pelat baja
1
mur
M25
nacelle skrup
ekor
M5
5
dudukan ekor
Baja 1040
1
ekor 1
Baja 1040
1
ekor 2
Baja 1040
1
sirip ekor
Pelat baja
1
mur baut
Baja 1035, 4042
8
pin tiang
2
pipa
Baja 1040, 1045
3
poros yaw
Baja 1045
1
kabel baja
Baja 1055
59
3.6.10 Perakitan Turbin Angin Perakitan turbin angin dilakukan dengan tahapan sebagai berikut:
mulai
Memasang sudu pada hub (mengeset sudut pitch)
Memasang sudu pada batang sudu 1
Memasang generator pada base
Memasang ekor 2 pada ekor 1
Memasang batang sudu 2 pada hub
Memasang dudukan ekor pada base
Memasang sirip ekor pada ekor 2
Memasang counter balance pada hub
Memasang base dan bearing pada poros yaw
Memasang hidung pada rotor Memasang rotor pada generator
Memasang ekor pada dudukan ekor
Memasang base pada poros tiang
selesai
Gambar 3.12 Diagram alir proses perakitan turbin angin Gambar tersebut adalah diagram alir proses perakitan turbin angin secara garis besar.
60
