Seminar Tugas Akhir
Pemilihan Sudut Pitch Optimal Untuk Turbin Angin Skala Kecil Berkecepatan Rendah Dengan Tipe Bilah Non Non--uniform Airfoil NREL S83n
Farid Ridha Muttaqin 2407 100 026 Dr. Bambang L. W, ST, MT. Ir. Ali Musyafa’, M.Sc.
Latar Belakang • Isu krisis energi, harga minyak, dan emisi karbon. • Indonesia berada di urutan 70 dunia untuk kapasitas SKEA terpasang sebesar 1.4 GW (World Wind Energy Association) • Blueprint pengelolaan energi nasional 2010 – 2015 target SKEA skala menengah.
Permasalahan • Bagaimana merancang turbin angin skala kecil dengan tipe bilah non-uniform airfoil NREL S83N. • Bagaimana mencari sudut pitch optimal dengan kecepatan angin yang bervariasi.
Tujuan Mencari hubungan antara sudut pitch optimal bilah turbin angin dengan kecepatan putar rotor turbin pada kecepatan angin yang bervariasi.
Batasan Masalah • Turbin angin skala kecil dengan diameter 2 m. • Bilah non-uniform dengan airfoil NREL S83N mengacu pada literatur • Variabel yang dimanipulasi sudut pitch dan kecepatan angin • Pengaturan sudut pitch dan pengambilan data mikrokontroler AVR terhubung dengan komputer
Tinjauan Pustaka • C. Thumthae, T. Chitsomboon, “Optimal angle of attack for untwisted blade wind turbine,” Elsevier, Renewable energy, 2008. • A.K. Wright, D.H. Wood, “The starting and low wind speed behaviour of a small horizontal axis wind turbine,” Elsevier, Renewable energy, 2004.
Tinjauan Pustaka • Adam Harika, “Rancang Bangun Blade Pitch Angle Control System Berbasis Classic fuzzy Pada Prototipe Wind Turbine,” Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Tugas Akhir, 2008. • Jorge Antonio Villar Alé, “Procedures Laboratory For Small Wind Turbines Testing,” Pontifical Catholic University of Rio Grande do Sul, 2008.
Dasar Teori • Turbin angin mengubah energi kinetik dari angin menjadi gerak mekanis untuk menghasilkan listrik.
• Daya turbin angin
Dasar Teori • Komponen terpenting Rotor (Bilah) turbin
(Tony Burton, Wind Energy Handbook, 2001)
• Jenis airfoil, jenis material, dimensi, jumlah bilah, sudut pitch.
Perancangan Bilah • Airfoil NREL S83N for small scale WT m – 3 m). • Non-uniform, Tapered, Untwisted.
(1
M. Buhl, Wind Turbine Airfoils, 2009 http://wind.nrel.gov/airfoils/
Perancangan Bilah • Penentuan dimensi chord Hugh Piggot, Wind Power Workshop, 2001
Pengaturan Sudut Pitch & Monitoring • Pitch Angle ≠ Angle of Attack • Sudut Pitch Sudut antara garis chord dengan bidang putaran rotor. • Optimal Sudut yang menghasilkan daya tertinggi Axis of Rotation
Henrik Stiesdal, Bonus Info “Wind Turbine Components”, 1999
Pengaturan Sudut Pitch & Monitoring • Sistem pengaturan sudut pitch dan monitoring kecepatan rotor.
Slip Ring
Pengaturan Sudut Pitch & Monitoring • Algoritma pengaturan sudut pitch PC Mengirim karakter “s” Dan 5 digit setting OCR1A
Servo Driver
Monitoring Tx USART
PIND.2 INT0
Menerima karakter dan nilai setting
Menerima pulsa PWM
Rx USART
Mencacah jumlah pulsa perdetik Menerima respon dari mikro Dan menampilkan pada software
Mengubah nilai OCR1A Berdasarkan setting Mengubah nilai sinyal servo berdasarkan hasil pencacah
Rx USART
Mengeluarkan pulsa PWM Dengan frekuensi tertentu
Tx USART
PORTD.4 OCR1B
Mengirim sinyal kendali servo PORTC.0 PORTC.2 PORTC.4
Mengirim balik nilai OCR1A
Motor Servo
Pengaturan Sudut Pitch & Monitoring • Algoritma Monitoring Monitoring
PC
Rx USART
Mengirim karakter “a”
Menerima karakter Tx USART
PIND.2 INT0
Mencacah jumlah pulsa Per detik
Mengambil nilai hasil pencacahan (PPS)
Menyimpan nilai PPS pada database
Menerima nilai PPS dari mikro Dan menampilkan pada software
Pulse Out
Rx USART
Mengirim nilai PPS Tx USART
Rotary Encoder Relative
Pengaturan Sudut Pitch & Monitoring • Software Pitch Setting dan Monitoring
Prototipe Turbin Angin
Perancangan Alat Uji • Open Jet Wind Tunnel
Forrest S. Stoddard, Wind Tunnel Test Program Of A 200-Watt, 12-Volt Wind Generator System. Final Report
Pengujian Sistem • Kinerja Sensor Putaran Turbin – Akurasi 0.9133 – Presisi 83.885%
• Kinerja Pengaturan Sudut Pitch – Sudut terkecil 5o + 0.39o.
• Kinerja slip ring – Loss tegangan 1.59% – Mampu bekerja dengan baik pada kecepatan 180 RPM.
Pengujian Sistem • Histeresis Pengaturan Sudut Pitch – Eror histeresis = 7.8%
Pengujian Sistem • Mode Kecepatan angin Mode
Kipas 1
Kipas 2
Ducting
1 2 3 4 5 6 7
High Medium Low High Medium High Low
High Medium Low High Medium -
No No No Yes Yes Yes Yes
Kecepatan Angin 7.5 m/s 7.0 m/s 6.5 m/s 4.8 m/s 4.1 m/s 3.1 m/s 2.8 m/s
Pengambilan Data • Sudut Pitch (θ) – 0o – 90o dengan interval 5o.
• Kecepatan angin dari blower (v1) – Sesuai dengan mode blower
• Kecepatan angin setelah melewati turbin (v4) • Durasi pengambilan tiap data 350 sekon • Kecepatan putaran rotor (PPS, RPS, RPM) – Diambil rata-rata data 120 detik terakhir (asumsi kecepatan telah steady)
Analisa Data • RPM Maksimum RPS = PPS
20 RPM = RPS .60
• Analisa melalui grafik RPM fungsi sudut pitch untuk tiap kecepatan angin, dan nilai RPM maksimum.
Analisa Data • RPM Maksimum
Analisa Data • Tip Speed Ratio – Tip speed ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung bilah dengan kecepatan angin.
– RPS –R –V
2.π .R.RPS TSR = V = rotasi per sekon = jari-jari rotor (m) = kecepatan angin (m/s)
Analisa Data • Tip Speed Ratio
Analisa Data • Power Coefficient (Cp) – Koefisien daya turbin angin adalah kemampuan turbin angin untuk mengekstrak daya total yang dihasilkan oleh angin. – Dihitung menggunakan pendekatan tube angin ideal.
v2 = v3 = 2 v1 3 v4 = 1 v1 3 A2 = A3 = 3 v1 2 A4 = 3 A1
Analisa Data • Power Coefficient (Cp) – Berdasarkan pendekatan tersebut, maka daya angin yang diekstrak adalah daya angin sebelum melewati turbin dikurangi daya angin setelah turbin
Analisa Data • Power Coefficient (Cp)
Analisa Data • Sudut Pitch Optimal – Cp
Sudut Pitch
Analisa Data • Sudut Pitch Optimal – RPM
Sudut Pitch
Analisa Data • Sudut Pitch Optimal – RPM
Sudut Pitch Kecepatan Angin (m/s)
Sudut Pitch Optimal
2.8
10.35
3.8
10.37
4.1
13.10
4.8
10.15
6.5
13.16
7.0
16.19
7.5
10.87
Kesimpulan • Telah berhasil dirancang dan dibangun sebuah Prototipe Turbin Angin dengan koefisien daya, Cp maksimum 0.544 pada sudut pitch 10o dan kecepatan angin 7.5 m/s. • Prototipe turbin angin tidak mampu untuk bekerja secara self start karena beban center plate yang tidak seimbang. • Sudut pitch optimal untuk prototipe turbin angin adalah 10 sampai 20 derajat, dengan rincian Cp maksimum 0.545 (kecepatan angin 7.5 m/s pada sudut 10), 0.545 (kecepatan angin 7.5 m/s pada sudut 15), dan 0.510 (kecepatan angin 7.5 m/s pada sudut 20). • Hasil perancangan slip ring dapat mengalirkan daya listrik dan sinyal listrik dengan loss daya 1.58 %. • Hasil perancangan sensor RPM menggunakan rotary encoder dapat bekerja dengan tingkat akurasi 0.9133 dan tingkat presisi 83.8856%. • Hasil perancangan pengatur sudut pitch mampu mengatur sudut bilah mulai 0 sampai 90 derajat dengan interval 5+0.39 derajat.
