Pemanfaatan Turbin Ventilator yang Terpasang Pada Atap Rumah Sebagai Pembangkit Listrik
Oleh Nalendradi Attar NIM: 612009007
Skripsi Untuk Melengkapi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
April 2016
1
2
3
4
5
INTISARI Tugas akhir ini bertujuan untuk memodifikasi sebuah ventilator turbin angin yang pada dasarnya memiliki cara kerja sebagai mana turbin angin sumbu vertical. Bentuk turbin angin yang digunakan adalah ventilator turbin angin yang biasa dipasang pada atap-atap pabrik, dipilih karena diharapkan dapat berputar dengan angin yang kecil sehingga memiliki self-starting yang baik dan tidak tergantung arah angin sehingga dapat menangkap angin dari berbagai arah. Dimensi turbin yang digunakan memiliki dimensi panjang 66 cm dan tinggi 35 cm. Untuk mengkonversi energi turbin menjadi listrik digunakan generator AC 3 fasa yang kemudian disearahkan menjadi tegangan DC. Untuk menghasilkan tegangan 5 V keluaran penyearah dihubungkan ke konverter DC ke DC dengan IC CE8301. Hasil simulasi dengan kipas angin berkecepatan 2,4 m/s; 3,4 m/s; dan 5,4 m/s menunjukkan efisiensi sistem turbin mengalami peningkatan dengan kelajuan debit angin tetap dan kecepatan angin yang ditingkatkan menghasilkan daya 0,145W, 0,413 W, dan 1,655 W. Dengan efisiensi sebesar 7 %. Pengujian di daerah Kemiri, Salatiga menunjukkan bahwa turbin ini dapat berputar minimal dengan kecepatan 2 m/s dalam keadaan angin bertiup secara continue dan menghasilkan 0,75 V. Kecepatan angin terbesar yang didapatkan adalah 3,3 m/s yang dapat menghasilkan 1,5V. Sehingga dapat membuktikan bahwa kecepatan angin dipengaruhi oleh aliran fluida (udara) yang terjadi antara temperatur dan tekanan udara.
i
ABSTRACT This thesis aims to modify a wind turbine ventilator which is basically a way of working as where the vertical axis wind turbine. Forms used wind turbine is a wind turbine ventilator used meadow on the roofs of the factory was chosen because it is expected to spin a small wind so it has good self-starting and does not depend on wind direction so as to catch the wind from any directions. Dimensions turbines used has dimensions of length 66 cm and 35 cm high. To convert the energy into electricity turbines used 3 phase AC generator that is then rectified into DC voltage. To generate a voltage of 5 V output rectifier is connected to DC to DC converters with IC CE8301. The simulation results with a fan speed of 2.4 m/s ; 3.4 m/s ; and 5.4 m/s indicates the efficiency of the turbine system has increased the speed of the wind flow and wind speed are enhanced generate 0,145W power, 0.413 W and 1,655 W. With an efficiency of 7%. It was tested at Kemiri area-Salatiga which shows the turbine can spin at speeds of at least 2 m/s in a state wind blows a continuously and produces 0.75 V. The wind speed obtained was 3.3 m/s to generate 1.5 V, so that it can prove that the wind speed is influenced by the flow of the fluid (air) that occurs between the temperature and air pressure.
Keywords: wind turbine ventilator, 3 -phase AC generator, DC to DC converters
ii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala rahmat dan karunia yang senantiasa penulis terima dalam menyelesaikan perancangan serta penulisan skripsi sebagai syarat untuk menyelesaikan studi di Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana. Pada kesempatan ini penulis juga hendak mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang baik secara langsung maupun tidak telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini : 1.
Allah SWT yang memberikan berkat dan karunia-Nya kepada penulis untuk menyelesaikan skripsi ini.
2.
Kepada Bapak Bambang Supriyanto dan Ibu Winarti. serta adik terbandel Damar Handyanjaya, yang selalu memberikan bantuan moral, materiil dan Doa.
3.
Bapak Deddy Susilo, M.Eng. dan Bapak F. Dalu Setiaji, M.T selaku pembimbing I dan pembimbing II, terima kasih atas bimbingan, arahan dan ide-ide cemerlang yang menginspirasi penulis selama mengerjakan skripsi.
4.
Semua temen-temen angkatan 2009, yang tidak bisa saya tuliskan namanya satu persatu, teman-teman lab skripsi yang masih tersisa dan baru akan masuk, temanteman “berkubang ceria” Grego adi’11, Armop setiawan’11, Winfrid boni.
5.
Berbagai pihak yang penulis tidak dapat sebutkan satu persatu terimakasih banyak penulis ucapkan.
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, 2 Mei 2016 Penulis
iii
DAFTAR ISI INTISARI ..............................................................................................................................
i
ABSTRACT ...........................................................................................................................
ii
KATA PENGANTAR ...........................................................................................................
iii
DAFTAR ISI................................................................................................................
iv
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................
vi
DAFTAR TABEL........................................................................................................ viii BAB
BAB
BAB
I
II
PENDAHULUAN .............................................................................................
1
1.1
Latar Belakang Masalah ..........................................................................
1
1.2
Spesifikasi Sistem ....................................................................................
2
1.3
Sistematika Penulisan ..............................................................................
2
LANDASAN TEORI .........................................................................................
4
2.1
Angin .......................................................................................................
4
2.2
Daya yang diekstrak oleh angin ...............................................................
5
2.3
Area Sapuan Rotor...................................................................................
6
2.4
Turbin Angin ...........................................................................................
6
2.5
Turbin Ventilator .....................................................................................
8
2.6
Generator .................................................................................................
8
2.7
Regulator .................................................................................................
9
2.7.1
Step Down Regulator ..................................................................
10
2.7.2
Step Up Regulator .......................................................................
10
2.8
Arduino ....................................................................................................
11
2.9
Akumulator ..............................................................................................
12
2.10 Anemometer ............................................................................................
14
2.11 Display.....................................................................................................
15
III PERANCANGAN SISTEM ..............................................................................
16
3.1 Cara Kerja Alat ..........................................................................................
16
3.2 Perancangan Perangkat Keras ....................................................................
17
3.2.1
Turbin Ventilator ........................................................................
17
3.2.2 Modul Regulator ...........................................................................
18
3.2.3
Generator ....................................................................................
20
3.2.4
Penyearah 3 fasa .........................................................................
20
3.2.5
Sensor Tegangan dan Arus ..........................................................
22
3.2.6
Display ........................................................................................
24
iv
BAB
3.3
Kipas Angin .............................................................................................
24
3.4
Perancangan Perangkat Lunak .................................................................
26
3.5
Pembacaan Arduino .................................................................................
27
IV PENGUJIAN DAN ANALISA..........................................................................
28
4.1 Pengujian Turbin Vertikal .........................................................................
28
4.1.1
BAB
V
Turbin Ventilator ........................................................................
29
4.2 Pengujian Generator ..................................................................................
30
4.3 Pengujian Boost Converter .......................................................................
36
4.4 Pengujian Penyimpanan Energi pada Batere .............................................
41
4.5 Pengujian Keseluruhan Alat ......................................................................
42
4.6 Pengujian Aktual .......................................................................................
47
4.7
Rencana Perubahan Spesifikasi ...............................................................
48
KESIMPULAN DAN SARAN ..........................................................................
49
5.1 Kesimpulan ...............................................................................................
49
5.2
49
Saran Pengembangan ................................................................................
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................. 51
v
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1
Turbin Angin Sumbu Horisontal ..........................................................
7
Gambar 2.2
Turbin Angin Sumbu Vertikal..............................................................
7
Gambar 2.3
Turbin Ventilator ..................................................................................
8
Gambar 2.4
Generator AC .......................................................................................
9
Gambar 2.5
Regulator DC to Dc .............................................................................. 10
Gambar 2.6
Arduino Nano ....................................................................................... 12
Gambar 2.7
Baterai Li-ion pada ponsel ................................................................... 13
Gambar 2.8
Anemometer ......................................................................................... 14
Gambar 3.1
Diagram Sistem .................................................................................... 16
Gambar 3.2
Turbin Ventilator yang telah dimodifikasi ........................................... 17
Gambar 3.3
Untai Boost Converter BL-8530 .......................................................... 18
Gambar 3.4
Modul Regulator .................................................................................. 19
Gambar 3.5
Generator AC pada Bracket ................................................................. 20
Gambar 3.6
Skema Generator .................................................................................. 20
Gambar 3.7
Rangkaian Penyearah 3 fasa ................................................................. 21
Gambar 3.8
Sinyal Keluaran Generator 3 Fasa ....................................................... 22
Gambar 3.9
Sensor Tegangan .................................................................................. 23
Gambar 3.10 Sensor Arus dengan rangkaian Non-Inverting ..................................... 23 Gambar 3.11 Rangkaian I2C LCD Backpack ............................................................ 24 Gambar 3.12 LCD Backpack ..................................................................................... 24 Gambar 3.13 Kipas Angin.......................................................................................... 25 Gambar 3.14 Diagram Alir Perangkat Lunak ............................................................ 26 Gambar 4.1
Pengujian Mekanik Turbin ................................................................... 28
Gambar 4.2
Rangkaian pengujian Vout Generator .................................................. 32
Gambar 4.3
Rangkaian pengujian Iout Generator.................................................... 32
Gambar 4.4
Rangkaian penyearah tiga fase dengan dioda germanium ................... 33
Gambar 4.5
Grafik daya Generator Dengan Beban Resistor 5 Watt ....................... 34
Gambar 4.6
Rangkaian Penyearah tiga fasa dengan dioda 1n5821 ......................... 35
Gambar 4.7
Grafik daya yang dihasilkan generator................................................. 36
Gambar 4.8
Tegangan keluaran generator (kanan) dan arus keluaran (kiri) ............ 36
Gambar 4.9
Uji performa modul boost regulator ..................................................... 37
vi
Gambar 4.10 Rangkaian pengujian Iout Boost Regulator ......................................... 38 Gambar 4.11 Rangkaian pengujian Vout Boost Regulator ........................................ 38 Gambar 4.12 Tegangan keluaran regulator (kanan) dan arus keluaran (kiri) ............ 38 Gambar 4.13 Tegangan keluaran generator dan tegangan keluaran boost regulator ............................................................................................... 39 Gambar 4.14 Uji performa modul Boost Regulator untuk Mengetahui daya maksimal yang dihasilkan .................................................................... 40 Gambar 4.15 Rangkaian Pengujian Pengisian batere ................................................ 41 Gambar 4.16 Grafik tegangan batere (atas) dan arus batere (bawah) ketika pengisian............................................................................................... 41 Gambar 4.17 Arus yang terbaca ketika dibeban batere saat pengisian ...................... 42 Gambar 4.18 Arus terbaca setelah proses pengisian selama 24jam ........................... 43 Gambar 4.19 Rangkaian saat proses pengosongan baterai ........................................ 44 Gambar 4.20 Grafik arus saat proses pengosongan dalam waktu tertentu ................ 45 Gambar 4.21 Tegangan saat diberi beban baterai ...................................................... 46 Gambar 4.22 Arus yang masuk selama proses pengisian .......................................... 46 Gambar 4.23 Arus terbaca setelah pengisian 1 jam ................................................... 47
vii
DAFTAR TABEL Tabel 4.1
Pengujian Generator ............................................................................. 30
Tabel 4.2
Pengujian Generator dengan beban resistor ......................................... 33
Tabel 4.3
Pengujian Generator dengan Beban Resistor dengan Penyearah Menggunakan dioda 1n5821 ................................................................ 35
Tabel 4.4
Pengujian Boost Regulator tanpa beban............................................... 37
Tabel 4.5
Pengujian Boost Regulator dengan beban ............................................ 40
Tabel 4.6
Arus pengosongan ................................................................................ 45
viii
