1
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
Perancangan Prototype Generator Magnet Permanen Fluks Aksial Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin Untuk Penerangan Lampu Jalan Dhiyaul Farhan M. Nur 1)
)
Ramdhan Halid Siregar S.T,. MT 2) Mahdi Syukri S.T., MT 3)
1)
Teknik Elektro Universitas Syiah Kuala Jl. Syech Abdurrauf No.7, 23111, Darussalam, Banda Aceh, ACEH -INDONESIA email :
[email protected]
axial flux permanent magnet generator, wind turbine savonius type
energi mekanik yang memutar generator untuk menghasilkan listrik sebagai kebutuhan penerangan lampu jembatan. Penggunan alternator (generator sinkron) sebagai penghasil listrik pada pembangkit listrik tenaga angin skala kecil kurang efektif disebabkan konstruksi yang rumit, dan untuk menghasilkan fluks, kumparan medan yang terdapat pada rotor altenator diberi (eksitasi) Dengan demikian perlu adanya perancangan generator sederhana sebagai pengganti generator biasa (alternator) untuk pembangkitan energi listrik skala kecil, generator magnet permanen fluks aksial merupakan salah satu pilihan terbaik untuk dikopling dengan turbin angin tersebut. Hal ini disebabkan karena jumlah kutub magnet yang tinggi, densitas daya listrik yang tinggi, dan perawatan yang lebih ringan adalah karakter menarik dari generator magnet permanen fluks aksial, serta untuk menghasilkan fluks tidak memerlukan eksitasi dari tegangan DC. Perumusahan masalah pada penelitian ini Bagaimana merancang prototipe generator magnet permanen fluks aksial untuk pembangkit listrik tenaga angin sehingga keluaran mampu mengisi akumulator. Adapun tujuan pada penelitian ini merancang prototipe generator tipe aksial untuk pembangkit listrik tenaga angin untuk sebagai penerangan jembatan serta Mengembangkan generator sinkron magnet permanent fluks aksial jenis cakram
1. Pendahuluan
2.Tinjauan Pustaka
ABSTRACT Wind energy conversion system (WECS) is very significant in transforming wind kinetic energy into mechanical energy which turns a generator to produce electricity as a source to light the bridge lamp. The using of alternator for producing electrical energy in smallscale wind energy power plant is less effective. This is due to the meticulous alternator construction. Moreover, it needs to strengthen or excitation on alternator rotor winding to produce a flux. The design of axial flux permanent magnet generator prototype as a replacement for alternator on wind power plant is a suitable alternative, due to the construction of axial flux permanent magnet generator is not complicated and the production of flux does not use any DC voltage gain. This is because part of the rotor is a permanent magnet. The design uses wind turbines with savonius type as the mover with turbine rotor diameter of 1 meter and height angle of 1.5 meter thus capable of rotating axial flux permanent magnet generator with the rotor size of outer diameter generator 160.22 mm, inner diameter hole 110, 22 mm and shaft hole 12 mm so that the output of the generator is able to charge the accumulator.
Key words
1.1
Latar Belakang Penerangan lampu jembatan saat ini masih di hubungkan pada jala-jala listrik PLN yang menggunakan energi fosil untuk membangkitkan energi listrik. Dimana cadangan energi fosil Indonesia jumlahnya tidak tak terbatas, yang akan habis pada suatu saat nanti.[4] Oleh karena itu untuk menghidari pemanasan global, Sistem konfersi energi angin (SKEA) ini sangat berperan dalam mengubah energi kinetik angin menjadi
2.1 Energi Angin Energi angin adalah salah satu jenis sumber energi terbarukan yang potensial untuk menghasilkan energi listrik maupun mekanik melalui proses konversi energi kinetik ke mekanik dan selanjutnya ke listrik. Energi kinetik yang terdapat pada angin dapat diubah menjadi energi mekanik untuk memutar peralatan (pompa piston, generator, penggilingan, dan lain-lain). Dalam pemanfaatannya,diperlukan data/informasi mengenai potensi energi angin aktual yang tersedia di
lokasi pemasangan (suplai) dan kebutuhan di lokasi tersebut (kebutuhan). Kajian dan evaluasi yang lebih akurat mengenai kedua aspek ini bersama aspek ekonomis akan menghasilkan pemanfaatan SKEA yang optimal di suatu lokasi [1]. 2.1.1
Energi Kinetik Energi kinetik adalah energi dari suatu benda yang dimiliki karena pengaruh gerakannya. (2.1)
2.2.1
Dimensi Turbin untuk menentukan jenis turbin yang digunakan dihitung berdasarkan kecepatan angin pada kondisi sekitar 2.2.1.1 Menentukan Dimensi Turbin Angin Dimensi dari turbin angin dapat dicari dengan mengasumsikan daya yang dihasilkan dengan kecepatan angin yang terjadi disekitar kita. Dengan rumus daya (P) pada turbin angin sebagai berikut: P =Cpr ρAv3
Dimana: m : massa udara yang bergerak (kg) v : kecepatan angin (m/s) E : energi kinetik yang terkandung dalam angin. Dengan menganggap suatu penampang melintang A, dimana udara dengan kecepatan v mengalami pemindahan volume untuk setiap satuan waktu, yang disebut dengan aliran volume V sebagai persamaan V = vA (2.2) Dimana: V : laju volume (m3/s) v : kecepatan angin (m/s) A : luas area sapuan rotor (m2 ) Sedangkan aliran massa dengan kecepatan udara p sebagai: m = ρAv (2.3) Persamaan-persamaan diatas menunjukkan energi kinetik dan aliran massa yang melewati suatu penampang melintang A sebagai energi P yang ditunjukkan dengan mensubstitusi persamaan (2.3) ke persamaan 2.1) menjadi: (2.4) Dimana: P : v : ρ :
daya mekanik (W) kecepatan angin (m/s) densitas udara (ρ rata-rata : 1,2 kg/ ). 2.2 Turbin Angin Savonius Kincir angin tipe savonius VAWT seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.1, diciptakan oleh seorang insinyur Finlandia SJ Savonius pada tahun 1929. Kincir VAWT ini merupakan jenis yang paling sederhana dan menjadi versi besar dari anemometer. . Pada gambar 2.1 merupakan gambar prinsip kerja turbin savonius VAWT .
gambar 2.1 Prinsip Kerja Turbin Savonius VAWT.
(2.5)
2.2.1.2 Tip Speed Ratio Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin bebas [8]. λ= Dengan: λ : D : N : V :
.
(2.6)
tipe speed ratio diameter rotor (m) putaran rotor (rpm) kecepatan angin (m/s)
2.3
Sistem Transmisi Daya . sistem transmisi speed increasing yaitu putaran keluar lebih tinggi dari putaran masuk, terjadi kenaikan putaran dengan konsekuensi momen gaya keluar menjadi lebih kecil [1]. 2.4 Generator Sinkron Magnet Permanen Secara garis besar, generator sinkron magnet permanen dibagi menjadi dua jenis bila dilihat dari fluks magnet yang dihasilkan, yaitu : Generator magnet permanen dengan fluks radial/Generator MPFR (Radial Flux Permanent Magnet Generator) Generator magnet permanen dengan fluks aksial/Generator MPFA (Axial Flux Permanent Magnet Generator) Pada proposal ini, hanya membahas mengenai generator sinkron magnet permanen, fluks aksial dengan rotor berbentuk piringan (cakram). Pada gambar 2.2 merupakan gambar generator sinkron magnet permanen, fluks aksial
Gambar 2.2 Generator Sinkron Magnet Permanen, Fluks Aksial
2.4.1.
Stator
2.6
Stator adalah bagian yang diam dari generator yang berfungsi sebagai tempat kumparan jangkar. Bentuk stator pada perancangan ini adalah stator tanpa inti, Gambar 2.3 Merupakan Stator Tanpa Inti Besi.
DIODA PENYEARAH Dioda hanya dapat dialiri arus listrik secara satu arah saja. Prinsip inilah yang digunakan untuk merubah arus AC yang dibangkitkan di kumparan stator menjadi arus DC. Gambar 2.5 Merupakan dioda penyearah
Gambar 2.3 Stator Tanpa Inti Besi 2.4.2
Rotor Rotor adalah bagian yang berputar, rotor merupakan tempat meletakkan magnet permanen, dimana pada inti rotor tersebut telah dibentuk ruang untuk meletakkan magnet permanen. Rotor dari sebuah permanent magnet generator seperti pada gambar 2.8. berikut.
Gambar 2.5 dioda penyearah 2.7
Voltage Regulator Voltage Regulator merupakan suatu komponen yang berfungsi mengatur tegangan, pada aplikasinya Voltage Regulator ini mengatur nilai tegangan pada saat pengisian . Gambar 2.6 Merupakan voltage regulator.[7]
Gambar 2.6 Voltage Regulator. Gambar 2.4Rotor Permanent Magnet Generator Air Gap Celah udara pada generator merupakan tempat berpindahnya fluks magnet pada magnet permanen dan menginduksi ke kumparan stator. Sehingga pada celah udara ini terjadi mekanisme perpindahan atau konversi energi dari mekanik menjadi elektrik
Baterai beterai adalah alat listrik kimia yang menyimpan energi dan mengeluarkannya dalam bentuk listrik. Baterai terdiri dari tiga komponen, yaitu: Batang karbon sebagai anoda Seng (Zn) sebagai katoda Pasta sebagai elektrolit atau penghantar
2.5
2.10
2.4.5
Optimasi Dimensi Rotor Salah satu hal yang mempengaruhi dimensi generator sinkron MPFA adalah ukuran rotor. Ukuran rotor sendiri juga dipengaruhi oleh beberapa hal:[5] Diameter magnet permanen Jarak antar kutub magnet permanen Diamater penampang (yoke) rotor
2.9
Tegangan Induksi Prinsip kerja generator dalam mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik adalah berdasarkan hokum Faraday. Tegangan induksi yang dihasilkan oleh generator ini dapat dihitung dengan persamaan [4]: (2.8) Erms N F
(2.7) Dy : diameter penampang (yoke) rotor Dout : diameter luar magnet permanen pada rotor Din : diameter dalam magnet permanen pada roto ry : jari-jari yoke rm : jari-jari magnet 2p : jumlah kutub magnet P :` jumlah pasangan kutub magnet X : jarak antar kutub magnet permanen(Xmp).
Ns Nph
: : : : : :
tegangan induksi (volt) jumlah lilitan per kumparan frekuensi fluks magnet (Wb) jumlah kumparan jumlah fasa .(2.9)
Dimana: ea magnet
(2.10) Dimana:
..(2.11) Dimana ;
:
jarak antar rotor dan stator
2.11
Beban Resistif (R) Beban resistif (R) yaitu beban yang terdiri dari komponen tahanan ohm saja (resistance), seperti elemen pemanas (heating element) dan lampu pijar. Beban jenis ini hanya mengkonsumsi beban aktif saja dan mempunyai faktor daya sama dengan satu. Tegangan dan arus sefasa. Persamaan daya sebagai berikut: P = VI…..(2.12) Dimana: P : daya aktif yang diserap beban (watt) V : tegangan yang mencatu beban (volt) I :arus yang mengalir pada beban (Ampere)
Tahapan awal dalam menyelesaikan tugas akhir ini dimulai dengan membangun ide awal dilanjutkan dengan studi literatur untuk mencari informasi dan datadata yang diperlukan, pencarian informasi mengenai dasar teori tentang turbin angin serta konsep permanenent magnet generator. Pembuatan pembangkit terdiri dari beberapa tahapan, yaitu pembuatan sudu turbin secara vertical berdasarkan hasil pengukuran angin dan pembuatan transmisi dengan menggunakan gear box, kemudian pembuatan generator aksial meliputi pembuatan rotor dengan menggunakan magnet permanent, penggulungan lilitan stator serta pembuatan rumah bagi generator aksial. Pada tahapan pengujian, parameter yang diukur baik dalam keadaan berbeban maupun tidak berbeban serta pengetesan kecepatan dari generator aksial. 3.1
Pengukuran Angin Di Lokasi Penelitian Pengukuran angin dilakukan di jembatan krueng cut Aceh Besar dengan menggunakan flowatch meter. Gambar 3.2 penggukuran angin dengan menggukan flowactmeter
Gambar 3.2 Penggukuran Angina Dengan Menggukan Flowactmeter 3.2
3.Metodelogi Penelitian Penelitian ini dilakukan secara bertahap, berikut tahapan yang dilakukan dalam penulisan tugas akhir ini adalah :
Proses Desain Turbin Angin Savonius Proses desain ini menggunakan autocad, terdiri dari 6 buah sudu, turbin savonius berfungsi sebagai penggerak utama rotor pada generator aksial , pada gambar 3.2 desain desain turbin savonius
Gambar 3.3 Desain Turbin Savonius 3.3
Proses Desain Generator Aksial Proses desain ini menggunakan autocard, pembuatannya berdasarkan optimasi dimensi rotor, penggulungan lilitan kumparan stator. Pada generator aksial terdapat 9 kumparan stator dan 12 medan magnet yang diletakkan pada rotor, stator terdiri dari 3 phasa. pada gambar 3.3 desain rotor dan stator. Gambar 3.1 Diagram Alir Dari Tahapan Penelitian
berfungsi untuk menjaga tegangan output generator aksial tetap konstan. 3.6 Analisa Dan Pembahsan Analisa kinerja unit pembangkit yaitu keluaran dari generator magnet permanen fluks aksial langsung diukur setiap 60 menit sekali, agar mengatahui berapa waktu yang dibutukan untuk mengisi akumulator Gambar 3.4 Rotor dan Stator 3.7 Penggabungan Turbin Angin Dan Generator Aksial Proses penggabungan ini dengan menambahkan sistem transmisi speed increasing, ,yaitu putaran keluar dari putaran rotor turbin angin lebih besar dari putaran masuk dimana perbandingan putaran rotor turbin 1 : 11 terhadap putaran rotor generator
Penarikan Kesimpulan Kesimpulan dari penelitian.
3.4
4.Hasil Dan Pembahasan 4.1 Angin.
Pembuatan
Luasan Dimensi
Sudu Turbin
Pada penelitian ini hasil yang diperoleh berupa desain sudu turbin angin menggunakan software AutoCad bedasarkan rumus yang tertera pda bab 2 Diketahui D : 1 meter V : 3,2 m/s n : 40 rpm (asumsi) tip speed ratio (λ) λ=
λ
torsi Q = Luas sapuan rotor turbin (A) A= Gambar3.5 Penggabungan Turbin Angin dan Permanen Magnet Generator 3.5 Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Angin Diawali dengan pembuatan rotor turbin dengan menggunakan kanopi yang dibentuk setengah lingkaran, dan proses pembuatan sistem transmisi dengan menggunakan gear box, kemudian pembuatan generator aksial yang diawali dengan membuat diameter rotor serta menentukan jumlah lilitan dan kumparan pada stator aksial, kita dapat menentukan besarnya diameter kawat tembaga yang akan dililitkan untuk mendapatkan nilai tegangan output sesuai dengan yang diinginkan. dari hasil lilitan tersebut dapat dioperasikan dengan putaran yang lebih rendah namun menghasilkan tegangan output yang lebih besar dibesar. Kemudian listrik yang dihasilkan dari pembangkit untuk pengisian baterai membutuhkan arus searah, oleh karena itu diperlukan dioda yang berfungsi untuk merubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Tegangan yang dihasilkan generator aksial bervariasi bergantung dari kecepatan putaran dan banyaknya beban. Untuk itulah digunakan regulator yang
Menetukan cqr = = = 1,25 Menentukan cpr = λ x cqr = 0,65 x 1,25 = 0,81 Luas turbin
= 2 x 3,14 x r x ( r + t) = 2 x 3,14 x 0,5 x ( 0,5 + 1,5) = 6,28 Dengan didapatkannya luas penampang 6 buah sudu (A) sebesar 6,28 m2, maka dengan menggunakan 6 buah sudu diperoleh dimensi sudu sebagai berikut: Diketahui Tinggi (l) = 1,5 meter Jumlah sudu = 6 sudu Luas 1 sudu = meter
A d d
= 6 x 0,5 x 3,14 x d xL = 2 x 6,28 / 6 x 3,14 x 2 = 0,45 meter Jadi dimensi jenis turbin yang digunakan adalah jenis turbin angin tipe savonius dengan dimensi D x L yaitu 0, 45 meter x 1,5meter, pada gambar 3.2sudu turbin savonius
4.3
Dimensi Stator stator merupakan bagian yang diam pada generator aksial yang terdiri dari 9 kumparan
Gambar 4.3 Stator Generator Aksial
Gambar 4.3 Stator Generator Aksial .2data Tabel Stator Simbol
Gambar 4.1 Sudu Turbin Savonius 4.2 Pembuatan Dimensi generator magnet permanen fluks aksial . Perhitungan luasan rotor Rotor generator magnet permanen fluks aksial. Dy = 2[
Dout Din
0,22 mm = 160,22 mm =160,22 – 4 x ( 12,5) = 110,22 mm
Table 1 Rotor Generator Magnet Permanen Fluks Aksial Symbol
keterangan
mm
z r y x p
Diemeter luar Lubang poros Jari –jari luar Jari –jari dalam Diameter magnet permanent Jarak antar magnet
160,22 12 80,11 55,11 25
q
Panjang (cm) 3 5 0,5 1,5 0,5 50 3705 0,45
4.4 Tegangan Induksi Generator ini didesain untuk berkerja pada putaran 560 rpm dengan frekuensi 56 Hz. Tegangan induksi yang dihasilkan oleh generator ini dapat dihitung dengan persamaan. (3.9)
]
Dy = (
Tbl
Keterangan Jari – jari stator bagian dalam Jari – jari stator bagian luar Lebar lubang stator bagian luar Lebar lubang stator bagian dalam Tebal kumparan stator Banyak lilitan Panjang lilitan Diameter kawat
1
Gambar .4.2 Rotor Generator Magnet Permanen Fluks Aksial Dengan Menggunakan Software Autocad.
4,44 x 30 x 100 x 0,000493 x 3 = 19,7 volt (AC)
19,7 x = 34,1 Vdc 4.5 Hasil Percobaan. Tabel.3 tabel hasil menggunakan flowatchmeter
pengukuran angin dengan
Tabel 4. Data hasil perbandingan perhitungan dengan dan pengukuran berdasarkan waktu
Grafik C dari pukul 14.00 – 18.00.
Gambar 3 grafik C perbandingan ukur dan hitung Grafik D pukul 19,00 – 00.00
Berikut ini adalah perbandingan grafik berdasarkan waktu dan tegangan yang dihasilkan. Hasil perbandingan berdasarkan tampilan grafik, dibagi menjadi 4 grafik beradaskan waktu, grafik A dari pukul 01.00 – 06.00. garik B dari pukul 07.00 – 13.00. grafik C dari pukul 14.00 – 18.00. grafik D pukul 19,00 – 00.00. Gambar 4 grafik D perbandingan ukur dan hitung
4.6
Gambar 1 Grafik A Perbandingan Ukur Dan Hitung .
Pembahasan
Berdasarkan data diatas semakin cepat putaran turbin maka semakin cepat pula putaran generator, sehingga keluarannya semakin besar. Dengan demikian pengukuran efektif pengisian akumulator dari pukul 10.00 – 18.00. disebabkan kerapatan medan magnet sangat kecil. Sehingga diameter kawat kecil, maka arus yang dihasilkan kecil. Pada kisaran pukul 13.00 -14.00 tegangan yang dihasilkan sebesar 30 Vdc merupakan tegangan yang paling besar dan daya yang dihasilkan 8, 65 watt
Garik B dari pukul 07.00 – 13.00.
5. kesimpulan. 1. Semakin cepat putaran penggerak maka semakin 2.
3.
Gambar 2 Grafik B Perbandingan Ukur Dan Hitung
besar tegangan yang dihasilkan. Pada pukul 10.00 – 18.00 merupakan waktu yang efektif untuk pengisian akumulator, dimana pada pukul tersebut tegangan yang dihasilkan berkisar dari dari 13 volt dc sampai 30 volt dc. Pada pukul 14.00 tegangan keluaran sebesar 30,9 Vdc, ini merupakan keluaran paling besar diantara waktu yang lain.
4.
Pembangkit listrik tenaga angin dengan menggunakan generator Magnet Permanen Fluks Aksial ini sangat tepat digunakan untuk penerangan lampu jembatan karena pada siang hari angin pada daerah jembatan mampu mengisi akumulator.
5.2 saran Penelitian tentang perancangan prototipe generator magnet permanent fluks aksial pada pembangkit listrik tenaga angin untuk penerangan lampu jaan dapat dikembangtkan lebih lanjut dengan memvariasikan lilitan serta kerapatan magnet
REFERENSI [1] Purwanto adtyo dkk, 2011, Rancang Bangun Turbin Angin Vertikal Untuk Penerangan Rumah Tangga, Laporan Tugas Akhir. fakultas teknik program studi diploma iii teknik mesin semarang [2] Pane Ennopati.2009, Studi Sistem Eksitasi Dengan Menggunakan Permanent Magnet Generator (aplikasi pada generator sinkron di pltd pt. manunggal wiratama) ,departemen teknik elektro fakultas teknik universitas sumatera utara medan [3] Dimas waluyo jati, Perancangan Generator Fluks Aksial Putaran Rendah Magnet Permanen Jenis Neodymium (Ndfeb) Dengan Variasi Celah Udara, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik – Universitas Diponegoro [4] 4Chatra Hagusta Prisandi, 2011”Studi Desain Kumparan Stator Pada Generator Sinkron Magnet Permanen Fluks Aksial Tanpa Inti Stator” Universitas Indonesia. [5] Edo Adhi Fitradhana, 2012 “Studi Desain Rotor Generator Sinkron magnet Permanen Fluks Aksial Jenis Cakram” Universitas Indonesia. [6] M Kahlil Firdausi, 2010”Simulasi Pengaruh Disain Magnet Permanen Pada Generator Sinkron Fluks Aksial Rotor Cakram Ganda Stator Tanpa Inti” Universitas Indonesia. [7] Sukma Harry, 2012 “ Rancang Bangun Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro Sistem Terapung ”Jurusan Teknik Elektrofakultas Teknik Universitas Syiah Kuala Darussalam-Banda Aceh
]8] Martono Tjukup, 2010, Prancangan Kincir Angin Axis Vertikal Type Baru Untuk Generator Listrik Tenaga Angin, Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia, Jurusan Teknik Kimia Pembangunan Nasional “Veteran”Jogjakarta..
