RANCANG BANGUN GENERATOR TURBIN ANGIN TIPE AKSIAL KAPASITAS 200 W Agus Nurtjahjomulyo Peneliti Bidang Konversi Energi Dirgantara, LAPAN
ABSTRACT Generator is t h e component of wind turbine t h a t convert mechanical to electrical energy a n d h a s a specific character which operates at low speed rotation (< 1000 rpm). Engineering design of wind turbine generator capacity 200 W discussed in this paper repreaents t h e results of fabrication a n d testing of the generator as a model. The experiment showed t h a t t h e generator can be producing power 200 W at rotation 4 5 0 rpm with torque about 8.5 Nm. ABSTRAK Generator turbin angin merupakan salah s a t u bagian/komponen dari turbin angin yang berfungsi mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik d a n memiliki karakter yang spesifik dibandingkan dengan generator lainnya, yakni beroperasi pada putaran rendah (< 1000 rpm). Rancang bangun generator turbin angin kapasitas 2 0 0 W yang d i b a h a s dalam tulisan ini menyajikan hasil perancangan, p e m b u a t a n dan pengujian model generator. Hasil pengujian menunjukkan b a h w a generator ini m a m p u menghasilkan daya 2 0 0 W pada p u t a r a n 4 5 0 rpm dengan torsi sebesar 8,5 Nm. Kata k u n c i : Generator, Turbin angin 1
PENDAHULUAN
Turbin angin adalah sebuah sistem yang m a m p u mengkonversi energi angin secara langsung menjadi energi listrik. S a l a h s a t u bagian/komponen turbin angin yang berfungsi mengkonversi energi mekanik menjadi energi listrik adalah generator. Generator turbin angin memiliki karakter yang spesifik dibandingkan dengan generator lainnya, yakni m a m p u menghasilkan energi listrik pada putaran yang r e n d a h (di b a w a h 1000 rpm). Generator yang memiliki karakter semacam itu masih jarang dijumpai di pasaran, d a n walaupun ada, harganya c u k u p mahal dan h a r u s menunggu dalam jangka waktu tertentu u n t u k mendapatkannya. Tingginya harga generator mengakibatkan tingginya h a r g a j u a l turbin angin ke Masyarakat, k a r e n a hampir 30 - 40 % dari harga total turbin angin berada di generator. Masalah ini tentunya h a r u s segera diatasi agar harga turbin angin terjangkau oleh masyarakat.
96
Rancang b a n g u n generator turbin angin kapasitas 2 0 0 W d i m a k s u d k a n scbagai langkah awal u n t u k memutuskan ketergantungan pada produk impor. B a h a n / k o m p o n e n p e m b u a t a n generator p u t a r a n rendah, hampir 90 % rnenggunakan produk yang tersedia di pasaran dalam negeri. Sehingga diharapkan produk turbin angin yang dihasilkan harganya terjangkau oleh daya beli masyarakat, terutama di d a e r a h pedesaan d a n pesisir pantai yang a k a n menjadi s a s a r a n implementasi- Untuk melengkapi generator agar menjadi s e b u a h turbin angin, pada t a h a p berikutnya a k a n dirancang model rotor (sudu) dan sistem orientasi yang sesuai dengan karakteristik generator agar menghasilkan daya keluaran yang optimal. Generator turbin angin k a p a s i t a s 2 0 0 W ini m e r u p a k a n hasil pengembangan dari model generator yang diproduksi oleh sebuah p e r u s a h a a n di Inggris bernama Marlec. Generator ini menggunakan magnet p e r m a n e n p a d a
rotornya, sehingga. d a p a t secara langsung menghasilkan energi listrik ketika berputar. Posisi rotor d a n statornya tegak lurus t e r h a d a p porosnya sehingga dinamakan generator tipe aksial. Generator kapasitas 2 0 0 W dirancang menggunakan b a h a n m a g n e t p e r m a n e n jenis Neodynium Ferit Boron (NdFeB), sedangkan stator dirancang menggunakan kawat tembaga terisolasi (kawat email) yang dibungkus d e n g a n b a h a n komposit. Rumah generator t e r b u a t dari b a h a n komposit yang m e n y a t u d e n g a n s u d u rotor. Kegiatan rancang bangun generator diawali d e n g a n m e n g u m p u l k a n sejumlah data dan informasi yang berkaitan dengan generator p u t a r a n r e n d a h , dilanjutkan dengan perhitungan, p e m b u a t a n gambar teknis, p e m b u a t a n cetakan d a n model generator. Kegiatan ini diakhiri dengan pengujian model generator di laboratorium Uji SKEA. 2
Fluks magnet didefinisHom seJx^a/
banyaknya garis-garis gaya magnet yang memiliki kerapatan fluks magnet B menembus suatu permukaan dengan luas sebesar A, persamaannya ditunskan dalam b e n t u k :
Besarnya ggl yang timbul akibat gerakan ini dapat dihitung dengan menggunakan beberapa metode. Metode pertama adalah dengan melihat usaha W yang diperlukan muatan q untuk bergerak dari ujung satu ke ujung lain sepanjang I pada batang konduktor di bawah pengaruh medan listrik akibat gaya yang diterima elektxon. Usaha yang dilakukan muatan q adalah sebesar.
DASAR TEORI
Prinsip kerja generator dalam mengkonversi energi m e k a n i k menjadi energi listrik adalah b e r d a s a r k a n h u k u m Faraday. Hasil penelitian Faraday menunjukkan b a h w a bila s e u t a s kawat a t a u kumparan k o n d u k t o r b e r a d a dalam medan magnet yang b e r u b a h t e r h a d a p waktu, m a k a p a d a ujung-ujung kawat atau k u m p a r a n konduktor tersebut akan timbul tegangan a t a u gaya gerak listrik (ggl) induksi. Demikian p u l a halnya jika kawat atau kumparan konduktor tersebut digerak-gerakkan dalam m e d a n magnet yang tetap. Besarnya tegangan atau ggl induksi yang timbul p a d a k u m p a r a n konduktor sebanding d e n g a n b e s a r n y a perubahan f l u k s magnet y a n g b e r u b a h terhadap waktu, d a n dituliskan dalam bentuk p e r s a m a a n :
Metode lain yang juga digunakan untuk menentukan besarnya ggl yakni dengan menganggap batang konduktor bergerak sejauh dx = v dt dalam medan magnet, maka luasan fluks magnet yang berubah akibat gerakan tersebut adalah sebesar dA = I v dt. Masukan hasil ini kedalam persamaan (2-3), ggl induksi sama dengan perubahan/fu/cs persatuan waktu, maka diperoleh
Pada generator, posisi kumparan konduktor dan medan magnet B tidak selalu tegak lurus, tetapi membentuk sudut sebesar 9. Kecepatan v_i tegak lurus kumparan terhadap medan magnet akan membentuk sudut sebesar 0. Pada saat posisi kumparan tegak lurus dengan medan magnet, ggl-nya akan maksimum, sedangkan pada saat sejajar dengan medan magnet ggl-nya akan minimum, sehingga kecepatannya dapat dituliskan 97
Untuk memperbesar ggl yang dihasilkan dapat dilakukan dengan cara menambah jumlah lilitan atau kumparan dan jumlah kutub magnet. Jika kumparan konduktor terdiri dari N lilitan dan jumlah pasang kutubnya adalah P, maka besarnya ggl dapat dituliskan sebagai berikut.
l u r u s t e r h a d a p s u m b u p u t a r (aksial). Rotor terdiri a t a s d u a bilah yang berb e n t u k piringan, masing-masing bilah berisi 4 p a s a n g m a g n e t p e r m a n e n jenis NdFeB. Stator b e n t u k n y a bulat pipih yang berisi k u m p a r a n kawat tembaga terisolasi b e r b e n t u k segitiga s a m a kaki. Stator ditempatkan m e n y a t u dengan s u m b u p u t a r (poros). Ketika rotor d a n stator d i s a t u k a n , posisi stator diapit oleh k e d u a bilah rotor. Antara rotor d a n s u m b u p u t a r dipasang bearing yang berfungsi sebagai bantalan putar. G a m b a r 3-1 d a n 3-2 memperlihatkan gambar teknis model generator 200 W. 3.2 Spesifikasi T e k n i s T a b e l 3 - 1 : SPESIFIKASI TEKNIS GENERATOR 2 0 0 W
Pada pemakaian praktis, banyak faktor yang mempengaruhi kinerja sebuah generator. Faktor-faktor tersebut antara lain : faktor bentuk, faktor lilitan, faktor celah udara dan sebagainya. Untuk menentukan besarnya tegangan keluaran generator, beberapa pendekatan dilakukan, persamaan berikut dapat digunakan sebagai salah satu rumus pendekatan dalam pemakaian praktis.
No. 1.
2.
3.
Nama Komponen Rotor • Jenis magnet • Jumlah magnet • Ukuran magnet
5.
98
NdFeB 8 pasang 30 x 40 mm
Stator • Jenis kawat • Jumlah lilitan • Jumlah kumparan
Tembaga email 2x52 8 buah
• Diameter kawat • Diameter stator
0,8 mm 220 mm
Poros • Jenis • Diameter •Bahan
4.
Keterangan
Rumah Generator •Bahan
Besi poros berlubang 25 mm Stainless Steel
• Diameter
Fiber glass (polyester) 270 mm
Output •Tegangan • Arus • Daya • Putaran • Fasa • Torsi
24 VDC 9 A 200 W 450 - 500 rpm 1 fasa 8,26 Nm
Gambar 4-1 d a n 4-2. memperlihatkan bentuk cetakan dan model generator.
Gambar 3 - 1 : Salah satu bilah generator Gambar 4 - 1 : Model cetakan generator
Gambar 3-2: Model r a n c a n g a n generator 200 W PEMBUATAN GENERATOR
DAN
PENGUJIAN
4.1 Pembuatan Model Setelah memperoleh data-data spesifik komponen generator d a n memb u a t g a m b a r teknisnya, langkah berikutnya adalah m e m b u a t cetakan rotor d a n stator sesuai dengan model rancangan generator tersebut. Beberapa bagian perlu dimodifikasi u n t u k mempermudah proses pengerjaan. Cetakan dibuat dengan menggunakan b a h a n dari fiber glass d a n nylon yang dibentuk sesuai dengan u k u r a n rotor d a n stator. Setelah cetakan rotor d a n stator selesai dibuat, kegiatan berikutnya adalah mencetak rotor d a n stator generator dengan m e n g g u n a k a n b a h a n dari fiber glass. Sebelum dicor dengan b a h a n fiberglass, posisi k u m p a r a n konduktor pada stator d a n magnet permanen pada rotor diatur d a n diset dengan menggunakan mal yang telah disiapkan.
Gambar 4-2:Model generator 200 W 4.2 Peralatan Uji Pengujian generator dilakukan u n t u k m e n d a p a t k a n data karakteristik listrik yang dihasilkan generator berupa tegangan, a r u s , daya d a n torsi. Jenis peralatan uji d a n prosedur pengujian dapat dijelaskan sebagai berikut. Peralatan uji yang digunakan meliputi : • Simulator berupa motor listrik kapasitas 10 kW yang porosnya dihubungkan dengan poros generator melalui sabuk Putaran simulator berkisar a n t a r a 130-830 rpm. • Data Logger yang berfungsi sebagai alat penerima data yang dikirim oleh sensor alat u k u r . Melalui tranduser sinyal yang dikirim oleh sensor alat dikonversi ke bentuk d a t a digital, sehingga bisa diterima oleh komputer. Peralatan ini terdiri dari 20 channel 99
yang dapat digunakan u n t u k mengukur: tegangan AC, tegangan DC, frekuensi, temperatur, a r u s d a n p u t a r a n . • Komputer yang berfungsi u n t u k merekam d a n mengolah data yang dihasilkan generator. Komputer ini berisi program u n t u k mensetting parameter, mengedit d a n mengoperasikan data logger • Torsimeter yang berfungsi u n t u k mengu k u r b e s a r n y a torsi yang dihasilkan generator.
a n t a r a torsi (Nn) d a n daya (w) diperlihatk a n p a d a Gambar 5-3.
4.3 Pengujian 4.3.1 Setting peralatan uji Peralatan uji disetting sesuai dengan prosedur yang ditetapkan sebelum melakukan pengujian. Parameterparameter yang a k a n diuji ditampilkan dalam layar komputer agar termonitor selama pengujian berlangsung 4.3.2 Pengujian tanpa beban Pengujian t a n p a beban dilakukan untuk mendapatkan data hubungan a n t a r a tegangan AC yang dihasilkan generator t e r h a d a p putaran. 4.3.3 Pengujian dengan beban Pengujian dengan beban dilakukan u n t u k mengetahui karakteristik tegangan AC, tegangan DC, arus DC dan daya yang dihasilkan generator terhadap p u t a r a n . Beban yang digunakan adalah baterai 40 Ah 24 V d a n lampu 300 W / 3 6 V. 4 . 3 . 4 Pengujian torsi Pengujian torsi dilakukan u n t u k m e n d a p a t k a n data besarnya torsi yang diperlukan generator p a d a p u t a r a n tertentu.
Gambar 5-3: Karakteristik torsi t e r h a d a p daya
5
Hasil pengujian t a n p a b e b a n memperlihatkan bahwa besarnya tegangan keluaran terbuka yang dihasilk a n berbanding lurus dengan besarnya kenaikan p u t a r a n . Hal ini sesuai dengan teori d a n hasil perhitungan yang telah dilakukan. Pengujian dengan beban dim a k s u d k a n u n t u k mengetahui besarnya daya yang dihasilkan generator. Hasil pengujian tersebut memperlihatkan bahwa
HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
5.1 Data Hasil Pengujian Pengujian dilakukan t a n p a beban d a n dengan beban yang diperlihatkan pada Gambar 5-1 d a n 5-2 m e n u n j u k k a n h u b u n g a n a n t a r a tegangan d a n daya terhadap p u t a r a n generator (rpm) yang dalam h a l ini diambil dari 100 rpm500 rpm. Pengujian torsi yaitu hubungan 100
5.2 Analisa Hasil Pengujian
fl^'tH""* f * * J » « * * * *
daya sebesar 2 0 0 W bisa dicapai p a d a putaran rotor 4 5 0 rpm. Pada titik tersebut torsi yang diperlukan u n t u k memutar poros generator adalah sebesar 8,5 Nm. Angka-angka tersebut diperlukan u n t u k m e r a n c a n g s u d u rotor turbin angin agar daya keluaran yang dihasilkan turbin angin menjadi optimal. 6
KESIMPULAN
• Hasil rancang bangun generator k a p a s i t a s 2 0 0 W y a n g telah dilakukan m e n u n j u k k a n b a h w a generator turbin angin y a n g memiliki k a r a k t e r spesifik beroperasi p a d a p u t a r a n r e n d a h dapat dibuat dengan m e n g g u n a k a n b a h a n / komponen y a n g tersedia di dalam negeri. Dengan demikian d i h a r a p k a n biaya produksi/pengadaan turbin angin dapat lebih ditekan agar harganya terjangkau oleh d a y a beli m a s y a r a k a t di Indonesia. • Rancangan ini masih h a r u s lebih disempurnakan, k a r e n a masih a d a n y a beberapa kelemahan yang terjadi, terutama dalam s t r u k t u r d a n komposisi b a h a n komposit yang digunakan. • Rancang b a n g u n generator dengan kapasitas yang lebih besar a k a n dilakukan p a d a t a h a p berikutnya. DAFTAR RUJUKAN Abdul Kadir, 1999. Mesin Sinkron, Penerbit Djambatan, J a k a r t a . Akio Toba, Hiroshi Oshsawa, T u k a s a Miora, Thomas A. Lipo, Experimental Evaluations of the dual Excitation Permanent Magnet Vernier Machine, Tokyo J a p a n . Djoko Achyanto, 1997. Mesin-mesin Listrik, Penerbit Erlangga.
**f* r*i * ™ - f
* »*r»'*Jiyi*i*ji**
J 1 1 1 _-t \ / " - + •
J\Ji>»*Mi#*M A W
I f t^/F*1-
J
* V
Douglas C. Giancoli, 1999. Physics, Fifth Edition, Alih B a h a s a : Yuhilza H a n u m , Irwan Arifin, Penerbit Erlangga. E. Mulyadi, C.P. Butterfield, Yih Huei Wan, 1998. Axial Flux, Modular, Permanent Magnet Generator with a Toroidal Winding for Wind Turbine Applications, NREL, Colorado. F. Suryatmo, 1984. Teknik Listrik Motor Ss Generator Arus Bolak Batik, Penerbit Alumni, Bandung. H. M. Rusli Harahap, 1996. Mesin Listrik: Mesin Arus Searah, Penerbit PT Gramedia P u s t a k a Utama, J a k a r t a . H.J.Hengeveld, E. H. Lysen, L. M. M. Paulissen, 1 9 8 1 . Matching of Wind Rotor To Low Power Electrical Generator For A Given Wind Regime, Steering Committee for Wind Energy in Developing Countries. J.A. de J o n g h , R.P.P. Rijs, J.T.G. Pierik, Small Wind Turbine Systems For Battery Charging, ECN/ARRAKIS The Netherlands. L. Soderlund , J.T. Eriksson , J. Salonen, H. Vihrilla, R. Pirrela, 1996. A Permanent Magnet Generator for Wind Power Applications, Tampere University of Technology. M.R Dubois, H. Polinder, J.A. Ferreira Axial and Radial Flux Permanen Magnet Generator For Direct - Drive Wind Turbine, Delft University of Technology The Netherlands. S a n g Young J u n g , Ho Yong Choi, Hyun Kyo J u n g , Performance Evaluation of Permanent Magnet Linear Generator For Charging the Battery of Mobile Apparatus, School of Electrical Engineering Seoul National University, Seoul, Korea.
101
