PROYEK AKHIR
PROYEK AKHIR
RANCANG BANGUN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN PADA STASIUN PENGISIAN ACCU MOBIL LISTRIK
Moh. Saiful Anwar NRP.7305 030 007
Dosen Pembimbing : Ir. Suryono, MT NIP. 131 793 743 Ainur Rofiq Nansur, ST., MT NIP. 131 859 915
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO INDUSTRI POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2008
PROYEK AKHIR
RANCANG BANGUN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN PADA STASIUN PENGISIAN ACCU MOBIL LISTRIK
Moh. Saiful Anwar NRP.7305 030 007
Dosen Pembimbing: Ir. Suryono, MT NIP. 131 793 743 Ainur Rofiq Nansur, ST., MT NIP. 131 859 915
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO INDUSTRI POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA SURABAYA 2008
RANCANG BANGUN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN PADA STASIUN PENGISIAN ACCU MOBIL LISTRIK Oleh: Moh. Saiful Anwar NRP. 7305.030.007 Proyek Akhir ini Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Ahli Madya (A. Md.) di Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Disetujui oleh: Tim Penguji Proyek Akhir
Dosen Pembimbing
1. Drs. Irianto, MT. NIP. 131 964 948
1. Ir. Suryono, MT. NIP. 131 793 743
2. Ir. Hendik Eko H. S., MT. NIP. 131 651 430
2. Ainur Rofiq N, ST., MT. NIP. 131 859 915
3. Rusiana, ST. NIP. 131 884 955 Mengetahui : Ketua Jurusan Teknik Elektro Industri
Ainur Rofiq Nansur, ST., MT. NIP. 131 859 915
ii
ABSTRAK Mobil listrik telah banyak diciptakan dan digunakan untuk mengurangi polusi akibat dari emisi kendaraan bermotor. Mobil listrik menggunakan accu/battery sebagai sumber energi untuk menggerakkan mobil tersebut. Accu/battery memiliki masa pemakaian, yang jika dipakai terus menerus akan habis sehingga perlu dicharge. Proses ini menggunakan rangkaian charger dan biasanya dilakukan dirumah pemilik mobil listrik tersebut. Kaitannya dengan pengisian ulang energi listrik untuk accu/battery mobil listrik tersebut, perlu adanya suatu stasiun yang khusus digunakan untuk isi ulang accu mobil listrik, yang kami sebut sebagai stasiun pengisian accu mobil listrik. Stasiun pengisian ini menggunakan pembangkit listrik tenaga angin untuk menghasilkan energi listrik, kemudian energi listrik tersebut digunakan untuk mengisi ulang accu/battery mobil listrik. Pembangkit listrik pada proyek akhir ini menghasilkan tegangan sebesar 13.94V dan arus pengisian dari kontrol charger sebesar 0.205Amp. Dengan nilai tersebut dapat melakukan isi ulang accu mobil listrik 12V-5Ah, dengan kenaikkan tegangan accu sebesar 0.2V selama 30 menit. Kata Kunci: Stasiun isi ulang accu, Mobil listrik, Kincir angin.
iii
ABSTRACT Electric car already created and used to decrease pollution caused by emission of motors vehicle. Electric car use battery or accumulator as source power to moving forward. Battery have a sort time if used for a long time and will used up and so need to recharge. This process using a charger circuit and usually do at home by the owner of the electric car. In relation with recharge system electric energy for electric car accumulator, so there need a station especially using for accumulator of electric car and its called electric car accumulator recharge. The station use propeller to catch a wind and generator to produce electric energy, and then the electric energy used to recharge the accumulator of electric car. The electric generation in this final project produces voltage at value 13.94 Volt and recharge current from control charger at 0.205 Amp. With this point it can used to recharge 12V-5Ah accumulator, with increase voltage by 0.2 at 30 minutes. Keyword: Accumulators recharge station, electric car, propeller.
iv
KATA PENGANTAR Dengan mengucapkan puji syukur alhamdulillah atas kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya selama pembuatan proyek akhir ini sehingga buku proyek akhir ini bisa terselesaikan dengan baik. Judul dari proyek akhir yang saya buat adalah: RANCANG BANGUN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN PADA STASIUN PENGISIAN ACCU MOBIL LISTRIK Proyek akhir ini diajukan sebagai salah satu persyaratan untuk menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III Politeknik untuk mendapatkan gelar Amd (Ahli Madya), Program Studi Teknik Elektro industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya – Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Untuk memahami penyusunan proyek akhir ini hendaknya pembaca diharapkan mengerti latar belakang dan batasan masalah yang dibahas, sehingga memiliki persepsi yang sama. Selama penyusunan buku proyek akhir ini, banyak hambatan-hambatan yang ditemui penulis. Dengan rahmat Allah, SWT dan bimbingan dari dosen pembimbing serta kemauan yang keras sehingga hambatan dan masalah dapat teratasi dengan baik. Kami sebagai penulis menyadari dalam pembuatan tugas akhir ini masih banyak kekurangan didalam pengerjaan proyek akhir ini. Akhirnya penulis mengharapkan saran dan kritik dari semua pihak agar nanti dikemudian hari menjadi lebih baik. Sehingga buku ini menjadi sesuatu yang bermanfaat bagi pembaca.
v
UCAPAN TERIMA KASIH Alhamdulillah, segala puji hanya milik Allah SWT. Kami memuja-Nya, memohon pertolongan-Nya. Kami berlindung kepada-Nya dari segala kejahatan diri dan amal perbuatan buruk kami. Kusandarkan cintaku, pengharapanku, taatku hanya kepada-Mu dan selalu mengikuti tingkah laku Nabi Muhammad SAW, seorang yang pantas dicintai sebelum lainnya. Ucapan terima kasih yang sebesar – besarnya penulis disampaikan kepada: 1. Ibu dan ayah tercinta dan keluarga yang telah memberikan dorongan semangat, moral maupun material, pengorbanan dan do’a selama ini. 2. Bapak Dr. Ir. Titon Dutono, M.Eng. selaku direktur PENS-ITS. 3. Bapak Ainur Rofiq Nansur ST., MT. selaku ketua jurusan Elektro Industri. 4. Bapak Ir. Suryono, MT dan Bapak Ainur Rofiq Nansur, ST., MT. selaku dosen pembimbing atas segala perhatian dan bimbingan yang telah diberikan sehingga Proyek Akhir ini dapat terselesaikan. 5. Teman – teman jurusan Teknik Elektro Industri DIIIA angkatan 2005. 6. Seluruh pihak yang tidak dapat kami sebutkan satu – persatu atas bantuan yang telah diberikan selama ini. Penulis berharap semoga bantuan dan keihklasan untuk penyelesaian Proyek Akhir ini mendapat barokah dari Allah SWT.
vi
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN.................................................... ABSTRAK ............................................................................. ABSTRACT ........................................................................... KATA PENGANTAR............................................................ UCAPAN TERIMA KASIH .................................................. DAFTAR ISI .......................................................................... DAFTAR TABEL .................................................................. DAFTAR GAMBAR .............................................................
ii iii iv v vi vii ix x
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ......................................................... 1.2. Tujuan ...................................................................... 1.3. Perumusan Masalah ................................................. 1.4. Tinjauan Pustaka ...................................................... 1.5. Sistematika Pembahasan ..........................................
1 2 2 2 5
BAB II DASAR TEORI 2.1. Energi angin ............................................................. 2.1.1. Daya Energi Angin ......................................... 2.1.2. Turbin Angin .................................................. 2.1.3. Jenis Turbin Angin ........................................ 2.1.4. Pemilihan Tempat........................................... 2.2. Generator.................................................................. 2.3. Battery Charger ........................................................ 2.4. Metode Charge Discharge........................................ 2.5. Accumulator.............................................................
7 7 8 11 13 16 17 18 21
BAB III PERENCANAAN DAN PERANCANGAN SISTEM 3.1. Konfigurasi Sistem................................................... 23 3.2. Perencanaan dan Perancangan Kincir Angin ........... 24 3.2.1. Kincir Angin Pada Mobil Listrik .................... 24 3.2.2. Perencanaan Kincir Angin .............................. 24 3.3. Perencanaan Generator............................................. 27 3.3.1. Perencanaan Generator Untuk Mobil Listrik .. 27 3.4. Perancangan Gear Ratio........................................... 28 3.5. Perencanaan dan perancangan battery charger......... 29 vii
3.4.1. Bridge Rectifier .............................................. 29 3.4.2. Kontrol Battery Charger ................................. 29 3.4.3. Perencaanaan Accumulator............................. 30 BAB IV PENGUJIAN DAN HASIL 4.1. Pengujian Kecepatan Angin ..................................... 4.2. Data Kincir Angin .................................................... 4.3. Pengujian Generator................................................. 4.4. Pengujian Pengisian Accu........................................ 4.5. Pengujian Generator Dengan Kendaraan .................
31 32 32 34 34
BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan .............................................................. 37 5.2. Saran ........................................................................ 37 DAFTAR PUSTAKA............................................................. 39 LAMPIRAN ........................................................................... 41
viii
DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Skema kincir angin untuk pembangkit kecil.... Gambar 2.1 Radius kincir angin dan sudut φ pada kincir angin ................................................................ Gambar 2.2 Arah gaya pada sebuah blade........................... Gambar 2.3 Kurva perbandingan TSR dan Blade angle...... Gambar 2.4 Berbagai jenis turbin angin .............................. Gambar 2.5 Torsi rotor untuk berbagai jenis turbin angin... Gambar 2.6 Kaidah tangan kanan Fleming.......................... Gambar 2.7-a Proses charge dengan arus konstan.................. Gambar 2.7-b Proses discharge dengan arus konstan ............. Gambar 2.8-a Proses charge dengan daya konstan ................. Gambar 2.8-b Proses discharge dengan daya konstan ............ Gambar 2.9 Proses charge dengan arus konstan/tegangan konstan............................................................. Gambar 2.10 Proses discharge dengan resistansi konstan ..... Gambar 3.1 Blok diagram sistem pengisian battery pada Pembangkit listrik tenaga angin....................... Gambar 3.2 Rencana penempatan kincir angin pada mobil listrik ................................................................ Gambar 3.3 Perencanaan kincir angin ................................. Gambar 3.4 Konstruksi dan komponen pendukung kincir angin ................................................................ Gambar 3.5 Perbandingan gigi dan bentuk kincir angin untuk mobil listrik............................................ Gambar 3.6 Perbandingan gear (Gear Ratio)....................... Gambar 3.7 Rangkaian Bridge Rectifier.............................. Gambar 3.8 Apple 5 battery charger.................................... Gambar 3.9 Accu 12v-5Ah..................................................
ix
3 9 10 10 12 13 16 18 18 19 19 19 20 23 24 25 27 27 28 29 30 30
DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Tabel 1.2 Tabel 1.3 Tabel 3.1 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3 Tabel 4.4 Tabel 4.5 Tabel 4.6 Tabel 4.7 Tabel 4.8
Hasil percobaan pembangkit listrik tenaga angin .. Hasil pengujian dengan alternator berputar ........... Hasil pengujian dengan alternator tidak berputar .. Tipe kincir angin dan kegunaannya....................... Data kecepatan angin............................................. Data Kincir angin .................................................. Data Kincir angin dengan 2 blade ......................... Tegangan output generator .................................... Pengujian generator dengan beban berbeda........... Hasil pengujian kincir dan generator..................... Hasil pengujian pengisian Accu ............................ Hasil pengujian pembangkit listrik pada mobil listrik......................................................................
x
4 4 4 26 32 32 32 33 33 34 34 35
BAB I PENDAHULUAN 1.1
LATAR BELAKANG
Pada masa sekarang dimana semakin menipisnya sumber daya alam yang digunakan sebagai sumber bahan bakar minyak, orang-orang mulai beralih ke energi alternatif. Disamping itu juga penggunaan bahan bakar minyak pada kendaraan bermotor dapat menyebabkan pemanasan global karena emisi yang dikeluarkan oleh kendaraan bermotor tersebut mengandung zat-zat berbahaya terhadap lingkungan. Salah satu solusi untuk hal tersebut yaitu menggunakan kendaraan berbahan bakar listrik. Permasalahanan yang timbul jika kita menggunakan kendaraan berbahan bakar listrik, yaitu kurangnya stasiun pengisian energi untuk accu mobil listrik. Oleh karena itu, dalam proyek akhir ini saya merencakan suatu stasiun pengisian bahan bakar untuk kendaraan berenergi listrik dengan memanfaatkan pembangkit listrik tenaga angin. Dengan konversi tenaga angin menjadi energi listrik kemudian digunakan untuk charge accu pada mobil listrik diharapkan stasiun pengisian bahan bakar untuk kendaraan listrik ini dapat berkembang pada masa mendatang. Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia. Perahu-perahu layar menggunakan energi ini untuk melewati perairan sudah lama sekali. Dan sebagaimana diketahui, pada asasnya angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di tiap daerah keadaan suhu dan kecepatan angin berbeda. Untuk mengurangi keterbatasan penggunaan energi yang tak terbarukan dalam pembangkitan energi listrik khususnya maka diperlukan energi- energi alternatif lain sebagai penggantinya. Dalam rangka mencari bentuk-bentuk sumber energi alternatif yang bersih dan terbarukan kembali energi angin mendapat perhatian yang besar 1 . Untuk pemanfaatan kincir angin bagi pembangkitan 1 Kadir Abdul, ”ENERGI SUMBER DAYA, INOVASI, TENAGA LISTRIK DAN POTENSI EKONOMI” Edisi Kedua, Bab V Energi Angin, hal 216 .
1
tenaga listrik skala kecil diperlukan sebuah kincir angin dan generator DC, sebuah pengatur tegangan agar keluaran untuk mengisi accu dapat konstan. Untuk memastikan tegangan keluaran dari generator tidak berbalik polaritas, maka perlu ditambahkan sebuah rangkaian penyearah (Rectifier) sebelum masuk ke rangkaian charger. 1.2
TUJUAN
1.2.1
Tujuan Umum
Tujuan umum dari pembuatan Proyek Akhir ini adalah: Sebagai syarat kelulusan dari pendidikan Diploma III Politeknik Elektronika Negeri Surabaya-ITS. 1.2.2
Tujuan Khusus
Tujuan khusus dari pembuatan Proyek Akhir ini adalah untuk mendesain suatu pembangkit listrik tenaga angin untuk stasiun pengisian accu mobil listrik sebagai salah satu sumber energi listrik alternatif yang bersih dan dapat diperbaharukan. 1.3
PERUMUSAN MASALAH
Masalah yang dari pembuatan proyek akhir ini adalah mendesain kincir angin yang efektik digunakan untuk putaran rendah dan dapat menghasilkan keluaran tegangan generator yang cukup untuk dapat mengisi ulang accu. Rangkaian switch yang akan memutus proses isi ulang jika accu telah penuh. Batasan masalah dari Proyek Akhir ini pengaturan kestabilan tegangan keluaran dari generator dan perancangan dan desain kincir angin yang tepat. 1.4
TINJAUAN PUSTAKA
Kadir A. 1987. Energi Angin. Dalam: Energi. UIPres. 243-257. Dalam buku ini dijelaskan karakteristik angin secara umum dan elemen-elemen yang mempengaruhi angin. Desain sebuah kincir angin juga disebutkan beserta komponenkomponen dan asas yang bekerja pada sebuah kincir. Disebutkan juga untuk membuat sebuah pembangkit listrik menggunakan energi angin, komponen apa saja yang dibutuhkan. Dalam buku
2
yang diterbitkan Kadir, untuk membangun sebuah pembangkit tenaga listrik skala kecil yang dibutuhkan antara lain: sebuah pengatur tegangan, oleh karena kecepatan angin yang berubahubah, sehingga tegangan juga berubah. Diperlukan juga sebuah baterai untuk menyimpan energi.
Gambar 1.1 : Skema kincir angin untuk pembangkit kecil A = Pengatur tegangan dan pemutus otomatis B = baterai C = Ke alat pemakaian
Yusuf, A. 2007. Pemanfaatan kincir angin pada ladang garam sebagai alternatif pembangkit sumber energi listrik berbasis PID kontroller. Program Kreatifitas Mahasiswa. Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. Surabaya. Pemanfaatan sebuah pembangkit listrik tenaga angin disebuah ladang garam, yang bisa digunakan untuk penerangan pada waktu malam. Sistem pengaturan menggunakan PID. Implementasi yang dibangun pada pembangkit tenaga angin ini yaitu dengan menyalurkan energi dari alternator yang diputar oleh kincir, menuju rangkaian pengaman dan disalurkan ke rangkaian switch controled dan selanjutnya disalurkan untuk charge accumulator. Energi dari accu untuk menghidupkan lampu. Data hasil percobaan pembangkit listrik menggunakan tenaga angin:
3
Tabel 1.1: Hasil percobaan pembangkit listrik tenaga angin Kecepatan angin Shaft speed Torque Power (m/s) (rpm) (Nm) (Watt) 3 52 19.7 83 4 69 35.1 197 5 87 54.8 385 5.46 95 65.3 500 Desain kincir angin dalam Program Kreatifitas Mahasiswa ini memiliki spesifikasi sebagai berikut: 1. Sumber berasal dari baterai saat Alternator bekerja Tabel 1.2: Hasil pengujian dengan alternator berputar Kebutuhan No Nama peralatan Jumlah (Watt) 1 Lampu PL 18W 5 90 2 Lampu TL 5W 2 40 3 Televisi 14 Inch 1 150 4 Radio 1 35
Daya
2. Sumber berasal dari baterai saat Alternator berhenti Tabel 1.3: Hasil pengujian dengan alternator tidak berputar Jumlah Lama Pemakaian No Nama peralatan (Watt) 1 Lampu PL 18W x 5 90 1 jam 36 menit 2 Lampu TL 5W 40 3 jam 36 menit 3 Radio 35W 35 4 jam 36 menit Amrullah, F. 2007. Rancang bangun sistem pengisian baterry charger pada pembangkit listrik tenaga angin. Proyek Akhir. Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. Surabaya. Proyek tugas akhir ini membahas pembangkit listrik tenaga angin untuk melakukan pengisian accumulator. Untuk pemanfaatan kincir angin bagi pembangkitan tenaga listrik skala kecil diperlukan sebuah generator dan sebuah pengatur tegangan agar dapat konstan berupa battery charger yang didalam 4
rangkaiannya terdapat rangkaian regulator yang berupa IC LM350. Oleh karena kecepatan angin yang berubah-ubah, sehingga tegangan keluaran generator juga berubah, diperlukan sebuah baterai untuk menyimpan energi. Karena sering terjadi angin tidak bertiup. Bila angin tidak bertiup, perlu dicegah generator bekerja sebagai motor: Oleh karena itu perlu pula sebuah pemutus tegangan otomatik bila battery sudah penuh (terdapat pada rangkaian battery charger berupa IC HA17458). HA17458 merupakan dual op-amp yang menyediakan kompensasi pergeseran fasa internal dan berperforma tinggi. WindMission Company, 1998. Windpower course blade design. www.windmission.dk/workshop/books.html. Sebuah situs internet yang berdedikasi untuk pembuatan kincir angin tipe rose dan multiblade kincir angin dengan efisiensi yang tinggi. Dari dokumen yang didapat dari situs ini, dijelaskan perhitungan secara detail untuk membuat suatu kincir angin. Menentukan jumlah blade (sudu) yang dipakai untuk sebuah kincir angin. 1.5
SISTEMATIKA PEMBAHASAN
Setelah dilakukan proses pelaksanaan dan pembuatan alat pada Proyek Akhir ini, mulai dari studi literatur, perancangan sistem, pembuatan alat, pengujian alat, penyempurnaan alat, pengujian alat, serta pengujian akhir dan analisa serta hasil-hasil yang didapat maka untuk pembahasan secara lengkap diwujudkan dalam bentuk buku laporan Proyek Akhir ini dengan sistematika sebagai berikut: BAB I PENDAHULUAN Pada bab ini berisi latar belakang pembuatan alat pada proyek Akhir, tujuan yang ingin dicapai, batasan permasalahan pada Proyek Akhir serta sistematika pembahasan. BAB II DASAR TEORI Pada bab ini meliputi teori-teori dasar, sertar eferensi-referensi yang berguna sebagai acuan dan landasan dalam perencanaan dan pembuatan Proyek Akhir antara lain: Sistem Mekanik pada kincir angin, Generator DC, Battery Charger, dan Battery (Accumulator).
5
BAB III PERENCANAAN DAN PERANCANGAN Pada bab ini berisi perencanan berdasarkan cara kerja dari rangkaian yang diinginkan dan pembuatan peralatan yang dilakukan berdasarkan perencanaan yang telah dibuat. BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA Berisi tentang pengujian alat yang telah dilakukan perencanaan dan pembuatan proyek akhir tersebut, sehingga dapat dianalisa hasil yang diperoleh. BAB V PENUTUP Pada bab ini berisi kesimpulan dari proyek akhir yang telah dikerjakan serta saran-saran mengenai proyek akhir tersebut untuk dilakukan perbaikan dan pengembangan alat yang telah dibuat ini pada masa yang akan datang.
6
BAB II DASAR TEORI 2.1
ENERGI ANGIN
Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia. Perahu-perahu layar menggunakan energi ini untuk melewati perairan sudah lama sekali. Dan sebagaimana diketahui, pada asasnya angin terjadi karena ada perubahan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di tiap daerah keadaan suhu dan kecepatan angin berbeda. Untuk mengurangi keterbatasan penggunaan energi yang tak terbaharukan dalam pembangkitan energi listrik khususnya maka diperlukan energi-energi alternatif lain sebagai penggantinya. Dalam rangka mencari bentuk-bentuk sumber energi alternatif yang bersih dan terbarukan kembali energi angin mendapat perhatian yang besar. Seperti yang telah dijelaskan, Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari. Karena bergerak angin memiliki energi kinetik. Energi angin dapat dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Oleh karena itu, kincir atau turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA). 2.1.1
DAYA ENERGI ANGIN
Energi yang dimiliki oleh angin dapat didapat dari persamaan :
W=
3 1 ρA v 2
Dimana : W = Energi angin (Watt) ρ = Kerapatan udara (Kg/m3) A = Area penangkapan angin (m2) v = Kecepatan angin (m/s)
7
Persamaan diatas merupakan sebuah persamaan untuk kecepatan angin pada turbine yang ideal, dimana dianggap energi angin dapat diekstract seluruhnya menjadi energi listrik. namun kenyataannya tidak seperti itu. Jadi terdapat faktor efisiensi dari mekanik turbine angin dan efisiensi dari generator sendiri. Sehingga daya yang dapat diekstrak menjadi energi angin dapat diketahui dari persamaan berikut: 3 1 Wwt = η wt ρA v 2 Dimana : η wt = Efisiensi kincir angin (%) 2.1.2
TURBIN ANGIN
Untuk mendesain sebuah kincir angin, ada banyak hal yang harus diperhatikan. Hal pertama yang harus dipertimbangkan yaitu berapa besar daya yang kita butuhkan, kemudian kecepatan angin, setelah itu yang tidak kalah penting yaitu berapa jumlah blade yang harus digunakan, dan masih banyak hal teknis lainnya. Hal pertama yang diperhatikan dalam desain kincir angin yaitu TSR (Tip Speed Ratio) atau perbandingan kecepatan di tip kincir angin (ujung) dan kecepatan angin yang didapat oleh kincir. Menghitung TSR (λ) dapat menggunakan persamaan : ωR Rotor λ= v Dimana : ω = Rotasi putaran kincir angin (Rad/s) RRotor = Radius rotor kincir angin (m) Torsi dari sebuah menggunakan persamaan: TORQUE =
kincir
angin
dapat
dihitung
V2R 3 λ2
TSR mempengaruhi kecepatan putaran kincir (rpm). Hubungan TSR dengan kecepatan yaitu :
8
Shaft speed = 60λv/(πD) rpm Dimana : D = Diameter rotor (m) Diameter suatu rotor kincir angin dapat pula diperoleh melalui sebuah perhitungan. Persamaan untuk menghitung Diameter suatu rotor kincir angin yaitu : D = (Power x (47λ x RPM)^3)^0.2 Dimana : Power = Daya output generator (watt) RPM = Kecepatan putar generator (rpm) Untuk menentukan jumlah blade yang digunakan, dapat digunakan persamaan : B=
80 λ2
Setelah menentukan diameter dan jumlah blade untuk kincir angin menentukan sudut blade (β). Perhatikan gambar berikut ini.
Gambar 2.1: Radius kincir angin dan sudut
9
φ pada kincir angin.
Persamaan untuk menghitung sudut blade (β ) yaitu : β = ATAN(2R / 3rλ ) − φ
Pada sebuah blade ada gaya angkat (Lift) dan daya dorong (Drag). Untuk tipe kincir angin yang horizontal harus dibuat agar gaya Lift lebih besar dari gaya Drag. Gaya inilah yang menyebabkan proses perputaran kincir. Lift = C L (ρ / 2)AVa 2 dan Drag = C D (ρ / 2)AVa 2
Gambar 2.2: Arah gaya pada sebuah blade.
Gambar 2.3: Kurva perbandingan TSR dan Blade angle.
Setelah menentukan β selanjutnya menentukan blade lebar kincir angin (chord width). Persamaan untuk mencari chord width (C) pada kincir angin horizontal yaitu :
10
C=
16πR (R / r ) 9λ2 B
Perencanaan untuk kincir angin memang membutuhkan sebuah perhitungan yang rumit, mulai dari perkiraan TSR sampai dengan lebar blade yang digunakan harus sesuai dengan perhitungan agar daya output sesuai dengan perencanaan semula. 2.1.3
JENIS TURBIN ANGIN
Turbin angin dibagi menjadi dua kelompok utama berdasarkan arah sumbu: 1. Horizontal. Turbin angin dengan sumbu horizontal mempunyai sudu yang berputar dalam bidang vertikal seperti halnya propeler pesawat terbang. Gambar 2.1 memperlihatkan berbagai jenis turbin angin horizontal. Turbin angin biasanya mempunyai sudu dengan bentuk irisan melintang khusus di mana aliran udara pada salah satu sisinya dapat bergerak lebih cepat dari aliran udara di sisi yang lain ketika angin melewatinya. Fenomena ini menimbulkan daerah tekanan rendah pada belakang sudu dan daerah tekanan tinggi di depan sudu. Perbedaan tekanan ini membentuk gaya yang menyebabkan sudu berputar. 2. Vertikal. Turbin angin dengan sumbu vertikal bekerja dengan prinsip yang sama seperti halnya kelompok horizontal. Namun, sudunya berputar dalam bidang yang paralel dengan tanah, seperti mixer kocokan telur.
11
Gambar 2.4 : Berbagai jenis turbin angin.
12
Gambar 2.5 : Torsi rotor untuk berbagai jenis turbin angin.
Jika dikaitkan dengan sumber daya angin, turbin angin dengan jumlah sudu banyak lebih cocok digunakan pada daerah dengan potensi energi angin yang rendah karena rated wind speed-nya tercapai pada putaran rotor dan kecepatan angin yang tidak terlalu tinggi. Sedangkan turbin angin dengan sudu sedikit (untuk pembangkitan listrik) tidak akan beroperasi secara effisien pada daerah dengan kecepatan angin rata-rata kurang dari 4 m/s. Dengan demikian daerah-daerah dengan potensi energi angin rendah, yaitu kecepatan angin rata-rata kurang dari 4 m/s, lebih cocok untuk dikembangkan turbin angin keperluan mekanikal. Jenis turbin angin yang cocok untuk keperluan ini antara lain american tipe multi blade, cretan sail dan savonius. 2.1.4
PEMILIHAN TEMPAT
Secara umum tempat-tempat pemasangan turbin angin antara lain:
13
yang
baik
untuk
1. 2. 3.
Celah di antara gunung. Tempat ini dapat berfungsi sebagai nozzle, yang mempercepat aliran angin. Dataran terbuka. Karena tidak ada penghalang yang dapat memperlambat angin, dataran terbuka yang sangat luas memiliki potensi energi angin yang besar. Pesisir pantai. Perbedaan suhu udara di laut dan di daratan menyebabkan angin bertiup secara terus menerus.
Walau pada dasarnya turbin angin dapat dipasang di mana saja di tempat-tempat tersebut di atas, pengkajian potensi angin tetap harus dilakukan untuk mendapatkan suatu sistem konversi energi angin yang tepat. Pengkajian potensi energi angin di suatu tempat dilakukan dengan mengukur dan menganalisis kecepatan dan arah angin. Analisis data angin dilakukan dengan menggunakan metoda statistik untuk mencari kecepatan angin rata-rata, durasi kecepatan angin dan distribusi frekwensi data angin. Jika informasi mengenai arah angin juga tersedia, analisis dengan menggunakan metoda wind rose dapat dilakukan untuk mengetahui kecepatan rata-rata, frekwensi dan energi angin di setiap arah mata angin. Pada prakteknya, penentuan tempat pemasangan sistem konversi energi angin dapat ditentukan dengan cara: 1. Pilih Tempat. Tempat ditentukan sesuai kebutuhan, kemudian potensi energi angin dikaji dari data yang didapat. Cara ini mempertimbangkan: a. aksesibilitas baik untuk pekerjaan konstruksi maupun perawatan, b. kondisi sosial budaya setempat, c. kepentingan lain 2. Pilih Potensi. Pemilihan tempat berdasarkan besarnya potensi energi angin yang tersedia. Semakin besar kecepatan angin rata-rata di suatu tempat akan semakin baik. Semakin tinggi potensi energi yang tersedia akan memberikan keuntungan berupa ukuran sistem konversi energi angin yang semakin kecil dan tidak perlu terlalu efisien sehingga pembuatannya akan lebih mudah dan murah.
14
Hal-hal lain yang harus diperhatikan dalam pemasangan sistem konversi energi angin, antara lain: 1. Untuk kegunaan elektrikal jarak tempat pemasangan harus cukup dekat dengan beban pengguna agar tidak ada kerugian yang berlebih. Pengurangan tegangan lebih dari 5% sudah dianggap sangat besar untuk sistem tegangan 12 VDC dan 24 VDC. Jarak lebih dari 300 m harus dihindari kecuali jika digunakan tegangan tinggi 220 VAC. 2. Tempat pemasangan harus dilindungi atau dipagari agar terhindar dari aksi perusakan. Sebaiknya lokasi pemasangan harus dapat dipantau dengan mudah dari jalan atau tempat beban pengguna. Tempat-tempat di mana terdapat kecepatan angin yang sangat kencang dan dapat merusak pada waktu-waktu tertentu tidak direkomendasikan. 3. Aliran angin di dekat permukaan bumi akan semakin mengecil dan mencapai harga nol di permukaan tanah. Profil kecepatan angin ini disebut dengan lapisan batas atmosfir. Permukaan bumi memiliki tingkat kekasaran yang berbedabeda. Semakin kasar permukaan bumi akan semakin tebal lapisan batas atmosfir. Dengan semakin besarnya lapisan batas atmosfer maka kecepatan angin pada ketinggian tertentu akan semakin kecil. Dengan demikian tempat pemasangan harus diarahkan pada tempat dengan tingkat kekasaran yang rendah seperti daerah lepas pantai, daerah pantai, padang rumput, dan tempat-tempat dengan tumbuh-tumbuhan dan bangunan yang tidak terlalu tinggi. 4. Turbin angin yang digunakan untuk keperluan pengisian batere biasanya ditempatkan di perahu, bangunan atau rumah. Lokasi pemasangan harus diperhatikan agar aliran yang datang pada sistem konversi energi angin ini tidak turbulen atau tidak berbalik arah di bagian belakang. Untuk hal ini
15
ada aturan atau konvensi bahwa turbin angin harus lebih tinggi sekitar 10 m dari pohon atau bangunan tertinggi di tempat tersebut. Lokasi pemasangan juga setidaknya harus berjarak minimal sekitar 10 kali dari diameter rotor terhadap hambatan atau rintangan terdekat. 2.2
GENERATOR
Generator merupakan sumber utama energi listrik yang dipakai sekarang ini dan merupakan converter terbesar di dunia. Pada prinsipnya tegangan yang dihasilkan generator bersifat bolak-balik, sedangkan generator yang menghasilkan tegangan searah karena telah mengalami proses penyearahan. Generator adalah suatu mesin yang menggunakan magnet untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Prinsip generator secara sederhana dapat dikatakan bahwa tegangan diinduksikan pada konduktor apabila konduktor tersebut bergerak pada medan magnet sehingga memotong garisgaris gaya2. Hukum tangan kanan Fleming berlaku pada generator dimana menyebutkan bahwa terdapat hubungan antara penghantar bergerak, arah medan magnet dan arah resultan dari aliran arus yang terinduksi. Apabila ibu jari menunjukkan arah gerakan penghantar, telunjuk menunjukkan arah fluks, jari tengah menunjukkan arah aliran elektron yang terinduksi.
Gambar 2.6: Kaidah tangan kanan Fleming.
Hukum ini juga berlaku apabila magnet sebagai pengganti penghantar yang digerakkan. Jumlah tegangan yang diinduksikan pada penghantar saat penghantar bergerak pada medan magnet tergantung pada :
16
1. Kekuatan medan magnet, makin kuat medan magnet makin besar tegangan yang diinduksikan. 2. Kecepatan penghantar dalam memotong fluks, makin cepat maka semakin besar tegangan yang diinduksikan. 3. Sudut perpotongan, pada sudut 90 derajat tegangan induksi maksimum dan tegangan kurang bila kurang dari 90 derajat. 4. Panjang penghantar pada medan magnet. Terdapat dua jenis konstruksi dari generator (AC), jenis medan diam atau medan magnet dan medan magnet dibuat berputar. Pada medan magnet diam secara umum kapasitas ampere relatif kecil dan ukuran tegangan kerja rendah, jenis ini mirip dengan generator DC kecuali terdapat slips ring sebagai alat untuk pengganti komutator. Sedangkan pada generator jenis medan magnet berputar dapat menyederhanakan masalah pengisolasian tegangan yang dibangkitkan secara umum sebesar 18.000 volt sampai 24.000 volt, generator medan berputar mempunyai jangkar diam yang disebut stator. Siklus tegangan yang dibangkitkan tergantung pada jumlah kutub yang digunakan pada magnet, pada generator yang menggunakan dua kutub dapat membangkitkan satu siklus tegangan sedangkan pada generator dengan empat kutub dapat menghasilkan dua siklus tegangan. Sehingga terdapat perbedaan antara derajat mekanis dan derajat listrik. Derajat mekanik adalah apabila kumparan atau penghantar jangkar berputar satu kali penuh atau 360 derajat mekanis sedangkan derajat listrik adalah jika GGL atau arus bolak-balik melewati satu siklus berarti telah melewati 360 derajat waktu. 2.3
BATTERY CHARGER
Pengertian dari battery charger adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengisi battery dengan arus konstan hingga mencapai tegangan yang ditentukan. Bila level tegangan yang ditentukan itu telah tercapai, maka arus pengisian akan turun secara otomatis ke level aman tepatnya yang telah ditentukan dan menahan arus pengisian hingga menjadi lebih lambat sehingga indikator menyala menandakan battery telah terisi penuh.
17
2.4
METODE CHARGE DISCHARGE
Battery (Accumulator) merupakan salah satu media penyimpan energi yang biasa digunakan pada kendaaran bermotor untuk menyalakan lampu dan sebagainya. Dalam proyek akhir ini, accumulator digunakan untuk menyimpan energi listrik yang berasal dari pembangkit listrik tenaga angin. Penelitian atau percobaan tentang charge/discharge telah menghasilkan banyak sekali metode yaitu antara lain : a. Proses charge discharge dengan arus konstan. Proses charge dan proses discharge dengan arus konstan yang ditunjukkan pada gambar 2.7-a dan gambar 2.7-b dapat diambil kesimpulan bahwa, proses charge discharge akan berakhir ketika waktu yang telah diset terlampaui atau apabila kapasitas accumulator yang ditentukan telah terpenuhi.
Gambar 2.7 -a : Proses charge dengan arus konstan.
Gambar 2.7 -b : Proses discharge dengan arus konstan.
b.
Proses charge discharge dengan daya konstan. Proses charge dengan daya konstan yang ditunjukkan pada gambar 2.8-a dilakukan ketika tegangan naik dan arus turun, proses ini berakhir 18
ketika set time terpenuhi atau tegangan pada battery terpenuhi. Sedangkan proses discharge dengan daya konstan yang ditunjukkan pada gambar 2.8-b dilakukan ketika tegangan battery turun dan arus naik dan discharge berakhir saat set time terlampaui atau tegangan beban terpenuhi.
Gambar 2.8 -a : Proses charge dengan daya konstan.
Gambar 2.8 -b : Proses discharge dengan daya konstan.
c.
Gambar 2.9 menunjukkan proses charge dengan arus konstan ketika tegangan terminal lebih rendah dari pada tegangan charge.
Gambar 2.9 : Proses charge dengan arus konstan/tegangan konstan.
19
d.
Gambar 2.10 menunjukkan proses discharge dengan resistansi konstan ketika tegangan battery turun dan arus juga turun.
Gambar 2.10 : Proses discharge dengan resistansi konstan.
Untuk mengetahui waktu dalam proses pengisian accumulator, dapat menggunakan perhitungan pada persamaan (2.4.1) dan persamaan (2.4.2) : Lama pengisian arus :
Ta =
Ah ...........................................................(2.4.1) A
Keterangan : Ta = Lamanya pengisian arus (jam) Ah = Besarnya kapasitas accumulator (Ampere hours) A = Besarnya arus pengisian ke accumulator (Ampere) Lama pengisian daya :
Td =
dayaAh ..................................................(2.4.2) dayaA
Keterangan : Td = Lamanya pengisian daya (jam) Daya Ah = Besarnya daya yang didapat dari perkalian Ah dengan besar tegangan accumulator (Watt hours) Daya A = Besarnya daya yang didapat dari perkalian A dengan besar tegangan accumulator (Watt)
20
2.5
ACCUMULATOR
Accumulator atau sering disebut accu (=aki) adalah salah satu komponen utama dalam kendaraan bermotor, baik mobil atau motor, semua memerlukan aki untuk dapat menghidupkan mesin kendaraan (mencatu arus pada dinamo stater kendaraan). Aki mampu mengubah tenaga kimia menjadi energi listrik. Dikenal dua jenis elemen yang merupakan sumber arus searah (DC) dari proses kimiaiwi, yaitu elemen primer dan elemen sekunder. Elemen primer terdiri dari elemen basah dan elemen kering. Reaksi kimia pada elemen primer menyebabkan elektron mengalir dari elektroda negatif (katoda) ke elektroda positif (anoda) tidak dapat dibalik arahnya. Maka jika muatannya habis, maka elemen primer tidak dapat dimuati kembali dan memerlukan penggantian bahan pereaksi (elemen kering). Sehingga dilihat dari sisi ekonomis elemen primer dapat dikatakan cukup boros, contoh elemen primer adalah batu baterai (dry cells). Elemen sekunder dalam pemakaiannya harus diberi muatan terlebih dahulu sebelum digunakan, yaitu dengan cara mengalirkan arus listrik (secara umum dikenal dengan istilah ’dicharge’). Akan tetapi, tidak seperti elemen primer, elemen sekunder dapat dimuati kembali berulang kali. Elemen sekunder ini lebih dikenal dengan aki. Dalam sebuah aki berlangsung proses elektrokimia yang reversibel (bolak-balik) dengan efisiensi yang tinggi. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversibel yaitu di dalam aki saat dipakai berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (discharging). Sedangkan saat diisi atau dimuati, terjadi proses tenaga listrik menjadi tenaga kimia (charging).
21
Halaman ini sengaja dikosongkan
22
BAB III PERENCANAAN DAN PERANCANGAN SISTEM 3.1
KONFIGURASI SISTEM
Blok diagram secara keseluruhan dari sistem ditunjukkan pada gambar 3.1. Kincir angin dikopel dengan generator dan akan berputar karena aliran angin sehingga generator juga akan berputar dan menghasilkan tegangan. Sebelum tegangan keluaran dari generator digunakan untuk mencharge battery terlebih dahulu dikontrol didalam charge/discharge controller.
Gambar 3.1 : Blok diagram sistem pengisian battery pada pembangkit listrik tenaga angin.
Proyek akhir ini memanfaatkan putaran kincir angin untuk menggerakkan sebuah generator DC dengan output maksimal 24V. Tegangan output dari generator dimasukkan kedalam sebuah rangkaian bridge rectifier untuk mencegah adanya perubahan polaritas tegangan, kemudian dimasukkan pada sebuah rangkaian kontroler yang khusus digunakan untuk mencharge accu/baterai. Lama pengisian accu bergantung dari besarnya arus output dari kontoler dan kondisi angin yang ada. Bila kecepatan angin semakin besar maka output dari kontroler akan semakin besar sampai batas nominalnya yaitu 12VDC. Accu yang digunakan adalah accu 12V. Tegangan output dari pembangkit listrik ini hanya digunakan untuk melakukan isi ulang terhadap accu mobil listrik. Berdasarkan gambar 3.1 perencanaan dan pembuatan perangkat untuk proyek akhir ini meliputi: 1. Perencanaan dan pembuatan kincir angin. 2. Perencanaan penggunaan kontroler untuk charger accu.
23
3.2
PERENCANAAN DAN PERANCANGAN KINCIR ANGIN
Proyek akhir ini akan menjelaskan perbedaan antara pembangkit listrik yang terintegrasi dengan mobil listrik dan pembangkit listrik yang dibangun diluar dari mobil listrik itu sendiri. Berikut akan dijelaskan perencanaan dan perancangan dari masing-masing pembangkit listrik. 3.2.1
KINCIR ANGIN PADA MOBIL LISTRIK
Integrasi pembangkit listrik dengan mobil listrik dipasang pada mobil listrik, dengan pertimbangan bahwa dengan memasang kincir pada kendaraan, maka aliran angin yang dihasilkan pada saat mobil melaju akan memutar kincir. Harapannya dengan kondisi angin seperti apapun, aliran angin akan menyebabkan angin memutar kincir dan menghasilkan aliran listrik yang dihasilkan oleh generator. Dalam perencanaannya generator dipasang pada sisi depan mobil listrik seperti pada ilustrasi gambar 3.2, penempatan kincir pada sisi depan karena merupakan sisi yang melawan arah aliran angin dan dapat menerima angin secara maksimal. Rencana penempatan kincir digambarkan seperti ilustrasi dibawah ini:
Gambar 3.2 : Rencana penempatan kincir angin pada mobil listrik.
3.2.2
PERENCANAAN KINCIR ANGIN
Kincir angin adalah alat bantu yang digunakan untuk menggerakkan generator dan membangkitkan tenaga listrik. Kincir angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi
24
kebutuhana para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dan lain-lain. Kincir angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Kincir angin dalam sistem ini berfungsi sebagai penggerak mula dari generator. Dalam proyek akhir ini saya menggunakan kincir angin dengan bentuk blade seperti ditunjukkan pada gambar 3.3.
Gambar 3.3: Perencanaan kincir angin.
Kincir angin dibuat dari bahan serat (fiber) kemudian dicetak kedalam cetakan sehingga terbentuk sesuai dengan perencanaan. Panjang blade juga harus sesuai, jika besar blade yang dipakai terlalu kecil dipasang pada generator besar tidak akan bisa berputar cepat untuk mendapatkan tenaga yang tepat. Perencanaan kincir angin harus disesuaikan untuk keperluan apa kincir tersebut digunakan. Dari data yang saya
25
peroleh (tabel 3.1), kita dapat menentukan berapa jumlah blade yang harus digunakan. Tabel 3.1: Tipe kincir angin dan kegunaannya
Sesuai dengan data pada tabel 3.1, untuk membuat kincir angin yang akan digunakan untuk memproduksi tegangan listrik harus digunakan kincir angin dengan 3 blade (Sudu). Kincir angin dengan menggunakan 3 blade akan menghasilkan kecepatan tinggi dengan torsi rendah dan mempunyai solidity 2 yang rendah, dan khusus digunakan untuk menghasilkan tegangan listrik. Proyek akhir ini memiliki perencanaan seperti ditunjukkan pada gambar 3.4. Komponen pendukung kincir angin dalam sistem ini dirancang dengan menggunakan beberapa komponen sebagai berikut: 1. Sudu atau daun (Blade) Berfungsi sebagai penangkap angin. Sudu ini berjumlah 3 buah. Dari ketiga sudu ini mempunyai panjang, lebar yang sama. 2. Pillow Block Berfungsi untuk tempat dudukan dari poros kincir, yang dilengkapi dengan bearing. 3. Poros Berfungsi sebagai tempat menempelnya sudu (Blade). Poros yang digunakan mempunyai diameter 20 cm dan lebar ±5 cm. 4. Roda Gigi (Gear) Berfungsi sebagai pengait kincir angin dengan generator.
2 Solidity is the percentage of rotor that is not air. “http://www.personal.psu.edu/ jms5037/windmillpp.ppt”
26
Gambar 3.4: Konstruksi dan komponen pendukung kincir angin.
3.3
PERENCANAAN GENERATOR
Generator yang dipakai dalam proyek akhir ini memiliki spesifikasi yaitu generator DC dengan magnet permanen dengan tegangan keluaran maksimum 24 v. 3.3.1
PERENCANAAN GENERATOR UNTUK MOBIL LISTRIK
Generator yang akan ditempatkan pada mobil listrik memiliki rancangan seperti gambar 3.5. Untuk mendapatkan putaran tinggi saya gunakan gearbox dengan perbandingan gigi 1:3.
Gambar 3.5: Perbandingan gigi dan bentuk kincir angin untuk mobil listrik.
27
3.4
PERANCANGAN GEAR RATIO
Roda gigi dalam sistem ini selain berfungsi sebagai pengait antara kincir angin dengan generator, gear juga merupakan penggerak mula dari generator dan roda gigi ini berfungsi untuk mengatur torsi. Penggunaan roda gigi untuk kincir angin dipilih ukuran yang lebih besar daripada roda gigi pada generator dengan perbandingan 3:1. perbandingan roda gigi ini dimaksudkan agar torsi yang dihasilkan kincir lebih besar daripada torsi generator sehingga putaran generator menjadi lebih cepat.
Gambar 3.6: Perbandingan gear (Gear Ratio).
Menentukan jumlah perbandingan gear dalam suatu keperluan mekanik, dapat menggunakan persamaan sebagai berikut:
ω1 / ω2 = θ1 / θ2
Dimana:
ω1 = Kecepatan gear 1 (rpm) ω2 = Kecepatan gear 2 (rpm) θ1 = Ratio gear 1 θ2 = Ratio gear 2
Dengan menggunakan perbandingan gear, suatu pembangkit listrik tenaga angin akan memberikan hasil sesuai dengan kebutuhan. Sehingga dengan kecepatan angin yang ada dapat ditentukan gear ratio yang tepat.
28
3.5
PERANCANAAN DAN PERANCANGAN BATTERY CHARGER
3.5.1
BRIDGE RECTIFIER
Untuk mengantisipasi adanya tegangan bolak-balik dari output tegangan generator maka perlu diberikan suatu penyearah tegangan. Disini saya menggunakan rangkaian bridge rectifier. Jika generator yang kita gunakan merupakan genererator AC (Alternator) maka harus menggunakan suatu rangkaian penyearah sebelum masuk ke rangkaian kontrol battery charger. Namun kali ini meskipun saya menggunakan generator DC saya tetap menggunakan rangkaian rectifier untuk mengantisipasi tegangan bolak-balik seperti yang telah disebutkan diawal. Rangkaian bridge rectifier dalam proyek akhir ini dapat dilihat pada gambar 3.7 berikut ini:
Gambar 3.7: Rangkaian Bridge Rectifier.
3.5.2
KONTROL BATTERY CHARGER
Kontrol yang digunakan untuk rangkaian charger disebut Apple 5, sebuah rangkaian yang khusus digunakan untuk charger battery dengan output 5A. Prinsip kerja rangkaian ini yaitu sebelum output tegangan dari generator digunakan untuk charger battery, tegangan output tersebut dimasukkan terlebih dahulu pada rangkaian battery charger agar arus yang digunakan untuk charger battery bisa konstan. Kontrol charger ini selain berfungsi untuk mengatur kestabilan dari arus pengisian accu, juga untuk mematikan arus pengisian jika accu telah penuh.
29
Apple 5 ditunjukkan pada gambar 3.8 seperti yang terlihat dibawah ini:
Gambar 3.8: Apple 5 battery charger.
3.5.3
PERENCANAAN ACCUMULATOR
Accumulator yang digunakan dalam proyek akhir ini adalah accu 12v-5Ah. Saya menggunakan accu dengan Ah yang kecil dengan pertimbangan bahwa tegangan yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga angin tidak terus menerus, karena ada kalanya angin bertiup sangat kencang dan adakalanya angin hanya bertiup sepoi-sepoi sehingga generator tidak menghasilkan tegangan. Accu yang saya gunakan dapat dilihat pada gambar 3.9 seperti yang terlihat berikut ini:
Gambar 3.9: Accu 12v-5Ah.
30
BAB IV PENGUJIAN DAN HASIL 4.1
PENGUJIAN KECEPATAN ANGIN
Setiap waktu angin memiliki kecepatan yang selalu berubah-ubah, oleh karenanya perlu dilakukan pengambilan data kecepatan angin secara berulang-ulang. Setelah itu dilakukan perhitungan kecepatan angin rata-rata, agar didapatkan kecepatan angin secara tepat. Untuk pengambilan data kecepatan angin, saya tidak menggunakan alat khusus untuk menghitung kecepatan angin (anemometer). Tapi saya menggunakan suatu alat sederhana dengan berdasaran pada konsep kecepatan, yaitu jarak yang ditempuh per satuan waktu. Jadi saya menggunakan suatu pipa plastik 1 meter yang bening kemudian saya menaruh sebuah foam kedalam pipa tersebut. Setelah itu saya catat waktu tempuh foam itu. Pengambilan data dilakukan berulang-ulang untuk mendapatkan kecepatan angin rata-rata. Tabel 4.1: Data kecepatan angin Waktu Kecepatan 2.89 0.346 3.03 0.330 1.19 0.840 4.22 0.237 2 0.500 5.11 0.196 3.19 0.313 3.89 0.257 5.59 0.179 3.36 0.298 Rata-rata 0.350 m/s 1.260 km/jam
31
4.2
DATA KINCIR ANGIN
Dari kincir angin yang digunakan dalam proyek akhir ini memiliki data- data sebagai berikut: Tabel 4.2: Data Kincir angin Daya Ideal TSR Torsi (Nm) (watt) 5 0,001938 0,019294
Blade angle (°) 5
Membandingkan data dengan kincir angin yang menghasilkan output tegangan generator yang lebih besar dari pengujian sebelumnya, yaitu sebesar 13,94 volt. Data dari kincir angin yang digunakan ditunjukkan pada tabel 4.3 berikut ini: Tabel 4.3: Data Kincir angin dengan 2 blade RRotor (m) TSR Torsi (Nm) Gear Ratio 1 6 0,003403 5:1 Dari data kincir angin tersebut, dapat menjelaskan bahwa ada beberapa hal yang menjadikan kincir angin 2 blade itu dapat memberikan output tegangan generator lebih besar. Perbedaan-perbedaan itu antara lain: 1. Radius (jari-jari) kincir angin lebih besar, memberikan area yang ditangkap oleh kincir lebih besar. Sehingga daya yang didapat menjadi lebih besar. 2. Gear ratio yang digunakan lebih besar, memungkinkan untuk mendapat putaran yang lebih cepat dengan kecepatan angin yang sama. 3. Torsi dari kincir angin lebih besar, sehingga start awal kincir angin menjadi lebih besar dan mampu memberikan momen yang besar untuk memutar generator. 4.3
PENGUJIAN GENERATOR
Pengujian tegangan output dari generator memiliki data sebagai berikut:
32
Tabel 4.4: Tegangan output generator Tegangan (v) Putaran (rpm) 1.39 61 4.7 180 8.02 269 9.31 282 11.37 329 12.26 360 13.9 402 15.47 460 16.1 516 17.19 553 Selanjutnya dilakukan proses pengujian generator dengan memberikan beban pada generator. Besarnya hambatan berpengaruh terhadap besarnya putaran generator. Tabel 4.5 menampilkan hasil pengujian generator untuk beban yang berbeda. Tabel 4.5: Pengujian generator dengan beban berbeda Putaran (rpm) Tegangan (v) Arus (A) R=1.7k R=4.7k R=1.7k R=4.7k 488 16.16 0.01 422 13.91 0.009 345 11.4 0.008 300 9.61 0.007 266 8.64 0.006 240 551 7.06 18.39 0.005 197 471 5.52 15.57 0.004 120 336 4.18 11.08 0.003 92 257 3.01 8.54 0.002 58 180 1.23 4.76 0.001 Pengujian generator menggunakan ditunjukkan pada tabel 4.6 berikut ini:
33
kincir
angin
Tabel 4.6: Hasil pengujian kincir dan generator Tegangan (v) Waktu pengambilan (wib) 7 11.20 4 12.50 5 13.20 8 16.10 Dari data tersebut diatas, tegangan output dari generator tidak dapat mengisi ulang accu. Hal ini disebabkan karena kincir angina memiliki area penerimaan angin yang kurang lebar dengan kecepatan angin yang ada. 4.4
PENGUJIAN PENGISIAN ACCU
Karena desain kincir angin yang tidak sesuai, maka data pengisian Accu dilakukan simulasi dengan cara mengkopel motor DC dengan generator. Kemudian data yang dihasilkan ditampilkan pada tabel 4.7 berikut ini. Tabel 4.7: Hasil pengujian pengisian Accu Tegangan Arus Putaran Tegangan Generator (v) (Amp) (rpm) Accu (v) 10.56 0.01 310 8.96 11.57 0.019 345 9.91
Waktu (Jam) 1:04:55 2:45:20
Dari kondisi awal accu mempunyai tegangan 8.55 Volt. Setelah melakukan pengisian selama ± 1 jam tegangan di accu menjadi 8.96 Volt. Dalam simulasi ini power supply untuk motor DC hanya dapat memutar generator sampai 345 rpm, tidak dapat lebih dari itu. Perbandingan gear yang saya gunakan 1:3. 4.5
PENGUJIAN GENERATOR DENGAN KENDARAAN
Proyek akhir ini juga melakukan pengujian dengan memasang kincir angin pada generator kemudian dibawa berjalan dengan sepeda motor untuk mensimulasikan pembangkit listrik pada mobil listrik. Hasil pengujian dengan menerapkan sistem pembangkit pada mobil listrik dapat dilihat pada tabel 4.8. Pada pengujian ini kendaraan berjalan berlawanan dengan arah angin.
34
Pertimbangannya karena dengan berjalan berlawanan dengan arah angin maka kincir dapat berputar dengan optimal. Tabel 4.8: Hasil pengujian pembangkit listrik pada mobil listrik Kecepatan Arus pengisian (A) (Km/jam) 30 0.15 30 0.3 40 0.24 Dari data diatas, diukur kondisi awal accu mempunyai tegangan 8.63 Volt. Kemudian setelah pengujian dan dengan arus pengisian seperti tabel diatas, dihasilkan tegangan pada accu menjadi 8.87 Volt. Pengujian saat berjalan searah dengan arah angin, membutuhkan kecepatan yang tinggi yaitu lebih dari 40 Km/jam. Tidak efisien jika berjalan searah dengan arah angin, akan membutuhkan energi yang besar sekali.
35
Halaman ini sengaja dikosongkan
36
BAB V PENUTUP 5.1 KESIMPULAN Setelah melalui proses perencanaan dan pembuatan alat yang dilanjutkan dengan pengujian alat, maka pada proyek akhir ini dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Proyek akhir ini dinyatakan tidak berhasil. Karena desain blade yang digunakan pada proyek akhir ini masih belum sesuai dengan hasil yang diharapkan. Sehingga tegangan keluaran generator tidak mencapai tegangan yang cukup untuk mencharger accu. 2. Kincir angin dengan 3 blade yang digunakan dalam proyek akhir ini memiliki torsi sebesar 0,001938 Nm dan tegangan keluaran generator sebesar 8 volt dan putaran generator 269 rpm. Sedangkan kincir angin 2 blade yang telah digunakan pada proyek akhir sebelumnya memiliki torsi sebesar 0,003403 Nm dan tegangan keluaran generator sampai 13.94 volt. 3. Dengan simulasi didapatkan untuk arus 0.019 Amp dibutuhkan putaran sebesar 345 rpm dan dapat melakukan isi ulang accu dari 8.96 – 9.91 Volt selama ±2Jam 45Menit. 4. Penerapan pembangkit listrik pada mobil listrik tidak dapat diterapkan pada mobil listrik karena kecilnya arus pengisian, dibandingkan dengan besar tegangan yang digunakan untuk daya mobil listrik. 5.2 SARAN Agar dapat dikembangkan pada waktu-waktu selanjutnya, penulis memberikan saran-saran sebagai berikut: 1. Untuk mendesain suatu pembangkit listrik tenaga angin, harus diperhitungkan desain blade yang sesuai dengan kecepatan angin didaerah tersebut dan daya yang ingin dihasilkan. 2. Penggunaan kincir angin dengan diameter besar sangat dianjurkan untuk membuat pembangkit listrik tenaga angin jika ingin digunakan untuk mencharger accu.
37
3. Tegangan pengisian accu dari pembangkit idealnya harus konstan, dan tidak dianjurkan melakukan pengisian accu menggunakan tegangan yang terlalu besar untuk menjaga masa pemakaian accu. 4. Untuk kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi (IPTEK), pembangkitan energi listrik pada mobil listrik dapat digunakan menjadi salah satu alternatif untuk membantu mengurangi pemakaian energi yang semakin bertambah.
38
DAFTAR PUSTAKA [1] Amrullah, F. 2007. Rancang bangun sistem pengisian baterry charger pada pembangkit listrik tenaga angin. Tugas Akhir. Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. Surabaya [2] E.W Golding, “Windmills for Water Lifting and the Generation of Electricity on the Farm,” FAO Internal Working Bulletin No.17. [3] Kadir A. 1987. Energi Angin. Dalam: Energi. UI-Pres. 243257 [4] NITTETSU ELEX CO., LTD.,NS Cycle Tester (Accumulator Charge and Discharge Test System), Japan. [5] United Nations Environment Programme. 2006. Energy Efficiency Guide for Industry in Asia. www.energyefficiencyasia.org /docs /ee_modules/indo/ Chapter Electric motors (Bahasa Indonesia).pdf [6] www.mst.gadjahmada.edu/dl/Kincir_Angin.pdf [7] www.otherpower.com [8] www.personal.psu.edu/jms5037/windmillpp.ppt [9] www.windmission.dk/workshop/books.html [10] Yusuf, A. 2007. Pemanfaatan kincir angin pada ladang garam sebagai alternatif pembangkit sumber energi listrik berbasis PID kontroller. Program Kreatifitas Mahasiswa. Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. Surabaya
39
Halaman ini sengaja dikosongkan.
40
PROFIL PENULIS Penulis lahir dipasuruan 22 tahun yang lalu, dibesarkan dikeluarga yang sederhana. Memulai pendidikan di SD Negeri 2 Gajahrejo pada tahun 1993, setelah itu melanjutkan pendidikan menengah pertama di SMP Negeri 2 Purwodadi, Penulis kemudian melanjutkan di sekolah kejuruan SMK Negeri 1 Purwosari mengambil jurusan Teknologi Informasi. Kuliah di PENS-ITS jurusan Teknologi Industri diploma 3. Biodata Penulis: Nama : Moh. Saiful Anwar TTL : Pasuruan, 8 Maret 1986 Alamat : Dsn. Watukopo Ds. Gajahrejo RT.001/006 Purwodadi Pasuruan 67163 Hp : 628646153975 Hobi : Travelling, Hiking, Olahraga e-mail :
[email protected] [email protected] Motto : ”Let it flow like the wind ”-- follow your path !
41
