Skripsi PEMANFAATAN TURBIN ANGIN DUA SUDU SEBAGAI PENGGERAK MULA ALTERNATOR PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN
Diajukan dalam rangka menyelesaikan program studi Strata I untuk mencapai gelar Sarjana Pendidikan
Disusun oleh : Nama
: Hery Alamsyah
NIM
: 5301402005
Program Studi
: Strata I Pendidikan Teknik Elektro
Jurusan
: Teknik Elektro
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2007
ABSTRAK Hery Alamsyah, 2007. Pemanfaatan Turbin Angin Dua Sudu Sebagai Penggerak Mula Alternator Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Skripsi S1. Program Studi Pendidikan Teknik Elektro. Fakultas Teknik, Universitas Negeri Semarang. Kata Kunci : Turbin angin, Alternator Krisis energi yang terjadi di abad 21 ini sangat signifikan, dikarenakan exsploitasi sumber daya alam yang sangat berlebihan. Sehingga tidak adanya energi yang akan dipakai lagi untuk anak dan cucu kita. Masa depan sangat suram jika kita tidak memperbaiki mulai saat ini. Untuk itulah, pemanfaatan energi terbarukan harus segera dimanfaatkan seoptimal mungkin untuk mempertahankan keberlangsungan energi, demi kebutuhan manusia dimasa yang akan datang. Fokus penelitian ini adalah memanfaatkan energi yang diperbaharui yaitu energi angin. Dengan pemanfaatan turbin angin dua sudu sebagai penggerak mula alternator pada pembangkit listrik tenaga angin. Manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini adalah bagi mahasiswa dapat memahami kegunaan turbin angin sebagai pembangkit listrik tenaga angin. Bagi dosen, dapat dijadikan media penelitian dengan skala yang lebih besar lagi. Bagi pemerintah, dapat dijadikan masukan referensi untuk pembangkit listrik tenega angin untuk kepentingan masyarakat indonesia. Pemanfaatan energi angin ini, dilakukan beberapa tahap, yaitu: 1) Menentukan besaran sudu 2) Membuat prosedur penelitian 3) Mencari data Angin daerah Gunung Pati 4) Mengaplikasikan alat 5) Mencatat hasi penelitian 6) Evaluasi. Sedangkan metode pengumpulan data dengan cara metode one shot case study dengan pola eksperimen, Penelitian Turbin Angin Dua Sudu ini telah diujicobakan pada Technic Research Club – TIM PIMNAS Malang 2006 Fakultas Teknik Unnes. Adapun penelitian dan pengambilan data dilakukan di Lab.TRC Gedung E2 Fakultas Teknik Unnes. Dari hasil ekperimen yang telah didapatkan, hubungan antara output tegangan dan daya berbanding lurus dengan kecepatan alternator. Berdasarkan pengujian diatas menunjukan ekperimen turbin dua sudu ini terhadap alternator sudah baik dan layak digunakan sebagai referensi penelitian terhadap turbin angin dua sudu. Berdasarkan hasil penelitian, perbaikan dan pengembangan ekperimen ini sangat diperlukan, terutama pada kecepatan angin dan pengaruhnya terhadap putaran alternator yang lebih cepat. Sebaiknya pengujian yang dilakukan didaerah yang memiliki kecepatan angin yang cepat dan konstan perharinya.
MOTTO DAN PERSEMBAHAN Motto : “ Kalian adalah umat terbaik yang dilahirkan untuk manusia, menyuruh kapada yang ma’ruf, mencegah dari yang munkar dan beriman kepada Allah swt.” (QS. Ali Imran : 110) “ The Best of you is the most contributing for people” (HR.Tirmidzi) “ Yesterday is a history, Tomorrow is mistery, Today is a gift, that’s why we call it present” (Proverb)
Persembahan : Allah swt dan Nabi Muhammad saw sebagai bukti cinta hamba terhadap da’wah ini. Ibunda dan Ayahanda, yang telah memberikan cinta dan kasih sayangnya. Kakak-kakaku tercinta Taufik S.Kom, Indra Gunawan S.Kom. SH, dan Maria Ulfa SS. MSc. Nurul Hasanah SH, sebagai penasihat pribadi yang selalu mengingatkan dan memberikan motivasi dalam menyelesaikan skripsi ini. Teman-teman PTE 2002, thanks for everything.
KATA PENGANTAR Setinggi-tinggi pujian hanya bagi Allah swt, Sang pemilik kerajaan langit dan bumi. Sholawat serta salam dihaturkan bagi Rosululloh Muhammad Saw, dan seluruh manusia yang menyerukan kebenaran. Syukur sebagai bukti atas nikmat yang diberikan-Nya, sehingga penyusun diberikan izin dan kemudahan dalam menyelesaikan skripsi dengan judul “Pemanfaatan Turbin Angin Dua Sudu Sebagai Penggerak Mula Alternator Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin” dalam rangka menyelesaikan studi Strata Satu untuk mencapai gelar Sarjana Pendidikan di Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang. Selanjutnya penyusun menghaturkan terima kasih atas bantuan dan peran yang tidak dapat didefinisikan satu persatu pada tahapan penyelesaian skripsi ini, kepada : 1. Prof. Dr. H. Sudijono Sastroatmodjo, M.Si Rektor Universitas Negeri Semarang. 2. Prof. Dr. Soesanto, M.Pd, Dekan Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang. 3. Drs. Djoko Adi Widodo, M.T, Ketua jurusan Teknik Elektro Universitas Negeri Semarang. 4. Drs. Suwadi Pembimbing I yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi ini, terima kasih untuk nasihat, arahan, dan bimbingannya ini. 5. Drs. Agus Suryanto, M.T Pembimbing II yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi ini.
6. Para Naqib dan Murobbi yang telah membinaku menjadi orang yang bermanfaat bagi orang lain. Jazakumullohu Khairon Katsiro. 7. Nuzul Setiawan S.Km My best friends dan teman seperjuangan. 8. Ikhwan dan Akhwat UNNES thanks for everything bersama kalian bikin hidup lebih hidup. 9. Fungsionaris Bem KM Unnes 2006 yang menjadi keluarga dalam perubahan dan pergerakan didunia kampus unnes. 10. KAMMI Komisariat Universitas Negeri Semarang sebagai wadah pergerakanku mencari identitas dalam perjuangan. 11. FUMMADA (Forum Ukhuwah Mahasiswa Muslim Angkatan 2002) perjuangan kita masih sangat panjang. 12. Semua pihak yang tidak bisa disebutkan satu persatu yang telah membantu dan memberikan dorongan dalam penyelesaian skripsi ini. Demikian, semoga skripsi yang telah penulis susun ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan perkembangan skripsi pendidikan.
Semarang, 1 Juli 2007
Penulis
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Energi merupakan bagian penting dalam kehidupan masyarakat karena hampir semua aktivitas manusia selalu membutuhkan energi. Misalnya untuk penerangan, proses industri atau untuk menggerakkan peralatan rumah tangga diperlukan energi listrik, untuk menggerakkan kendaraan baik roda dua maupun empat diperlukan bensin, serta masih banyak peralatan di sekitar kehidupan manusia yang memerlukan energi. Sebagian besar energi yang digunakan di Indonesia berasal dari energi fosil yang berbentuk minyak bumi dan gas bumi. Ketergantungan terhadap bahan bakar fosil setidaknya memiliki tiga ancaman serius, yakni: 1. Menipisnya cadangan minyak bumi. 2. Kenaikan / ketidakstabilan harga akibat laju permintaan yang lebih besar dari produksi minyak. 3. Polusi gas rumah kaca (terutama CO2) akibat pembakaran bahan bakar fosil. Kadar CO2 saat ini disebut sebagai yang tertinggi selama 125 tahun belakangan, efek buruk CO2 terhadap pemanasan global telah disepakati hampir oleh semua kalangan. Hal ini menimbulkan ancaman serius bagi kehidupan makhluk hidup di muka bumi. Oleh karena itu, pengembangan dan implementasi bahan bakar terbarukan yang ramah lingkungan perlu
mendapatkan
perhatian
serius
dari
berbagai
negara.
Pemerintah
sebenarnya telah menyiapkan berbagai peraturan untuk mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar fosil (misalnya: Kebijakan Umum Bidang Energi (KUBE) tahun 1980 dan Keputusan Menteri Pertambangan dan Energi No. 996.K / 43 / MPE / 1999 tentang prioritasi penggunaan bahan bakar terbarukan untuk produksi listrik yang hendak dibeli PLN). Namun sayang sekali, pada tataran implementasi belum terlihat adanya usaha serius dan sistematik untuk menerapkan energi terbarukan guna substitusi bahan bakar fosil. (Yuli Setyo : 2005) Pemanfaatan energi angin sebenarnya bukan barang baru bagi umat manusia. Semenjak 2000 tahun lalu teknologi pemanfaatan sumber daya angin dan air sudah dikenal manusia dalam bentuk kincir angin (wind mills). Selain ramah lingkungan, sumber energi ini juga selalu tersedia setiap waktu dan memiliki masa depan bisnis yang menguntungkan. Kini sebagian besar negara maju di Eropa dan Amerika Serikat telah memanfaatkan sumber energi ini. Pada masa awal perkembangannya, teknologi energi angin lebih banyak dimanfaatkan sebagai sulih tenaga manusia dalam bidang pertanian dan manufaktur, maka kini dengan teknologi dan bahan yang baru, manusia membuat turbin angin untuk membangkitkan energi listrik yang bersih, baik untuk penerangan, sumber panas atau tenaga pembangkit untuk alat-alat rumah tangga. Menurut data dari American Wind Energy Association (AWEA), hingga saat ini telah ada sekitar 20.000 turbin angin diseluruh dunia yang dimanfaatkan untuk
menghasilkan listrik. Kebanyakan turbin semacam itu dioperasikan di lahan khusus yang disebut “ladang angin” (wind farm). Di negara-negara Eropa, pemanfaatan sumber energi yang dapat diperbaharui diperkirakan bakal mencapai 8% dari permintaan energi di tahun 2005. Energi angin menjadi salah satu alternatif yang banyak dipilih dan sekaligus berfungsi mengurangi emisi gas karbondioksida (CO2) yang dihasilkan oleh perangkat sumber energi sebelumnya. Tujuh tahun belakangan ini, kapasitas energi angin terpasang di Eropa melonjak hingga 40% per tahun dan saat ini kapasitas tersebut dapat memenuhi kebutuhan listrik lebih dari 5 juta kepala keluarga. Industri energi tenaga angin diperkirakan bakal memiliki kapasitas 40.000 MW (mega Watt) yang dapat mencukupi kebutuhan listrik untuk 50 juta kepala keluarga pada tahun 2010. Energi angin adalah energi yang relatif bersih dan ramah lingkungan karena tidak menghasilkan karbon dioksida (CO2) atau gas-gas lain yang berperan dalam pemanasan global, sulphur dioksida dan nitrogen oksida (jenis gas yang menyebabkan hujan asam). Energi ini pun tidak menghasilkan limbah yang berbahaya bagi lingkungan ataupun manusia. Meski demikian, harap diingat bahwa sekecil apapun semua bentuk produksi energi selalu memiliki akibat bagi lingkungan. Hanya saja efek turbin angin sangat rendah, bersifat lokal dan mudah dikelola. Di samping itu turbin atau kincir angin memiliki pesona tersendiri dan menjadi atraksi wisata yang menarik, seperti misalnya saja kincir-kincir angin di negeri Belanda. (Nanang Okta : 2006)
B. Permasalahan Permasalahan yang muncul dalam penelitian ini adalah: 1. Bagaimanakah mengaplikasikan turbin angin dua sudu untuk penggerak mula alternator mobil ? 2. Berapakah daya dan tegangan yang dihasilkan oleh alternator mobil ?
C. Pembatasan Masalah Hasil yang dicapai akan optimal jika skripsi ini membatasi permasalahan. Permasalahan yang akan dikaji dalam skripsi ini adalah : 1. Penelitian ini hanya membahas sejauh mana kemampuan turbin untuk menggerakan sebuah alternator mobil. 2. Penelitian ini hanya menghitung daya dan tegangan yang dihasilkan dari jumlah putaran.
D. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah 1. Mengetahui kemampuan turbin angin dua sudu untuk penggerak mula alternator mobil 2. Mengetahui berapa daya dan tegangan yang dihasilkan dari alternator
E. Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini adalah : 1. Bagi Mahasiswa elektro, dapat memahami mengenai kegunaan turbin angin sebagai pembangkit tenaga listrik. 2.
Bagi Dosen, dapat dijadikan sebagai media untuk penelitian dengan skala yang lebih besar lagi.
3. Bagi Pemerintah, dapat dijadikan sebagai masukan referensi untuk pembangkit listrik tenaga angin dan dimanfaatkan untuk kepentingan masyarakat Indonesia.
F. Penegasan Istilah Penegasan istilah bertujuan untuk menghindari salah pengertian dan memperjelas maksud penelitian dengan judul Pemanfaatan Turbin Angin Dua Sudu Sebagai Penggerak Mula Alternator Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin. 1. Turbin Mesin atau motor yang roda penggeraknya berporos dengan sudu (baling-baling) yang digerakan oleh aliran air, uap dan udara. (Kamus Besar Bahasa Indonesia)
2. Angin Gerakan udara dari daerah yang bertekanan tinggi ke daerah yang bertekanan rendah. (Kamus Besar Bahasa Indonesia)
3. Sudu Daun mekanis dari suatu roda gerak turbin yang dijalankan oleh air, uap dan angin. (Kamus Besar Bahasa Indonesia) 4. Generator Sebuah mesin listrik yang dapat mengubah daya mekanis menjadi daya listrik. (Drs. Yon Rijono, 2002:107) 5. Alternator Generator elektris yang digerakan untuk menghasilkan arus bolakbalik. (Kamus Besar Bahasa Indonesia)
G. Sistematika Penulisan Skripsi Untuk memperjelas dan memudahkan penyusunan skripsi ini maka penulis mencantumkan sistematikanya, adapun sistematika tersebut adalah: 1. Bagian awal, terdiri dari: judul, pengesahan, motto dan persembahan, kata pengantar, abstrak, daftar isi, daftar gambar, daftar tabel dan daftar lampiran. 2. Bagian isi yang terdiri dari: a. BAB I Pendahuluan, berisi latar belakang, permasalahan, pembatasan masalah, penegasan istilah, tujuan istilah, manfaat penelitian metedologi penelitian dan sistematika penulisan skripsi.
b. BAB II Landasan Teori. Dalam landasan teori akan diuraikan mengenai prinsip pembangkit listrik, karakteristik turbin dan prinsip kerja turbin, serta keadaan angin. c. BAB III Metode Penelitian, bab ini akan menguraikan tentang penentuan obyek penelitian, metode pengumpulan data, alat dan bahan yang digunakan, prosedur penelitian serta metode analisis data. d. BAB IV merupakan hasil penelitian dan pembahasan. Dalam bab ini diuraikan tentang hasil penelitian yang dilakukan dilapangan, analisis data serta pembahasan. e. BAB V penutup, berisi simpulan dan saran. Bagian akhir berisi daftar pustaka serta lampiran – lampiran.
BAB II LANDASAN TEORI A. Turbin Angin 1. Jenis Turbin Angin Dalam perkembangannya, turbin angin dibagi menjadi dua jenis turbin angin Propeller dan turbin angin Darrieus. Kedua jenis turbin
inilah
dikembangkan.
yang
kini
memperoleh
Pemanfaatannya
yang
perhatian umum
besar
untuk
sekarang
sudah
digunakan adalah untuk memompa air dan pembangkit tenaga listrik. Turbin angina terdiri atas dua jenis, yaitu : a. Turbin angin Propeller adalah jenis turbin angin dengan poros horizontal seperti baling – baling pesawat terbang pada umumnya. Turbin angin ini harus diarahkan sesuai dengan arah angin yang paling tinggi kecepatannya. b. Turbin angin Darrieus merupakan suatu sistem konversi energi angin yang digolongkan dalam jenis turbin angin berporos tegak. Turbin angin ini pertama kali ditemukan oleh GJM Darrieus tahun 1920. Keuntungan dari turbin jenis Darrieus adalah tidak memerlukan mekanisme orientasi pada arah angin (tidak perlu mendeteksi arah angin yang paling tinggi kecepatannya) seperti pada turbin angin propeller.
Gambar 2.1 Turbin angin Propeller dan Darrieus Kecepatan angin diukur dengan alat yang disebut anemometer. Anemometer jenis mangkok adalah yang mempunyai sumbu vertikel dan tiga buah mangkok yang berfungsi menangkap angin.
Gambar 2.2 Anemometer Jumlah putaran per menit dari poros anemometer dihitung secara elektronik. Biasanya, anemometer dilengkapi dengan sudut angin untuk mendeteksi arah angin. Jenis anemometer lain adalah anemometer ultrasonik atau jenis laser yang mendeteksi perbedaan fase dari suara atau cahaya koheren yang dipantulkan dari molekul – molekul udara. ( M. Safarudin : 2003)
Kecepatan angin minimun untuk menggerakan sebuah turbin angin berskala kecil (10 kW), dapat menghasilkan listrik dengan kecepatan angin rata-rata sebesar 3 m/s. Sedangkan untuk turbin angin berskala besar (100 kW) dapat menghasilkan listrik dengan kecepatan angin rata-rata sebesar 5 m/s. ( Yuli Setyo : 2005)
2. Mekanisme Turbin Angin Sebuah pembangkit listrik tenaga angin dapat dibuat dengan menggabungkan beberapa turbin angin sehingga menghasilkan listrik ke unit penyalur listrik. Listrik dialirkan melalui kabel transmisi dan didistribusikan kerumah – rumah, kantor, sekolah, pabrik dan sebagainya. Turbin angin dapat memiliki tiga buah bilah turbin. Jenis lain yang umum adalah jenis turbin dua bilah. Jadi, bagaimana turbin angin menghasilkan listrik? Turbin angin bekerja sebagai kebalikan dari kipas angin. Bukannya menggunakan listrik untuk membuat angin, seperti pada kipas angin, turbin angin menggunakan angin untuk membuat listrik. Angin akan memutar sudut turbin, kemudian memutar sebuah poros yang dihubungkan dengan generator, lalu menghasilkan listrik. Turbin untuk pemakaian umum berukuran 50 – 750 kilowatt. Sebuah turbin kecil, kapasitas 50 kilowatt, digunakan untuk perumahan, piringan parabola, atau pemompa air.
Sistem semula jadi pengudaraan digerakkan oleh tiga kaidah : 1. Tekanan Angin 2. Kesan Tingkat (perbedaan suhu) 3. Campuran tekanan angin & perbedaan suhu ( M. Safarudin : 2003)
3. Kontruksi Turbin Angin Kontruksi turbin angin secara umum dijelaskan oleh Wikipedia Indonesia, terdiri dari sudu, gearbox, break system, generator, penyimpan energi, dan Rectifier-inverter. a. Sudu Sudu merupakan bagian dari sebuah kincir angin berupa pelat yang rata. Bila sejumlah udara dengan kecepatan
bergerak melalui
bidang seluas R2 (luas sudu), maka daya yang terdapat di dalam angin dapat ditentukan dengan rumus : 3
R2
P
= ½
P
= Daya (watt) = Kerapatan udara (Kg/m3)
v
= Kecepatan angin (m/s) R = Luas sudu (m2)
Energi kinetik dari satu m3 udara yang bergerak, ditentukan dengan rumus : E = ½ E
2
= Energi (Joule) = Kerapatan udara (Kg/m3)
v
= Kecepatan angin (m/s) Untuk mendapatkan hasil yang optimal maximal dari
sebuah kincir angin maka perlu diperhatikan sebagai berikut : 1. Bentuk sudu seperti sekerup atau memuntir, sehingga aerodinamisnya semakin baik. 2. untuk mendapatkan energi yang lebih baik sayap – sayap dipasang langsung pada rotor. 3. untuk sudu yang ideal berjumlah 3 buah sudu, karena menghasilkan pembagian gaya dan keseimbangan yang lebih baik. ( Harm Hofman : 1987)
b. Gearbox Alat ini berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadi putaran tinggi. Dalam pemeliharaannya digunakan oli untuk menjaga permukaan harus tetap pada ukurannya, dari waktu ke waktu harus diisi dengan oli yang baru. Agar kondisi gearbox bisa tahan lama.
Gambar 2.3 Gearbox Sumber: Wikipedia indonesia c. Brake System Digunakan untuk menjaga putaran pada poros setelah gearbox agar bekerja pada titik aman saat terdapat angin yang besar. Alat ini perlu dipasang karena generator memiliki titik kerja aman dalam pengoperasiannya. Generator ini akan menghasilkan energi listrik maksimal pada saat bekerja pada titik kerja yang telah ditentukan. Kehadiran angin diluar akan menyebabkan putaran yang cukup cepat pada poros generator, sehingga jika tidak diatasi maka putaran ini dapat merusak generator. Dampak dari kerusakan akibat putaran berlebih diantaranya : overheat, rotor breakdown, kawat pada generator putus, karena tidak dapat menahan arus yang cukup besar.
d. Generator Generator AC dan generator DC memiliki perbedaan prinsip. Untuk generator DC kumparan jangkar ada pada bagian rotor dan terletak di antara kutub-kutub magnit yang tetap di tempat, diputar oleh tenaga mekanik. Pada generator AC, konstruksinya sebaliknya yaitu, kumparan jangkar disebut juga kumparan stator karena berbeda pada tempat yang tetap, sedangkan kumparan rotor bersama-sama dengan kutub magnet diputar oleh tenaga mekanik.
Gambar 2.4 Konstruksi generator sinkron ( Yon Riyono : 2002) Jika kumparan rotor yang berfungsi sebagai pembangkit kumparan medan magnet yang terletak di antara kutub magnet utara dan selatan diputar oleh tenaga air atau tenaga lainnya, maka pada kumparan rotor akan timbul medan magnet atau fluks yang bersifat bolak-balik atau fluks putar. Flux putar ini akan memotong-motong kumparan stator, sehingga pada ujung-ujung kumparan stator timbul gaya gerak listrik karena pengaruh induksi dan flux putar tersebut. Gaya gerak listrik (ggl) yang timbul pada
kumparan stator juga bersifat bolak-balik, atau berputar dengan kecepatan sinkron terhadap kecepatan putar rotor. 1. Generator AC Pada generator AC dipakai sebuah medan magnetik yang berputar sehingga energi listrik dan lilitan stator dapat dikeluarkan. Arus penguatan untuk rotor dihasilkan oleh satu atau lebih lilitan generator yang dipasang pada poros dimana juga rotor terpasang. Listrik yang dihasilkan disearahkan dengan bantuan dioda. Dioda adalah elemen pengantar tanggung yang meneruskan arus listrik hanya pada satu arah. Generator AC jenis praktis menghasilkan arus bolakbalik tiga fase dengan frekuensi yang tergantung dan jumlah putaran
rotor.
Hal
ini
penghubungan
jaringan
perantaraan
pengaturan
praktis (50Hz),
tidak
memungkinkan
kecuali
putaran
kalau
dengan
jaringan
dapat
disinkronisasikan. Jika generator ini dihubungkan dengan sebuah jembatan perata arus, maka dapat diperoleh arus searah dengan keuntungan yang telah disebut terdahulu. 2. Generator DC Bekerjanya generator DC berdasarkan pengaruh timbalbalik antara medan-medan magnetik dari stator dan rotor. Di dalam lilitan stator, arus tiga fase yang dihubungkan membangkitkan medan megnetik yang berputar.
Karena ini terjadilah medan magnetik di dalam rotor sehingga di dalam lilitan-lilitan yang dihubungkan dengan singkat, mengalir arus. Sebagai akibatnya arus ini mengubah medan rotornya sedemikian rupa sehingga rotor itu berputar. Di medan rotor dan medan stator selalu harus ada perubahan, sebab kalau tidak begitu mesinnya tidak dapat bekerja. Jadi, rotor itu tidak akan pernah berputar sinkron dengan medan rotor. Kalau motornya yang berputar, rotor itu berputar mengikuti medan stator. Perbedaan antara putaran rotor dan medan stator disebut selip dan dinyatakan dengan proses dan putaran sinkron. Bila rotor ini berputar lebih cepat dan pada medan stator, maka mesinnya bekerja sebagai generator. Juga di sini terdapat selip. Tegangan yang dihasilkan adalah sefase dengan tegangan jaringan; variasi jumlah putaran (dalam batas-batas tertentu) diserap oleh selip.
a. Keuntungan generator DC 1)
Generator ini tidak begitu peka terhadap gangguan. Di dalamnya tidak terdapat sikat-sikat arang, gelanggelang seret dan pengaturan-pengaturan yang mudah rusak. Terutama bagi kincir angin, hal ini sangat penting karena kincir angin tidak mudah dimasuki untuk perawatan.
2)
Sedikit variasi pada jumlah putaran ditampung oleh selip,
sehingga
alat-alat
yang
mahal
untuk
mengkonstarikan putaran tidak diperlukan. 3)
Sebuah generator menghasilkan arus setelah diperkuat oleh tegangan jaringan. Jadi, generator itu merupakan suatu keseluruhan dengan jaringan.
b. Kekurangan generator DC 1)
Mesinnya memerlukan arus mati jaringan. Walaupun arus mati sebenarnya tidak membangkitkan daya di dalam mesin, tetapi itu dapat menimbulkan kerugian pada kawat-kawat dimulai dan sentral. Dampak ini dapat dibatasi dengan kompensasi arus mati.
2)
Arus gerak awal sangat tinggi, sehingga akibat dan menurunnya tegangan pada saluran-saluran dapat terjadi kelipan inisalnya pada cahaya lampu. Sebuah varian pada generator DC adalah mesin nadi
gelang seret. Di sini lilitan rotornya tidak dihubungkan secara singkat, tetapi dikeluarkan melalui gelang-gelang seret. Dengan mengatur arus rotorya, beberapa variasi yang lebih besar dalam jumlah putarannya masih dapat diserap.
e. Penyimpan energi Karena keterbatasan ketersediaan akan energi angin (tidak sepanjang hari angin akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik pun tidak menentu. Oleh karena itu digunakan alat penyimpan energi yang berfungsi sebagai back-up energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik masyarakat meningkat atau ketika kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, maka kebutuhan permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi. Oleh karena itu kita perlu menyimpan sebagian energi yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang atau saat penggunaan daya pada masyarakat menurun. Penyimpanan energi ini diakomodasi dengan menggunakan alat penyimpan energi. Contoh sederhana yang dapat dijadikan referensi sebagai alat penyimpan energi listrik adalah accu mobil. Accu mobil memiliki kapasitas penyimpanan energi yang cukup besar. Accu 12 volt, 65 Ah dapat dipakai untuk mencatu rumah tangga (kurang lebih) selama 0.5 jam pada daya 780 watt. Kendala dalam menggunakan alat ini adalah alat ini memerlukan catu daya DC (Direct Current) untuk mengcharge/mengisi energi, sedangkan dari generator dihasilkan catu daya AC (Alternating Current). Oleh karena itu diperlukan rectifier-inverter untuk mengakomodasi keperluan ini.
f. Rectifier-inverter Rectifier berarti penyearah. Rectifier dapat menyearahkan gelombang sinusoidal (AC) yang dihasilkan oleh generator menjadi gelombang DC. Inverter berarti pembalik. Ketika dibutuhkan daya dari penyimpan energi (accu/lainnya) maka catu yang dihasilkan oleh accu akan berbentuk gelombang DC. Karena kebanyakan kebutuhan rumah tangga menggunakan catu daya AC , maka diperlukan inverter untuk mengubah gelombang DC yang dikeluarkan oleh accu menjadi gelombang AC, agar dapat digunakan oleh rumah tangga.
g. Jenis Menara 1)
Menara Kerangka Kontruksi menara ini terdiri dari besi – besi siku yang dibuat sedemikian rupa hingga menjadi sebuah menara, tingginya disesuaikan dengan kebutuhan. Menara ini juga biasa terbuat dari besi bulat atau baja, sehingga menara lebih tahan lama.
2)
Menara Pipa Menara ini terbuat dari sebuah pipa yang mempunyai kawat-kawat sebagai penegak tiang, dan kawat-kawat tersebut harus diikat dengan jangkar, maka pondasinya dapat lebih ringan. Dengan adanya kawat penegak tiang menara
tidak mudah tumbang, tetapi dalam pemasangan manara pipa ini membutuhkan lahan yang cukup luas.
B. Angin Pengertian angin adalah gerakan udara dari daerah yang bertekanan tinggi ke daerah yang bertekanan rendah. (Kamus Besar Bahasa Indonesia) 1. Pengudaraan Oleh Tekanan Angin Dalam iklim panas-lembab, kelajuan angin diperlukan untuk menyejukkan kulit. Angin yang ada perlu ditangkap dan digunakan sepenuhnya. Kesan angin berlebihan dapat dikontrol menggunakan kaidah manual atau otomatik. Apabila angin bertiup dan mengenai bangunan, tekanan statik terbentuk di bangian dinding luar dan ditentukan oleh arah angin. Penyebaran tekanan angin dipengaruhi beberapa faktor : a. Bentuk bangunan b. Kelajuan angin dan arah c. Lokasi dan lingkungan Tekanan permukaan positif di bagian angin datang dan negatif di bagian belakang angin. Walau bagaimanapun, tekanan pada sisi boleh jadi negatif atau positif bergantung kepada sudut tuju angin dan bentuk bangunan.
2. Keadaan angin setempat Angin merupakan faktor penting. Angin merupakan gerakan udara terhadap permukaan bumi. Kecepatan gerakan udara itu dinamakan ” kecepatan angin” . Adalah tidak mungkin untuk mengukur kecepatan angin tiap detik dan mencatatnya sesudah 25 tahun. Hal ini akan menjurus kepada keseluruhan yang tidak mudah dilihat Di sini dipakai rata – rata ( jumlah dari hasil pengamatan dibagi oleh
jumlah
pengamatan).
Biasanya
kita
membatasi
jumlah
pengamatan itu. Untuk memperbaiki ikhtisarnya, biasanya hasil dijadikan ke dalam apa yang disebut pembagian frekuensi dalam bentuk tabel atau grafik. Selanjutnya beberapa hasil ke dalam interval tertentu menjadi apa yang disebut kelas. Di sini perbedaan antara hasil dalam data dasarnya dihapus. Di sini diberikan sebuah ikhtisar perbandingan dari skala meter/detik dan skala Beaufort. Tabel 2.1 Ikhtisar perbandingan dari skala meter/detik Uraian jelas dari angin
Skala Beaufort
Skala Petersen
0
Datar
Suasana sunyi
1
Datar
2
Riakan ringan
3
Riakan sampai bergelombang ringan
Lazim dipakai dilaut
Lazim dipakai didarat
Kecepatan Angin (m/s)
Tidak ada angin
0-0,2
0-1
Lemah dan sunyi
Angin lemah
0,3-1,5
2-5
Kesejukan lemah
Angin lemah
1,6- 3,3
6-11
Kesejukan ringan
Angin sedang
3,4-5,4
12-19
4
Bergelombang
5
6
Kesejukan sedang Angin
Dahsyat Laut
sepoi
–
sepoi yang segar
yang
agak Angin
dahsyat
sepoi
Angin sedang
5,5-7,9
20-28
8,0-10,7
29-38
Angin kencang
10,8-13,8
39-49
Angin yang cukup kencang
–
sepoi yang kaku
7
Laut yang liar
-
Angin keras
13,9-17,1
50-61
8
Laut yang tinggi
-
Angin taufan
17,2-20,7
62-74
9
Laut yang tinggi
-
Taufan
20,8-24,4
75-88
-
Taufan berat
24,5-28,4
89-102
-
Badai
28,5-32,6
103-117
-
Badai
> 32,6
> 117
10
11 12
Laut yang sangat tinggi Laut yang luar biasa tinggi Dan liar ( Harm Hofman : 1987 )
3. Metoda pendekatan untuk hasil Pengubahan energi mekanis menjadi energi elektris dengan bantuan mesin sinkron dari sebuah turbin angin yang dirancang adalah: P= ½
3
R2
P = Daya (watt) = Kerapatan udara (Kg/m3) v
= Kecepatan angin (m/s) R = Luas sudu (m2)
Gambar 2.5 Generator Sumber: Wikipedia indonesia C. Alternator 1. Prinsip Alternator a. Magnet berputar di dalam kumparan Arus listrik dibangkitkan dalam kumparan pada saat kumparan diputarkan dalam medan magnet. Jenis arus listrik yang dibangkitkan adalah arus bolak-balik yang arah alirannya secara konstan berubah-ubah dan untuk merubahnya menjadi arus searah, diperlukan sebuah komutator dan brush (sikat-sikat). ini adalah untuk menarik arus searah yang dibangkitkan pada setiap stator coil. Armatur dengan komutator dapat diputarkan di dalam kumparan. Akan tetapi, konstruksi armatur akan menjadi rumit dan tidak dapat diputarkan pada kecepatan tinggi. Kerugian yang
lainnya adalah bahwa arus mengalir melalui komutator dan sikat (brush), maka keausan akan cepat terjadi karena adanya lompatan api. Mendapatkan
arus
searah
dapat
dilakukan
dengan
menyearahkan arus bolak-balik yang dihasilkan oleh stator coil tetap sebelum dijadikan output dengan menggunakan rectifier, atau dengan cara mengganti putaran stator coil dengan memutarkan magnet dalam kumparan. Semakin besar volume listrik yang dibangkitkan di dalam kumparan, maka kumparan semakin panas dikarenakan aliran arus. Oleh karena itu, pendinginan akan menjadi lebih baik kalau stator coil ditempatkan di luar dengan rotor coil berputar di dalamnya. Untuk tujuan itulah maka alternator mobil menggunakan kumparan pembangkit (stator coil) dengan magnet (rotor coil) di dalamnya (perhatikan Gambar 2.6).
Gambar 2.6 Magnet berputar di dalam kumparan (Toyota-Astra Motor : 1994)
b. Kumparan menghasilkan elektromagnet Biasanya, komponen - komponen kelistrikan mobil menggunakan tegangan listrik 12 atau 24 volt dan alternator untuk sistem pengisian harus menghasilkan tegangan tersebut. Listrik dibangkitkan pada saat magnet diputarkan di dalam kumparan dan besarnya tergantung pada kecepatan putaran magnet. Jadi, melalui proses induksi elektromagnet, semakin cepat kumparan memotong garis-garis gaya magnet semakin besar kumparan membangkitkan gaya gerak listrik. Selanjutnya dapat kita lihat bahwa tegangan berubah-ubah tergantung pada kecepatan putaran magnet. Untuk memperoleh tegangan yang tetap, maka diperlukan putaran magnet yang tetap, ini tidak mungkin dipertahankan karena mesin akan berputar dengan kecepatan yang tidak tetap sesuai dengan kondisi pengemudian. Untuk mengatasi kesulitan ini, sebagai pengganti magnet permanen maka dipakai elektromagnet untuk mempertahankan tegangan supaya tetap (Gambar 2.7). Elektromagnet, garis gaya magnetnya berubah-ubah sesuai dengan putaran alternator.
Gambar 2.7 Kumparan menghasilkan elektromagnet (Toyota-Astra Motor : 1994)
Elektromagnet mempunyai inti besi dengan kumparan dililitkan disekelilingnya. Pada saat arus mengalir melalui kumparan, inti besi akan menjadi magnet. Besarnya magnet yang dibangkitkan tergantung besarnya arus yang mengalir melalui kumparan, jadi pada saat alternator berputar dengan kecepatan rendah arusnya naik, sebaliknya jika alternator berputar dengan kecepatan tinggi arusnya menurun. Arus yang mengalir melalui elektromagnet diberikan oleh baterai dan besarnya diatur oleh voltage regulator. Karena dalam ini, maka alternator akan mengalirkan tegangan yang tetap meskipun putaran mesin berubah-ubah. c. Arus bolak-balik tiga fase Pada saat magnet berputar di dalam kumparan akan timbul tegangan diantara kedua ujung kumparan, ini akan memberikan kenaikan pada arus bolak-balik. Hubungan antara arus yang dibangkitkan dalam kumparan dengan posisi magnet adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.8. Arus tertinggi akan bangkit pada saat kutub N dan S mencapai jarak yang terdekat dengan kumparan. Bagaimanapun, setiap setengah putaran arus akan mengalir dengan arah yang berlawanan. Arus yang membentuk gelombang sinus dengan cara ini disebut "arus bolak-balik satu fase". Perubahan 360 pada grafik
berlaku untuk satu siklus dan banyaknya perubahan yang terjadi
Arus
pada setiap aetik disebut dengan "frekuensi".
Putaran magnet terhadap kumparan Gambar 2.8 Gelombang sinus pembangkitan arus bolak-balik satu fase (Toyota-Astra Motor : 1994)
Untuk
membangkitkan listrik
dengan
lebih efisien,
alternator mobil menggunakan tiga kumparan yang dirangkai seperti terlihat pada gambar 2.9. Masing-masing kumparan A, B, dan C berjarak 120°. Pada saat magnet berputar diantara mereka, akan bangkit arus bolak-balik pada masing-masing kumparan. Gambar menunjukkan hubungan antara ketiga arus bolak-balik dengan magnet. Listrik yang mempunyai tiga arus bolak-balik seperti ini disebut "Arus bolak-balik tiga fase", alternator mobil membangkitkan arus bolak-balik tiga fase.
Arus
Gambar 2.9 Pembangkitan arus bolak-balik tiga fase (Toyota-Astra Motor : 1994)
Putaran magnet terhadap kumparan Gambar 2.10 Gelombang sinus pembangkitan arus bolak-balik tiga fase (Toyota-Astra Motor : 1994) d. Penyearahan Bagian-bagian kelistrikan mobil membutuhkan arus searah untuk kerjanya dan baterai memerlukan arus searah untuk pengisian. Alternator menghasilkan arus bolak-balik tiga fase tetapi sistem pengisian tidak dapat menggunakannya kecuali jika dirubah menjadi arus searah.
Merubah arus searah disebut penyearahan. Penyearahan dapat dilakukan dengan beberapa cara tetapi alternator mobil menggunakan dioda yang sederhana dan efektif. Dioda memungkinkan arus hanya mengalir pada satu arah. Seperti terlihat pada gambar, jika dipergunakan enam buah dioda, arus bolak-balik tiga fase tersebut dirubah menjadi arus searah dengan jalan penyearahan gelombang penuh. Karena alternator mobil menggunakan diode yang dipasang di dalam. Maka output listriknya adalah searah (perhatikan Gambar 2.10 dan Gambar 2.11).
Arus
Gambar 2.11 Penyearahan dengan diode pada alternator mobil (Toyota-Astra Motor :1994)
Putaran magnet terhadap diode Gambar 2.12 Grafik arus penyearahan dengan diode pada alternator mobil (Toyota-Astra Motor : 1994)
Dapat kita lihat bahwa arus dan masing-masing kumparan sampai ke diode terus-menerus berubah arah pada ketiga lead wire sehingga arah arus dan diode tidak berubah tetapi membentuk sirkuit dengan polaritas yang tidak berubah-ubah (Perhatikan Gambar 2.13).
Gambar 2.13 Arah arus pada kumparan sampai ke diode (Toyota-Astra Motor : 1994)
e. Pengatur Tegangan Tegangan yang dihasilkan oleh alternator bervariasi tergantung pada kecepatan putaran alternator dan banyaknya beban (arus output) alternator. Putaran mesin yang terus berubah-ubah, demikian juga putaran alternator, selanjutnya beban (lampu-lampu, wiper, hiter, dan
lain-lain)
selalu
berubah-ubah
mempengaruhi
kondisi
pengisian baterai. Oleh karena itu, agar alternator dapat memberikan tegangan standar yang tetap perlu dilakukan pengaturan tegangan dengan regulator dan untuk tujuan itu maka
sistem pengisian pada mobil menggunakan voltage regulator (generator regulator) bersama-sama dengan alternator. Regulator mengalirkan arus ke elektromagnet (rotor coil) yang menghasilkan garis gaya magnet yang diperlukan untuk ketiga kumparan (stator coil) alternator untuk membangkitkan arus bolak-balik tiga fase. Karena elektromagnet mempunyai inti besi yang dililit kumparan, inti besi akan menjadi magnet dan membangkitkan garis gaya magnet pada saat dialiri arus. Banyaknya garis gaya magnet sebanding dengan besarnya arus yang dilarkan pada kumparan disekeliling inti besi. Dengan kata lain, alternator dapat menghasilkan tegangan yang tetap dengan jalan mengalirkan arus yang besar ke rotor coil (field coil) pada saat alternator berputar lambat atau berbeban berat dan mengurangi arus pada saat alternator berputar cepat atau berbeban ringan. Regulator mengatur pengaliran arus ke rotor coil dengan menarik dan membebaskan titik kontak sesuai dengan tegangan yang diberikan ke regulator coil. Pada saat alternator berputar dengan rpm rendah dan tegangan stator coil lebih rendah dan tegangan baterai, titik kontak yang bergerak akan berhubungan dengan P1 sehingga arus dan baterai akan mengalir ke rotor coil melalui P1.
Dalam hal lain, jika alternator berputar dengan rpm tinggi, tegangan pada stator coil naik melebihi tegangan baterai, tegangan ini dialirkan ke regulator coil sehingga oleh kekuatan tarikan yang lebih besar maka P1 akan terputus. Pada saat titik kontak bergerak menjauhi P1 arus yang ke rotor coil melalui resistor R dan intensitasnya menurun. Jika arus yang mengalir ke rotor coil berkurang, maka tegangan yang dibangkitkan
pada
stator
coil
berkurang
dan
ini
akan
mengakibatkan gaya tarik pada kumparan menurun sehingga lengan titik kontak akan kembali dan berhubungan dengan P1. Hal ini akan menaikkan arus yang mengalir pada rotor coil dan kemudian titik kontak akan terputus lagi dan P1. Bila alternator berputar dengan kecepatan yang lebih tinggi, tegangan yang dibangkitakan oleh stator coil akan naik memperkuat gaya tarik pada regulator coil sehingga menghubungkan titik kontak berhubungan dengan P2. Akibatnya, arus yang melalui resistor akan mengalir ke P2 dan tidak ke rotor coil. Pada saat tidak ada arus yang mengalir ke rotor coil, stator tidak ada arus yang mengalir ke rotor coil, stator tidak dapat membangkitkan gaya gerak listrik sehingga tegangan alternator turun dan hubungan titik kontak P2 terputus. Sekali lagi tegangan alternator akan naik dan lengan kontak akan tertarik, dengan kata lain pada saat alternator berputar dengan kecepatan rendah lengan
kontak akan menaikkan dan menurunkan arus yang mengalir ke rotor coil dengan berhubungan dan memutuskan hubungannya dan P2. pada saat alternator berputar dengan kecepatan tinggi, arus akan dialirkan secara terputus-putus ke rotor coil tergantung apakah lengan kontak berhubungan atau putus dengan P2.
Gambar 2.14 Rangkaian pengatur tegangan (Toyota-Astra Motor : 1994) 2. Konstruksi Alternator Alternator berfungsi untuk merubah energi mekanik dan mesin menjadi energi listrik. Energi mekanik dan mesin diterima melalui sebuah pulley yang memutarkan rotor dan membangkitkan arus bolakbalik pada stator. Arus bolak-balik ini diubah menjadi arus searah oleh diode. Bagian-bagian utama dan alternator adalah rotor yang membangkitkan elektromagnetik. stator yang membangkitkan arus listrik dan diode yang menyearahkan arus. Sebagai tambahan, terdapat pula brush yang mengalirkan arus ke rotor coil untuk memperhalus
putaran rotor dan fan untuk mendinginkan rotor, stator serta diode. Semua bagian tersebut dipegang oleh front dan rear frame.
a)
b)
c)
d) Gambar 2.15 Alternator
Keterangan gambar : a. Alternator tampak depan b. Alternator tampak samping c. Alternator tampak belakang d. Alternator tampak atas
Gambar 2.16 Bagian-bagian utama alternator (Toyota-Astra Motor : 1994) a. Rotor Rotor terdiri dan kutub-kutub magnit sebanyak 12 kutub magnit, inti field winding dan slip ring, bagian-bagian ini padat bersambungan pada sumbu rotor, field winding dihubungkan kepada slip ring dimana brush dapat bergerak, ketika arus mengalir melalui winding lewat sikat dan slip ring, kutub-kutub magnet dimagnetkan dan akibatnya ada lapangan magnet disekitar rotor. Ketegangan lapangan magnet dapat diatur dengan memberikan arus kepada field winding.
Gambar 2.17 Rotor alternator (Toyota-Astra Motor : 1994)
b. Stator Stator mempunyai tiga fase gulungan yang diisolasi kepada stator, gulungan-gulungan itu dihubungkan satu sama lain dengan bermacam-macam cara. Gulungan stator adalah hubungan bintang (hubungan Y). Tipe ini disimbolkan sesuai bagan di bawah ini yang juga menunjukkan bagaimana gulungan stator dihubungkan kepada penyearah.
Gambar 2.18 Stator ( Daryanto : 2005 ) Gulungan stator dapat juga dihubungkan dengan "hubungan delta" (hubungan D). Gulungan rotor (rotor field winding) dimana satu hubungannya Melalui termininal F lewat slip ring dan sikat, dan ujung lain dihubungkan ke badan melalui sikat dan slip ring. Beberapa alternator dilengkapi dengan suatu field rectifier, alternator itu dihubungkan ke field winding yang didatangkan dan stator winding. Ujung-ujung field winding dihubungkan ke terminal F dan A. Stator ditempatkan antara kedua braket bantalan dengan baut pengikat dan rectifier dipasangkan pada braket bantalan ujung.
Arus yang diinduksi di dalam stator winding ketika magnet berputar disebut arus bolak-balik 3 fase, ketiga fase gulungan itu ditempatkan agar supaya fase itu 120° berhubungan satu dengan yang lainnya. Dengan demikian hasil tegangan dan arus lebih banyak, kurva tegangan diatas garis nol (+) menunjukkan tegangan yang memberikan arus pada satu arah dan kurva tegangan dibawah garis nol (-) memberikan arus pada arah yang berlawanan. Setelah penyearah kurva tegangan terletak diatas garis nol dan keadaan ini arah tegangan lebih rata yang dihasilkan dan arus bolak-balik. Tegangan yang disearahkan itu digunakan pada terminal positif (+) dan negatif (-). c. Diode Pada diode holder, terdapat tiga buah diode positif dan tiga buah diode negatif. Arus yang dibangkitkan olah alternator dialirkan dan diode holder pada sisi positif sehingga terisolasi dan end frame. Selama proses penyearahan, diode akan menjadi panas sehingga diode holder bekerja meradiasikan panas ini dan mencegah diode menjadi terlalu panas. Tidak Mengalir Mengalir
Terminal
Mengalir
Tidak Mengalir
Gambar 2.19 Diode dan diagram pengkabelan ( Daryanto : 2005 )
d. Pulley Dengan adanya pulley ratio meningkat sekitar 2,5 %, sehingga penggunaan pulley dapat memberikan efesiensi kecepatan tinggi yang lebih baik. e. Bearing Setiap kecepatan putaran dari rotor tidaklah stabil, dengan adanya perubahan kecepatan membuat putaran rotor menjadi kasar. Fungsi bearing dalam hal ini untuk memperhalus putaran rotor sehingga rotor lebih tahan lama digunakan. f. Voltage Regulator Dengan berubah-ubahnya kecepatan alternator, output teganganpun ikut berubah. Sehingga voltage regulator berfungsi untuk menstabilkan tegangan alternator agar memenuhi tegangan standard untuk melakukan pengisian di baterry/accu. g. Fan Fan (kipas angin) digunakan sebagai pendingin bagianbagian dalam alternator seperti rotor, stator, dan diode serta komponen lainnya. Sehingga alternator tetap dalam kondisi aman meskipun kecepatan tinggi yang membuat suhu alternator meningkat.
h. Front & Rear Frame Fungsi dari front dan rear frame adalah sebagai kerangka luar yang memegang bagian-bagian dalam alternator, selain itu juga mempunyai saluran udara untuk meningkatkan efesiensi pendinginan.
D. Kerangka Berfikir Pembangkitan energi mekanis menjadi energi elektris, dengan jalan menggabungkan sebuah turbin propeller dengan alternator mobil. Eksperimen disini bertujuan untuk melihat indikasi bangkitnya suatu tegangan dari alternator yang telah dikopel dengan turbin propeller. Kecepatan putar dari turbin propeller akan berpengaruh langsung terhadap putaran rotor dari alternator sebagai akibat dari pengkopelan. Mendorong sudu turbin sehingga menghasilkan kecepatan putar sesuai yang diinginkan, dengan berputarnya turbin otomatis rotor pada alternator juga ikut berputar. Dari putaran rotor nantinya akan didapatkan suatu indikasi berupa munculnya tegangan, arus, dan daya, pengukuran dilakukan untuk mengetahui seberapa besar indikasi yang ditimbulkan sebagai pengaruh dari pengopelan dua komponen tersebut. Kemudian diadakan post test, dari hasil post test diambil kesimpulan dengan jalan melihat rata – rata hasil dan membandingkan dengan standar yang diinginkan.
BAB III METODE PENELITIAN
Metode penelitian yang digunakan adalah metode studi kepustakaan dan percobaan laboratorium A. Desain Penelitian Penelitian ini merupakan jenis penelitian laboratories, dimana aktifitas laboratories dilakukan pada saat pembuatan unit praktikum yang sudah direncanakann kemudian dilakukan pengujian. Pengujian dilakukan setelah unit tersebut selesai dibuat. Desain penelitian yang digunakan adalah one shot case study yaitu pola eksperimen yang dilakukan tanpa adanya kelompok pembanding atau tes awal. Desain tersebut mempunyai pola XO, dimana X adalah perlakukan dan O adalah tes akhir.
Perlakuan (X)
Tes Akhir (O)
Kecepatan putaran alternator
Tegangan output alternator
B. Tempat Penelitian Tempat penelitian di samping gedung E2 Fakultas Teknik dan laboratorium Teknik Mesin UNNES pada bulan Februari sampai dengan April 2007.
C. Metode Pengumpulan Data Metode pengumpulan data yang digunakan dalam penlitian ini adalah metode eksperimen. Dalam penelitian ini data yang akan diambil berupa data tegangan output dari alternator, data tersebut diperoleh dari pengaturan kecepatan putar alternator yang bervariasi. Metode pengumpulan data adalah metode eksperimen adapun tahaptahap penyelesaian masalah dalam pemanfaatan alternator mobil dalam pembangkit listrik tenaga angin adalah Tabel 3.1 Penelitian
……
Kecepatan Angin pada saat (mil/jam) ……
Kecepatan Angin pada saat (m/s) ……
……
……
……
3
……
……
4
……
5
No
Kecepatan Alternator (rpm)
Tegangan Alternator (AC)
1
……
2
Arus (Ampere)
Waktu
……
……
……
……
……
……
……
……
……
……
……
……
……
……
……
……
……
……
……
……
6
……
……
……
……
……
……
7
……
……
……
……
……
……
8
……
……
……
……
……
……
9
……
……
……
……
……
……
10
……
……
……
……
……
……
D. Variabel Penelitian Variabel dalam penelitian ini adalah: a. Variabel bebas Menurut Suharsimi Arikunto, variabel bebas yaitu variabel yang mempengaruhi suatu gejala.dalam penelitian ini yang menjadi variabel bebas adalah putaran rotor alternator. b. Variabel terikat Variabel terikat adalah variabel yang dipengaruhi suatu gejala. Dalam hal ini yang menjadi variabel terikat adalah tegangan output alternator. E. Sampel Penelitian Sampel penelitian adalah alternator mobil jenis konvensional tipe dua titik kontak dengan tegangan output 12 volt. F. Bahan dan Alat Berikut daftar bahan dan alat yang digunakan dalam menunjang kegiatan penelitian: a. Bahan a. Kabel NYA 1,5 mm2 b. Jumper 12 buah
b. Alat a. Alternator mobil kendaraan jenis kijang Merk = Nippo Denso Jenis Konvensional tanpa IC Output =12 Volt b. Anemometer dengan 3 mangkok Kecepatan max 40 mil/jam c. Baterai / Accu 12 volt d. Multimeter Merk = Sanwa (DMM) Tipe = CD 720E e. Ampere meter Merk = Sanwa (DMM) Tipe = CD 720E f. Tacho meter Merk = Lutron Tipe = DT-2236 G. Langkah Penelitian a. Pasangkan alternator mobil dengan penggerak mula menggunakan belt. b. Sambungkan test probe dari terminal positif amperemeter ke terminal B alternator c. Sambungkan negatif probe ampere meter ke resistor
d. Sambungkan test probe dari terminal positif voltmeter ke terminal B alternator e. Sambungkan negatif probe voltmeter ke masa. f. Mengamati gejala dari pengukuran indikasi. g. Catat setiap gejala yang muncul pada alat ukur tadi, dengan mencatat arus dan tegangannya. h. Mencatat gejala yang muncul pada tiap alat ukur yang telah dipasang. i. Menarik kesimpulan dari apa yang telah diperoleh dari hasil pengamatan pada eksperimen.
Alternator B F E
A V
R
Gambar 3.1 Skema rangkaian pengukuran tegangan dan arus H. Analisa Data Teknik analisis data dengan menggunakan metode analisis deskriptif pada tiap rancangan dengan melakukan perbandingan antara karakteristik alternator dan pengamatan atau pengukuran hasil eksperimen yang selanjutnya dilakukan analisa. Apabila terjadi penyimpangan dilakukan identifikasi dari
penyimpangan tersebut, adapun analisis yang dilakukan terhadap hasil eksperimen adalah sebagai berikut: 1. Analisa Tegangan Normal Alternator Tegangan yang dihasilkan berdasarkan variasi kecepatan putar alternator. 2. Analisa Aliran Arus Terhadap Variasi Kecepatan Adapun aliran arus pengisian ini berdasarkan sistem pengaturan regulator terhadap variasi kecepatan, yaitu pada saat putaran rendah <500rpm
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
A. Hasil penelitian pada alternator Penelitian dilaksanakan pada bulan april bertempat di kampus Fakultas Teknik Universitas Negeri Semarang, dengan 12 kali pengukuran data untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat. Tabel 4.1. Hasil penelitian Kecepatan Angin pada saat (m/s) 5,5 m/s
Arus (Ampere)
Waktu
5,1 volt
Kecepatan Angin pada saat (mil/jam) 12,5 mil/jam
0,34 Amp
15.40 wib
130 rpm
5,3 volt
13 mil/jam
5,7 m/s
0,35 Amp
15.55 wib
3
140 rpm
5,6 volt
13,2 mil/jam
5,8 m/s
0,37 Amp
15.55 wib
4
150 rpm
5,7 volt
13,7 mil/jam
6,0 m/s
0,38 Amp
16.20 wib
5
160 rpm
5,8 volt
13,8 mil/jam
6,1 m/s
0,38 Amp
16.45 wib
6
170 rpm
5,9 volt
13,8 mil/jam
6,1 m/s
0,39 Amp
17.10 wib
7
180 rpm
6,1 volt
13,8 mil/jam
6,1 m/s
0,4 Amp
17.15 wib
8
190 rpm
6,2 volt
14 mil/jam
6,2 m/s
0,41 Amp
17.35 wib
9
200 rpm
6,4 volt
14 mil/jam
6,2 m/s
0,42 Amp
17.35 wib
10
210 rpm
6,6 volt
14 mil/jam
6,2 m/s
0,44 Amp
17.40 wib
No
Kecepatan Alternator (rpm)
Tegangan Alternator (AC)
1
120 rpm
2
Dalam penelitian ini digunakannya resistor sebesar 15 Ohm. Jika melihat hasil eksperimen diatas dengan berbagai macam variasi putaran kecepatan alternator diikuti dengan hasil yang berbeda meskipun peningkatan perubahan itu sangat sedikit. Ini menunjukan perubahan yang terjadi dipengaruhi dengan
kecepatan angin yang membuat alternator tersebut bisa berputar dan menghasilkan output.
6.4
Kecepatan Angin (m/s)
6.2 6 5.8 5.6 5.4 5.2 5 120
130 140
150 160
170 180
190 200
210
Putaran alternator (rpm) Gambar 4.1 Grafik hubungan antara putaran alternator dengan kecepatan angin Melihat dari gambar garfik 4.1, menunjukan bahwa kecepatan angin sangat berpengaruh sekali terhadap putaran kecepatan alternator. Karena setiap kecepatan angin semakin tinggi diikuti pula dengan semakin cepatnya putaran alternator. Hal ini membuktikan bahwasannya berbanding lurus antara kecepatan angin dengan kecepatan alternator.
1. Analisis Data Hasil penelitian yang dilakukan seperti pada tabel dapat di analisis. Rata-rata untuk keluaran tegangan pembangkit listrik tenaga angin adalah :
V (rata − rata ) =
ΣV n
= 5,1 + 5,3 + 5,6 + 5,7 + 5,8 + 5,9 + 6,1 + 6,2 + 6,4 + 6,6 10 = 5,87 Volt
Rata-rata untuk keluaran arus pembangkit listrik tenaga angin dengan adalah : I (rata − rata ) =
ΣI n
= 0,34 + 0,35 + 0,37 + 0,38 + 0,38+ 0,39+ 0,4+ 0,41+ 0,42 + 0, 44 10 = 0,38 Ampere Arus rata-rata yang diperoleh oleh pembangkit listrik tenaga angin I = 0,38 Ampere. Jika tegangan ini digunakan untuk menghidupkan beban lampu sebesar 12 Volt / 5 Watt, dengan perhitungan sebagai berikut : 1. Daya yang dikeluarkan adalah: P = ExI = 5,87 Volt x 0,38 Ampere = 2,23 Watt
2. Energi yang dikeluarkan perjam adalah : W = Pxt = 2,23 Watt x 1 jam = 2,23 Watt jam 3. Energi yang diserap beban 12 Volt / 5 Watt adalah : W=Pxt 2,23 Watt Jam = 5 Watt x t t
= 2,23 Watt Jam 5 Watt = 0,45 Jam
Jadi tegangan rata-rata yang dikeluarkan alternator mobil selama satu jam menghasilkan tegangan (E) sebesar 5,87 volt dengan arus (I) sebesar 0,38 Ampere, mampu untuk menghidupkan beban lampu 12 Volt / 5 Watt selama 0,45 jam.
B. Pembahasan 1. Hasil Penelitian Toyota Hasil dari penelitian yang dilakukan oleh Toyota terhadap alternator konvensional dengan output tegangan berupa AC. Percobaan ini dilakukan dengan beberpa variasi putaran kecepatan terhadap alternator, dan dapat dilihat pada gambar 4.1 . menunjukan hubungan antara kecepatan alternator dengan output tegangan.
AC
50
Tegangan
40 30 20 10 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Putaran kecepatan alternator (rpm)
Gambar 4.2 Grafik performa putaran alternator Sumber: Toyota-Astra Motor (1994) Dari hasil penelitian oleh Toyota dijadikan sebagai referensi terhadap penelitian yang dilakukan, dan penelitian ini hanya dalam skala kecil yaitu dengan putaran kecepatan alternator <500 rpm. Sehingga hasil yang didapat sebagai pembuktian hubungan antara putaran kecepatan alternator berbanding lurus dengan tegangan pada saat kecepatan rendah.
2. Kecepatan Angin pada Turbin Turbin angin dibagi dua, yakni skala besar diatas 100 kW dan skala kecil dibawah 100 kW. Perbedaan kapasitas tersebut mempengaruhi kebutuhan kecepatan minimal awal (cut-in win speed) yang diperlukan turbin skala besar beroperasi pada cut-in win speed 5 m/s sedangkan turbin skala kecil bisa bekerja mulai 3 m/s. Untuk Indonesia dengan
estimasi kecepatan angin rata-rata sekitar 3 m/s, turbin skala kecil lebih cocok digunakan, meski tidak menutup kemungkinan bahwa pada daerah yang berkecepatan angin lebih tinggi (Sumatra Selatan, Jambi, Riau, dsb) bisa dibangun turbin skala besar. Perlu diketahui bahwa kecepatan angin bersifat fluktuatif, sehingga pada daerah yang memiliki kecepatan angin rata-rata 3 m/s, akan terdapat saat-saat dimana kecepatan anginnya lebih besar dari 3 m/s, pada saat inilah turbin angin dengan cut-in win speed 3 m/s akan bekerja. ( Yuli Setyo : 2005 ) Melihat kecepatan angin yang fluktuatif, dalam tabel 4.2 dijelaskan antara kecepatan angin dengan kekuatan angin oleh skala Beaufort. Tabel 4.2. Nisbah antara skala Beaufort kecepatan angin dalam meter/detik Beaufort
Meter/detik
Kekuatan angin
1
4
Angin lemah
2
7
Angin sedang
3
9
Angin kuat
4
11
Angin sangat kuat
5
14
Angin ribut
6
16
Angin ribut
7
19
Badai
8
23
Badai
9
28
Badai kuat
10
33
Badai kuat
11
38
Taufan
12
43
Taufan
Pada semua angin yang telah ditetapkan dengan skala Beaufort, menunjukan bahwa mekanisme turbin angin hanya mengukur kecepatan angin dengan kekuatan angin yang tidak merusak turbin angin. Sehingga kecepatan angin yang di atas 14 m/s tidak diperhitungkan , karena angin itu merupakan badai dan secara praktis tidak mempunyai arti sebagai penggerak turbin angin. ( R.Wartena : 1987 )
3. Kondisi angin Menurut skala Beaufort mengenai kecepatan angin disana dijelaskan bahwa setiap angin memiliki kecepatan dan kekuatan angin yang berbeda-beda, sehingga adanya tingkatan daya kekuatan angin tersebut. Dalam hal ini pengujian turbin angin dua sudu dilaksanakan didaerah Gunung Pati - Fakultas Teknik Unnes, setelah kami melaksanakan ekperimen ternyata angin yang dihasilkan untuk menggerakan turbin angin dua sudu ini belumlah memiliki kecepatan angin yang besar. Setelah mendapatkan data ditempat pengujian turbin ini, ternyata daerah Gunung Pati memiliki kecepatan angin sebesar 5 m/s – 6,5 m/s artinya jika disesuaikan dengan skala Beaufort daerah Gunung Pati termasuk kategori angin berkecepatan sedang.
4. Skema Turbin angin Angin Kincir angin Gearbox Break system Alternator
Baterry Rectifier-Inverter
Lampu, Rumah, Pabrik dll.
Gambar 4.3 Skema turbin angin Keterangan: 1. Angin berhembus dengan kecepetan tertentu 2. Memutar kincir angin dua sudu 3. Perputaran roda gigi dari berkecepatan rendah menuju kecepatan tinggi 4. Menahan kecepatan yang tidak diinginkan (over load), sehingga sesuai dengan kapasitas yang dibutuhkan 5. Dengan kecepatan yang dibutuhkan menghasilkan energi yang disimpan ke battery
6. Penyimpanan dengan battery ini bertujuan agar energi bisa dipakai dalam jangka panjang. 7. Sebelum energi digunakan harus disearahkan yang tadinya keluaran dari battery berupa DC diubah menjadi AC. 8. Setelah tegangan menjadi AC barulah bisa digunakan oleh rumah, pabrik dll. 5. Daya dalam angin Bila sejumlah udara dengan kecepatan
bergerak melalui bidang
seluas R2 (luas sudu), maka dapat dicari daya yang terdapat dalam angin dengan rumus : P= ½
3
R2
P = Daya (watt) = Kerapatan udara (Kg/m3) v
= Kecepatan angin (m/s)
R = Diameter sudu (m2) Contoh jika dimasukan sebuah nilai: 1. Jika diketahui kecepatan angin di daerah Gunung Pati sebesar 5,5 m/s, dengan kerapatan udara 1 Kg/m3. Sedangkan diameter sudu 1,5 m (sesuai dengan nilai eksperimen). Berapakah daya yang terdapat dalam angin tersebut ? P = ½ 1 Kg/m3 · (5,5 m/s)3 · 3,14 · (1,5 m)2 = ½ · 1 Kg/m3 · 166,375 m3/s3 · 3,14 · 2,25 m2 = 587,7 Watt
Jika melihat hasil perhitungan tersebut, berarti dalam setiap kecepatan angin sebesar 5,5 m/s terdapat daya didalamnya sebesar 587,7 watt.
6. Energi Kinetik dalam angin Setiap angin yang berhembus dapat dihitung energi kinetiknya melalui rumus : Ek = ½
2
Ek = Energi kinetik (Joule) = Kerapatan udara (Kg/m3) v
= Kecepatan angin (m/s)
Sehingga jika kecepatan angin yang melewati turbin sebesar 5,5 m/s dapat dihitung energi kinetiknya sebagai berikut: Ek = ½
2
Ek = ½ · 1 Kg/m3 · (5,5 m/s)2 = ½ · 1 Kg/m3 · 30,25 m2/s2 = 15,125 Joule Jika melihat hasil perhitungan tersebut, berarti dalam setiap kecepatan angin sebesar 5,5 m/s terdapat energi kinetik didalamnya sebesar 15,125 Joule
7. Output dari alternator (Tegangan dan arus) a. Hubungan antara putaran alternator dengan tegangan yang dihasilkan.
7 6
Tegangan (volt)
5 4 3 2 1 0 120
130
140
150
160 170
180
190
200
210
Putaran alternator (rpm) Gambar 4.4 Grafik hubungan antara putaran alternator dengan tegangan Melihat hasil percobaan dengan data yang ada, dapat digambarkan melalui gambar grafik 4.4 bahwasannya setiap kenaikan kecepatan putaran alternator diimbangi dengan kenaikan dari tegangan. Semakin tinggi putaran alternator semakin tinggi pula tegangan yang dihasilkan. Percobaan yang dilakukan putarannya <500 rpm sehingga hubungan antara putaran dengan tegangan berbanding lurus antara tegangan dan putaran alternator.
Hubungan antara putaran alternator dengan arus yang
Arus (ampere)
dihasilkan.
Putaran alternator (rpm) Gambar 4.5 Grafik hubungan antara putaran alternator dengan arus Melihat hasil percobaan dengan data yang ada, dapat digambarkan melalui gambar grafik 4.5 bahwasannya setiap kenaikan kecepatan putaran alternator diimbangi dengan kenaikan dari arus. Semakin tinggi putaran alternator semakin tinggi pula arus yang dihasilkan. Sehingga hubungan antara putaran dengan arus berbanding lurus. Dalam hal ini digunakannya hambatan (resistor) sebesar 15
, dan ini juga mempengaruhi besar kecilnya arus yang keluar.
Karena semakin besar hambatannya maka semakin kecil arusnya dan jika semakin kecilhambatannya maka jumah arusnya akan semakin besar.
C. Kelemahan Penelitian 1. Kecepatan angin yang tidak stabil menyebabkan putaran turbin menjadi rendah akibatnya ouput yang dihasilkanpun rendah. 2. Putaran alternator yang tidak mencapai kecepatan maksimal yaitu 6000rpm. 3. Pengambilan data hanya berada disatu lokasi, sehingga tidak memiliki gambaran kemampuan turbin angin dua sudu. 4. Banyaknya rugi-rugi daya yang hilang terjadi dalam kontruksi turbin angin dua sudu. 5. Kecilnya ukuran sudu mempengaruhi kecepatan dalam berputarnya turbin angin.
BAB V PENUTUP A. KESIMPULAN Pembahasan di atas dapat diambil suatu kesimpulan, antara lain: 1. Pengaplikasian turbin angin dua sudu dalam hal ini sebagai penggerak mula alternator dapat digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga angin, meskipun output yang dihasilkan dipengaruhi oleh faktor kecepatan angin. 2. Tegangan dan daya yang dihasilkan dari alternator mobil dari hasil penelitian sampel awal sebesar 5,1 volt dan 0,34 ampere dengan kecepatan 120 rpm, kemudian sampel terakhir didapat tegangan sebesar 6,6 volt dan 0,44 ampere dengan kecepatan 210 rpm. Sehingga semakin cepat putaran alternator maka semakin besar output yang dihasilkan. B. SARAN Saran yang dapat di berikan oleh penulis guna kelanjutan eksperimen selanjutnya adalah: 1. Untuk mendapatkan output (tegangan dan daya) yang maksimal, hendaknya pemanfaatan turbin angin dua sudu ini dilakukan didaerah pantai dengan kecepatan angin yang besar. 2.
Adanya perbaikan dan pengembangan dengan penelitian yang lebih besar, sehingga dapat dipergunakan dalam praktek mahasiswa teknik elektro.
DAFTAR PUSTAKA Hofman, Harm. 1987. Energi Angin (Alih Bahasa Harun ): Binacipta Suharsimi, Arikunto. 1993. Prosedur Penelitian Suatu Pendekatan Praktek. Jakarta : Rineka Cipta. Kadir, Abdul. 1995. Energi Sumber Daya Inovasi, Tenaga Listrik, dan Potensi Ekonomi. Jakarta : UI Press. R.Wartena . 1987. Generator Angin (Alih Bahasa Harun dan Ir. Sobandi Sachri ): Binacipta Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi. 2003. Departemen pendidikan Nasional. Jakarta Soeparno, & Soepatah, Bambang. 1979. Mesin Listrik 2. Departeman pendidikan dan kebudayaan. Direktorat Pendidikan Menengah Kejuruan. Jakarta Rijono, Yon 1997. Dasar Teknik Tenaga Listrik (Edisi Revisi). Yogyakarta: Andi Offset. Basri, Sarjoni & Syah, Djalinus. 2001. Kamus Teknik Inggris-Indonesia. Jakarta: Rineka Cipta. Dagun, Save M. 1997. Kamus Besar Ilmu Pengetahuan. Lembaga Pengkajian Kebudayaan Nusantara. Jakarta. -. 1994. Fundamental of Electricity Step 2. PT. TOYOTA Sumanto. 1992. Mesin-mesin Sinkron. Yogyakarta: Andi Offset. Abdul Kadir. 1999. Mesin Sinkron. Jakarta: Djambatan. Okta, Nanang. 2006. Menabur Angin, Menuai Energi. Yayasan Pijar Cendikiawan. Bandar lampung. Download pada tanggal 10 februari 2007 http://www.sendaljepit.wordpress.com/ Indartono, Yuli S. 2005. Krisis Energi di Indonesia. Graduate School of Science and Technology, Kobe University, Japan. Download pada tanggal 10 februari 2007 http://www.io.ppi-jepang.org/article.php?edition=5
Wikipedia Indonesia, ensiklopedia bebas berbahasa Indonesia. Download pada tanggal 12 februari 2007 http://www.id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin http://www.id.wikipedia.org/wiki/Tenaga_angin Yuni. 2002. Minyak Mahal, Ada Angin Cuma – Cuma. Download pada tanggal 12 februari 2007 http://www.kompas.com/kompas-cetak/0201/19/Indonesia/index.htm Safarudin, Mochamad. 2003. Turbin Angin sebagai Alternatif Pembangkit Listrik. Peneliti Sekolah Tinggi Teknologi Mandala, Bandung. Download pada tanggal 15 februari 2007 http://www.kompas.com/inspirasi/index.htm Fisika LIPI, 2005. Filiphina Buka Pembangkit Tenaga Angin Terbesar. Download pada tanggal 16 februari 2007 http://www.bbc.co.uk/indonesian/news/story/2005/06/050618_ph ilipineswind.shtml Fisika LIPI, 2006. Amerika Beralih ke Tenaga Angin. Download pada tanggal 16 februari 2007. http://www.bbc.co.uk/indonesian/news/story/2006/02/060209_us oil.shtml Fisika LIPI, 2004. 1000 Kincir Angin Sepanjang Jalan AnyerPanarukan. Download pada tanggal 16 februari 2007. http://www.energi.lipi.go.id/utama.cgi?artikel&&6 Bambang, 2004. Kali Ngrawan disedot Kincir Angin untuk Irigasi. Suara Merdeka. Download pada tanggal 20 februari 2007. http://www.suaramerdeka.com/harian/0412/02/x_slo.html
Lampiran 1
Turbin angin dua sudu Spesifikasi : Diameter 1,5 meter V = 90 km/jam Max 400 rpm Sumber : Technic Reaserch Club - FT.Unnes
Turbin angin tampak samping
Turbin angin tampak depan
Lampiran 2
Anemometer dengan 3 mangkok
Bentuk 3 mangkok penangkap angin
Alternator tampak depan
Anemometer
Multimeter
Alternator tampak samping
Lampiran 3
Teknik penglopelan
Teknik penglopelan
Roda Gigi
Lampiran 4
Teknik penglopelan antara alternator dengan deferensial
Teknik penglopelan
