STUDI EKSPERIMENTAL SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK PADA VERTICAL AXIS WIND TURBINE (VAWT) SKALA KECIL ( Citra Resmi, Ir.Sarwono, MM, Ridho Hantoro, ST, MT) Jurusan Teknik Fisika FTI ITS Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Telp : +6231-5947188 Fax : +6231-5923626 e-mail :
[email protected] Abstrak Telah dilakukan studi eksperimental sistem pembangkit listrik pada vertical axis wind turbine (VAWT) skala kecil. Dalam penelitian ini dibuat sistem yang mampu mengkonversi energi kinetik angin menjadi energi listrik dengan menggunakan enam variasi untuk mendapatkan hasil terbaik. Variasi tersebut terdiri dari variasi I panjang lengan 48cm, tanpa penutup blade, rasio gearbox 2:7; variasi II panjang lengan 48 cm, tanpa penutup blade, rasio gearbox 1:5; variasi III panjang lengan 48 cm, dengan penutup blade, rasio gearbox 2:7; variasi IV panjang lengan 48 cm, dengan penutup blade, rasio gearbox 1:5; variasi V panjang lengan 170 cm, tanpa penutup blade, rasio gearbox 2:7; dan variasi ke VI panjang lengan 170 cm, tanpa penutup blade, rasio gearbox 1:5. Pengujian dilakukan dengan cara mengganti panjang lengan , penutup dan rasio gearbox.. Berdasarkan hasil pengujian dari masing-masing variasi, diperoleh performansi terbaik berupa nilai rpm, tegangan, arus dan power coefficient paling baik pada saat menggunakan variasi IV yaitu 23.19 rpm, 4.6 Volt,5.61 mA dan 0.01 pada kecepatan angin 2 m/s. Kata kunci : wind turbine, performansi I.
II. TEORI PENUNJANG
PENDAHULUAN
Sistem konversi Energi Angin (SKEA) merupakan salah satu jenis energi terbarukan yang memanfaatkan angin sebagai sumber energinya. Karena sifatnya yang ramah lingkungan sumber energi angin mulai dikembangkan guna mengantisipasi terjadinya krisis energi. Dalam rangka pengembangan teknologi Sistem Konversi Energi Angin (SKEA), telah dilakukan banyak penelitian untuk menghasilkan sistem yang mampu bekerja secara optimal. Penelitian tersebut meliputi desain blade, variasi jumlah blade, dan variasi panjang lengan untuk menghasilkan torsi yang besar. Akan tetapi berdasarkan penelitian sebelumnya yang telah dilakukan oleh Moch. Arif Afifudin yang mengacu bagaimanakah menghasilkan putaran dan torsi yang maksimal, belum sampai pada tahap konversi energi ke listrik, dengan demikian seberapa besar nilai daya yang mampu dihasilkan oleh sistem tersebut belum diketahui. Untuk itu dalam tugas akhir ini dilakukan penelitian untuk membuat sistem yang mampu mengkonversi energi kinetik angin menjadi energi listrik berdasarkan desain turbin pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Moch. Arif Afifudin. Dalam penelitian ini dilakukan analisa performansi dari sistem yang mengacu pada nilai power coefficient yang dimiliki oleh wind turbine, korelasi antara kecepatan angin, rpm, tegangan dan arus yang dihasilkan untuk masingmasing variasi. Dari hasil penelitian yang dilakukan diharapkan mampu dijadikan sebagai acuan dalam penelitian selanjutnya selain itu juga diharapkan mampu menghasilkan suatu sistem yang ramah lingkungan dan dapat diaplikasikan untuk skala kecil di daerah yang belum tersentuh listrik.
1.
Proses Terjadinya Angin Angin adalah udara yang bergerak dari daerah bertekanan udara tinggi ke daerah yang bertekanan udara lebih rendah. Pergerakan udara ini disebabkan oleh rotasi bumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Jika udara dipanaskan akan memuai yang akhirnya naik karena menjadi lebih ringan. Jika udara yang dipanaskan naik, tekanan udara menjadi turun karena udara berkurang kerapatannya sehingga udara dingin di sekitarnya akan mengalir ke tempat yang bertekanan rendah tersebut.Udara lalu menyusut menjadi lebih berat dan turun ke tanah. Di atas tanah udara menjadi panas lagi dan kembali naik.[3] 2.
Faktor terjadinya angin Faktor terjadinya angin ada 4 tahap, yaitu Gradien barometris, lokasi, tinggi lokasi dan waktu.[6] 3.
Karakteristik angin Karakteristik angin meliputi profil geseran
angin, massa jenis angin, arah angin dan kekuatan angin. Ada dua jenis profil geseran angin yang biasa digunakan untuk menghitung energi, yaitu profil geseran angin eksponensial dan profil geseran angin kekasaran permukaan. Sedangkan untuk kerapatan angin umumnya memiliki nilai 1.225 kg/m3, arah angin bergerak dari daerah maksimum ke daerah minimum dan kekuatan angin adalah sebanding dengan kecepatannya.
1
mudah pecah atau lekas meleleh karena kandungan karbonnya.[6]
4.
Macam turbin angin Jika ditinjau dari porosnya, salah satu jenis wind turbine ( turbin angin) adalah Vertical Axis Wind turbine (VAWT), yaitu turbin dengan poros tegak. Kelebihan dari turbin jenis ini adalah konstruksinya sederhana, karakteristik starting yang cepat, dan mampu menerima angin dari segala arah sehingga tidak membutuhkan pengarah.[6]
b.
Main Shaft Berikut adalah perhitungan untuk menentukan shaft speed dan gaya torsinya Shaft speed 60.λ .v ………..……………...……....….(5)[2] π .D Torque v 2 .r 3 …..………………….…..……...…(6)[2]
5.
Komponen Turbin Angin Komponen dari sistem pembagkit listrik tenaga angin ini meliputi: a. Rotor Rotor merupakan kumpulan dari beberapa blade yang saling dihubungkan dengan lengan dan hub. Dimana rotor merupakan bagian yang menangkap energi kinetik angin. Daya yang dihasilkan rotor dari energi angin, dapat dihitung melalui persamaan berikut ini: P = 1/2 v3 r2………………...……..(1)[5] Dengan: P = Daya mekanik teoretical yang dihasilkan dari wind turbine (watt) = Massa jenis udara kering = 1,225 kg/m3 v = Kecepatan angin dalam m/s (meter per second). = 3.14 R = Jari-jari (setengah diameter) rotor dalam m (meter).
λ
Dengan :. λ = Tip speed ratio v = Kecepatan angin dalam m/s (pi) = 3.1415926535... D = Diameter blade (m) R = Jari-jari blade (m) c.
Main Bearings Semua wind turbine modern yang pernah dibuat pasti menggunakan spherical roller bearings sebagai bearing utamanya. Keadaan spherical ini maksudnya adalah di bagian dalam cincin terluar pada bearing dibentuk menyerupai bagian dari bola. Yang mana kelebihannya pada bagian cincin terluar dan terdalam bisa berputar bebas tanpa harus merusak bearing itu sendiri. Dan nantinya, main bearing tersebut akan dipasang pada rumahannya, untuk kemudian dibaut.[3]
Adapun persamaan diatas tanpa memperhatikan nilai power coefficient (Cp). Dimana menurut hukum betz, mengatakan bahwa, energi kinetik yang bisa dikonversi menjadi energi mekanik pada sebuah wind turbine adalah kurang dari 16/27 atau 59% saja. Sehingga didapatkan persamaan baru seperti berikut : P = 1/2 Cp v3 r2………….………...(2)[4] Dengan : Cp = Maximum power coefficient Untuk mendapatkan nilai tip speed ratio melalui persamaan: B = 80 / λ2....……………….……....….....(3)[2] Dengan :.. B = Jumlah blade λ = Tip speed ratio Setelah itu, dengan persamaan yang berbeda didapatkan lebar blade luar / blade tip (C), melalui persamaan berikut: C = 4D / (λ2 B)………………………….(4)[2]
d.
Gearbox Salah satu komponen paling penting dalam wind turbine adalah gearbox. Gearbox ini biasa diletakkan antara main shaft dan generator, dengan tujuan unuk menaikkan kecepatan rotasional dari rotor blades. Pada solusi praktis, melalui penggunaan gearbox dapat dikonversi antara kecepatan rotasional yang rendah dengan gaya torsi yang besar pada rotor wind turbine atau sebaliknya konversi antara kecepatan rotasional yang tinggi dengan gaya torsi yang kecil pada penggunaan generator. e.
a.
Hub Untuk menghubungkan antar blade, semua blade biasanya akan dibaut pada hub namun untuk beberapa kasus dilakukan juga pengelasan. Hub ini biasanya dibuat dari tipe spesial campuran strong iron, yang disebut tipe SG (Spherical Graphite). Hal ini dikarenakan oleh bentuk hub yang cukup rumit sehingga perlu dipergunakannya besi campuran. Selain itu besi murni juga mempunyai kelemahan seperti
2
Wind Turbine Tower Pada dasarnya, lebih banyak energi yang akan dihasilkan oleh wind turbine yang berskala besar daripada yang lebih kecil dimana pada wind turbine berskala besar akan menggunakan rotor yang besar, sehingga dari situ diperlukan pula tower dengan ketinggian yang harus lebih memadai. Adapun ketinggian wind turbine juga mempengaruhi daya angin yang bisa didapatkan, sehingga secara tidak langsung juga akan mempengaruhi performansi wind turbine secara keseluruhan. Tinggi tower memberikan pengaruh pada kenaikan performansi karena faktor ketinggian merupakan faktor yang mempengaruhi kecepatan angin. Karakteristik ketinggian tower dengan peningkatan daya angin yang dapat dilihat pada gambar 1.
a.
Perancangan Sistem Adapun skema blok diagram sistem konversi energi kinetik angin-mekanik-listrik dapat dilihat pada gambar 3 Rotor blade
Gambar
3
Gearbox
Generator DC
Tegangan dan arus DC
Blok Diagram Sistem Konversi EnergiKinetik-Angin-Mekanik-Listrik
•
Rotor blade Turbin yang digunakan merupakan turbin jenis poros vertikal dengan jumlah blade 5. Model blade adalah darieus tipe straight-blade,dengan variasi panjang lengan 48 cm dan 170 cm. Material blade adalah aluminium. Data rpm dan torsi yang dihasilkan untuk beberapa variasi kecepatan angin dapat dilihat pada tabel 1. Adapun data-data yang diperlihatkan pada tabel 1 adalah data hasil pengukuran secara langsung dari turbin yang akan digunakan. Data diambil pada kecepatan 1.5 – 2.5 m/s dikarenakan pada saat pengambilan data, frekuensi angin yang berhembus terbanyak adalah pada range tersebut.
Gambar 1 Karakteristik ketinggian tower (ft) dengan peningkatan daya angin yang dapat dioptimalkan (%)[2] Gambar 1merupakan hubungan antara ketinggian tower dengan peningkatan performa wind turbine, artinya daya angin yang dapat dioptimalkan oleh sebuah wind turbine. f.
Generator Generator adalah unit pada wind turbine yang merubah energi mekanik menjadi energi listrik. Untuk menentukan spesifikasi generator yang akan dipergunakan dalam desain wind turbine, dapat dipergunakan persamaan berikut : D = [ P ( 47λ / RPM )3 ] 0,2………….......(7)[2] Dengan : D = Diameter blade (m) P = Daya listrik yang dibutuhkan (Watt) λ = Tip speed ratio RPM = Jumlah putaran yang memungkinkan dari generator
Tabel 1 Data Rpm Turbin Untuk Variasi Kecepatan Angin No Kec angin (m/s) panjang lengan 48 cm Rpm Torsi (Nm) 1 1.5 15.43 0.15 2 2 17.75 0.19 3 2.5 22.98 0.26 •
III. PERANCANGAN SISTEM
Generator Generator yang digunakan dalam sistem ini adalah generator DC permanent magnetic.Generator yang digunakan adalah second sehingga untuk mengetahui nilai tegangan dan arus yang dihasilkan dilakukan pengukuran lagi. Pengukuran dilakukan dengan cara menyinggungkan generator pada motor, kemudian motor diputar dan dicatat nilsi tegangan dan arus yang dihasilkan generator untuk putaran tertentu.Pada pengukuran ini dilakukan pembebanan berupa power resistor dan diperoleh hasil bahwa generator mampu menghasilkan tegangan 15 Volt untuk putaran 200 rpm.
1 Algoritma pengerjaan mulai Studi literatur Pengambilan data kecepatan angin, torsi dan rpm turbin Perancangan sistem konversi energi kinetikmekanik- listrik Pengumpulan komponen dan perakitan alat Pengambilan data rpm, tegangan dan arus Analisa Penyusunan laporan
selesai
Gambar 2 Diagram Alir Pengerjaan penelitia
Gambar 4 Generator DC 3
•
Sesuai dengan persamaan bahwa nilai torsi adalah sebanding dengan nilai gaya dikali dengan panjang lengan maka jika diasumsikan besarnya gaya adalah tetap, maka besarnya torsi akan meningkat seiring dengan peningkatan nilai panjang lengan. Oleh karena itu dalam perancangan ini digunakan lengan 48 cm sebagai acuan sebab eksperimen ini dilakukan untuk mengetahui keluaran listrik dari turbin yang telah dirancang sebelumnya, baik untuk lengan 48 ataupun lengan 170 cm. karena jika pada lengan 48 bisa berputar maka pada lengan 170 cm juga pasti dapat berputar karena nilai torsi yang lebih besar. Sebagai hasilnya dalam perancangan ini digunakan rasio gearbox 1:5 dan 2:7 sebagai pembanding. Rasio 2:7 dipilih sebagai pembanding karena nilainya tidak jauh dari rasio 1:5. Dalam perancangan ini digunakan sistem transmisi berupa pulley dan V belt yang ditunjukkan oleh gambar 6
Gearbox Gearbox merupakan salah satu komponen paling penting dalam wind turbine. Gearbox diletakkan antara main shaft dan generator. Melalui penggunaan gearbox dapat dikonversi antara kecepatan rotasional yang rendah dengan gaya torsi yang besar pada rotor wind turbine sehingga generator dengan torsi yang kecil dapat berputar dengan kecepatan rotasional yang tinggi. Dalam menentukan rasio gearbox hal yang perlu diperhatikan adalah karakteristik dari sistem wind turbine pada kecepatan tertentu yang berupa nilai torsi dan rpm. Nilai torsi dan rpm adalah berlawanan. Namun dalam merancang nilai tersebut harus diimbangkan. Dasar penentuan rasio ini adalah berdasarkan nilai torsi minimal yang dimiliki oleh generator agar mampu berputar dan torsi yang dimiliki oleh turbin pada saat range kecepatan minimum. Torsi dan rpm dari turbin telah diketahui dari pengukuran, setelah itu diukur torsi minimum yang diperlukan generator agar dapat berputar. Metode pengukuran torsi generator a. Menyusun peralatan seperti gambar
Gambar 6.a Pulley Generator
Gambar 6.b Pulley Main Shaft
Gambar 5 Teknik Pengukuran Torsi Generator Gambar 6.c Sistem Transmisi Vbelt b.
Tarik tali yang dililitkan pada generator secara perlahan sampai kedua multimeter bergerak dan skala timbangan bergeser. c. Pergeseran skala timbangan adalah dalam satuan kilogram.
IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 1.
Data Distribusi Kecepatan Angin Data distribusi kecepatan angin tiap waktu dan tiap harinya dapat dilihat pada grafik 1 dan grafik 2.
Tabel 2 Spesifikasi torsi generator
Data ke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
M (kg) 0.200 0.170 0.160 0.170 0.150 0.170 0.210 0.120 0.150 0.130
F= m g (N) 1.960 1.660 1.570 1.670 1.470 1.670 2.060 1.180 1.470 1.270 rata-rata
Analisa Data
T=Fr (Nm) 0.045 0.038 0.036 0.038 0.034 0.038 0.047 0.027 0.034 0.029 0.037
Grafik 1 Distribusi kecepatan angin tiap waktu
4
Grafik 3 Kecepatan Angin Vs Rpm Pada Variasi I
Grafik 2 Distribusi kecepatan angin tiap hari Dari grafik tersebut dapat diketahui bahwa kecepatan angin minimum berada pada range 0.1-1 m/s, kecepatan angin maksimum berada pada range 5.1-6 m/s. Distribusi kecepatan terbanyak adalah pada kecepatan 2-4 m/s dengan waktu paling efektif adalah pada jam 12.00-14.00.
Perancangan sistem Dalam penelitian ini dirancang sistem konversi energi dari energi kinetik angin ke energi listrik dengan menambahkan gearbox dan generator. Generator yang digunakan merupakan generator yang digunakan pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Dimas firmanda. Berdasarkan pengukuran, generator yang digunakan mempunyai nilai torsi minimum untuk berputar 0.037 Nm dan mampu menghasilkan tegangan 30-45 Volt untuk putaran 200300 rpm (tanpa beban). Oleh karena itu penentuan rasio gearbox didasarkan pada karakteristik turbin sebelumnya yaitu sistem wind turbine dengan panjang lengan 48 cm dan jumlah blade 5 yang mempunyai nilai torsi 0.19 Nm pada saat kecepatan angin 2 m/s sehingga diperoleh nilai rasio maksimum yang diijinkan adalah 1:5 pada saat kecepatan angin 2 m/s. Dalam merancang rasio gearbox ini hal yang harus diperhatikan adalah kesesuaian nilai torsi dan rpm generator dan turbin.
Grafik 4 Kecepatan Angin Vs Tegangan Dan Arus Pada Variasi I
Grafik 5 Kecepatan Angin Vs Rpm Pada Variasi II
Data RPM, tegangan dan arus untuk setiap variasi. Eksperimen ini dilakukan dengan menggunakan enam variasi, dan agar lebih mudah untuk ke belakangnya maka ditetapkan bahwa: Variasi I Variasi II Variasi III Variasi IV Variasi IV Variasi IV
Grafik 6 Kecepatan Angin Vs Tegangan Dan Arus Pada Variasi II
:Lengan 48 cm, tanpa penutup, rasio gearbox 2:7 :Lengan 48 cm, tanpa penutup, rasio gearbox 1:5 :Lengan 48 cm, dengan penutup, rasio gearbox 2:7 :Lengan 48 cm, dengan penutup, rasio gearbox 1:5 :Lengan 170 cm, tanpa penutup, rasio gearbox 2:7 :Lengan 170 cm, tanpa penutup, rasio gearbox 1:5
Grafik 7 Kecepatan Angin Vs Rpm Pada Variasi III Adapun data hasil eksperimen yang berupa rpm, tegangan dan arus dapa dilihat pada grafik dibawah.
5
Grafik 8 Kecepatan Angin Vs Tegangan Dan Arus Pada Variasi III
Grafik 13 Kecepatan Angin Vs Rpm Pada Variasi VI
Grafik 9 Kecepatan Angin Vs Rpm Pada Variasi IV
Grafik 14 Kecepatan Angin Vs Tegangan Dan Arus Pada Variasi VI
Grafik 10 Kecepatan Angin Vs Tegangan Dan Arus Pada Variasi IV
Grafik 15 Perbandingan Nilai Rpm Setiap Variasi
Grafik 16 Perbandingan Nilai Tegangan Setiap Variasi
Grafik 11 Kecepatan Angin Vs Rpm Pada Variasi V
Grafik 12 Kecepatan Angin Vs Tegangan Dan Arus Pada Variasi V
Grafik 17 Perbandingan Nilai Arus Setiap Variasi 6
menghasilkan torsi awal untuk berputar lebih kecil pula, oleh karenanya pada kecepatan rendah mampu menghasilkan putaran yang lebih besar sedangkan untuk kecepatan yang lebih tinggi nilai rpm menunjukkan nilai yang hampir sama yaitu hanya memiliki selisih rata-rata 0.17. Hal ini dikarenakan pada kecepatan yang tinggi nilai torsi yang dihasilkan oleh turbin telah mampu memenuhi torsi minimal yang diinginkan oleh sistem, sehingga rpm yang dihasilkan relatif sama. Performansi rpm terburuk pada saat kecepatan angin 2 m/s adalah dengan menggunakan variasi V yaitu dihasilkan nilai rpm 3.89. Nilai rpm yang kecil ini disebabkan oleh nilai lengan yang besar yaitu 170 cm yang menyebabkan luas daerah sapuan besar sehingga nilai rpm kecil. Pada variasi ini turbin sangat sulit berputar karena cenderung tidak seimbang, dan antar turbin yang satu dengan yang lain pergerakannya saling menghambat karena adanya turbulensi yang cukup tinggi. Pada variasi V dan VI rpm yang dihasilkan hampir sama dengan selisih ratarata adalah 0.006, hal ini disebabkan turbin dengan panjang lengan 170 cm mempunyai nilai torsi yang lebih besar dari torsi minimal yang dibutuhkan oleh turbin untuk berputar. Selain besaran-besaran fisis diatas faktor lingkungan juga turut menentukan nilai rpm dari turbin,misalnya saja adalah arah angin berhembus. Hal ini sangat berpengaruh sebab dilokasi pemasangan terdapat pohon-pohon dan bangunan yang mungkin bisa menghambat laju angin tergantung dari arah mana angin datang.
Berdasarkan grafik diketahui bahwa performansi terbaik berupa rpm untuk kecepatan angin 2 m/s dimiliki oleh variasi III yang mampu menghasilkan putaran 24.32 rpm. Performansi berupa nilai tegangan dan arus terbaik dimiliki oleh variasi IV yaitu pada saat kecepatan angin 2 m/s diperoleh nilai tegangan dan arus sebesar 4.6 V dan 5.61 mA. Sedangkan performansi terburuk berupa rpm pada kecepatan 2 m/s dimiliki oleh variasi V. Performansi terburuk berupa nilai tegangan dan arus dimiliki oleh variasi V yaitu pada kecepatan 2 m/s hanya mampu dihasilkan tegangan 0.61 V dan arus 0.73 mA. Dari grafik juga dapat disimpulkan untuk sistem yang sama dengan rasio gearbox yang berbeda, maka sistem dengan rasio gearbox yang lebih kecil akan mampu menghasilkan putaran yang lebih besar untuk kecepatan angin rendah. Hal ini dikarenakan torsi awal yang diperlukan lebih kecil daripada sistem dengan menggunakan rasio gearbox yang lebih besar. 2
Pembahasan
Pembahasan nilai rpm Performansi rpm terbaik pada kecepatan angin 2 m/s dimiliki oleh variasi III yaitu 24.32 rpm. Menurut persamaan 5 diketahui bahwa rpm merupakan fungsi dari kecepatan angin, jumlah blade, dan dimensi blade yang dalam hal ini adalah jari-jari blade. Pada variasi III digunakan turbin dengan panjang lengan 48 cm dan jumlah blade 5, dimana panjang lengan ini akan mempengaruhi luas daerah sapuan, jika panjang lengannya semakin besar maka luas daerah sapuan juga akan besar oleh karenanya dihasilkan nilai rpm yang kecil demikian sebaliknya. Oleh karena pada sistem ini digunakan panjang lengan 48 cm dan jumlah blade 5 maka jumlah angin yang diterima oleh turbin juga akan semakin banyak dengan daerah sapuan yang lebih sempit sehingga dihasilkan putaran yang lebih besar. Selain itu pada sistem ini juga digunakan penutup blade yang berfungsi untuk menutupi sebagian blade agar blade yang lain dapat menerima distribusi angin yang lebih banyak tanpa terganggu oleh gerakan dari blade yang ditutupi. Dengan ditambahkannya penutup ini sebagian blade yang semula menghambat gerakan dari blade yang lain akan tertutupi sehingga tidak mengganggu pergerakan blade yang lain. Dengan demikian turbin akan mampu berputar lebih cepat. Variasi III dan IV adalah menggunakan panjang lengan yang sama dan penutup yang sama yaitu 48 cm dan penutup seperempat lingkaran, hanya saja pada masing-masing variasi digunakan rasio gearbox yang berbeda. Berdasarkan grafik 15 terlihat bahwa untuk kecepatan angin yang rendah, sistem dengan rasio gearbox yang lebih kecil akan mampu menghasilkan putaran yang lebih besar, selisih putaran yang dihasilkan adalah 1.79 untuk kecepatan angin 1 m/s, 2.77 untuk kecepatan 1.5 m/s dan 1.13 pada saat kecepatan angin 2m/s. Hal ini dikarenakan sistem dengan rasio gearbox yang lebih kecil akan
Pembahasan nilai tegangan dan arus Nilai tegangan dan arus sangat bergantung pada nilai rpm, kenaikan nilai rpm akan diikuti oleh kenaikan nilai tegangan dan arus karena jika rpm turbin meningkat maka rpm pada generator juga akan meningkat. Hubungan antara tegangan dan arus dikaitkan dalam sebuah persamaan dimana dalam persamaan tersebut nilai tegangan adalah sebanding dengan arus dikali dengan hambatan, sehingga dapat disimpulkan bahwa untuk nilai hambatan yang konstan maka arus akan naik seiring dengan nilai tegangan. Berdasarkan grafik 16 dan 17 performansi berupa tegangan dan arus terbaik pada kecepatan 2m/s adalah variasi IV, hal ini disebabkan karena variasi ini menghasilkan putaran yang relatif sama besar dengan variasi III akan tetapi variasi IV menggunakan nilai rasio gearbox yang lebih besar sehingga tegangan dan arus yang dihasilkan juga akan lebih besar. Performansi terburuk tegangan dan arus pada kecepatan 2 m/s terjadi pada variasi V, hal ini disebabkan meskipun variasi V mampu menghasilkan putaran yang relatif sama dengan variasi VI namun rasio gearbox yang digunakan lebih kecil sehingga rpm yang diterima oleh generator akan lebih kecil dengan demikian tegangan dan arus yang dihasilkan juga kecil. 7
Pembahasan nilai power coefficient Daya adalah energi per satuan waktu. Daya angin berbanding lurus dengan kerapatan udara, dan kubik kecepatan angin, seperti diungkapkan dengan persamaan 2. Dari persamaan 2diatas dapat disimpulkan bahwa daya listrik yang dihasilkan sebuah kincir angin dipengaruhi oleh kecepatan angin dan luas daerah sapuan kincir. Sehingga semakin besar nilai kedua variabel tersebut maka semakin besar daya listrik yang dihasilkan. Akan tetapi daya angin maksimum yang dapat diekstrak oleh turbin angin dengan luas sapuan rotor A adalah sekitar 16/27 atau 59.3% saja. Angka 59.3 adalah efisiensi maksimum yang mampu dihasilkan oleh system wind turbine. Oleh karena itu disini dilakukan analisa power coefficient yang yang dimiliki oleh turbin. Analisa ini perlu dilakukan untuk mengetahui pada kondisi seperti apakah turbin dapat bekerja secara maksimum yang ditunjukkan oleh nilai power coefficient yang tinggi. Nilai Cp ini diperoleh dengan cara membandingkan nilai daya elektrik real dengan nilai daya elektrik teoritis. Untuk perhitungan daya elektrik secara teoritis diasumsikan bahwa efisiensi transmisi adalah 80 % sedangkan efisiensi generator adalah 90% sesuai dengan asumsi pada penelitian sebelumnya yaitu penelitian yang dilakukan oleh dimas firmanda. Dari perhitungan Cp diketahui bahwa nilai Cp terbaik diperoleh pada saat turbin menggunakan penutup blade, dengan rasio gearbox 1:5 pada saat kecepatan angin 2 m/s yaitu sebesar 0.0101. Artinya pada saat kecepatan angin 2 m/s maka power electric yang mampu diekstraksi dario wind turbine adalah sebesar 1.01 %. Nilai ini sangat kecil sekali, hal ini dimungkinkan karena untuk sistem wind turbin dengan panjang lengan 48 cm mempunyai nilai torsi yang kecil sehingga rasio gearbox yang diijinkan juga kecil, oleh karenanya generator tidak dapat bekerja dengan baik karena rpm yang diterima kurang dari rpm range kerjanya.
Grafik 18 perkiraan daya Dengan mengacu pada nilai diatas, dengan menggunakan variasi tersebut dan diasumsikan angin berhembus selama 10 jam setiap hari maka daya ratarata yang mampu dihasilkanper hari adalah 550.29 mWatt. V. 1.
Analisa daya Berdasarkan eksperimen dan perhitungan yang telah dilakukan diperoleh nilai daya paling besar yang dihasilkan adalah pada saat menggunakan variasi lengan 48 cm, rasio 1:5 dengan penutup blade.Adapun hasil perhitungannya terlihat pada tabel 3 berikut. Tabel 3 Analisa daya V (Volt)
I (mA)
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
0.00 0.00 0.12 0.87 4.6 5.7 6.7 7.12 7.29
0.00 0.00 0.14 1.02 5.61 6.79 8.12 8.54 9.25
Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: Rancangan sistem wind turbine dengan panjang lengan 48 cm, rasio gearbox 1:5 dan menggunakan penutup blade yang berbentuk seperempat lingkaran mampu menghasilkan daya elektrik sebesar 25.8 mWatt pada saat kecepatan angin 2 m/s. Nilai Cp terbaik dari sistem wind turbine diperoleh pada saat menggunakan variasi IV yaitu sebesar 0.0101 pada saat kecepatan angin 2 m/s. Performansi berupa RPM, tegangan dan arus terbaik diperoleh pada saat menggunakan variasi IV yaitu 23.19 rpm, 4.6 Volt dan 5.61 mA pada saat kecepatan angin 2 m/s.
v (m/s)
KESIMPULAN DAN SARAN
2.
Saran
Sebaiknya dilakukan penelitian untuk mengetahui daya elektrik yang dihasilkan dengan mengacu pada karakteristik turbin dengan panjang lengan 170 cm sebab mempunyai performansi torsi yang baik dan memungkinkan penggunaan gearbox dengan rasio yang besar.
Daya (mWatt) 0.00 0.00 0.02 0.89 25.81 38.70 54.40 60.80 67.43
Hasil tersebut juga dapat ditampilkan dalam grafik 18 dibawah 8
DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Afifuddin, Moch. Arif, 2009. Studi Experimental Performansi Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) Dengan Variasi Desain Turbine. Teknik Fisika-FTI-ITS: Surabaya Firmanda, Dimas, 2008, Studi Experimental Sistem Pembangkit Listrik Hibrida PVWIND off grid skala kecil, Teknik FisikaFTI-ITS : Surabaya Hanin, Wildan,2008, Perancangan Turbin Angin sebagai Bagian Dari Sistem Pembangkit Listrik Di Kapal, sistem Perkapalan-FTK-ITS : Surabaya Johnson, Gary L. 2001. Wind Energy Systems,
. Polinder, Henk, dkk, 2003, Basic Operation Principles and Electrical Conversion Systems of Wind Turbine, Jurnal IEEE. Prasetya, Arief Pajar , 2008, Uji Performansi Vertical Axis Wind Turbine tiga dan lima blade, Teknik Fisika-FTI-ITS : Surabaya
BIODATA PENULIS Nama TTL Alamat
: Citra Resmi : Tuban, 9 Januari 1988 : Keputih III No.25 Surabaya Email : [email protected] Riwayat Pendidikan : SDN Gedong ombo VI (1994 -2000) SLTPN 6 Tuban (2000- 2003) SMAN 3 Tuban (2003-2006) S1 Teknik Fisika (2006-sekarang)
9
