LAPORAN PENELITIAN

PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA

BAYU 400 WATT TIPE HORIZONTAL AXIS DENGAN

GENERATOR TIGA FASA

Tim Peneliti :

Joko Kuncoro, S.T., M.T Ketua Asepta Surya W., S.T., M.T Anggota M. Zaky Zaim M, ST., M.Eng Anggota

KEMENTERIAN ENERGI DAN SUMBER DAYA MINERAL REPUBLIK INDONESIA

BADAN PENDIDIKAN DAN PELATIHAN ENERGI DAN SUMBER DAYA MINERAL

PERGURUAN TINGGI KEDINASAN AKADEMI MINYAK DAN GAS BUMI

CEPU

2013

DAFTAR ISI

BAB I PENDAHULUAN ..... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ............................................ 1

1.2 Tujuan dan Manfaat ............................. 1

1.3 Sistematika Penulisan .............................. 2

BAB II LANDASAN TEORI ........ 3

2.1 Energi Angin ...................................................................... 3

2.1.1 Energi Kinetik Angin ................................................... 3

2.1.2 Daya Energi Angin .......................... 4

2.2 Turbin Angin................................................................................................... 5

2.2.1 Kincir Angin Horizontal .......................................................... 6

2.2.2 Kincir Angin Vertikal ....................................................................... 7

2.3 Generator ........................................................................................................ 8

BAB III PERANCANGAN TURBIN ANGIN ........................................................... 11

3.1 Pendahuluan ................................. 11

3.2 Pemilihan Generator ......................................... 12

3.3 Pemilihan Stator dan Rotor............................................................................. 13

3.4 Penggulungan Kumparan pada Stator ........................................................... 14

3.5 Pemasangan Stator dan Rotor......................................................................... 18

3.6 Sistem Kendali ............................................................................................... 20

3.6.1 Sudu ......................................................................................... 21

3.6.2 Ekor ................................................................................................. 21

3.6.3 Yaw Mekanisme ...................................................................... 22

3.6.4 Sistem Pengereman ........................................................................ 23

BAB IV IMPLEMENTASI DAN PENGUJIAN GENERATOR............................... 25

4.1 Metode Pengumpulan Data ..................................... 25

4.2 Pengujian Laboratorium ...................................... 25

4.3 Pengujian Lapangan........................................................................................ 28

BAB V KESIMPULAN ......................................................... 35

BAB VI DAFTAR PUSTAKA .................. 36

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Kerapatan Sudu ...................................................................................... 5

Gambar 2.2. Komponen Utama Turbin Angin Sumbu Horizontal ............................. 7

Gambar 2.3. Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal ...................................................... 8

Gambar 2.4. Konstruksi Generator ............................................................................. 8

Gambar 2.5. Kaidah Tangan Kanan Fleming ............................................................. 9

Gambar 3.1 Bagan Alir Tahapan Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin .......... 12

Gambar 3.2. Alur Kumparan dalam Stator ................................................................. 13

Gambar 3.3. Kerangka Luar Stator ............................................................................. 13

Gambar 3.4. Rotor Generator ...................................................................................... 14

Gambar 3.5. Metode Gulungan pada Stator ................................................................ 15

Gambar 3.6. Tahap Penggulungan Phase R ................................................................ 15

Gambar 3.7. Tahap Penggulungan Akhir .................................................................... 16

Gambar 3.8. Pengukuran Resistansi setiap Phase. ...................................................... 16

Gambar 3.9. Pengukuran Resistansi antar Phase. ........................................................ 17

Gambar 3.10. Pengukuran Resistansi antar Phase setelah dipasang Isolator .............. 17

Gambar 3.11. Memasukkan Alur Pada Kerangka Stator ............................................ 18

Gambar 3.12. Alur terpasang pada Stator ................................................................... 18

Gambar 3.13. Pemasangan Kabel AC dan DC pada Penyearah ................................. 19

Gambar 3.14. Pemasangan Rotor pada Kerangka Stator. ........................................... 19

Gambar 3.15. Pemasangan Penutup Depan Generator ............................................... 20

Gambar 3.16. Desain Sudu Generator Tampak Samping dan Depan ......................... 21

Gambar 3.17. Desain Ekor Generator ......................................................................... 22

Gambar 3.18. Yaw Mekanisme .................................................................................. 23

Gambar 3.19. Mekanisme Pengereman dengan Mengubah Posisi Ekor .................... 24

Gambar 4.1. Peralatan Uji Laboratorium ................................................................... 25

Gambar 4.2. Grafik Tegangan terhadap Kecepatan .................................................... 27

Gambar 4.3. Grafik Arus terhadap Kecepatan ............................................................ 27

Gambar 4.4. Hasil Pengukuran Tegangan dan Arus pada beban 40 Watt .................. 28

Gambar 4.5. Proses Pemasangan Generator pada Tower ........................................... 28

Gambar 4.6. Alat Pengukur Kecepatan Angin ........................................................... 29

Gambar 4.7. Grafik Tegangan terhadap Kecepatan .................................................... 32

Gambar 4.8. Grafik Arus terhadap Kecepatan ............................................................ 32

Gambar 4.9. Grafik Prediksi Arus Generator terhadap Kecepatan Angin .................. 33

Gambar 4.10. Pengukuran Pengujian Lapangan. ........................................................ 34

Gambar 4.11. Pengujian dengan Beban 35 W dan 70 W. ........................................... 34

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Pengujian Generator Tanpa Beban............................................................... 26

Tabel 4.2 Pengujian Generator Beban 40 Watt............................................................ 26

Tabel 4.3 Pengujian Generator Tanpa Beban............................................................... 29

Tabel 4.4 Pengujian Generator Beban 35 Watt................................................................ 30

Tabel 4.5 Pengujian Generator Beban 70 Watt................................................................ 31

Tabel. 4.6 Prediksi Arus Geneartor terhadap Kecepatan Angin................................. 33

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Dewasa ini, penggunaan energi terutama energi listrik diperlukan sekali oleh

masyarakat yang sudah maju maupun yang sedang berkembang dalam jumlah yang besar,

namun diusahakan dengan biaya serendah mungkin. Banyak sekali energi alternatif dari alam

terutama di Indonesia yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik. Salah satu contoh

alternatif energi yang dapat dipilih adalah angin, karena angin terdapat dimana-mana

sehingga mudah didapat serta tidak membutuhkan biaya besar. Karena energi listrik tidak

dihasilkan langsung oleh alam maka untuk memanfaatkan angin ini diperlukan sebuah alat

yang yang bekerja dan menghasilkan energi listrik. Alat yang dapat digunakan adalah kincir

angin. Kincir angin ini akan menangkap energi angin dan menggerakkan generator yang

nantinya akan menghasilkan energi listik. Kincir angin yang penulis gunakan adalah kincir

angin bersudu banyak dengan poros horisontal. Kincir ini dapat ditingkatkan efisiensinya

untuk mendapat koefisien daya yang maksimal. Salah satunya dengan penggunaan magnet

permanen. Generator Magnet Permanen (PGM), mesin listrik pada dasarnya adalah suatu

peralatan yang digunakan untuk konversi energi, yaitu dari energi mekanik menjadi energi

listrik, energi listrik menjadi energi mekanik, atau dari energi listrik ke energi listrik dalam

level tegangan yang lain. Fungsi ini sangat erat kaitannya dengan medan magnet sebagai

medium dalam proses pengubahan energi.

Generator sinkron (alternator) adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah

daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga

phase atau generator sinkron satu phase tergantung dari kebutuhan. Secara garis besar,

generator memiliki 2 komponen utama yaitu stator dan rotor yang menentukan jenis dan

karakteristik generator. Rotor terbuat dari besi karbon yang ditempatkan magnet permanen

(NdFeB) pada permukaannya. Rotor generator diputar oleh prime mover menghasilkan

medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini menginduksi tegangan tiga

phase pada kumparan stator generator.

1.2 Tujuan dan Manfaat

Tujuan :

1. Mengaplikasikan kincir angin sebagai penggerak mula generator.

2. Menguji kemampuan generator dalam menghasilkan listrik.

2

3. Menganalisa pengaruh kecepatan angin dengan besarnya daya listrik yang dihasilkan

generator.

Manfaat :

1. Bagi Dosen, dapat dijadikan sebagai media untuk penelitian dan pengembangan

dengan skala yang lebih besar lagi.

2. Bagi Mahasiswa, dapat memahami mengenai kegunaan turbin angin sebagai

pembangkit tenaga listrik dan sebagai sarana praktek di kampus.

3. Bagi Pemerintah, dapat dijadikan sebagai masukan referensi untuk pembangkit listrik

tenaga angin dan dimanfaatkan untuk kepentingan masyarakat Indonesia.

1.3 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan dalam penelitian ini adalah:

a. BAB I berisi tentang latar belakang, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika

penulisan.

b. BAB II berisi landasan teori yang membahas, energi angin, turbin angin.

c. BAB III berisi metodologi penelitian yang membahas tentang waktu dan lokasi penelitian,

alat, tahap implementasi, pengujian dan teknik analisa data, di mana bab ini merupakan

langkah yang digunakan untuk membahas bab berikutnya.

d. BAB IV membahas tentang hasil penelitian dan analisanya sesuai dengan urutan masalah

yaitu membahas tentang hasil pengujian dan unjuk kerja dari generator

e. BAB V berisi kesimpulan dan saran

f. BAB VI berisi daftar pustaka

3

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Energi Angin

Salah satu energi terbarukan yang berkembang pesat di dunia saat ini adalah energi

angin. Energi angin merupakan energi terbarukan yang sangat fleksibel. Energi angin dapat

dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya pemompaan air untuk irigasi, pembangkit

listrik, pengering atau pencacah hasil panen, aerasi tambak ikan/udang, pendingin ikan pada

perahu-perahu nelayan dan lain-lain. Selain itu, pemanfaatan energi angin dapat dilakukan di

mana-mana, baik di daerah landai maupun dataran tinggi, bahkandapat di terapkan di laut,

berbeda halnya dengan energi air.

Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat sehingga zat tersebut

mempunyai pengaruh pada keadaan sekitarnya. Menurut mediumnya dikenal banyak jenis

energi antaranya, energi gelombang, energi arus laut, energi kosmos, energi yang terkandung

pada senyawa atom, dan energi-energi lain yang bila dimanfaatkan akan berguna bagi

kehidupan manusia. Salah atunya adalah energi angin yang jumlahnya sangat tak terbatas dan

banyak dimanfaatkan untuk meringankan kerja manusia. Angin memberikan energi gerak

sehingga mampu menggerakkan kincir angin, perahu layar, dan bahkan bisa dimanfaatkan

untuk pembangkit listrik yang berupa turbin angin.

Keberadaan energi angin ini terdapat di atsmosfer atau lapisan udara bumi yang

mengandung banyak partikel udara dan gas. Kondisi atmosfer atau lapisan udara yang

menyelimuti bumi mengandung berbagai macam molekul gas dan terdiri daribeberapa

lapisan. Lapisan atmosfer yang paling rendah berupa troposfer. Lapisan troposfer sangat

tipisbila dibandingkan dengan diameter bumi. Bumi memiliki diameter sekitar 12.000 km

lebih besar dibandingkan troposfer yang memiliki ketebalan sekitar 11 km. Pada lapisan

troposfer, semua peristiwa cuaca termasuk angin terjadi.

2.1.1 Energi Kinetik Angin

Bentuk energi yang terdapat pada angin yang dapat diekstraksi oleh turbin angin

adalah energi kinetiknya. Angin adalah massa udarayang bergerak. Besarnya energi yang

terkandung pada angin bergantung pada besarnya kecepatan angin dan massa jenis angin atau

udara yang bergerak tersebut. Jika diformulasikan, besar energi kinetik yang terkandung pada

angin atau udara bergerak yang bermassa m dan berkecepatan v adalah:

dimana:

4

E = . m . V2

E = Energi Kinetik (joule)

m = massa udara (kg)

V = kecepatan angin (m/s)

Energi kinetik yang terdapat pada angin berbanding lurus dengan massa jenis udara () dan

berbanding lurus dengan kuadrat dari kecepatannya.

2.1.2 Daya Energi Angin

Daya angin adalah daya (watt) yang dibangkitkan oleh angin tiap luasan, sehingga

daya angin dapat digolongkan sebagai energi potensial. Pada dasarnya daya angin merupakan

angin yang bergerak per satuan waktu sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :

Daya = kerja / waktu

= energi kinetik / waktu

= . m . V2/ t

= .(.A.d.).V2/t

= . . A . V2 .(d/t) d/t = V

= . . A . V3

Beberapa hal yang harus diingat :

a. Daerah sapuan (A) = . R2(m2) daerah dari sapuan berbentuk lingkaran oleh rotor.

b. = kerapatan udara = 1,2 kg/m3

Contoh perhitungan daya yang terdapat di angin :

Daya angin = . . A .V3

Kecepatan angin = V = 5 meters (m) per second (s), m/s

Kerapatan udara = = 1,0 kg/m3

Jari jari sudu = R = 0,2 m = daerah sapuan = A = 0,125 m2

Daya angin = . . A .V3

= (0,5) . (1,0) . (0,125) . (5)3

= 7,85 Watt

Satuan energi = (kg/m3)x (m

2)x (m

3/s

3)

= (kg-m)/s2x m/s

= N-m/s = Watt

5

Gambar 2.1. Kerapatan Sudu

2.2 Turbin Angin

Turbin angin merupakan salah satu alat yang mekanisme geraknya memanfaatkan

energi angin. Banyak pemakaian turbin angin, khususnya di negara yang sudah berkembang,

digunakan untuk menghasilkan listrik. Turbin angin yang digunakan dapat menghasilkan

kapasitas listrik yang cukup tinggi yaitu mencapai ratusan megawatt. Adapun di negara

berkembang, penggunaan turbin angin berada dalam skala riset. Hal ini dikarenakan

teknologi yang berada di negara tersebut masih dalam tahap pengembangan untuk

menghasilkan sebuah turbin angin yang bagus. Oleh karena itu, untuk riset turbin angin akan

dicari sebuah desain dan bahan beserta analisanya untuk membuat turbin angin yang lebih

baik dari sebelumnya.

Turbin angin adalah alat yang berfungsi untuk mengubah energi kinetik angin

menjadi energi gerak berupa putaran rotor dan poros generator untuk menghasilkan energi

listrik. Energi gerak yang berasal dari angin akan diteruskan menjadi gaya gerak dan torsi

pada poros generator yang kemudian dihasilkan energi listrik. Turbin angin merupakan mesin

penggerak yang energi penggeraknya berasal dari angin. Berdasarkan arah sumbu geraknya,

turbin angin terbagi menjadi 2, yaitu: turbin angin sumbu horizontal dan vertikal. Sedangkan

berdasarkan prinsip gaya aerodinamik yang terjadi, turbin angin dibagimenjadi 2, yaitu jenis:

lift dan drag. Pengelompokan berdasarkan prinsip aerodinamik pada rotor yang dimaksud

adalah apakah turbin angin menangkap energi angin dengan hanya memanfaatkan gaya drag

6

dari aliran udara yang melalui rotor atau memanfaatkan gaya lift yang dihasilkan dari aliran

udaya yang melalui bentuk aerodinamis sudu. Dapat dikatakan terdapat turbin angin yang

menggunakan rotor jenis drag dan turbin angin yang memanfaatkan rotor jenis lift. Dua

kelompok ini memiliki perbedaan yang jelas pada kecepatan putar rotornya. Rotor turbin

angin jenis drag berputar dengan kecepatan putar rendah sehingga disebut juga turbin angin

putaran rendah. Rotor turbin angin jenis lift pada umumnya berputar padakecepatan putar

tinggi bila dibandingkan dengan jenis drag sehingga disebut jugasebagai turbin angin putaran

tinggi.

Turbin angin digolongkan menjadi dua kelompok berdasarkan arah sumbu geraknya

yaitu turbin angin sumbu vertikal dan turbin angin sumbu horizontal. Turbin angin sumbu

vertikal memiliki sumbu putar yang arahnya tegak lurus dengan tanah, sedangkan turbin

angin sumbu horizontal memiliki sumbu putar yang sejajar dengan tanah. Setiap jenis turbin

angin memiliki perancangan, kekurangan dan kelebihan masing-masing.

2.2.1 Kincir Angin Horizontal

Turbin angin sumbu horizontal mempunyai sumbu putar yang terletak sejajar dengan

permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan arah angin. Komponen utama

turbin angin sumbu horizontal meliputi: sudu (blade), ekor (tail), tiang penyangga (tower),

dan alternator. Sudu pada turbin angin sumbu horizontal dibuat dengan material yang ringan

supaya momen inersianya kecil sehingga mengakibatkan sudu bisa berputar pada kecepatan

angin yang rendah. Misalnya material sudu yang digunakan berasal dari bahan kayu atau

serat karbon. Semakin banyak jumlah sudu, semakin cepat putaran poros turbin, tetapi

torsinya semakin kecil. Selain itu, banyaknya jumlah sudu menyebabkan turbulensi aliran

udara dan tingkat kebisingan akibat efek suara (noise) semakin besar. Sebaiknya, untuk turbin

angin dipilih sudu yang panjang sehingga torsi yang dihasilkan akan lebih besar. Ekor pada

turbin berfungsi untuk menstabilkan kondisi turbin ketika sudu mulai berputar akibat gaya

angin. Ekor akan membuat badan turbin selalu bergerak sehingga sudu akan selalu searah

dengan arah datangnya angin. Meskipun arah angin selalu berubah-ubah, dengan bantuan

ekorakan menyebabkan sudu selalu mengarah sesuai dengan arah datangnya angin.

Toweradalah tiang penyangga yang menghubungkan perangkat turbin angin dengan

permukaan tanah. Tower dibuat dengan material yang sangat kuat agar dapat menahan beban

akibat gaya berat turbin angin dan gaya dari angin. Sedangkan alternator adalah sejenis

generator yang dipasangkan pada turbin angin untuk menghasilkan daya listrik akibat putaran

dari poros turbin. Poros turbin dipasang menyatudengan poros generator (satu poros) atau

7

bisa pula dengan dipasang sistem transmisi roda gigi (lebih dari satu poros). Berdasarkan

letak rotor terhadap arah angin, turbin angin aksial dibedakan menjadi dua macam yaitu:

1. Upwind

2. Downwind

Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya angin sedangkan

turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi arah datang angin.

Gambar 2.2. Komponen Utama Turbin Angin Sumbu Horizontal

2.2.2 Kincir Angin Vertikal

Turbin angin sumbu vertikal adalah jenis turbin angin yang pertama dibuat manusia.

Pada awalnya, putaran rotornya hanya memanfaatkan efek magnus yaitu karena adanya

selisih gaya drag padakedua sisi rotor atau sudu sehingga menghasilkan momen gaya

terhadap sumbu putar rotor. Salah satu contoh turbin angin sumbu vertikal jenis drag adalah

turbin angin savonius, yang mana terdiri dari dua atau tiga lembar pelat yang dilengkungkan

pada arah tangensial yang sama terhadap sumbu putar. Turbin angin sumbu vertikal modern

menerapkan bentuk yang aerodinamis pada rotornya untuk menghasilkan momen gaya.

Contohnya adalah turbin angin Darrieus. Pada turbin angin Darrieus, sudu dibentuk

melengkung dan berputar menyapu ruangan seperti tali yang berputar pada sumbu vertikal.

Hal ini menyebabkan bentuk geometri sudunya rumit dan sulit untuk dibuat. Rotor turbin

angin Darrieus pada umumnya terdiri atasdua atau tiga sudu. Variasi dari turbin angin

Darrieus adalah yang disebut dengan Turbin angin H (tipe H). Tersusun dari dua atau tiga

sudu lurus yang dihubungkan dengan struktur rangka ke poros.

8

Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal adalah sederhana dalam

perancangannya, diantaranya adalah memungkinkan menempatkan komponen mekanik dan

komponen elektronik, transmisi roda gigi dan generator dekat permukaan tanah. Rotor turbin

angin sumbu vertikal berputar tanpa dipengaruhi arah angin sehingga tidak mebutuhkan

mekanisme pengatur arah (seperti ekor) seperti pada turbin angin aksial sumbu horizontal.

Gambar 2.3. Jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal

2.3 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.

Gambar 2.4. Konstruksi Generator

Generator adalah suatu mesin yang menggunakan magnet untuk mengubah energi

mekanis menjadi energi listrik. Prinsip generator secara sederhana dapat dikatakan bahwa

9

tegangan diinduksikan pada konduktor apabila konduktor tersebut bergerak pada medan

magnet sehingga memotong garis-garis gaya.

Generator adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi

mekanikal, biasanya dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Proses ini dikenal

sebagai pembangkit listrik. Walau generator dan motor punya banyak kesamaan, tapi motor

adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Generator mendorong

muatan listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit listrik eksternal, tapi generator tidak

menciptakan listrik yang sudah ada di dalam kabel lilitannya. Hal ini bisa dianalogikan

dengan sebuah pompa air, yang menciptakan aliran air tapi tidak menciptakan air di

dalamnya. Sumber enegi mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin mesin uap, air yang

jatuh melakui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin,

engkol tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimampatkan, atau apapun sumber

energi mekanik yang lain.

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 2.5. 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:

Kekuatan medan magnet, makin kuat medan magnet makin besar tegangan yang

diinduksikan.

Kecepatan penghantar dalam memotong fluks, makin cepat maka semakin besar

tegangan yang diinduksikan.

Sudut perpotongan, pada sudut 90 derajat tegangan induksi maksimum dan tegangan

kurang bila kurang dari 90 derajat.

10

Panjang penghantar pada medan magnet.

Untuk menghasilkan energi listrik dari putaran turbin, perangkat turbin angin harus

menggunakan generator. Generator adalah alat yang digunakan untuk menghasilkan energi

listrik. Prinsip kerja generator adalah menjadikan medan magnet yang ada di sekitar

konduktor mengalami perubahan atau flukstuasi, sehingga timbul tegangan listrik. Magnet

yang berputardisebut sebagai rotor dan konduktor yang diam disebut sebagi stator.

Dari segi sifat kemagnetan, generator dibagi menjadi 2 jenis, yaitu generator magnet

tetap dan generator magnet sementara. Pada generator dengan magnet tetap, sifat

kemagnetannya tidak berubah dan tidak mudah hilang. Untuk membangkitkan listrik dengan

generator ini, dilakukan dengan memutar poros generator supaya menyebabkan flukstuasi

magnet dan dihasilkan tegangan listrik. Untuk generator dengan magnet sementara, sifat

kemagnetannya mudah hilang. Sifat medan magnet yang terjadi pada generator jenis ini

dihasilkan dengan induksi. Untuk membangkitkan daya listrik, generator harus diberi arus

listrik ketika kumparan magnetnya berputar.

Dari segi arus listrik yang dihasilkan, generator dibagi 2, yaitu generator arus bolak balik

(AC) dan generator arus searah (DC). Generator arus bolak-balik (AC) menghasilkan

tegangan yang arahnya bolak-balik dan biladihubungkan dengan beban akan menimbulkan

arus yang bolak-balik pula. Generator AC dapat menghasilkan daya pada putaran yang

bervariasi bergantung pada spesifikasi generator itu sendiri.

Pada generator arus searah (DC) terdapat rectifier yang berfungsi untuk mengubah arus

AC menjadi DC. Generator ini menghasilkan tegangan yang arahnya tetap dan bila

dihubungkan dengan beban, akan menghasilkan arus yang searah pula. Pada umumnya

generator arus searah dapat menghasilkan listrik pada putaran yang tinggi. Untuk digunakan

pada turbin angin, jenis generator ini memerlukan transmisi untuk menaikkan putaran. Pada

penelitian turbin angin ini, generator yang digunakan adalah generator AC dengan

menggunakan magnet permanen. Generator jenis ini disebut juga Permanent Magnet

Generator (PMG) yang dapat menghasilkan tegangan dan daya listrik pada putaran yang

rendah.

11

BAB III

PERANCANGAN TURBIN ANGIN

3.1 Pendahuluan

Dalam pembuatan suatu mesin pada umumnya, terutama mesin turbin, aspek desain

memegang peranan yang sangat penting. Sebelum suatu alat dibuat dan diujikan, alat tersebut

perlu didesain oleh perancang supaya dapat diketahui gambaran awal mengenai alat tersebut.

Dengan desain dapat diketahui bentuk alat, komponen-komponen mesin yang digunakan,

letak kelemahan, titik kritis, hubungan dengan mesin lain dan mekanisme penggunaan alat

ketika sudah jadi. Desain awal ini dapat menjadi pijakan untuk langkah berikutnya dalam

pembuatan alat.

Pembuatan prototipe merupakan bagian awal dari pembuatan mesin dalam kapasitas

yang lebih besar. Dengan prototipe, gambaran awal mengenai mesin tersebut dapat diketahui,

sehingga mempermudah untuk pembuatan mesin selanjutnya. Selain itu, prototipe yang

dibuat akan dievaluasi berkaitan dengan desain awal yang digunakan. Kelemahan-kelemahan

yang terjadi dalam pembuatan prototipe ini akan menjadi acuan proses berikutnya, sehingga

pembuatan mesin berikutnya akan lebih baik lagi. Termasuk dalam pembuatan prototipe

turbin angin adalah pembuatan kompenen-komponen yang melingkupinya. Pembuatan

komponen merupakan langkah awal dalam pembuatan prototipe. Komponen-komponen yang

sudah jadi akan dirakit (assembly) membentuk turbin angin.

Turbin angin memiliki beberapa komponen, seperti: sudu rotor, hub, generator,

mekanisme yaw (yaw mechanism), ekor turbin, dan tiang penyanggah. Komponen-komponen

turbin angin dalam penelitian ini dirancang dan dibuatkan barangnya, sedangkan generator

yang digunakan sebagai penghasil energi listrik merupakan produk jadi yang berupa

permanent magnet generator (PMG) yang mempunyai spesifikasi khusus, sehingga kapasitas

listrik dan dayanya sudah tertentu. Untuk mentransmisikan putaran dan torsi dari sudu rotor

terhadap poros generator, pangkal rotor menempel pada poros generator sehingga ketika sudu

rotor berputar maka akan memutar poros generator sehingga akan dihasilkan energi listrik.

Tahapan perancangan dan pembuatan turbin angin dapat dilihat pada blok diagram berikut :

12

Gambar 3.1 Bagan Alir Tahapan Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin

3.2 Pemilihan Generator

Generator adalah alat yang mengubah energi mekanik atau gerak menjadi energi

listrik. Energi listrik yang dihasilkan berasal dari perubahan medan magnet yang terdapat di

dalam generator. Magnet ini dapat berupa kumparan kabel-kabel terlilit yang dialiri arus

listrik dengan cara induksi atau suatu magnet yang sifatnya permanen (permanent magnet).

Magnet yang berasal dari kumparan kabel-kabel mempunyai sifat kemagnetan sementara.

Untuk menghasilkan magnet, kumparan kabel-kabel ini dialiri arus listrik dan dikenal dengan

istilah induksi elektromagnetik. Kumparan kabel-kabel tersusun melilit sekitar plat

konduktor. Jika lilitan kabel yang dialiri arus listrik dan memiliki sifat elektromagnetik ini

bergerak (misalnya berputar) sehingga terjadi fluktuasi medan magnet, maka akan timbul

gaya gerak listrik (ggl) dan beda tegangan listrik.

Selain berasal dari kumparan lilitan kabel yang dialiri arus listrik supaya terjadi

kemagnetan yang sifatnya sementara, magnet pada generator juga dapat berupa magnet

permanen (permanent magnet). Magnet permanen ini diletakkan di dalam generator dan

mengelilingi plat konduktor. Ketika terjadi fluktuasi medan magnet karena adanya putaran

dari platkonduktor atau magnet permanen tersebut, maka terjadi gaya gerak listrik (ggl) dan

beda tegangan listrik.Kelebihan pemakaian magnet permanen dibandingkan magnet induksi

adalah pada permanen magnet beda tegangan yang terjadi lebih besar, putaran plat konduktor

atau magnet dapat lebih rendah untuk menghasilkan beda tegangan, dan tidak perlu adanya

arus listrik induksi (non induksi elektromagnetik). Generator yang digunakan pada penelitian

ini diharapkan dapat menghasilkan daya 400 watt dengan putaran optimal 400 RPM.

Pemilihan jenis generator

Menentukan metode

gulungan

Menggulung kumparan pada

stator

Pemasangan stator dan rotor

Pemilihan stator dan

rotor

Uji tegangan dan arus skala lab.

Sudu, Ekor dan Yaw mekanisme

Uji tegangan dan arus pada tower

13

3.3 Pemilihan Stator dan Rotor

Stator terbuat dari terdiri dari beberapa coil atau kumparan dari kawat tembaga yang

dilapisi oleh bahan isolator. Besar putaran minimal yang diperlukan generator AC untuk

dapat menghasilkan energi listrik bergantung pada jumlah kutub dan kumparan dalam pada

stator. Jumlah kumparan menentukan tegangan yang bisa dikeluarkan oleh generator dan

besar diameter kawat menentukan besar arus yang dapat dihasilkan oleh generator. Stator

terdiri dari kerangka generator dan alur tempat kumparan. Alur kumparan digunakan dari

bahan plat besi yang disusun sebanyak 50 buah dan dihubungkan menjadi satu sebanyak 12

alur. Alur kumparan terletak didalam stator yang berisi lilitan dengan aturan putaran yang

telah ditentukan.

Gambar 3.2. Alur Kumparan dalam Stator

Kerangka luar stator berupa bahan aluminium yang mempunyai diameter 14 cm dan

panjang 8.5 cm. Pada kerangka stator terdapat kisi-kisi yang digunakan sebagai pendingin.

Kerangka ini tempat dari kumparan dan rotor serta rangkaian penyearah dari AC ke DC.

Gambar 3.3. Kerangka Luar Stator

14

Kerangka stator terhubung dengan poros atau yaw mekanisme dimana yaw mekanisme

sebagai slip ring dan pengendali dari posisi dari generator. Kerangka stator terdapat dua

bagian yaitu depan dan belakang. Bagian depan digunakan sebagai tempat penghubung rotor

dengan sudu dan bagian belakang digunakan sebagai tempat dari rangkaian penyearah AC ke

DC.

Rotor merupakan bagian dari generator yang berputar, rotor mempunyai bagian-

bagian seperti magnet permanen, poros, bearing dan alur besi (tempat magnet). Rotor ini

mempunyai magnet permanen sebanyak 10 buah dengan panjang poros 17 cm. Pemilihan

magnet permanen dengan bertujuan dapat menghasilkan energi pada putaran rendah.

Semakin banyak jumlah kutub generator maka putaran yang dibutuhkan semakin kecil untuk

membangkitkan energi listrik.

Gambar 3.4. Rotor Generator

3.4 Penggulungan Kumparan pada Stator

Setelah pemilihan stator dan rotor yang digunakan maka direncanakan masing-masing

alur terdiri atas 45 lilitan dan tiap 4 alur digabung secara seri sehingga didapat 3 fasa

tegangan. Semakin banyak jumlah kumparan maka akan meningkatkan besar tegangan dan

semakin besar diameter akan meningkatkan arus yang keluar. Pada perencanaan ini

digunakan diameter kawat sebesar 1 mm dengan harapan dapat menghasilkan arus yang

cukup besar dalam putaran rendah. Adapun pola gulungan yang direncanakan seperti gambar

dibawah ini

15

Gambar 3.5. Metode Gulungan pada Stator

Pola lilitan dapat dimulai dari titik 0 pada alur pertama dengan arah putaran

berlawanan jarum jam / kekiri sebanyak 45 lilitan dan diteruskan ke alur sebelahnya dengan

arah putaran searah jarum jam / kekanan sebanyak 45 lilitan. Arah alur yang berlawanan

bertujuan agar tercipta medan magnet yang membentuk kutub kutub magnet utara dan

selatan. Setelah 2 alur yang berpasangan selesai maka hubungan dilanjutkan dengan alur lain

dengan beda 4 alur yang dilompati. Beda 4 alur yang dilompati menyebabkan 2 alur pasangan

yang pertama dan kedua membentuk sudut 120 sehingga dapat membentuk 3 phase.

Keluaran dari akhir alur digunakan sebagai keluaran tegangan phase untuk gulungan pertama

dinamai dengan R dan kedua S serta terakhir T. Ujung kumparan yang merupakan titik nol

setiap phase dihubungkan menjadi satu dan keluaran 3 phase RST tegangan AC dimasukkan

ke rangkaian penyearah untuk menghasilkan tegangan DC.

Gambar 3.6. Tahap Penggulungan Phase R

Pada tahap penggulungan lilitan pada alur diperlukan ketelitian dan ketepatan dalam

menanta setiap lilitan. Lilitan dapat disusun secara rapi bersebelah dan rapat sehingga alur

stator dapat terpenuhi serta tidak menyebabkan over lapping dengan alur sebelah. Kesulitan

yang diperoleh saat penggulungan yaitu mengatur posisi lilitan dengan baik apabila ada

kesalahan pada peletakan ini menyebabkan alur pada stator tidak bisa tertutup rapat dan lebih

buruknya alur stator tidak dapat dimasukkan ke dalam kerangka stator.

16

Gambar 3.7. Tahap Penggulungan Akhir

Dalam pembuatan gulungan ini diperlukan tenaga ektra dan kerapihan dalam

membentuk lilitan yang baik sehingga dibutuhkan kerjasama dalam mengerjakan. Dalam

kondisi pada gambar diatas terdapat kesulitan dalam menyelesaikan lilitan terakhir karena

lilitan alur terlalu padat untuk dapat dimasuki kumparan sejumlah 45 lilitan sehingga

dicarikan celah di antara lilitan yang dapat dimasuki oleh kawat. Proses selanjutnya

mengukur resistansi dari setiap phasenya dengan cara menggunakan ohm meter dan

menghubungkan ujung lilitan sebagai 0 dan ujung lain sebagai keluaran phase.

Gambar 3.8. Pengukuran Resistansi setiap Phase.

Pengukuran pada gambar diatas diperoleh nilai resistansi sebesar 0.4 Ohm semakin

kecil nilai resistansi maka semakin kecil hambatan yang peroleh sehingga dapat memperbesar

arus yang keluar. Nilai resistansi dari phase R, S dan T adalah sama yaitu 0.4 Ohm. Setelah

mengukur setiap phase kemudian diukur antar phasenya RST dengan menghubungkan ketiga

ujung 0 menjadi satu dan pengukuran dilakukan di ujung-ujung phasenya.

17

Gambar 3.9. Pengukuran Resistansi antar Phase.

Dari hasil pengukuran diperoleh nilai 0.8 Ohm hasilnya telah sesuai karena 2 kali dari

nilai setiap phase yang bernilai 0.4 Ohm. Hasil pengukuran pada antar phase diperoleh hasil

yang sama RS = 0.8 , RT = 0.8 dan ST = 0.8 dengan hasil ini jumlah lilitan yang

terdapat disetiap alur jumlahnya sama banyak yaitu 45 lilitan.

Setelah dilakukan pengukuran maka tahap selanjutnya memasang isolator / pengaman

dan konektor penghubung ke rangkaian penyearah. Pemasangan pengaman ini bertujuan

menghindari gesekan atau bersentuhannya dengan rotor, karena tempat yang sempit didalam

stator dan celah yang rapat dengan stator dapat menyebabkan kumparan bergesekan dan

menyebabkan kumparan terkelupas. Kemudian semua kabel diperiksa kembali hubungannya

dan nilai resistasinya untuk memastikan kondisinya sesuai dengan yang diharapkan jangan

sampai hubungan kabel terputus.

Gambar 3.10. Pengukuran Resistansi antar Phase setelah dipasang Isolator

18

3.5 Pemasangan Stator dan Rotor

Kumparan pada stator yang telah digulung dan diperiksa hubungannya kemudian

dilakukan pemasangan ke dalam kerangka stator. Pemasangan dilakukan dengan secara hati-

hati diharapkan alur kumparan dapat masuk ke dalam kerangka tanpa merusak lilitan. Alur

kumparan dimasukkan melalui depan dari posisi stator dengan cara dipukul menggunakan

palu dan kayu pada sekelilingnya secara bersamaan.

Gambar 3.11. Memasukkan Alur Pada Kerangka Stator

Pemasangan alur stator kedalam stator harus dalam posisi rata antara satu dengan

yang lain. Alur dimasukkan sampai posisi lilitan rata dengan tepi luar kerangka stator.

Ketinggian alur disesuaikan dengan posisi magnet rotor apabila posisi magnet dan alur tidak

sesuai maka mempengaruhi hasil putaran dan keluaran tegangan atau arus menjadi tidak

optimal.

Gambar 3.12. Alur terpasang pada Stator

19

Rangkaian penyearah digunakan untuk mengubah tegangan AC 3 phase menjadi

tegangan DC. Pemasangan rangkaian penyearah diletakkan pada penutup belakang dari

kerangka stator. Sebelum pemasangan rotor ke dalam kerangka stator maka dilakukan

pemasangan kabel RST pada masukan dari rangkaian penyearah. Pemasangan kabel RST

dapat dilakukan secara acak disesuaikan dengan panjang kawat yang tersedia. Kabel keluaran

DC dihubungkan dengan rangkaian yang ditandai dengan warna merah sebagai positif dan

warna hitam sebagai negatif. Kutub positif dan negatif DC tidak boleh ditukar/dibalik seperti

AC.

Gambar 3.13. Pemasangan Kabel AC dan DC pada Penyearah

Rangkaian penyearah AC ke DC berisikan komponen utama berupa dioda bridge 35 A

sebagai penyearah 3 phase sebanyak 2 buah, kapasitor 1000uF/63V sebagai filter sebanyak 3

buah, dioda 6 A sebanyak 6 buah sebagai pengaman arus/tegangan jika terjadi feedback,

dioda zener 1N47 47A022 sebanyak 1 buah sebagai pembatas tegangan.

Gambar 3.14. Pemasangan Rotor pada Kerangka Stator.

20

Pemasangan rotor didalam kerangka stator perlu diperhatikan kembali posisi dari alur

stator jika terdapat perbedaan ketinggan maka disesuaikan kembali agar kuat medan magnet

dengan posisi alur menjadi tepat sehingga gaya gerak listrik yang dihasilkan dapat optimum.

Pada perancangan ini terdapat kendala karena rotor tidak berputar secara penuh. Penyebabnya

pada alur stator ada permukaan yang menonjol sehingga menghambat pada putarannya.

Penonjolan yang terjadi di alur disebabkan posisi alur tidak menutup rapat karena banyaknya

lilitan pada alur yang tebal.

Gambar 3.15. Pemasangan Penutup Depan Generator

Setelah rotor dapat diputar dengan sempurna maka pemasangan terakhir yaitu menutup

bagian depan generator. Pemasangan dilakukan dengan hati-hati karena dapat menyebabkan

posisi poros tidak center jika dipaksakan maka putaran rotor menjadi berat atau macet.

3.6 Sistem Kendali

Sistem kendali merupakan kumpulan dari sudu, ekor, yaw mekanisme dan sistem

pengereman. Sistem kendali digunakan untuk mengatur posisi dari generator agar dapat

menghasilkan energi yang optimal. Sudu merupakan bagian depan yang berfungsi

menangkap energi angin yang akan berputar menggerakkan rotor. Ekor merupakan bagian

belakang generator yang berfungsi sebagai penyeimbang kecepatan dari generator dan

kecepatan dari angin sehingga generator tetap mengarah pada arah angin. Yaw mekanisme

digunakan sebagai poros putar yang terhubung dengan kerangka stator sehingga sudu dapat

menangkap arah angin dari segala penjuru. Sistem pengereman yaitu penggabungan dari yaw

mekanisme dan ekor yang berfungsi menjaga agar generator tidak over revolution.

21

3.6.1 Sudu

Blade / Sudu merupakan komponen turbin angin yang sangat signifikan. Sudu

berkontak dengan udara yang mengakibatkan sudu bergerak (berputar) karena adanya gaya

drag dan lift. Pangkal sudu menempel pada suatu hub yang menghubungkan antara sudu

dengan poros. Gerak putar sudu karena efek gaya drag dan lift akan memutar poros generator

yang pada akhirnya akan timbul energi listrik. Oleh karena putaran pada sudu merupakan

suatu hal yang menentukan dalam pembangkitan daya, maka kontruksi sudu pun harus dibuat

sebaik mungkin.

Pada kontruksi sudu ini berbahan fiber karena selain mudah dibuat dan kuat untuk kondisi

yang cuaca yang berubah-ubah. Sudu ini mempunyai spesifikasi sebagai berikut : Panjang

44.5 cm, lebar belakang 8.4 cm, lebar depan 4.5 cm, sudut kemiringan 45.

Gambar 3.16. Desain Sudu Generator Tampak Samping dan Depan

3.6.2 Ekor

Ekor turbin angin (tail) adalah komponen yang letaknya di bagian belakang turbin

angin. Fungsi ekor adalah untuk merespon angin dan menstabilkan gerakan turbin angin

sehingga sudu rotor selalu menghadap arah datangnya angin. Selain itu, ekor dapat berfungsi

sebagai penyeimbang terhadap berat komponen turbin angin bagian depan seperti generator,

hub, dan sudu rotor. Gaya yang terjadi pada ekor berupa gaya drag dan lift akibat energi

angin, serta gaya berat dari material ekor tersebut. Pada poros ekor juga terjadi moment lentur

(bending) akibat energi angin tersebut. Untuk mampu menahan beban yang diterima ekor,

10 cm 16 cm 28.5 cm

4.5 cm 8.4 cm

45

4.5 cm

22

material yang digunakan untuk membuat ekor harus kuat. Dalam penelitian ini, material yang

digunakan berupa baja karbon rendah. Kekuatan baja karbon rendah dalam menahan beban

yang diterima menjadi acuan dalam pemilihan material.

Selain faktor material, desain dan kontruksi ekor memegang peranan penting. Pada

penelitian turbin angin ini ekor yang dibuat berasal dari plat poros yang panjangnya 60 cm.

Pada ujung ekor dipasang pelat berbentuk segitiga dengan sisi 24 cm, 31,5 cm, 32 cm.

Penggunaan pelat ini bertujuan untuk merespon arah angin. Ekor disambung dengan

mekanisme yaw dengan menggunakan baut dan mur. Pembuatan ekor dilakukan dengan cara

menggabungkan (assembly) poros dengan plat yang berada pada bagian ujung belakang ekor

dengan menggunakan mur dan baut. Sedangkan yang bagian depan poros dihubungkan

dengan pengait yang yang menempel pada bagian yaw mechanism.

Gambar 2.17. Desain Ekor Generator

2.6.3 Yaw Mekanisme

Yaw Mechanism adalah komponen yang menghubungkan antara tiang penyanggah

dan rangka turbin angin. Fungsi yaw mechanism adalah menjaga arah turbin angin sehingga

sudu rotor selalu menghadap arah datangnya angin. Prinsip kerja yaw mechanism berupa

putaran pada sumbunya dimana ketika sudu menerima angin dari arah samping, yaw

mechanism akan berputar sehingga sudu tetap menghadap angin dan dapat berputar. Yaw

mechanism menggunakan material dari logam seperti baja karbon atau alumunium paduan.

Hal ini dikarenakan beban yang diterima yaw mechanism sangat besar yang berasal dari

beban komponen turbin selain tiang dan beban dari energi angin itu sendiri. Oleh karena

beban yang diterima sangat besar, maka material yang dipilih harus mampu menahan beban-

beban tersebut dan baja atau alumunium alloy yang kuat merupakan material yang cocok

untuk digunakan.

32 cm

31.5 cm

24 cm

Lubang poros

23

Yaw mechanism terdiri dari beberapa komponen mekanis, seperti poros dalam, poros

luar, dan bearing. Poros dalam digunakan untuk jalur kabel dari generator yang terhubung

dengan kerangka stator dalam dan bearing sedangkan poros luar terhubung dengan rangka

turbin angin. Pada poros dalam terdapat slip ring yang berupa ring penghubung yang dapat

berputar sebagai penghubung kabel dari dalam generator dengan kabel keluaran dari yaw.

Sehingga pada saat generator berputar mengikuti arah angin tidak menyebabkan kabel

menjadi menyilang.

Sebuah rangka turbin angin terdiri dari generator, sudu, ekor, dan pipa penghubung

yang sudah terpasang menjadi satu kesatuan. Karena poros luar menempel pada tiang

penyangga/tower dengan cara dibaut, maka poros ini bersifat statis dan tidak berputar. Untuk

poros dalam yang berhubungan dengan rangka cenderung bergerak (berputar) karena adanya

gerak angin. Poros ini selalu berputar mengikuti putaran rangka turbin. Poros dalam dengan

poros luar dihubungkan dengan menggunakan bearing. Bearing tersebut terdiri dari satu buah

dan diletakan pada atas mekanisme yaw. Penggunaan bearing harus memperhatikan gerak

putar poros dan beban poros sehingga poros luar tidak lepas. Dalam hal ini dapat diketahui

bahwa bearing atas menerima beban radial, sehingga dalam perancangan turbin angin ini

dipilih bearing radial untuk bagian atas. Pemilihan ukuran bearing sangat berkaitan dengan

ukuran poros yang akan digunakan.

Gambar 3.18. Yaw Mekanisme

3.6.4. Sistem Pengereman

Sistem pengereman diberikan dalam dua tahap. Tahap pertama adalah melepaskan pin

pengunci ekor sehingga ekor perpindah orientasi menjadi menyamping yang akibatnya turbin

angin mengarah menyamping terhadap arah angin sehingga putaran rotor berkurang. Tahap

kedua adalah dengan short circuit. Kabel-kabel kutub generator dihubungkan secara langsung

7 cm

41 mm

Kabel DC

Slip ring

24

menyebabkan terjadinya arus pendek. Arus pendek ini menyebabkan generator memberi

momen yang arahnya melawan arah putaran rotor. Bagaimana perubahan posisi ekor

mengurangi putaran ditunjukkan oleh pada gambar berikut:

Gambar 3.19. Mekanisme Pengereman dengan Mengubah Posisi Ekor

Rotor turbin angin akan berputar dan mencapai performa yang maksimum jika arah

angin sejajar dengan arah sumbu rotasi rotor. Pada posisi tersebut sudut yang dibentuk antara

sumbu rotor dan arah angin adalah nol sehingga luas daerah sapuan rotor maksimum terhadap

arah angin karena fluks angin yang melalui area sapuan rotor maksimum. Namun pada saat

posisi rotor menyamping arah angin, tidak terjadi konversi energi oleh rotor karena luas area

sapuan rotor dapat dikatakan nol terhadap arah angin. Hal ini karena sudut yang dibentuk

oleh sumbu rotor dan arah angin adalah 90 (nilai cos 90 adalah nol). Artinya tidak ada fluks

angin yang melalui area sapuan rotor.

Tahap kedua pengereman adalah dengan melakukan hubungan arus pendek atau short

circuit. Cara pengereman ini dengan menghubungkan kabel kutub generator secara langsung.

Arus pendek ini sangat besar dan menyebabkan timbulnya medan induksi elektromagnet

yang besar pada generator yang arahnya melawan arah induksi magnet permanen. Medan

induksi yang dihasilkan menimbulkan momen yang besar dan arahnya melawan arah rotasi

rotor. Cara short circuit ini tidak selalu cocok untuk generator, namun generator yang

digunakan pada penelitian ini memiliki kapabilitas untuk hal tersebut.

25

BAB IV

IMPLEMENTASI DAN PENGUJIAN GENERATOR

4.1 Metode Pengumpulan Data

Pada penelitian ini metode dalam pengumpulan data menggunakan 2 cara yaitu

percobaan di laboratorium dan percobaan di lapangan. Pengumpulan data dilakukan di

Workshop PLTHybrid Pandansimo Bantul-DIY, workshop ini mempunyai peralatan uji daya,

tegangan dan arus menggunakan kopel motor induksi. Untuk percobaan di laboratorium

digunakan motor induksi yang dihubungkan/dikopel menggunakan belt/sabuk dengan

generator yang diuji. Motor ini digunakan untuk memutar generator dengan diatur dengan

besarnya tegangan yang diberikan ke motor kemudian dibaca kecepatannya menggunakan

thacometer. Percobaan di laboratorium dilakukan dengan berbagai metode antara lain uji

generator tanpa beban dan menggunakan beban. Pengujian ini juga menggunakan aki 12 volt

105 Ah yang dipakai sebagai pengisian arus dari generator.

Pengujian di lapangan yaitu mengaplikasikan generator secara nyata dengan

memasang sudu dan ekor pada tower yang tingginya + 8 meter. Sudu yang digunakan

sebanyak 6 buah dengan besar sesuai dengan perencanaan, selain itu pada tower dilakukan

pemantauan kecepatan angin menggunakan data logger berupa anemometer. Semua

pengujian di laboratorium dan di lapangan menggunakan alat ukur berupa voltmeter dan

ampermeter.

4.2 Pengujian Laboratorium

Pengujian dilaboratorium dilakukan dengan bantuan motor induksi sebagai pemutar

generator dimana kecepatan yang digunakan mulai 0 sampai 400 RPM.

Gambar 4.1. Peralatan Uji Laboratorium

26

Tahap pengujian pertama dengan mengambil data sebagai berikut :

Tabel 4.1 Pengujian Generator Tanpa Beban

RPM Tegangan (V) Arus (V)

0 11.6 0

50 11.6 0

75 11.6 0

100 11.6 0

125 11.6 0

150 11.6 0.05

175 11.6 0.18

200 11.61 0.35

225 11.63 0.55

250 11.65 0.87

275 11.67 1.45

300 11.82 2.18

325 11.95 2.93

350 12.14 3.63

375 12.32 4.4

400 12.49 4.97

Tahap pengujian kedua dengan mengambil data sebagai berikut :

Tabel 4.2 Pengujian Generator Beban 40 Watt

RPM Tegangan (V) Arus (A)

0 11.72 0

50 11.72 0

75 11.72 0

100 11.72 0

125 11.72 0

150 11.72 0.03

175 11.73 0.15

200 11.74 0.31

225 11.76 0.49

250 11.78 0.63

275 11.85 1.23

300 11.93 1.88

325 12.05 2.64

350 12.18 3.47

375 12.31 4.18

400 12.46 4.85

Pada tahap pengujian diatas terlihat bahwa arus mulai muncul pada saat putaran 150

RPM sehingga tegangan pada pengisian aki mulai naik. Dilihat dari tabel diatas terdapat

27

perbedaan yang kecil terhadap arus yang dihasilkan generator, untuk arus tanpa beban lebih

besar 0.12 A pada saat 400 RPM dibandingkan dengan pada beban 40 Watt.

Gambar 4.2. Grafik Tegangan terhadap Kecepatan

Gambar 4.3. Grafik Arus terhadap Kecepatan

11.6 11.6 11.6 11.6 11.6 11.6 11.6 11.61 11.63 11.65 11.67

11.82

11.95

12.14

12.32

12.49

11.72 11.72 11.72 11.72 11.72 11.72 11.73 11.74 11.76 11.78

11.85 11.93

12.05

12.18

12.31

12.46

11.5

11.6

11.7

11.8

11.9

12

12.1

12.2

12.3

12.4

12.5

12.6

0 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400

Tega

nga

n (

V)

RPM

Uji Generator

Tanpa beban Beban 40 W

0 0 0 0 0 0.05 0.18

0.35 0.55

0.87

1.45

2.18

2.93

3.63

4.4

4.97

0 0 0 0 0 0.03 0.15 0.31

0.49 0.63

1.23

1.88

2.64

3.47

4.18

4.85

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

0 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400

Aru

s (A

)

RPM

Uji Generator

Tanpa beban Beban 40 W

28

Gambar 4.4. Hasil Pengukuran Tegangan dan Arus pada beban 40 Watt

Dari data pengujian pada tabel 4.1 bahwa diketahui arus yang dihasilkan pada saat

400 RPM yaitu 4.97 A sehingga jika keluaran dari generator 12 Volt maka daya yang dapat

dihasilkan sebesar P = V*I = 12 * 4.97 = 59.64 Watt.

4.3 Pengujian Lapangan

Pengujian dilapangan dilakukan dengan menaikkan generator yang sudah lengkap

terpasang sudu dan ekor ke atas tower yang tingginya + 8 meter.

Gambar 4.5. Proses Pemasangan Generator pada Tower

Pengujian dilakukan pada siang hari dengan kondisi cuaca cerah dan kecepatan rata-

rata angin + 4 m/s. Kecepatan ini telah dapat kategorikan kecepatan yang normal untuk dapat

29

menghasilkan energi listrik. Pengujian ini dilakukan dengan 3 tahap yaitu pengujian tanpa

beban, beban lampu 35 watt dan beban lampu 70 watt.

Gambar 4.6. Alat Pengukur Kecepatan Angin

Tahap pengujian pertama dengan mengambil data sebagai berikut :

Tabel 4.3 Pengujian Generator Tanpa Beban

Data ke- Kecepatan Angin (m/s)

Tegangan (V)

Arus (A)

1 3.2 12.5 1.09

2 5.5 12.42 0.86

3 4.6 12.38 0.52

4 0.8 12.22 0.01

5 1.4 12.22 0.01

6 4.3 12.3 0.84

7 3.5 12.38 1.07

8 2.3 12.36 0.4

9 3.8 12.24 0.28

10 2.5 12.23 0.01

11 0.5 12.2 0.01

12 0.2 12.28 0.8

13 3.6 12.23 0.3

14 3.3 12.24 0.8

15 2.5 12.28 0.25

16 3.3 12.27 0.8

17 4.1 12.29 0.3

18 4.5 12.26 0.4

19 4.8 12.3 0.52

20 4.4 12.3 0.4

21 4.6 12.27 0.57

Rata-rata 3.22381 12.29381 0.487619

30

Dilihat dari tabel 4.3 bahwa kecepatan angin tertinggi 5.5 m/s namun arus yang

didapat 0.86 A tetapi pada saat 3.2 m/s arus 1.09 A. Pengumpulan data ini menunjukan

bahwa kecepatan angin yang terjadi pada saat 5.5 m/s terjadi sesaat sehingga arus yang

terjadi tidak menunjukkan pengingkatan yang maksimum. Kesulitan dalam pengambilan data

disebabkan data kecepatan angin dan arus dilakukan dengan manual sehingga setiap detik

perubahannya tidak akurat. Untuk daya yang dapat dihasilkan dari generator jika rata-rata

arus 0.48 A maka daya P = V*I = 12*0.48 = 5.76 Watt.

Tahap pengujian kedua dengan mengambil data sebagai berikut :

Tabel 4.4 Pengujian Generator Beban 35 Watt

Data ke- Kecepatan Angin (m/s)

Tegangan (V)

Arus (A)

1 6.9 11.91 1.99

2 5.9 11.87 0.98

3 5.2 11.85 0.34

4 3.2 11.84 0.27

5 2.4 11.86 0.53

6 1.6 11.89 0.05

7 2.2 11.87 0.25

8 3.5 11.91 1.28

9 6.2 11.81 0.7

10 4.8 11.81 1.27

11 5.9 11.82 1.22

12 6.6 11.83 1.11

13 3.6 11.83 0.2

14 5.6 11.96 1.4

15 4.5 11.94 0.89

16 3.5 11.94 0.7

17 3.2 11.94 0.55

18 4.6 11.93 0.97

19 2.6 11.9 0.21

20 3.1 11.91 0.24

21 2.8 11.89 0.19

Rata-rata 4.185714 11.88143 0.730476

Perbandingan data dari tabel 4.3 dan tabel 4.4 menunjukkan bahwa rata-rata

kecepatan angin meningkat 0.96 m/s dan rata-rata arus meningkat 0.24 A. Namun hasil

pengisian aki menunjukkan penurunan karena aki diberikan beban lampu 35 watt

sehingga pengisian aki menjadi tidak mencapai maksimum secara cepat karena harus

mengeluarkan energinya untuk beban lampu.

31

Tahap pengujian ketiga dengan mengambil data sebagai berikut :

Tabel 4.5 Pengujian Generator Beban 70 Watt

Data ke- Kecepatan Angin (m/s)

Tegangan (V)

Arus (A)

1 2.8 11.83 0.04

2 1.4 11.83 0.05

3 4.1 11.83 0.9

4 3.8 11.83 0.37

5 3.5 11.86 0.57

6 3.8 11.84 0.6

7 2.6 11.84 0.22

8 4.1 11.84 0.6

9 4.5 11.84 0.57

10 3.3 11.85 0.41

11 3.3 11.85 0.41

12 2.2 11.85 0.23

13 5.3 11.91 1.22

14 6.8 11.91 0.6

15 4.2 11.91 0.7

16 3.3 11.83 0.22

17 2.4 11.83 0.01

18 3.8 11.86 0.53

19 3 11.86 0.85

20 4.8 11.87 0.56

21 3.3 11.87 0.54

Rata-rata 3.633333 11.85429 0.485714

Perbandingan data dari tabel 4.4 dan tabel 4.5 menunjukkan kecepatan angin mengalami

penurunan sehingga pengumpulan arus juga mengalami penurunan. Pengisian pada aki

mengalami hambatan disebabkan arus yang masuk sedikit dan adanya pembebanan aki

dengan lampu 70 watt.

32

Gambar 4.7. Grafik Tegangan terhadap Kecepatan

Gambar 4.8. Grafik Arus terhadap Kecepatan

11.7

11.8

11.9

12

12.1

12.2

12.3

12.4

12.5

12.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5

Tega

nga

n (

V)

Kecepatan Angin (m/s)

Uji Lapangan

Tanpa Beban Beban 35 Watt Beban 70 Watt

Linear (Tanpa Beban) Linear (Beban 35 Watt) Linear (Beban 70 Watt)

-0.4

0.1

0.6

1.1

1.6

2.1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5

Aru

s (A

)

Kecepatan Angin (m/s)

Uji Lapangan

Tanpa Beban Beban 35 Watt Beban 70 Watt

Linear (Tanpa Beban) Linear (Beban 35 Watt) Linear (Beban 70 Watt)

33

Dari grafik tegangan terhadap arus dapat dilihat bahwa perubahan kenaikan tegangan

lebih cepat bila tanpa beban sehingga pengisian aki lebih cepat, namun pengisian aki juga

dipengaruhi oleh kecepatan angin yang diterima oleh sudu. Jika kecepatan angin hanya

terjadi sesaat maka arus yang timbul juga sesaat. Diharapkan dalam pengisian aki dapat

secara linier dengan kecepatan angin yang konstan.

Tabel. 4.6 Prediksi Arus Geneartor terhadap Kecepatan Angin

Kecepatan Angin (m/s)

Arus (A)

2.1 0.01

2.2 0.23

2.5 0.25

3.2 0.27

3.3 0.41

3.5 0.57

3.8 0.6

4.2 0.7

4.3 0.84

4.5 0.89

4.6 0.97

5.3 1.22

5.6 1.4

6.9 1.99

Gambar 4.9. Grafik Prediksi Arus Generator terhadap Kecepatan Angin

0.01 0.23

0.25 0.27 0.41

0.57 0.6

0.7 0.84 0.89

0.97

1.22

1.4

1.99

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5

Aru

s (A

)

Kecepatan Angin (m/s)

Prediksi Perubahan

arus Linear (arus)

34

Tabel 4.6 merupakan hasil perkiraan dari semua data yang telah diambil dengan

kecepatan angin yang berbeda-beda. Data diambil secara acak dengan menampilkan nilai-

nilai yang mempunyai kesamaan dalam pengamatan sehingga dapat diperkirakan pada

kecepatan angin tertentu generator dapat menghasilkan sejumlah arus yang sebenarnya.

Gambar 4.10. Pengukuran Pengujian Lapangan.

Gambar 4.11. Pengujian dengan Beban 35 W dan 70 W.

Kelebihan generator dengan enam sudu saat putaran awalnya (starting) lebih mudah

berputar dari pada turbin yang memakai tiga sudu, dikarenakan angin mudah ditangkap oleh

turbin enam sudu dan semakin banyak jumlah turbin semakin mudah berputar walaupun

dengan kecepatan angin yang rendah.

35

BAB V

KESIMPULAN

Generator dengan menggunakan magnet permanent sangat efisien untuk digunakan

keperluan kincir angin/air karena mampu bekerja baik pada kecepatan putar yang rendah.

Kemudahan dalam pembuatan dan juga scale up generator ini sangat memudahkan kita dalam

mendisain suatu generator dengan kapasitas daya tertentu, tegangan tertentu dan juga

kecepatan kerja tertentu hanya dengan merubah - rubah parameter seperti kekuatan fluks

magnet, jumlah kumparan dan lilitannya, jumlah magnet serta ukuran diameter kawat. Hal

inilah yang menjadi salah satu kelebihan dari generator magnet permanen ini sehingga

generator jenis ini akan terus dipakai dan dikembangkan untuk memperoleh generator yang

terbaik dan pada akhirnya dapat mengatasi permasalahan krisis energi listrik yang terjadi.

36

BAB VI

DAFTAR PUSTAKA

Hariyotejo, P., dkk., 2009, Pengembangan Generator Mini dengan Menggunakan Magnet

Permanen, Teknik Mesin Pasca Sarjana Universitas Indonesia.

Markus Nanda Andika, dkk., 2007, Kincir Angin Sumbu Horisontal Bersudu Banyak, Teknik

Mesin Fakultas Sains Dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Suhardi, D, 2008, Generator Listrik 100 watt Putaran Rendah untuk Pembangkit Listrik

Tenaga Air dan Angin Miko, UMM, Malang

37

Tegangan induksi yang dihasilkan oleh generator ini dapat dihitung dengan persamaan:

Erms = Tegangan induksi (Volt)

N = Jumlah lilitan per kumparan

= Frekwensi (Hz)

max = Fluks magnet (Wb)

Ns = Jumlah kumparan

Nph = Jumlah fasa

Amagn = Area magnet

Bmax =Densitas fluks maksimum

ro = Radius luar magnet

ri = Radius dalam magnet

= Jarak antar magnet

Nm = Jumlah magnet

Br = Densitas fluks magnet

Lm = Panjang magnet

= Jarak antara rotor dengan stator