Perancangan Prototype Generator Magnet Permanen Fluks Aksial

1
Seminar Nasional dan ExpoTeknik Elektro 2013
Perancangan Prototype Generator Magnet Permanen Fluks
Aksial Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin Untuk
Penerangan Lampu Jalan
Dhiyaul Farhan M. Nur 1)
)
Ramdhan Halid Siregar S.T,. MT 2) Mahdi Syukri S.T., MT 3)
1)
Teknik Elektro Universitas Syiah Kuala
Jl. Syech Abdurrauf No.7, 23111, Darussalam, Banda Aceh, ACEH -INDONESIA
email : [email protected]
axial flux permanent magnet generator, wind turbine
savonius type
energi mekanik yang memutar generator untuk
menghasilkan listrik sebagai kebutuhan penerangan lampu
jembatan. Penggunan alternator (generator sinkron)
sebagai penghasil listrik pada pembangkit listrik tenaga
angin skala kecil kurang efektif disebabkan konstruksi
yang rumit, dan untuk menghasilkan fluks, kumparan
medan yang terdapat pada rotor altenator diberi (eksitasi)
Dengan demikian perlu adanya perancangan
generator sederhana sebagai pengganti generator biasa
(alternator) untuk pembangkitan energi listrik skala kecil,
generator magnet permanen fluks aksial merupakan salah
satu pilihan terbaik untuk dikopling dengan turbin angin
tersebut. Hal ini disebabkan karena jumlah kutub magnet
yang tinggi, densitas daya listrik yang tinggi, dan
perawatan yang lebih ringan adalah karakter menarik dari
generator magnet permanen fluks aksial, serta untuk
menghasilkan fluks tidak memerlukan eksitasi dari
tegangan DC.
Perumusahan masalah pada penelitian ini
Bagaimana merancang prototipe generator magnet
permanen fluks aksial untuk pembangkit listrik tenaga
angin sehingga keluaran mampu mengisi akumulator.
Adapun tujuan pada penelitian ini merancang
prototipe generator tipe aksial untuk pembangkit listrik
tenaga angin untuk sebagai penerangan jembatan serta
Mengembangkan generator sinkron magnet permanent
fluks aksial jenis cakram
1. Pendahuluan
2.Tinjauan Pustaka
ABSTRACT
Wind energy conversion system (WECS) is very
significant in transforming wind kinetic energy into
mechanical energy which turns a generator to produce
electricity as a source to light the bridge lamp. The using
of alternator for producing electrical energy in smallscale wind energy power plant is less effective. This is due
to the meticulous alternator construction. Moreover, it
needs to strengthen or excitation on alternator rotor
winding to produce a flux. The design of axial flux
permanent magnet generator prototype as a replacement
for alternator on wind power plant is a suitable
alternative, due to the construction of axial flux permanent
magnet generator is not complicated and the production of
flux does not use any DC voltage gain. This is because
part of the rotor is a permanent magnet. The design uses
wind turbines with savonius type as the mover with turbine
rotor diameter of 1 meter and height angle of 1.5 meter
thus capable of rotating axial flux permanent magnet
generator with the rotor size of outer diameter generator
160.22 mm, inner diameter hole 110, 22 mm and shaft
hole 12 mm so that the output of the generator is able to
charge the accumulator.
Key words
1.1
Latar Belakang
Penerangan lampu jembatan saat ini masih di
hubungkan pada jala-jala listrik PLN yang menggunakan
energi fosil untuk membangkitkan energi listrik. Dimana
cadangan energi fosil Indonesia jumlahnya tidak tak
terbatas, yang akan habis pada suatu saat nanti.[4]
Oleh karena itu untuk menghidari pemanasan
global, Sistem konfersi energi angin (SKEA) ini sangat
berperan dalam mengubah energi kinetik angin menjadi
2.1 Energi Angin
Energi angin adalah salah satu jenis sumber
energi terbarukan yang potensial untuk menghasilkan
energi listrik maupun mekanik melalui proses konversi
energi kinetik ke mekanik dan selanjutnya ke listrik. Energi
kinetik yang terdapat pada angin dapat diubah menjadi
energi mekanik untuk memutar peralatan (pompa piston,
generator, penggilingan, dan lain-lain).
Dalam pemanfaatannya,diperlukan data/informasi
mengenai potensi energi angin aktual yang tersedia di
lokasi pemasangan (suplai) dan kebutuhan di lokasi
tersebut (kebutuhan). Kajian dan evaluasi yang lebih
akurat mengenai kedua aspek ini bersama aspek ekonomis
akan menghasilkan pemanfaatan SKEA yang optimal di
suatu lokasi [1].
2.1.1
Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi dari suatu benda
yang dimiliki karena pengaruh gerakannya.
(2.1)
2.2.1
Dimensi Turbin
untuk menentukan jenis turbin yang digunakan
dihitung berdasarkan kecepatan angin pada kondisi sekitar
2.2.1.1 Menentukan Dimensi Turbin Angin
Dimensi dari turbin angin dapat dicari dengan
mengasumsikan daya yang dihasilkan dengan kecepatan
angin yang terjadi disekitar kita. Dengan rumus daya (P)
pada turbin angin sebagai berikut:
P =Cpr ρAv3
Dimana:
m
:
massa udara yang bergerak (kg)
v
:
kecepatan angin (m/s)
E
:
energi kinetik yang terkandung
dalam angin.
Dengan menganggap suatu penampang melintang
A, dimana udara dengan kecepatan v mengalami
pemindahan volume untuk setiap satuan waktu, yang
disebut dengan aliran volume V sebagai persamaan
V = vA
(2.2)
Dimana:
V
:
laju volume (m3/s)
v
:
kecepatan angin (m/s)
A
:
luas area sapuan rotor (m2 )
Sedangkan aliran massa dengan kecepatan udara p sebagai:
m = ρAv
(2.3)
Persamaan-persamaan diatas menunjukkan energi
kinetik dan aliran massa yang melewati suatu penampang
melintang A sebagai energi P yang ditunjukkan dengan
mensubstitusi persamaan (2.3) ke persamaan 2.1) menjadi:
(2.4)
Dimana:
P
:
v
:
ρ
:
daya mekanik (W)
kecepatan angin (m/s)
densitas udara
(ρ rata-rata : 1,2 kg/
).
2.2
Turbin Angin Savonius
Kincir angin tipe savonius VAWT seperti yang
ditunjukkan pada gambar 2.1, diciptakan oleh seorang
insinyur Finlandia SJ Savonius pada tahun 1929. Kincir
VAWT ini merupakan jenis yang paling sederhana dan
menjadi versi besar dari anemometer. . Pada gambar 2.1
merupakan gambar prinsip kerja turbin savonius VAWT .
gambar 2.1 Prinsip Kerja Turbin Savonius VAWT.
(2.5)
2.2.1.2 Tip Speed Ratio
Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah
rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin
bebas [8].
λ=
Dengan:
λ
:
D
:
N
:
V
:
.
(2.6)
tipe speed ratio
diameter rotor (m)
putaran rotor (rpm)
kecepatan angin (m/s)
2.3
Sistem Transmisi Daya
. sistem transmisi speed increasing yaitu putaran
keluar lebih tinggi dari putaran masuk, terjadi kenaikan
putaran dengan konsekuensi momen gaya keluar menjadi
lebih kecil [1].
2.4
Generator Sinkron Magnet Permanen
Secara garis besar, generator sinkron magnet
permanen dibagi menjadi dua jenis bila dilihat dari fluks
magnet yang dihasilkan, yaitu :
 Generator magnet permanen dengan fluks
radial/Generator MPFR (Radial Flux Permanent
Magnet Generator)
 Generator magnet permanen
dengan
fluks
aksial/Generator MPFA (Axial Flux Permanent
Magnet Generator)
Pada proposal ini, hanya membahas mengenai
generator sinkron magnet permanen, fluks aksial dengan
rotor berbentuk piringan (cakram). Pada gambar 2.2
merupakan gambar generator sinkron magnet permanen,
fluks aksial
Gambar 2.2 Generator Sinkron Magnet Permanen, Fluks
Aksial
2.4.1.
Stator
2.6
Stator adalah bagian yang diam dari generator
yang berfungsi sebagai tempat kumparan jangkar. Bentuk
stator pada perancangan ini adalah stator tanpa inti,
Gambar 2.3 Merupakan Stator Tanpa Inti Besi.
DIODA PENYEARAH
Dioda hanya dapat dialiri arus listrik secara satu
arah saja. Prinsip inilah yang digunakan untuk merubah
arus AC yang dibangkitkan di kumparan stator menjadi
arus DC. Gambar 2.5 Merupakan dioda penyearah
Gambar 2.3 Stator Tanpa Inti Besi
2.4.2
Rotor
Rotor adalah bagian yang berputar, rotor
merupakan tempat meletakkan magnet permanen, dimana
pada inti rotor tersebut telah dibentuk ruang untuk
meletakkan magnet permanen. Rotor dari sebuah
permanent magnet generator seperti pada gambar 2.8.
berikut.
Gambar 2.5 dioda penyearah
2.7
Voltage Regulator
Voltage Regulator merupakan suatu komponen
yang berfungsi mengatur tegangan, pada aplikasinya
Voltage Regulator ini mengatur nilai tegangan pada saat
pengisian . Gambar 2.6 Merupakan voltage regulator.[7]
Gambar 2.6 Voltage Regulator.
Gambar 2.4Rotor Permanent Magnet Generator
Air Gap
Celah udara pada generator merupakan tempat
berpindahnya fluks magnet pada magnet permanen dan
menginduksi ke kumparan stator. Sehingga pada celah
udara ini terjadi mekanisme perpindahan atau konversi
energi dari mekanik menjadi elektrik
Baterai
beterai adalah alat listrik kimia yang menyimpan
energi dan mengeluarkannya dalam bentuk listrik. Baterai
terdiri dari tiga komponen, yaitu:
 Batang karbon sebagai anoda
 Seng (Zn) sebagai katoda
 Pasta sebagai elektrolit atau penghantar
2.5
2.10
2.4.5
Optimasi Dimensi Rotor
Salah satu hal yang mempengaruhi dimensi
generator sinkron MPFA adalah ukuran rotor. Ukuran
rotor sendiri juga dipengaruhi oleh beberapa hal:[5]
 Diameter magnet permanen
 Jarak antar kutub magnet permanen
 Diamater penampang (yoke) rotor
2.9
Tegangan Induksi
Prinsip kerja generator dalam mengkonversi
energi mekanik menjadi energi listrik adalah berdasarkan
hokum Faraday. Tegangan induksi yang dihasilkan oleh
generator ini dapat dihitung dengan persamaan [4]:
(2.8)
Erms
N
F
(2.7)
Dy : diameter penampang (yoke) rotor
Dout : diameter luar magnet permanen pada rotor
Din : diameter dalam magnet permanen pada roto
ry
: jari-jari yoke
rm : jari-jari magnet
2p
: jumlah kutub magnet
P
:` jumlah pasangan kutub magnet
X
: jarak antar kutub magnet permanen(Xmp).
Ns
Nph
:
:
:
:
:
:
tegangan induksi (volt)
jumlah lilitan per kumparan
frekuensi
fluks magnet (Wb)
jumlah kumparan
jumlah fasa
.(2.9)
Dimana:
ea magnet
(2.10)
Dimana:
..(2.11)
Dimana ;
:
jarak antar rotor dan stator
2.11
Beban Resistif (R)
Beban resistif (R) yaitu beban yang terdiri dari
komponen tahanan ohm saja (resistance), seperti elemen
pemanas (heating element) dan lampu pijar. Beban jenis
ini hanya mengkonsumsi beban aktif saja dan mempunyai
faktor daya sama dengan satu. Tegangan dan arus sefasa.
Persamaan daya sebagai berikut:
P = VI…..(2.12)
Dimana:
P : daya aktif yang diserap beban (watt)
V : tegangan yang mencatu beban (volt)
I :arus yang mengalir pada beban (Ampere)
Tahapan awal dalam menyelesaikan tugas akhir
ini dimulai dengan membangun ide awal dilanjutkan
dengan studi literatur untuk mencari informasi dan datadata yang diperlukan, pencarian informasi mengenai dasar
teori tentang turbin angin serta konsep permanenent
magnet generator.
Pembuatan pembangkit terdiri dari beberapa
tahapan, yaitu pembuatan sudu turbin secara vertical
berdasarkan hasil pengukuran angin dan pembuatan
transmisi dengan menggunakan gear box, kemudian
pembuatan generator aksial meliputi pembuatan rotor
dengan menggunakan magnet permanent, penggulungan
lilitan stator serta pembuatan rumah bagi generator aksial.
Pada tahapan pengujian, parameter yang diukur
baik dalam keadaan berbeban maupun tidak berbeban serta
pengetesan kecepatan dari generator aksial.
3.1
Pengukuran Angin Di Lokasi Penelitian
Pengukuran angin dilakukan di jembatan krueng
cut Aceh Besar dengan menggunakan flowatch meter.
Gambar 3.2 penggukuran angin dengan menggukan
flowactmeter
Gambar 3.2 Penggukuran Angina Dengan Menggukan
Flowactmeter
3.2
3.Metodelogi Penelitian
Penelitian ini dilakukan secara bertahap, berikut
tahapan yang dilakukan dalam penulisan tugas akhir ini
adalah :
Proses Desain Turbin Angin Savonius
Proses desain ini menggunakan autocad, terdiri
dari 6 buah sudu, turbin savonius berfungsi sebagai
penggerak utama rotor pada generator aksial , pada
gambar 3.2 desain desain turbin savonius
Gambar 3.3 Desain Turbin Savonius
3.3
Proses Desain Generator Aksial
Proses desain ini menggunakan autocard,
pembuatannya berdasarkan optimasi dimensi rotor,
penggulungan lilitan kumparan stator. Pada generator
aksial terdapat 9 kumparan stator dan 12 medan magnet
yang diletakkan pada rotor, stator terdiri dari 3 phasa. pada
gambar 3.3 desain rotor dan stator.
Gambar 3.1 Diagram Alir Dari Tahapan Penelitian
berfungsi untuk menjaga tegangan output generator aksial
tetap konstan.
3.6
Analisa Dan Pembahsan
Analisa kinerja unit pembangkit yaitu keluaran
dari generator magnet permanen fluks aksial
langsung diukur setiap 60 menit sekali, agar mengatahui
berapa waktu yang dibutukan untuk mengisi akumulator
Gambar 3.4 Rotor dan Stator
3.7
Penggabungan Turbin Angin Dan Generator
Aksial
Proses penggabungan ini dengan menambahkan
sistem transmisi speed increasing, ,yaitu putaran keluar
dari putaran rotor turbin angin lebih besar dari putaran
masuk dimana perbandingan putaran rotor turbin 1 : 11
terhadap putaran rotor generator
Penarikan Kesimpulan
Kesimpulan dari penelitian.
3.4
4.Hasil Dan Pembahasan
4.1
Angin.
Pembuatan
Luasan Dimensi
Sudu Turbin
Pada penelitian ini hasil yang diperoleh berupa
desain sudu turbin angin menggunakan software AutoCad
bedasarkan rumus yang tertera pda bab 2
Diketahui
D
:
1 meter
V
:
3,2 m/s
n
:
40 rpm (asumsi)
tip speed ratio (λ)
λ=
λ
torsi Q =
Luas sapuan rotor turbin (A)
A=
Gambar3.5 Penggabungan Turbin Angin dan
Permanen Magnet Generator
3.5
Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Diawali dengan pembuatan rotor turbin dengan
menggunakan kanopi yang dibentuk setengah lingkaran,
dan proses pembuatan sistem transmisi dengan
menggunakan gear box, kemudian pembuatan generator
aksial yang diawali dengan membuat diameter rotor serta
menentukan jumlah lilitan dan kumparan pada stator
aksial, kita dapat menentukan besarnya diameter kawat
tembaga yang akan dililitkan untuk mendapatkan nilai
tegangan output sesuai dengan yang diinginkan. dari hasil
lilitan tersebut dapat dioperasikan dengan putaran yang
lebih rendah namun menghasilkan tegangan output yang
lebih besar dibesar. Kemudian listrik yang dihasilkan dari
pembangkit untuk pengisian baterai membutuhkan arus
searah, oleh karena itu diperlukan dioda yang berfungsi
untuk merubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah
(DC). Tegangan yang dihasilkan generator aksial
bervariasi bergantung dari kecepatan putaran dan
banyaknya beban. Untuk itulah digunakan regulator yang
Menetukan cqr =
=
= 1,25
Menentukan cpr = λ x cqr
= 0,65 x 1,25
= 0,81
Luas turbin
= 2 x 3,14 x r x ( r + t)
= 2 x 3,14 x 0,5 x ( 0,5 + 1,5)
= 6,28
Dengan didapatkannya luas penampang 6 buah
sudu (A) sebesar 6,28 m2, maka dengan menggunakan 6
buah sudu diperoleh dimensi sudu sebagai berikut:
Diketahui
Tinggi (l)
= 1,5 meter
Jumlah sudu
= 6 sudu
Luas 1 sudu
=
meter
A
d
d
=
6 x 0,5 x 3,14 x d xL
=
2 x 6,28 / 6 x 3,14 x 2
=
0,45 meter
Jadi dimensi jenis turbin yang digunakan adalah
jenis turbin angin tipe savonius dengan dimensi D x L
yaitu 0, 45 meter x 1,5meter, pada gambar 3.2sudu turbin
savonius
4.3
Dimensi Stator
stator merupakan bagian yang diam pada
generator aksial yang terdiri dari 9 kumparan
Gambar 4.3 Stator Generator Aksial
Gambar 4.3 Stator Generator Aksial
.2data Tabel Stator
Simbol
Gambar 4.1 Sudu Turbin Savonius
4.2
Pembuatan
Dimensi generator magnet
permanen fluks aksial .
Perhitungan luasan rotor Rotor generator magnet
permanen fluks aksial.
Dy = 2[
Dout
Din
0,22 mm
= 160,22 mm
=160,22 – 4 x ( 12,5) = 110,22 mm
Table 1 Rotor Generator Magnet Permanen Fluks Aksial
Symbol
keterangan
mm
z
r
y
x
p
Diemeter luar
Lubang poros
Jari –jari luar
Jari –jari dalam
Diameter magnet
permanent
Jarak antar magnet
160,22
12
80,11
55,11
25
q
Panjang (cm)
3
5
0,5
1,5
0,5
50
3705
0,45
4.4 Tegangan Induksi
Generator ini didesain untuk berkerja pada
putaran 560 rpm dengan frekuensi 56 Hz. Tegangan
induksi yang dihasilkan oleh generator ini dapat dihitung
dengan persamaan.
(3.9)
]
Dy = (
Tbl
Keterangan
Jari – jari stator bagian
dalam
Jari – jari stator bagian luar
Lebar lubang stator bagian
luar
Lebar lubang stator bagian
dalam
Tebal kumparan stator
Banyak lilitan
Panjang lilitan
Diameter kawat
1
Gambar .4.2 Rotor Generator Magnet Permanen Fluks
Aksial Dengan Menggunakan Software Autocad.
4,44 x 30 x 100 x 0,000493 x 3 = 19,7 volt (AC)
19,7 x
= 34,1 Vdc
4.5 Hasil Percobaan.
Tabel.3 tabel hasil
menggunakan flowatchmeter
pengukuran angin dengan
Tabel 4. Data hasil perbandingan perhitungan dengan dan
pengukuran berdasarkan waktu
Grafik C dari pukul 14.00 – 18.00.
Gambar 3 grafik C perbandingan ukur dan hitung
Grafik D pukul 19,00 – 00.00
Berikut ini adalah perbandingan grafik
berdasarkan waktu dan tegangan yang dihasilkan. Hasil
perbandingan berdasarkan tampilan grafik, dibagi menjadi
4 grafik beradaskan waktu, grafik A dari pukul 01.00 –
06.00. garik B dari pukul 07.00 – 13.00. grafik C dari
pukul 14.00 – 18.00. grafik D pukul 19,00 – 00.00.
Gambar 4 grafik D perbandingan ukur dan hitung
4.6
Gambar 1 Grafik A Perbandingan Ukur Dan Hitung .
Pembahasan
Berdasarkan data diatas semakin cepat putaran
turbin maka semakin cepat pula putaran generator,
sehingga keluarannya semakin besar. Dengan demikian
pengukuran efektif pengisian akumulator dari pukul 10.00
– 18.00. disebabkan kerapatan medan magnet sangat kecil.
Sehingga diameter kawat kecil, maka arus yang dihasilkan
kecil. Pada kisaran pukul 13.00 -14.00 tegangan yang
dihasilkan sebesar 30 Vdc merupakan tegangan yang
paling besar dan daya yang dihasilkan 8, 65 watt
Garik B dari pukul 07.00 – 13.00.
5. kesimpulan.
1. Semakin cepat putaran penggerak maka semakin
2.
3.
Gambar 2 Grafik B Perbandingan Ukur Dan Hitung
besar tegangan yang dihasilkan.
Pada pukul 10.00 – 18.00 merupakan waktu yang
efektif untuk pengisian akumulator, dimana pada
pukul tersebut tegangan yang dihasilkan berkisar
dari dari 13 volt dc sampai 30 volt dc.
Pada pukul 14.00 tegangan keluaran sebesar 30,9
Vdc, ini merupakan keluaran paling besar diantara
waktu yang lain.
4.
Pembangkit listrik tenaga angin dengan
menggunakan generator Magnet Permanen Fluks
Aksial ini sangat tepat digunakan untuk
penerangan lampu jembatan karena pada siang hari
angin pada daerah jembatan mampu mengisi
akumulator.
5.2 saran
Penelitian
tentang
perancangan
prototipe
generator magnet permanent fluks aksial pada pembangkit
listrik tenaga angin untuk penerangan lampu jaan dapat
dikembangtkan lebih lanjut dengan memvariasikan lilitan
serta kerapatan magnet
REFERENSI
[1] Purwanto adtyo dkk, 2011, Rancang Bangun Turbin
Angin Vertikal Untuk Penerangan Rumah Tangga,
Laporan Tugas Akhir. fakultas teknik program studi
diploma iii teknik mesin semarang
[2] Pane Ennopati.2009, Studi Sistem Eksitasi Dengan
Menggunakan Permanent Magnet Generator (aplikasi
pada generator sinkron di pltd pt. manunggal
wiratama) ,departemen teknik elektro fakultas teknik
universitas sumatera utara medan
[3] Dimas waluyo jati, Perancangan Generator Fluks
Aksial Putaran Rendah Magnet Permanen Jenis
Neodymium (Ndfeb) Dengan Variasi Celah Udara,
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik – Universitas
Diponegoro
[4] 4Chatra Hagusta Prisandi, 2011”Studi Desain
Kumparan Stator Pada Generator Sinkron Magnet
Permanen Fluks Aksial Tanpa Inti Stator” Universitas
Indonesia.
[5] Edo Adhi Fitradhana, 2012 “Studi Desain Rotor
Generator Sinkron magnet Permanen Fluks Aksial
Jenis Cakram” Universitas Indonesia.
[6] M Kahlil Firdausi, 2010”Simulasi Pengaruh Disain
Magnet Permanen Pada Generator Sinkron Fluks
Aksial Rotor Cakram Ganda Stator Tanpa Inti”
Universitas Indonesia.
[7] Sukma Harry, 2012 “ Rancang Bangun Pembangkit
Listrik Tenaga Pikohidro Sistem Terapung ”Jurusan
Teknik Elektrofakultas Teknik Universitas Syiah
Kuala Darussalam-Banda Aceh
]8] Martono Tjukup, 2010, Prancangan Kincir Angin
Axis Vertikal Type Baru Untuk Generator Listrik
Tenaga Angin, Prosiding Seminar Nasional Teknik
Kimia, Jurusan Teknik Kimia Pembangunan Nasional
“Veteran”Jogjakarta..