T1 612008032 BAB III
BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Pada bab ini akan dijelaskan perancangan sistem serta realisasi perangkat keras
pada perancangan skripsi ini.
3.1.
Gambaran Alat
Alat yang akan direalisasikan adalah sebuah alat yang memanfaatkan tenaga
angin. Tenaga kinetik yang timbul dari angin akan menggerakkan turbin yang
dihubungkan dengan magnet yang memiliki medan magnet yang besar serta koil. Alat
juga dapat menangkap angin dari berbagai sudut, sehingga arah angin yang datangnya
terkadang berubah – ubah juga dapat di manfaatkan. Pergerakkan antara koil dan
magnet yang tegak lurus akan menghasilkan arus dan tegangan. Hasil dari generator di
alirkan ke wind charger controller. Dari akumulator baru bisa dimanfaatkan untuk
penerangan ataupun kepentingan lain menggunakan inverter.
Gambar 3.1. Proses pemanfaatan angin
15
3.2.
Sudu Rotor
Untuk mengantisipasi arah angin yang selalu berubah – ubah maka dpilih bentuk
twisted savonius sebagai bentuk turbin. Bentuk twisted savonius dapat menangkap angin
dari berbagai arah karena bentuk blade-nya yang melingkar, dan bagian yang memilin
berfungsi untuk menahan angin sehingga angin akan tertangkap yang memungkinkan
untuk mengalirkan angin.
Sudu berkontak dengan udara yang mengakibatkan sudu berputar karena adanya
gaya dari aliran angin. Pangkal sudu yang menempel dengan generator mengakibatkan
generator bekerja sehingga akan menimbulkan energi listrik. Oleh karena putaran pada
sudu merupakan suatu hal yang menentukan dalam pembangkitan daya, maka
konstruksi sudu pun harus dibuat sebaik mungkin.[5]
Gambar 3.2. Bentuk blade (sudu)
16
Pada gambar 3.2 adalah per bagian sudu, hal ini dilakukan karena pembuatan
secara langsung tidak memungkinkan maka dibuat per bagian [3]. Secara keseluruhan
turbin yang dibuat membutuhkan 6 tingkat sehingga dibutuhkan 12 bagian.
Gambar 3.3. Diagram mekanik turbin savonius
Berikut adalah ukuran turbin secara keseluruhan yang dibuat:
Tinggi = H = 150 cm = 1,5 m
Diameter sudu keseluruhan =
= 50 cm = 0,5 m
Diameter lengkung sudu = D = 50 cm = 0,5 m
Jari- jari sudu sampai shaft = d = 30 cm = 0,3 m
Diameter sumbu dengan rongga = e = 10 cm = 0,1 m
Diameter sumbu rangka = a = 3,5 cm = 0,035 m
17
Gambar 3.4. Realisasi Turbin Twisted Savonius
Gambar 3.4 merupakan bentuk sudu setelah terpasang semua dapat terlihat
turbin memiliki 6 tingkat dan dapat terlihat memilin menggunakan 12 bagian sudu.
Dengan data ukuran turbin maka dapat diketahui aspect ratio, dan overlap ratio.
Aspect ratio (α) =
=
=3
Overlap ratio (β) =
=
–
= 0,13
18
3.3.
Generator
Mengggunakan generator AC servo motor magnet permanen 3 phase berdaya
maksimal 400 Watt pada 3000 rpm.
Untuk mengetahui efisiensi dari generator perlu diketahui terlebih dahulu daya
masukan dari generator. Karena shaft dari generator menyambung dengan sumbu turbin
maka generator dapat dianggap sebagai beban sehingga daya mekanik turbin dapat
dicari dengan menggunakan cara Break Horse Power, yaitu daya turbin yang diukur
ketika diberi beban generator ataupun perangkat tambahan lainnya dengan melihat daya
keluaran dari generator.[7]
Gambar 3.5. Generator AC
Generator yang dipilih adalah generator yang ringan dengan kata lain tidak
membutuhkan daya yang sangat besar agar generator mau berputar. Generator ini
mampu berputar dengan torsi minimal 1,3 Nm. Sehingga dengan menggunakan
generator ini dapat memanfaatkan tenaga angin minimal 1,4 m/s atau 5 km/jam dengan
asumsi mengenai keseluruhan turbin.
19
3.4.
Rangkaian Penyearah
Outputan dari generator tidak bisa langsung dimanfaatkan karena masih berupa
tegangan AC tiga fasa maka untuk memanfaatkan outputan dari generator diperlukan
rangkaian penyearah. Penggunaan rangkaian setara penyearah 3 fasa ini agar keluaran
dari generator berupa AC yang terkadang sulit untuk diukur karena tergantung dari
putaran generator yang terkadang tidak stabil. Dengan menggunakan rangkaian setara
ini diharapkan dapat meminimalisir ripple dari keluaran AC dan mengubahnya menjadi
keluaran DC sehingga dapat memudahkan pengukuran.
Gambar 3.6. (a) rangkaian delta 3 fasa (b) rangkaian penyearah 3 fasa
Untuk mencari daya keluaran dari rangkaian setara penyearah tiga fas digunakan
rumus :
=
Dimana :
= Daya output (Watt)
= Tegangan output (Volt)
= Arus output (Ampere)
20
3.5.
Kipas Angin
Untuk mensimulasikan angin digunakan kipas dengan 3 kecepatan yaitu 2,6 m/s;
3,4 m/s; dan 4 m/s. Kipas angin ini memiliki jari – jari 24 cm = 0,24 m.
Gambar 3.7. Kipas angin
Masing – masing kecepatan memiliki daya angin sebagai berikut :
Luas penampang angin yang menumbuk ( kipas angin )
=
.(
=
.( 0,24 m
.( 0,0576 m) = 0,181
Dipakai kerapatan angin pada suhu kamar ( 27 °C ) adalah 1,743 kg/
Pada kecepatan angin 2,6 m/s (pembacaan anemometer)
Daya (
) = .ρ.A.
= .(1,0743 kg/
).(0,181
).
= 1,709 W
Pada kecepatan angin 3,4 m/s (pembacaan anemometer)
21
Daya (
) = .ρ.A.
= .(1,0743 kg/
).(0,181
).
= 3,821 W
Pada kecepatan angin 4 m/s (pembacaan anemometer)
Daya (
) = .ρ.A.
= .(1,0743 kg/
).(0,181
).
= 6,223 W
Battery Charger
3.6.
Dalam perancangan ini menggunakan DC-DC step-up converter dengan
menggunakan IC CE8301. IC CE8301 memiliki spesifikasi sebagai berikut :
-
Dapat bekerja pada tegangan 0,9 – 5 V
-
Tegangan output 1,8 – 6,5 V
-
Memiliki efisiensi 85 %
-
Memiliki fitur PFM
Gambar 3.8. Gambar Rangkaian DC-DC Step-Up Converter
Berdasarkan datasheet dari IC CE8301 tegangan input dari converter dapat
diketahui dengan rumus:
22
=
x 0,6
Dan arus output dengan rumus:
/ 250 Ω
=
Pemilihan IC CE8301 karena IC ini memiliki fitur PFM yang dapat mengontrol
duty ratio secara otomatis karena perubahan beban, sehingga memiliki ripple yang
kecil. IC ini juga dapat di konfigurasikan dengan induktor, kapasitor, ataupun dioda
tambahan. Pada IC MOSFET ini terdapat proteksi agar IC tidak rusak, yaitu bila
tegangan pada pin LX melebihi batas yang seharusnya yaitu pada
-0
+10. Pada
gambar 3.8 terdapat LED sebagai indikator ketika rangkaian bekerja yang memudahkan
mengetahui saat rangkaian sedang bekerja.
23
PERANCANGAN SISTEM
Pada bab ini akan dijelaskan perancangan sistem serta realisasi perangkat keras
pada perancangan skripsi ini.
3.1.
Gambaran Alat
Alat yang akan direalisasikan adalah sebuah alat yang memanfaatkan tenaga
angin. Tenaga kinetik yang timbul dari angin akan menggerakkan turbin yang
dihubungkan dengan magnet yang memiliki medan magnet yang besar serta koil. Alat
juga dapat menangkap angin dari berbagai sudut, sehingga arah angin yang datangnya
terkadang berubah – ubah juga dapat di manfaatkan. Pergerakkan antara koil dan
magnet yang tegak lurus akan menghasilkan arus dan tegangan. Hasil dari generator di
alirkan ke wind charger controller. Dari akumulator baru bisa dimanfaatkan untuk
penerangan ataupun kepentingan lain menggunakan inverter.
Gambar 3.1. Proses pemanfaatan angin
15
3.2.
Sudu Rotor
Untuk mengantisipasi arah angin yang selalu berubah – ubah maka dpilih bentuk
twisted savonius sebagai bentuk turbin. Bentuk twisted savonius dapat menangkap angin
dari berbagai arah karena bentuk blade-nya yang melingkar, dan bagian yang memilin
berfungsi untuk menahan angin sehingga angin akan tertangkap yang memungkinkan
untuk mengalirkan angin.
Sudu berkontak dengan udara yang mengakibatkan sudu berputar karena adanya
gaya dari aliran angin. Pangkal sudu yang menempel dengan generator mengakibatkan
generator bekerja sehingga akan menimbulkan energi listrik. Oleh karena putaran pada
sudu merupakan suatu hal yang menentukan dalam pembangkitan daya, maka
konstruksi sudu pun harus dibuat sebaik mungkin.[5]
Gambar 3.2. Bentuk blade (sudu)
16
Pada gambar 3.2 adalah per bagian sudu, hal ini dilakukan karena pembuatan
secara langsung tidak memungkinkan maka dibuat per bagian [3]. Secara keseluruhan
turbin yang dibuat membutuhkan 6 tingkat sehingga dibutuhkan 12 bagian.
Gambar 3.3. Diagram mekanik turbin savonius
Berikut adalah ukuran turbin secara keseluruhan yang dibuat:
Tinggi = H = 150 cm = 1,5 m
Diameter sudu keseluruhan =
= 50 cm = 0,5 m
Diameter lengkung sudu = D = 50 cm = 0,5 m
Jari- jari sudu sampai shaft = d = 30 cm = 0,3 m
Diameter sumbu dengan rongga = e = 10 cm = 0,1 m
Diameter sumbu rangka = a = 3,5 cm = 0,035 m
17
Gambar 3.4. Realisasi Turbin Twisted Savonius
Gambar 3.4 merupakan bentuk sudu setelah terpasang semua dapat terlihat
turbin memiliki 6 tingkat dan dapat terlihat memilin menggunakan 12 bagian sudu.
Dengan data ukuran turbin maka dapat diketahui aspect ratio, dan overlap ratio.
Aspect ratio (α) =
=
=3
Overlap ratio (β) =
=
–
= 0,13
18
3.3.
Generator
Mengggunakan generator AC servo motor magnet permanen 3 phase berdaya
maksimal 400 Watt pada 3000 rpm.
Untuk mengetahui efisiensi dari generator perlu diketahui terlebih dahulu daya
masukan dari generator. Karena shaft dari generator menyambung dengan sumbu turbin
maka generator dapat dianggap sebagai beban sehingga daya mekanik turbin dapat
dicari dengan menggunakan cara Break Horse Power, yaitu daya turbin yang diukur
ketika diberi beban generator ataupun perangkat tambahan lainnya dengan melihat daya
keluaran dari generator.[7]
Gambar 3.5. Generator AC
Generator yang dipilih adalah generator yang ringan dengan kata lain tidak
membutuhkan daya yang sangat besar agar generator mau berputar. Generator ini
mampu berputar dengan torsi minimal 1,3 Nm. Sehingga dengan menggunakan
generator ini dapat memanfaatkan tenaga angin minimal 1,4 m/s atau 5 km/jam dengan
asumsi mengenai keseluruhan turbin.
19
3.4.
Rangkaian Penyearah
Outputan dari generator tidak bisa langsung dimanfaatkan karena masih berupa
tegangan AC tiga fasa maka untuk memanfaatkan outputan dari generator diperlukan
rangkaian penyearah. Penggunaan rangkaian setara penyearah 3 fasa ini agar keluaran
dari generator berupa AC yang terkadang sulit untuk diukur karena tergantung dari
putaran generator yang terkadang tidak stabil. Dengan menggunakan rangkaian setara
ini diharapkan dapat meminimalisir ripple dari keluaran AC dan mengubahnya menjadi
keluaran DC sehingga dapat memudahkan pengukuran.
Gambar 3.6. (a) rangkaian delta 3 fasa (b) rangkaian penyearah 3 fasa
Untuk mencari daya keluaran dari rangkaian setara penyearah tiga fas digunakan
rumus :
=
Dimana :
= Daya output (Watt)
= Tegangan output (Volt)
= Arus output (Ampere)
20
3.5.
Kipas Angin
Untuk mensimulasikan angin digunakan kipas dengan 3 kecepatan yaitu 2,6 m/s;
3,4 m/s; dan 4 m/s. Kipas angin ini memiliki jari – jari 24 cm = 0,24 m.
Gambar 3.7. Kipas angin
Masing – masing kecepatan memiliki daya angin sebagai berikut :
Luas penampang angin yang menumbuk ( kipas angin )
=
.(
=
.( 0,24 m
.( 0,0576 m) = 0,181
Dipakai kerapatan angin pada suhu kamar ( 27 °C ) adalah 1,743 kg/
Pada kecepatan angin 2,6 m/s (pembacaan anemometer)
Daya (
) = .ρ.A.
= .(1,0743 kg/
).(0,181
).
= 1,709 W
Pada kecepatan angin 3,4 m/s (pembacaan anemometer)
21
Daya (
) = .ρ.A.
= .(1,0743 kg/
).(0,181
).
= 3,821 W
Pada kecepatan angin 4 m/s (pembacaan anemometer)
Daya (
) = .ρ.A.
= .(1,0743 kg/
).(0,181
).
= 6,223 W
Battery Charger
3.6.
Dalam perancangan ini menggunakan DC-DC step-up converter dengan
menggunakan IC CE8301. IC CE8301 memiliki spesifikasi sebagai berikut :
-
Dapat bekerja pada tegangan 0,9 – 5 V
-
Tegangan output 1,8 – 6,5 V
-
Memiliki efisiensi 85 %
-
Memiliki fitur PFM
Gambar 3.8. Gambar Rangkaian DC-DC Step-Up Converter
Berdasarkan datasheet dari IC CE8301 tegangan input dari converter dapat
diketahui dengan rumus:
22
=
x 0,6
Dan arus output dengan rumus:
/ 250 Ω
=
Pemilihan IC CE8301 karena IC ini memiliki fitur PFM yang dapat mengontrol
duty ratio secara otomatis karena perubahan beban, sehingga memiliki ripple yang
kecil. IC ini juga dapat di konfigurasikan dengan induktor, kapasitor, ataupun dioda
tambahan. Pada IC MOSFET ini terdapat proteksi agar IC tidak rusak, yaitu bila
tegangan pada pin LX melebihi batas yang seharusnya yaitu pada
-0
+10. Pada
gambar 3.8 terdapat LED sebagai indikator ketika rangkaian bekerja yang memudahkan
mengetahui saat rangkaian sedang bekerja.
23