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 3.6. Battery Charger 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