Pengaruh Variasi Pembebanan Pada Poros Utama Turbin Angin Terhadap Putaran, Daya Listrik, dan Kinerja Turbin Angin Golden Blade Bella Rukmana *, Sapto Wiratno Satoto, Wowo Rossbandrio Batam Polytechnics Mechanical Engineering study Program Batam Center, Jl. Ahmad Yani, Batam, Kepulauan Riau 29461 E-mail: bellarukmana@ymail.com Abstrak Pemberian variasi beban berpengaruh pada output putaran, daya listrik, dan kinerja turbin angin. Putaran turbin angin dipengaruhi oleh massa rotor. Semakin besar massa rotor, maka semakin besar pula kecepatan angin yang dibutuhkan untuk memutarkan rotor tersebut. Untuk mengetahui output dari variasi beban pada rotor, maka dilakukanlah penelitian dengan memberikan variasi beban pada poros utama turbin angin. Output yang dianalisa berupa putaran poros turbin angin dan daya turbin angin. Hasil daya turbin angin dibandingkan dengan daya angin sehingga didapati nilai kinerja turbin angin. Prinsip kerja dari penelitian ini yaitu angin bersumber dari aliran angin pantai dengan kecepatan angin yang bervariasi 2-3 m/s. Pengukuran putaran poros turbin angin diukur dengan tachometer dan daya output diukur dengan multimeter. Massa yang diberikan pada poros berupa puli dengan massa 0 kg, 1 kg, 2 kg dan 3 kg. Hasil penelitian disajikan dalam tabel dan grafik dengan perbandingan beban terhadap putaran dan daya turbin angin. Output maksimal dihasilkan turbin angin tanpa beban (0 kg) dengan kecepatan angin 2.55 m/s menghasilkan putaran poros turbin angin 173.54 rpm, daya output 2.25 watt dan kinerja turbin angin 6.80 %. Jadi, semakin besar massa beban pada poros turbin angin maka semakin kecil putaran poros turbin angin, daya ouput dan kinerja turbin angin yang dihasilkan. Kata kunci: turbin angin, poros, rpm, daya listrik, kinerja Abstract Giving the variation of load affect shaft rotation, power, and performance of wind turbines. Wind turbine rotation is influenced by the mass of the rotor. The greater the mass of the rotor, the greater the wind speed required to rotate the rotor. To determine the output of load variation on the rotor, we conducted this study to provide load variations on the main axis wind turbines. The output shaft speed and power of wind turbine is analyzed. Results of wind turbine power compared with wind power thus found to value the performance of the wind turbine. The working principle of this study, the wind comes from the flow of wind beach with the wind speed varies 2-3 m / s. Measurement of shaft rotation is measured by a tachometer and power output is measured with a multimeter. Massa is given to the shaft in the form of pulleys with mass 0 kg, 1 kg, 2 kg and 3 kg. The results of the study are presented in tables and graphs with a load ratio of the rotation and power wind turbines. Maximum output is produced by wind turbine no-load (0 kg) with the wind velocity is 2.55 m/s, produce rotation axis wind turbine is 173.54 rpm, power output is 2.25 watt and performance of the wind turbine is 6.80%. Thus, the greater the mass of the load on the wind turbine shaft, the smaller rotation axis wind turbines, power output and performance of wind turbines produced. Keywords : wind turbine, shaft, rpm, power, performance 1 Pendahuluan Dalam beberapa dekade terakhir ini, penurunan ketersediaan energi fosil menumbuhkan kekhawatiran bagi masyarakat, sehingga mendorong pengembangan dan penggunaan alat konversi energi yaitu turbin angin. Alat konversi energi ini tentunya dapat digunakan secara meluas dalam memenuhi dan
mengakomodasikan kebutuhan listrik masyarakat [1]. Ihwah dan Sota (2010:133) mengatakan energi angin dapat dikonversi ke dalam bentuk energi listrik atau mekanik dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Kincir atau turbin angin dikenal sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA). Turbin angin mengkonversi tenaga mekanik dari putaran rotor menjadi energi listrik dengan induksi magnetik. Salah satu komponen utama turbin angin adalah rotor. Rotor menangkap energi mekanik angin yang kemudian diubah menjadi energi kinetik putar. Pada rotor terdapat poros, poros merupakan bagian terpenting pada rotor guna mentransmisikan daya dan torsi. Titik tumpu beban rotor berada pada poros. Pada turbin angin golden blade digunakan rasio gear 3:1. Putaran poros generator berputar 3 kali lipat dari putaran poros utama turbin angin. Daya angin yang ada tidak semuanya dapat dikonversi menjadi energi mekanik oleh turbin angin. Daya maksimum yang bisa diperoleh dari energi angin adalah 0,593 yang artinya hanya sekitar 60% saja daya angin yang dapat dikonversi menjadi daya mekanik. Angka 16/27 disebut dengan batas bets (Betz limit, diambil dari ilmuan Jerman Albert Betz). Faktor Betz menunjukkan nilai maksimum semua alat konversi energi angin, dengan asumsi ideal, dimana aliran dianggap tanpa gesekan dan daya keluaran dihitung dengan tanpa mempertimbangkan jenis turbin yang digunakan [2]: 16 1 P a Av 27 2 3 (1) Dimana: P a = Daya angin (Watt) = Kerapatan udara (1,225 Kg/m 3 ) A = Area penangkapan angin (m 2 ) V = Kecepatan angin (m/s) Persamaan tersebut merupakan sebuah persamaan untuk kecepatan angin pada turbin angin yang ideal, dengan anggapan bahwa energi angin dapat dimanfaatkan seluruhnya oleh turbin angin menjadi energi listrik [3]. Tenaga total aliran angin berbanding lurus terhadap massa jenis angin, luas rotor, dan pangkat tiga kecepatan angin [4]. Daya poros dan daya angin merupakan parameter penting dalam mengetahui kinerja turbin angin. Daya poros merupakan daya output hasil dari putaran pada poros turbin. Sedangkan daya angin adalah daya input angin yang masuk kedalam turbin. Dimana: V = Tegangan listrik (V) I = Arus listrik (A) P ta VI (2) Jadi, kinerja turbin angin merupakan perbandingan antara daya output turbin angin dan daya input angin, dapat di tulis dengan persamaan : Dimana: K ta = Kinerja turbin angin (%) P a = Daya angin (Watt) = Daya turbin angin (Watt) P ta Pta Kta 100% (3) P Didasari oleh latar belakang dan permasalahan yang ada, maka penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh variasi beban terhadap putaran poros turbin angin dan daya turbin angin. Dengan demikian dapat diperoleh kinerja maksimum turbin angin pada pembebanan yang bervariasi dengan kecepatan angin 2-3 m/s. 2 Metodologi Metode yang dilakukan dalam penelitian ini adalah metode eksperimental. Pengambilan data sebanyak 5 kali per masing-masing variasi beban. Kegiatan yang dilakukan meliputi pembuatan alat penelitian tambahan, pengambilan data, pengolahan dan analisa data. Penelitian dilakukan di Pantai Nongsa, Batam. Penelitian dilaksanakan pada tanggal 05 Mei 2016. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini, antara lain: a. Timbangan b. Anemometer (HT-81 LCD Pocket Digital Anemometer) c. Tachometer (Ecotach Optical Tachometer) d. Multimeter (CD800A Sanwa Digital Multimeter) e. Clampmeter (Fluke 375 True RMS AC/DC Clamp Meter) Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini, antara lain: a. Puli b. Dudukan puli (terbuat dari aluminium) Spesifikasi turbin angin golden blade sebagai berikut : Jenis Jumlah Blade Diameter Rotor Tinggi Turbin Generator a : Horizontal : 3 buah : 2640 mm : 2790 mm : 20 Volt / 400 Watt Langkah awal yang dilakukan yaitu mempersiapan alat dan bahan. Pada penelitian, digunakan empat variasi beban, yaitu 0 kg (tanpa beban), 1 kg, 2 kg, dan 3 kg. Puli difungsikan sebagai beban. Puli diletakkan pada bagian tengah poros utama turbin angin. Penelitian dilakukan dari beban yang kecil hingga beban yang besar. Pengambilan data putaran dan daya turbin angin dilakukan sebanyak 5 kali per masing-masing beban, dan kemudian mengambil nilai rata-rata dari data yang didapatkan, sehingga tidak mengurangi kevalidan data yang didapat.
Kecepatan angin konstan hanya bertahan selama 5 7 detik. Kecepatan angin yang tidak konstan tersebut mengakibatkan daya angin yang diperolehpun berbeda-beda. Gambar 1. Metodologi Penelitian Pengukuran kecepatan angin menggunakan alat ukur anemometer dengan satuan m/s. Untuk pengambilan data output putaran poros turbin angin menggunakan alat ukur tachometer. Turbin yang berputar akan menghasilkan daya dan output tersebut diukur dengan menggunakan 2 buah multimeter. Multimeter 1 digunakan untuk mengukur tegangan listrik (V) dan multimeter 2 untuk mengukur arus listrik (I). Hasil dari multimeter tersebut dikalikan sehingga didapatkan hasil daya listrik turbin angin. Sistem pengukuran daya yaitu dengan beban lampu dan tanpa melewati baterai, sehingga pengukuran daya secara langsung dari output generator. Skema pengambilan tegangan listrik dan arus listrik terlihat pada gambar berikut. Alat pembangkit listrik atau dikenal sebagai generator digunakan untuk mengubah energi kinetik atau energi gerak menjadi energi listrik dengan menggunaka induksi elektromagnetik. Yang dihasilkan dari generator berupa tegangan dan arus listrik. Arus listrik yang dihasilkan yaitu AC (alternating current) atau arus bolak balik. Sifatnya yaitu besarnya arus bervariasi terhadap waktu. Semakin besar kecepatan angin, maka daya angin semakin besar. Turbin angin yang diberi variasi beban akan menghasilkan jumlah putaran poros yang berbeda pula. Hubungan antara jumlah putaran poros dan beban yaitu berbanding terbalik, artinya semakin besar beban yang diberikan, maka akan semakin pelan putaran poros yang dihasilkan turbin angin dan sebaliknya, semakin kecil beban yang diberikan pada poros, maka semakin cepat putaran poros yang dihasilkan turbin angin. Hal ini terjadi karena adanya pengereman pada poros akibat pemberian beban. Berikut adalah hasil pengujian dengan mengambil 5 data dan kemudian nilai tersebut dirata-ratakan. Tabel 1. output turbin angin tanpa beban 1 2.24 130.30 6.80 0.24 2 2.45 157.90 8.00 0.26 3 2.50 167.20 8.30 0.26 4 2.72 195.40 9.20 0.26 5 2.86 216.90 12.00 0.25 X = 2.55 173.54 8.86 0.25 Gambar 2. Skema pengambilan tegangan dan arus listrik Untuk mengetahui kinerja turbin angin, maka harus diketahui niali daya angin yang mampu dimanfaatkan turbin angin dengan menghitung persamaan 1. Hasil daya angin yang telah didapat dibandingkan dengan daya output turbin angin, sehingga kinerja turbin angin akan didapatkan. Dari pengambilan data diperoleh hubungan antara putaran turbin angin (rpm) dan output daya turbin angin (w) terhadap kecepatan angin dan variasi beban pada poros turbin angin. 3 Analisa dan Pembahasan Pada tabel 1, nilai kecepatan putaran poros semakin meningkat seiring dengan bertambahnya nilai kecepatan angin. Hal ini juga berbanding lurus dengan nilai tegangan listrik yang dihasilkan generator. Semakin besar kecepatan angin, poros turbin angin akan berputar lebih cepat, sehingga generator menghasilkan output yang lebih besar pula. Pada kecepatan rata-rata angin 2.55 m/s, putaran poros yang dihasilkan 173.54 rpm dengan daya 8.86 volt dan kuat arus 0.25 ampere. Nilai kinerja turbin angin didapatkan dari perbandingan daya output dan daya maksimum angin yang mampu dikonversi turbin angin, kemudian dikalikan dengan 100%. Pada kecepatan angin 2.55 m/s dengan daya output 2.25 watt, daya maksimum angin 33.11 watt, menghasilkan kinerja turbin angin sebesar 6.80 %. Penelitian dilaksanakan di Pantai Nongsa pada tanggal 05 Mei 2016 pada pukul 10.00 s/d 13.00 WIB. Angin bersumber dari angin pantai. Kecepatan angin yang digunakan dalam pengambilan data berkisar 2-3 m/s.
Tabel 2. Nilai daya dan kinerja turbin angin tanpa beban 1 1.63 22.34 7.31 2 2.08 29.23 7.12 3 2.16 31.06 6.95 4 2.39 40.00 5.98 5 3.00 46.50 6.45 X = 2.25 33.11 6.80 Pada pengujian turbin angin dengan beban 1 kg menghasilkan nilai putaran poros, tegangan dan arus listrik yang berbeda-beda terhadap besarnya nilai kecepatan angin. Pada tabel di bawah terlihat bahwa semakin meningkat nilai kecepatan angin, maka mengingkat pula nilai putaran poros dan tegangan yang dihasilkan turbin angin. Nilai putaran, teganga dan kuat arus rata-rata pada kecepatan angin rata-rata 2.61 m/s adalah 167.78 rpm, 7.88 volt, dan 0.23 ampere. Tabel 3. Output turbin angin dengan beban 1 kg 1 2.21 122.80 5.20 0.24 2 2.44 143.20 6.30 0.22 3 2.63 177.20 8.10 0.22 4 2.81 186.60 9.40 0.22 5 2.95 209.10 10.40 0.27 X = 2.61 167.78 7.88 0.23 Tabel 4 adalah nilai daya output turbin angin dan daya maksimum angin yang mampu dikonversi turbin angin pada pembebanan 1 kg. Dari kedua data tersebut dapat dihitung nilai kinerja turbin angin dengan menghitung persentasenya. Hasil rata-rata daya output turbin angin yaitu 1.85 watt dan daya angin yaitu 35.26 watt. Maka, nilai rata-rata kinerja turbin angin pada kecepatan agin 2.61 m/s adalah 5.23%. Tabel 4. Nilai daya dan kinerja turbin angin dengan beban 1 kg 1 1.25 21.45 5.82 2 1.39 28.87 4.80 3 1.78 36.16 4.93 4 2.07 44.10 4.69 5 2.81 51.03 5.50 X = 1.84 35.26 5.23 Pada pengujian dengan beban 2 kg, didapatkan nilai rata-rata kecepatan angin yaitu 2.55 m.s dengan putaran poros rata-rata 155.36 rpm, tegangan yang dihasilkan turbin generator 6.44 volt dan kuat arus 0,26 ampere. Pada kecepatan angin 2.06 m/s, putaran poros yang dihasilkan 109.30 rpm dan tegangan 4.80 volt. Dapat disimpulkan bahwa akan semakin meningkat nilai output turbin angin jika kecepatan angin semakin besar. Tabel 5. Hasil pengujian dengan beban 2 kg 1 2.06 109.30 4.80 0.26 2 2.41 121.90 5.70 0.26 3 2.56 166.50 5.90 0.26 4 2.78 178.50 7.60 0.27 5 2.92 200.60 8.20 0.27 X = 2.55 155.36 6.44 0.26 Pada tabel 6, terlihat nilai rata-rata daya output turbin angin sebesar 1.70 watt dan nilai rata-rata daya angin maksimum yaitu 32.80 watt. Dari data tersebut, didapatkan nilai kinerja turbin angin sebesar 5.18%. Tabel 6. Nilai daya dan kinerja turbin angin dengan beban 2 kg 1 1.25 17.38 7.18 2 1.48 27.82 5.33 3 1.53 33.35 4.60 4 2.05 42.70 4.81 5 2.21 49.49 4.47 X = 1.70 32.80 5.18 Pada pengujian dengan beban 3 kg, nilai rata-rata kecepatan angin yaitu 2.44 m/s dengan putaran poros rata-rata 128,.8 rpm, tegangan 5,88 volt dan kuat arus 0.24 ampere. Pada tabel tersebut diketahui bahwa peningkatan nilai kecepatan angin akan mempengaruhi nilai putaran poros dan tegangan yang dihasilkan oleh turbin angin. Tabel 7. Output turbin angin dengan beban 3 kg 1 1.98 102.20 4.20 0.25 2 2.13 106.80 4.60 0.22 3 2.45 117.50 5.00 0.23 4 2.76 157.10 7.30 0.23 5 2.88 160.30 8.00 0.25 X = 2.44 128.78 5.82 0.24 Tabel 8. Nilai daya dan kinerja turbin angin dengan beban 3 kg 1 1.05 15.43 6.81 2 1.01 19.21 5.27 3 1.15 29.23 3.93 4 1.68 41.79 4.02 5 2.00 47.48 4.21 X = 1.37 28.87 4.76 Nilai daya output dan daya maksimum angin mempengaruhi nilai kinerja turbin angin. Semakin besar nilai kecepatan angin, maka daya angin yang mampu dikonversi oleh turbin angin tentu semakin besar. Nilai kinerja turbin angin rata-rata pada
pembebanan 3 kg yaitu 4.76% dengan daya output 1.37 watt dan daya angin 28.87 watt. Dengan: V a = Kecepatan angin (m/s) B = Massa beban pada poros (kg) N = Jumlah putaran poros turbin angin (rpm) V = Tegangan listrik (volt) I = Arus listrik (ampere) P a = Daya angin (watt) P ta = Daya turbin angin (watt) K ta = Kinerja turbin angin (%) Poros merupakan komponen utama turbin angin untuk mentransmisikan putaran turbin angin menuju generator dengan bantuan sproket dan rantai. Putaran rata-rata poros yang dihasilkan oleh kecepatan rata-rata angin disajikan pada tabel dan grafik berikut. Dari data tersebut, terjadi penurunan nilai putaran poros turbin angin jika beban yang diberikan semakin besar. Nilai putaran poros terbesar yaitu pada turbin angin tanpa diberi beban (0 kg). Terbukti bahwa, semakin ringan massa rotor maka kemampuan poros untuk berputar akan semakin cepat. Tabel 10. Hasil rata-rata daya output dan kinerja turbin angin No B (kg) V ar (m/s) P tar (watt) P ar (watt) K tar (%) 1 0 2.55 2.25 33.11 6.80 2 1 2.61 1.84 35.26 5.23 3 2 2.55 1.70 32.80 5.18 4 3 2.44 1.37 28.87 4.76 Tabel 9. Hasil rata-rata putaran turbin angin terhadap kecepatan angin dan variasi beban No. B (kg) V a (m/s) N (rpm) 1. 0 2.55 173.54 2. 1 2.61 167.78 3. 2 2.55 155.36 4. 3 2.44 128.78 Gambar 4. Grafik daya output dan kinerja turbin angin terhadap variasi beban pada poros turbin angin Gambar 3. Grafik hubungan putaran poros terhadap variasi beban pada poros turbin angin Pada gambar 3 terlihat bahwa pembebanan sangat berpengaruh pada putaran poros turbin angin. Pada kecepatan angin 2.55 m/s dengan kondisi turbin tidak diberi beban, putaran poros yang dihasilkan yaitu 173.54 rpm. Kecepatan angin rata-rata yang didapatkan pada masing-masing beban tidak besar perbedaan nilainya. Pada pembebanan 1 kg dengan kecepatan angin rata-rata 2.61 m/s didapatkan putaran poros 167.78 rpm. Pada pembebanan 2 kg dengan kecepatan angin 2.55 m.s, didapatkan putaran poros 155.36 rpm. Pada pembebanan 3 kg dengan kecepatan angin 2.44 m/s, didapatkan putaran poros 128.78 rpm. Pada gambar 4 menunjukkan nilai rata-rata daya output turbin angin (Pta) dan nilai kinerja turbin angin (Kta). Terjadi penurunan nilai daya output turbin angin dan nilai kinerja turbin angin seiring dengan pemberian beban yang semakin meningkat. Turbin angin tanpa pemberian beban menghasilkan daya output sebesar 2.25 watt dan dengan persentase kinerja turbin angin yaitu sebesar 6.80%. Pada pembebanan 1 kg, terjadi penurunan nilai daya output yaitu 1.84 watt dengan kinerja turbin 5.23%. Penurunan kinerja turbin tanpa beban dan dengan beban 1 kg sebesar 1.57% dengan perbedaan kecepatan angin 0,06 m/s. Pada beban 2 kg, daya output yang dihasilkan yaitu 1.70 watt dan kinerja turbin angin 5.18%. Pada beban 3 kg, daya output yang dihasilkan yaitu 1.37 watt dan kinerja turbin angin 4.76%. Dari perbedaan nilai tersebut, terlihat bahwa semakin besar beban yang diberikan pada poros turbin angin, maka nilai daya output (Pta) dan kinerja turbin angin (Kta) akan semakin kecil. Nilai ini dipengaruhi oleh putaran poros turbin angin yang kemudian ditransmisikan ke generator untuk menghasilkan daya output turbin angin. Sehingga daya output turbin yang tertinggi yaitu pada turbin angin tanpa diberi beban (0 kg). Nilai daya yang dihasilkan yaitu 2.25 watt dengan nilai kinerja turbin
angin yaitu 6.80%. Terjadi penurunan nilai daya output pada pemberian beban yang semakin besar. Nilai daya output yang dihasilkan turbin juga berpengaruh pada nilai persentase kinerja turbin angin. Nilai persentase kinerja turbin angin merupakan nilai daya output turbin angin dibandingkan dengan nilai daya maksimum angin yang mampu dikonversi oleh turbin angin. Semakin besar nilai daya yang dihasilkan, maka akan semakin besar juga nilai persentase kinerja turbin angin. 4 Kesimpulan Salah satu faktor yang mempengaruhi kemampuan turbin angin untuk berputar adalah massa rotor turbin angin itu sendiri. Semakin besar massa turbin angin, maka putaran poros yang dihasilkan akan semakin kecil. Begitu juga sebaliknya, semakin kecil massa turbin angin, maka putaran poros yang dihasilkan akan semakin besar. Hasil putaran poros tentunya mempengaruhi daya output dan kinerja turbin angin. Hal tersebut saling berhubungan dan berbanding lurus, artinya semakin besar putaran poros maka semakin besar pula daya output turbin angin. Dari penelitian ini didapatkan bahwa putaran poros, daya dan kinerja turbin angin yang maksimal yaitu turbin angin tanpa menggunakan beban dengan massa 0 kg. Pada kecepatan angin rata-rata 2.55 m/s, nilai rata-rata putaran poros turbin angin adalah 173.54 rpm dengan output daya 2.25 watt serta kinerja turbin angin 6.80%. Daftar Pustaka [1] Ikhsan, Ikhwanul dan Hipi, M. Akbar. Analisis Pengaruh Pembebanan Terhadap Kinerja Kincir Angin Tipe Propeller Pada Wind Tunnel Sederhana. Universitas Hasanuddin. Makasar. 2011. [2] Prasetya, Ricky Octavianus, dkk. Kincir Angin Sumbu Horisontal Bersudu Banyak Skripsi Sarjana Teknik Mesin. Yogyakarta. 2007 [3] Centraltrykkeri, Jydsk. Guidelines For Design Of Wind Turbines. Det Norske Veritas & Riso National Laboratory. Denmark. 2002. [4] Ramakrishnan. Simulation Study Of Wind Energy Conversion System. Bharath University. Chennai. 2011. [5] Pudjanarso, Adi dan Nursuhud, Djati. Mesin Konversi Energi. C.V. Andi. Yogyakarta. 2013.