Pembangkit Listrik Tenaga Angin dari Botol Air Mineral

Perancangan Turbin Angin bersumbu vertikal, di awali oleh insinyur Finlandia, S.J. Savonius pada tahun 1922.  Idenya adalah dengan membelah silinder menjadi 2 dan memasangnya pada sebuah poros tegak (vertikal). Pada simulasi nanti, kita membuat turbin angin dari botol air mineral 1,5 liter yang dibelah dua. Pembuatannya sangat sederhana dan bisa menerima angin dari arah manapun.

 Turbin angin akan memutar magnet di atas gulungan kawat halus dan akan membangkitkan arus listrik AC. Setiap kali magnet berputar melewati kumparan, kumparan akan  menghasilkan energi listrik. Dengan 4 kumparan terhubung bersama-sama secara seri, menghasillan 4x lipat tegangan. Ini adalah cara paling sederhana, efisien untuk menghasilkan listrik dan sebagai prinsip dasar di hampir semua turbin angin, bahkan pada turbin besar skala komersial.

 Pada kondisi nyata, turbin angin yang menghasilkan listrik harus disimpan ke dalam baterai agar bisa digunakan pada saat tidak ada angin. Pada kondisi tertentu seperti tiupan angin kencang sehingga menghasilkan tegangan yang tinggi, diperlukan baterai control unit yang berfungsi memutus arus jika tegangan melebihi batas dan menjaga kestabilan tegangan dan arus yang masuk ke baterai. Biasanya, listrik dari turbin angin dikonversi dari AC ke DC agar bisa mengisi baterai. Cara mengkonversinya bisa anda dapatkan di internet dengan membuat jembatan rectifier terdiri dari 4 dioda seperti rangkaian adaptor dari listrik PLN untuk mencharger Laptop atau HP anda. 

Kali ini penulis menyajikan artikel cara membuat PLTA dengan cara sederhana untuk menghasilkan arus AC kecil tanpa rectifer, juga tanpa baterai control unit dan terhubung ke sebuah lampu LED. Ikuti langkah-langkahnya !
 Peralatan
Peralatan terdiri dari:

  1. Penggaris
  2. Gunting
  3. Obeng Plus (Positif)
  4. Jangka.
  5. Cutter.
  6. Pensil.
  7. Paku.
  8. Isolasi (Electrical Tape), Merk 3M yang bagus.
  9. Amplas,
  10. Rautan Pensil.
  11. AVO meter.
  12. Glue Gun (Penembak Lem) kalo ada (ini tidak wajib).

Bahan
  • 1 botol mineral bekas berukuran 1,5 liter, contoh merk AQUA.
  • 1 papan berbahan baku plywood, particle board berukuran 25 cm x 14 cm dengan ketebalan 2 cm.
  • 120 meter (kira-kira) kabel magnet. Beli di toko elektronik atau gulung dinamo pompa air atau jet pump. 
  • 1 Lampu LED.
  • 4 buah magnet berbentuk pipih kecil, kalo bisa berbentuk bundar.
  • 4 buah cincin yang biasanya berpasangan dengan mur dan baut. Beli di toko sepeda atau sepeda motor.
  • 1 kayu berbentuk stick kotak (bahasa inggris = dowel) berukuran 2 x 30cm untuk tepi kanan dan kiri dan pengait tepi kanan dan kiri untuk penyangga poros turbin angin bagian atas.
  • 1 kayu berbentuk stick bundar mirip pensil tetapi panjang berukuran 30 cm (round wooden dowel) sebagai poros putar dari turbin angin.
  • Screw Eye, kalo di Indonesia-kan adalah pengait untuk gantungan baju yang mirip kail ikan, sesuaikan dengan stick bundar mirip pensil, diameternya harus lebih lebar agar stick bundar yang berfungsi sebagai poros turbin bisa berputar di dalam Screw eye. Screw eye adalah penyangga poros turbin bagian atas.
  • Mur runcing untuk di pasang ke papan kayu. Cari mur plus (+) agak besar, nanti dipasang pakai obeng plus (+). Mur ini sebagai penyangga poros turbin bagian bawah.
  • Kardus apa saja, sedikit kok, misal kardus indomie, dipakai sebagai penutup turbin bagian atas dan bawah serta untuk membuat gulungan kabel.
  • Lem plastik/kayu.

 Hati-hati ! (Peringatan)
  1. Cutter dan gunting bisa menyebabkan tangan anda berdarah !
  2. Lem plastik/pipa/kayu bisa menyebabkan luka bakar serius pada kulit !
  3. Magnet bisa merusak perangkat elektronik dan media penyimpanan magnetik. Jauhkan magnet dari kartu kredit, CD/DVD komputer, kaset, flashdisk.

 Bagian ke-1, Desain Kerangka Poros Turbin Angin.
 

1) Gambar pada kertas, ini adalah rancangan papan tempat turbin di pasang di tengah, dengan poros tegak/vertikal dari stick bulat (mirip pensil) dipasang di tengah-tengah lingkaran. 2 Kotak bujur sangkar di tepi kanan-kiri adalah tempat stick kotak di pasang untuk menyanggah poros pada bagian atas.
Pasang mur pada titik tengah lingkaran
2) Pasang mur pada titik tengah lingkaran. Mur sebagai landasan dari poros bawah saat berputar. Mur menjaga agar poros berputar pada tempatnya, tidak sampai bergerak ke kanan ke kiri, apalagi sampai selip keluar dari mur.


3) Stick kotak 30 cm, di pasang vertikal di sebelah kiri dan kanan papan sebagai penyanggah poros tengah.
4) Stick kotak 30 cm harus vertikal terhadap papan dan di bantu 3 siku kayu penyanggah agar kuat menahan saat turbin berputar

5) Hasil konstruksi stick kotak 30 cm vertikal dengan 3 siku kayu penguat, di pasang di sisi kanan dan kiri papan.

  6) Setelah 2 stick 30 cm terpasang vertikal, lalu siapkan stick 20 cm dan tandai tengah-nya sebagai tempat poros turbin pada bagian atas. 
7) Lalu ambil poros dengan bentuk bulat. Coba masukan screw eye (kait gantungan baju) ke dalam poros. Ketika di masukkan, ukuran diameter screw eye harus lebih besar tapi jangan terlalu longgar juga agar poros turbin bisa berputar dengan baik.

 8) Pasang screw eye pada stick kayu sudah ditandai titik tengahnya. Stick kayu ini nantinya akan diletakan di atas untuk menyanggah poros turbin bagian atas.

  9) Raut salah satu ujung poros dengan rautan pensil. Ujung poros yang lancip di pasang di bagian bawah, persis di atas mur plus (+).

 10) Ukur posisi tinggi stick kotak kayu penghubung antara penyanggah kanan dan kiri, kira-kira tingginya 28 cm.

 11) Rekatkan stick kayu pada titik yang telah ditandai pada ujung penyanggah kanan dan kiri.

 12) Kerangka Turbin angin telah selesai dibuat. Pastikan poros berbentuk spt pensil dengan ujung bawah lancip bisa berputar dengan lancar. Selanjutnya adalah bagian instalasi Coil dan Stator.

Bagian B: Stator

1) Lipat sebuah kardus bekas mie instan sehingga berbentuk silinder dengan diameter 3 cm dan isolasi dengan tape agar kuat dan tidak lepas. 
2) Buat 4 buah gulungan, masing-masing digulung 200 putaran. Pastikan ada gap antar gulungan kira-kira 4 cm. Pada awal sebelum gulungan pertama dan setelah gulungan terakhir, sisakan kabel sepanjang 40 cm untuk pemasangan lampu LED.
3) Buat isolasi dengan panjang 4 cm sebanyak 8 buah.
4) Untuk tiap coil/gulungan, ikat sisi kiri dan kanan tiap coil dengan 2 dari 8 isolasi yang sudah disiapkan.
5) Inilah hasil akhir gulungan kabel. Ada 4 gulungan yang diikat dengan 2 isolasi. Antar gulungan ada gap sepanjang 4 cm. Pada bagian awal dan akhir (ujung) disisakan kabel sepanjang 40 cm untuk dipasang lampu LED.
 6) Enamel/kawat tembaga pada dinamo biasanya licin, sehingga perlu diamplas sebelum diikat/dipasang di lampu LED.
7) Setelah diamplas, ikat/pasang kedua ujung kawat pada pada lampu LED.
 8) Gunakan AVO meter dengan setting menuju hambatan dengan range 200 ohm (tergantung AVO meter anda, kalau tidak ada pilih 100 ohm). Uji hambatan (R) pada contoh menghasilkan 10.3 x 200 = 2003 ohm dibulatkan 2 kilo ohm.
 9) Pasang 4 coils/gulungan pada papan PLTA sesuai diagram di atas. Pastikan electron bergerak sesuai arah jarum jam (clockwise). Posisi start dipasang Anoda (+) dari lampu LED dan posisi finish dipasang Katoda (-) dari lampu LED.
10) Rekatkan tiap 4 gulungan pada bagian dasar papan PLTA secara simetris. Yang direkatkan adalah 2 tape isolasi hitam pada tiap gulungan dengan lem/glue pada dasar papan.
 11) Inilah hasil akhir dari stator.
 12) Rekatkan lampu LED pada dasar papan dengan posisi berdiri. Selanjutkan ke bagian instalasi turbin dan bagian rotor.

Bagian C: Turbin dan Rotor (yang berputar)

1) Buatlah baling-baling/turbin dari botol air mineral bekas seperti Aqua. Potong botol secara horisontal bagian atas dan bawah sehingga membentuk silinder. Dari silinder yang berlubang di bagian atas dan bawah, belah silinder menjadi 2 bagian secara simetris.
2) Desainlah penutup turbin untuk bagian atas dan bawah (sebanyak 2 buah) berukuran sama. Ukuran tergantung dari merk botol air mineral anda. Ukuran diameter silinder dari merk botol air mineral berbeda-beda, ada yang sempit ada yang lebar.
 3) Siapkan gabus putih (cardboard) yang agak liat. Bisa juga bahan gypsum ringan yang bisa di potong dengan cutter. Letakan template yang sudah jadi dan potong gabus putih sesuai template.
4) Dari 2 penutup turbin yang telah jadi, buatlah lubang persis di tengah-tengah dengan paku. Dua (2) lubang yang dibuat untuk penutup atas dan bawah akan direkatkan pada poros turbin yang berputar.
5) Berikan glue/lem pada tepi luar (bagian setengah lingkaran).
6) Berikan glue/lem pada tepi dalam potongan silinder botol air mineral.
6) Rekatkan penutup turbin berbentuk setengah lingkaran pada potongan turbin ke-1, lalu rekatkan sisanya ke potongan turbin ke-2. Jika penutup atas telah direkatkan pada turbin, maka rekatkan juga penutup bagian bawah.
7) Inilah hasil akhir turbin dan siap dipasang pada poros turbin.

8) Pastikan bahwa telah ada lubang tengah pada penutup atas dan bawah turbin sebelum dipasang pada poros.
9) Rekatkan antara lubang tengah penutup atas dan bawah pada poros tengah yang berputar dengan menggunakan glue/Lem. Inilah turbin/baling-baling PLTA yang telah terpasang pada kerangka PLTA.

 10) Buatlah rotor dari sebuah kardus yang lapisannya agak tebal. Bila menggunakan lapisan yang tipis seperti kardus Indomie, buatlah 2 buah potongan kardus berbentuk lingkaran sesuai ukuran saat anda meletakkan stator pada dasar papan.

11) Berilah lem pada tiap sisi dari potongan kardus berbentuk lingkaran, lalu rekatkan.
12) Buatlah garis diagonal simetris lalu buatlah lubang agar nantinya bagian stator bisa direkatkan pada poros tengah turbin. 
13) Rekatkan 4 buah cincin logam pada bagian rotor. Pastikan lokasi cincin sama dengan lokasi  enamel coil/kulungan gawat pada bagian stator. 
14) Rekatkan 4 buah magnet pada cincin logam. Sebaiknya menggunakan magnet yang berbentuk bulat.



15) Kutub lempengan magnet yang menghadap ke bawah (ke arah stator/enamel coil) harus sama semua. Anda bisa memilih sisi kutub utara/north atau sisi kutub selatan/south untuk ke-4 (empat lempengan) magnet. Sisi lempengan kutub utara biasanya ada tanda khusus seperti tulisan North atau tanda titik merah. Untuk memastikan kutub, gunakan kompas!






16) Pasang rotor pada poros dengan posisi magnet menghadap ke bawah (ke arah stator/coil ename di dasar papan).


16) Atur posisi rotor magnet (bagian berputar) sedekat mungkin dengan bagian stator /coil enamel namun tidak sampai bersinggungan.
17) Jika posisi sudah pas, maka beri lem pada lubang tengah stator dan bagian poros turbin.
18) Setelah dilem dan bersifat permanen, anda masih bisa mengatur jarak rotor dan stator dengan mengendurkan atau mengencangkan baut yang terpasang pada dasar papan. Lihat lingkaran merah pada obeng yang mengatur jarak rotor dan stator. Pada tahap ini, instalasi telah selesai  dan akan dilanjutkan ke bagian pengujian.

Bagian D: Pengujian PLTA
 1) Pada bagian akhir ini, pengujian dilakukan dengan memutar turbin PLTA. Anda bisa meletakkan di luar ruangan saat angin bertiup kencang atau anda tiup sendiri. Kalau kecapekan, anda pasang kipas angin dan arahkan ke turbin.




 2) Pada saat turbin berputar maka rotor yang berisi magnet di bawah turbin akan ikut berputar sehingga menimbulkan arus pada bagian stator (coil/gulungan kabel) yang ditempelkan di dasar papan. Jika kabel dihubungkan ke lampu LED, maka lampu akan menyala kedap-kedip secara cepat. Hal ini wajar sebagai konsekuensi arus bolak-balik (AC).


3) Untuk mengukur tegangan AC output, arahkan AVO meter pada Volt AC. Anda bisa memilih range 1 atau 10. Pada contoh gambar, 200.

4) Tegangan AC yang dihasilkan pada contoh pengukuran berkisar antara 1-4 Volt. Pada gambar tertulis 0,31 x 200 = 6,1 V. Perhatikan output tegangan, lampu LED umumnya hanya menerima tegangan dari 1-4,5 V, jika terlalu berlebihan pelankan putaran kipas angin anda. Selamat mencoba dan semoga sukses :)

Berikut ini adalah symptom atau gejala-gejala gangguan saat pengujian PLTA:

1) Turbin bergerak lambat atau tidak bisa sama sekali
  • Screw eye (mirip gantungan baju) yang dipasang pada poros bagian atas terlalu sempit/kecil sehingga poros tidak berputar, ganti dengan screw eye yang lebih besar.
  • Poros round wooden dowel (mirip pensil) bagian ujung bawah kurang lancip sehingga tidak bisa berputar, gunakan rautan atau amplas untuk meruncingkan.
2) Lampu LED tidak menyala atau redup ATAU tegangan pada output rendah
  • Daya Magnet lemah, ganti dengan yang baru.
  • Cek AVO meter, pastikan anda mengukur dengan pilihan Volt AC, bukan Volt DC karena arus yang dihasilkan bolak-balik.
  • Orientasi pemasangan Magnet salah, Cek bagian rotor dan pastikan bahwa 4 (empat) lempengan magnet di arahkan North/Utara semua atau South/Selatan semua. Pilih salah satu saja.
  • Orientasi Coils/Gulungan kawat salah, Cek bagian stator di dasar papan dan pastikan bahwa arah gulungan searah jaruh jam (clock wise) atau berlawanan (anti clock wise) pada tiap-tiap coil/gulungan. Jangan ada salah satu clock wise dan yang lain anti clock wise.
  • Koneksi pada kawat dan LED, Saat memasang LED pada kawat tembaga yang licin, pastikan anda sudah meng-amplas ujung kawat sebelum dipasang pada LED. Jika hasil masih jelek, gunakan penjepit.
  • Gap antara bagian rotor (magnet) dan stator (coils/gulungan) terlalu jauh. Dekatkan dengan mengatur scrup di dasar papan.
3) Output tegangan sudah di atas 1 Volt namun LED tidak menyala.
  • Coba cek spesifikasi LED anda, pilih LED yang mampu aktif dengan range tegangan 0,9V sampai 4,5V.
  • Mungkin koneksi kabel dan lampu LED kurang baik, Jika masih dijepit hasilnya tidak bagus, coba disolder saja.
4) Magnet atau Cincin pada rotor jatuh saat berputar.
  • Daya rekat antara cincin logam dengan lempengan rotor (kardus) ATAU cincin logam dengan magnet lemah,  Bersihkan cincin logam dengan alkohol bila agak berminyak atau diamplas sehingga lempengan cincin tidak terlalu licin dan rekatkan kembali dengan glue/lem yang super kuat, baik antara cincin logam dengan lempengan rotor (kardus) maupun cincin logam terhadap magnet.