Turbin Angin Pico Dengan Roda Sepeda

Turbin atau kincir angin kelas Pico ini dibuat dengan beberapa komponen roda sepeda. Seperti: as roda beserta bearing dan rumahnnya (hub), rim (velg). Hub roda sepeda terbukti cukup kuat menanggung beban sampai 100 kg, tahan air, debu dan lumpur; dapat berputar dengan kecepatan tinggi, tersedia di pasaran dengan harga terjangkau, jikapun rusak akan mudah diperbaiki. Untuk sepeda yang digunakan pada balap turun gunung (downhill moutain bike), beban yang tanggung oleh as roda jauh lebih besar dari 100 kg.

Karena alasan tersebutlah maka komponen roda sepeda tersebut digunakan pada turbin ini. Pada foto di bawah tampak 3 bilah turbin yang terbuat dari allumunium, rim roda sepeda yang berfungsi sebagai puli dan terlihat sebagai lingkaran, dan pada bagian tengah adalah hub roda sepeda. Sudut pada bilah turbin dapat disetel (adjustable pitch) dengan hanya memutar mur. Turbin angin murah ini dapat menghasilkan daya listrik 17 watt pada kecepatan angin serendah 20 kmh.

Untuk semua foto dan gambar, klik pada foto dan gambar untuk memperbesar.

Bagian tengah tampak lebih detail pada foto di bawah.

Bahan bilah turbin adalah alluminium 1100 dengan tebal 1 mm yang banyak tersedia di pasaran. Sebenarnya akan lebih kuat jika menggunakan allumunium 5083, tapi tidak tersedia dalam jumlah kecil.

Bagian tengah turbin adalah pelat baja yang berbentuk segitiga. Pelat segitiga ini berfungsi untuk memegang bilah turbin pada hub roda sepeda. Ada dua lembar pelat segitiga dan  6 buah baut 12 mm (ulir M8) yang menjepit hub roda sepeda. Baut-baut 12 mm tersebut juga memegang bilah turbin, setiap bilah diikat oleh 3 buah baut.

Pada foto diatas tampak rim roda sepeda (berbentuk melingkar) ukuran 16 inchi, yang diikat dengan 3 buah sekrup M4 ke bilah-bilah turbin dan ikut berputar bersama turbin. Setiap bilah mempunyai 1 buah sekrup yang mengikat rim. Rim ini berfungsi sebagai puli yang akan memutar dinamo via sabuk transmisi. Pada bagian bawah tengah foto tampak sabuk transmisi berwarna hijau dan puli dinamo.

Gambar diatas adalah desain pelat segitiga untuk mengikat bilah turbin pada hub roda sepeda. Semua ukuran dalam milimeter. Karena proses upload, download dan print, skala gambar akan tidak sesuai sebenarnya. Ukuran berwarna merah (31) harap disesuaikan dengan hub roda sepeda yang anda miliki. Pelat ini terbuat dari baja 4 mm. Jangan menggunakan baja yang terlalu keras karena akan menyulitkan pemotongan dan  pemboran. Baja lunak yang banyak tersedia di pasaran dengan harga terjangkau sudah cukup memadai. Pelat baja lunak kadang di pasaran disebut sebagai pelat besi. Ada 2 buah pelat segitiga yang digunakan pada satu turbin, yaitu di bagian depan dan di bagian belakang untuk menjepit hub roda sepeda dan memegang bilah-bilah turbin.

Ada 6 buah lubang berdiameter 8 mm untuk baut-baut M8. Jarak setiap lubang harus presisi karena akan mempengaruhi pemasangan bilah-bilah turbin. Sebagaimana pada foto terlihat bilah-bilah turbin saling tumpang tindih. Perhatikan pada sudut-sudut segitiga, setiap baut pada sudut segitiga didesain agar dapat memegang dua buah bilah sekaligus, agar effisien. Sehingga dengan 3 buah baut yang harus memegang setiap bilah, dan dengan total jumlah bilah turbin adalah 3 bilah, tidak menggunakan 9 baut, tapi cukup 6 baut. Jika fabrikasi pelat segitiga ini tidak presisi maka bilah-bilah turbin akan sulit dipasang.

Bilah turbin dari allumunium 1100 setebal 1 mm. Lebar pada bagian pangkal adalah 200 mm, lebar pada bagian ujung 55 mm, dan panjang 670 mm. Perhatikan nomor berwarna merah, itu adalah tiga buah lubang 8 mm. Untuk membuat lubang 1 dan lubang 2, bilah harus dipotong dahulu dari lembar allumunium. Dengan menggunakan pelat baja segitiga sebagai mal (pola), lubang 1 dan lubang 2 dibor. Posisikan pelat segitiga agar sumbu lubang 1 berada 20 mm dari sisi panjang bilah, dan 25 mm dari sisi pangkal bilah, lihat gambar dibawah. Setelah lubang 1 dibor, pasang baut di lubang 1 agar pelat segitiga menjadi mal (pola). Sejajarkan pangkal bilah dengan tepi segitiga, maka lubang 2 dapat langsung dibor mengikuti pelat segitiga sebagai mal.

Cara menggunakan pelat segitiga sebagai mal untuk membuat lubang 1 dan 2 digambarkan di bawah ini. Posisi lubang 1 digunakan sebagai titik patokan. Lalu sisi segitiga (merah) disejajarkan dengan sisi pangkal bilah (kuning), sehingga posisi lubang 2 didapat.

Lubang 3 bentuknya agak oval dan agak sulit ditandai untuk dibor, karena posisinya pada bagian bilah yang melengkung membentuk profil sayap. Lihat gambar dibawah, bilah yang sudah dipotong (warna biru muda) dan sudah dibor lubang 1 dan 2. Bilah dipasang pada dua pelat segitiga (warna abu-abu) dengan dua baut panjang. Diantara kedua pelat tampak hub roda sepeda terjepit, dan berfungsi sebagai pembuat jarak antara kedua pelat segitiga. Bilah di bagian lubang 3 ditekuk sekitar 30 mm agar membentuk profil sayap. Lubang 3 lalu dibor, terlihat mata bor di sebelah kanan. Perlu ragum dan dudukan bor untuk membuat lubang 3, lubang yang dihasilkan akan langsung oval. Profil sayap pada bilah dapat disetel dengan menyetel mur pada baut di lubang 3, sehingga turbin ini bisa disebut sebagai adjustable pitch angle. Pastikan selalu menggunakan ring lebar dan mur kerah untuk menekan bilah pada segitiga. Jika menggunakan mur biasa bilah bisa rusak tertekan mur.

Foto di bawah adalah hub roda sepeda yang digunakan, hub ini sebenarnya adalah untuk roda depan sepeda.

Foto berikut memperlihatkan baut 12 mm dengan ulir M8 dan panjang ulir 80 mm. Ring selebar 28 mm, mur 12 mm dengan kerah / flens (collar nut, flange nut) dan mur 12 mm biasa. Total ada 6 buah baut panjang, 12 ring, 24 mur flens, dan 3 mur biasa, pada satu turbin.

Setelah selesai melubangi ketiga lubang di satu bilah, maka bilah tersebut dapat dijadikan mal atau pola untuk  dua bilah lainnya. Jika ketiga bilah turbin sudah selesai dipotong dan dilubangi, lalu bilah dilengkungkan pada sehingga membentuk profil sayap. Saya biasanya menggunakan tiang listrik sebagai alas untuk melengkungkan bilah dengan cara menekan bilah pada tiang listrik tersebut. Gambar dibawah menunjukkan cara menekan pelat datar ke tiang listrik agar melengkung menjadi bilah turbin yang berprofil sayap.

Diameter tiang listrik sekitar 20 cm. Perhatikan bahwa garis sumbu bilah segaris dengan garis sumbu tiang listik. Sesudah bilah melengkung membentuk profil sayap, lalu ketiga bilah dipasang sebagaimana foto dibawah.

Tampak pada foto atas ketiga bilah sudah terpasang, dan turbin menghadap ke atas. Hub roda sepeda terjepit di tengah. Pelat segitiga terlihat satu buah diatas, pelat lainnya dibawah dan terhalang oleh bilah nomor 3. Baut paling kanan dan paling kiri memegang dua bilah sekaligus. Bilah paling kanan disetel profil sayapnya dengan mengatur mur-mur pada baut paling kanan, agar ada jarak 30 mm (warna kuning). Semakin besar jarak ini maka semakin besar sudut pitch profil sayap, akan semakin mudah turbin start berputar. Tapi sudut pitch terlalu besar akan menyebabkan hambatan saat kecepatan tinggi. Bilah nomor 3 disetel profil sayapnya oleh mur-mur pada baut paling kiri. Check kelurusan dan simetrisnya posisi bilah-bilah turbin, setel dengan mengendurkan mur lalu kencangkan lagi.

Profil sayap pada ujung bilah (blade tip) akan tampak seperti gambar dibawah.

Dengan turbin menghadap ke atas, pinggir depan dan pinggir belakang bilah (leading edge dan trailing edge) akan membuat jarak 10 mm karena adanya sudut pitch pada profil sayap (wing profile, airfoil). Misalkan ada angin bertiup dari atas gambar, maka bilah akan bergerak ke kiri. Sudut pitch juga mempengaruhi kekuatan bilah, selain mempengaruhi kecepatan. Semakin besar sudut pitch maka semakin kuat bilah. Sebaliknya, semakin kecil sudut pitch maka semakin mudah bilah tertekuk ke belakang saat ditiup angin.

Dengan jarak 10 mm diantara leading dan trailing edge tersebut, maka bilah kuat diterjang angin kencang dan mudah start berputar walau ditiup angin dengan kecepatan serendah 10 kmh atau 2.8 ms.

Menurut test yang saya lakukan, jarak antara leading edge dengan trailing edge minimal adalah 3 mm. Jika disetel minimal maka profil sayap bilah turbin akan lebih pipih sehingga mengurangi hambatan saat berputar pada kecepatan tinggi. Dengan berkurangnya hambatan, maka turbin akan berputar lebih cepat dan daya akan meningkat. Effek profil yang pipih atau rendah akan nyata terbaca di kecepatan angin diatas 20 kmh atau 5.6 ms, daya akan bertambah sekitar 30%. Tetapi kekuatan bilah akan jauh berkurang, sebaiknya menggunakan bilah berbahan allumunium 5083 untuk bilah berprofil rendah.

Selain dengan menyetel mur-mur, sudut bilah juga dapat disetel (pitch adjusment) dengan menekuk bilah hingga melengkung. Pastikan semua bilah mempunyai kelengkungan profil sayap (wing profile) yang seragam. Oleh karena itu, turbin angin ini memiliki dua cara untuk menyesuaikan sudut pitch dan profil sayap. Anda dapat bermain dengan sudut pitch dan profil sayap yang berbeda agar sesuai dengan kondisi Anda.

Perhatikan penggunaan ring dan mur flens untuk menekan bilah. Mur flens juga digunakan untuk menjepit pelat segitiga agar mur-mur tersebut tidak mudah kendur. Sedangkan mur biasa hanya digunakan untuk mengunci mur flens, terlihat pada bagian bawah baut yang di tengah.

Siapkan sebuah rim roda sepeda ukuran 16 inchi. Perlu diketahui bahwa ukuran 16 inchi bukanlah diameter rim tersebut, tapi itu adalah ukuran ban sepeda yang dapat dipasang pada rim tersebut. Rim 16 inchi mempunyai diameter dalam (inside diameter) sekitar 288 mm, dan menjadi sebuah puli dengan lingkaran 905 mm.

Bor tiga buah lubang diameter 4 mm pada rim roda sepeda berukuran 16 inchi. Pastikan ketiga lubang tersebut sama jaraknya satu sama lain. Telungkupkan turbin, pastikan posisinya datar seperti foto di bawah. Letakkan rim roda sepeda diatas turbin, jepit dengan 3 penjepit kertas ke bilah-bilah turbin. Dengan jangka sorong pastikan posisinya benar-benar sentris terhadap sumbu turbin atau sumbu hub. Tandai posisi ketiga lubang rim, lalu bor lubang pada bilah turbin untuk baut pengikat rim. Posisi 3 lubang pada bilah-bilah harus berada di bagian datar dari bilah, tidak pada bagian melengkung (profil sayap) dari bilah.

Pada foto kedua paling atas tampak rim diikat dengan sekrup M4 dengan panjang ulir sekitar 15 mm. Terlihat juga posisi sekrup pada bagian bilah yang datar, bukan yang melengkung. Sekrup diberi ring lebar serta ada tempelan pelat allumunium berbentuk segiempat untuk memperkuat area bilah yang ditekan sekrup. Rim juga diberi lem agar menempel pada bilah. Lem yang biasa saya gunakan adalah Aica Aibon karena tahan air dan getaran. Saya pernah mencoba dengan lem jenis epoxy tapi ternyata rontok hanya karena getaran.

Sebelum digunakan turbin perlu diseimbangkan (balance) dengan cara dipasang vertikal pada rangka lalu diputar dengan tangan dan dibiarkan berhenti sendiri. Jika rangka belum dibuat, maka bisa menjepit as roda pada ragum, gunakan ganjal kayu agar ulir tidak rusak saat dijepit. Pastikan tidak ada angin di area balancing, lebih baik jika dilakukan di dalam ruang tertutup atau garasi. Bilah yang paling berat akan selalu berhenti pada posisi paling bawah. Penyetelan keseimbangan (balancing) dilakukan dengan memotong ujung turbin yang paling berat sedikit demi sedikit, sekitar 1-2 mm. Lalu putar lagi turbin dengan tangan, dan biarkan berhenti sendiri. Jika posisi berhenti bilah-bilah turbin selalu berubah-rubah (acak, random), maka berarti bilah-bilah turbin sudah seimbang.