ANALISIS DESAIN, TEKNOLOGI DAN PRESTASI TURBIN ANGIN 10 KW Dines Gintlng Peneliti Pusat Teknologi Dirgantara Terapan, LAPAN
ABSTRACT Small-scale wind energy conversion systems have been developed and utilized for rural electric generation. Performance and s u c c e s s of t h e systems strongly depend on available wind power as well as t h e design a n d technologies. Recently, t h a t alternative energy technology is more important to support t h e electric supply a n d to anticipate continuously increase of electric needs. In order to increase t h e u s e of t h a t renewable energy technology, a 10 kW wind turbine h a s been chosen to be developed. Analysis of the, wind turbine shows t h a t t h e design, technologies, a n d performances are specific and limited to the application a n d wind power availability. T h e adaptation and improvement is needed for developing the more effective u s e of t h e wind turbine. ABSTRAK Sistem konversi energi angin skala kecil telah lama dikembangkan dan digunakan u n t u k pembangkit listrik pedesaan. Prestasi d a n keberhasilan sistem tersebut sangat tergantung p a d a tenaga angin yang tersedia serta desain d a n teknologinya. Belakangan ini teknologi energi alternatif itu semakin penting g u n a m e n d u k u n g penyediaan listrik pedesaan d a n antisipasi k e b u t u h a n yang t e r u s meningkat. Dalam u p a y a peningkatan pemanfaatan teknologi energi terbarukan itu, telah ditetapkan u n t u k m e n g e m b a n g k a n turbin angin k a p a s i t a s 10 kW. Analisis turbin angin tipikal m e n u n j u k k a n bahwa desain d a n teknologi serta prestasinya adalah spesifik d a n terbatas p a d a p e n e r a p a n d a n ketersediaan tenaga angin. Adaptasi d a n p e n y e m p u m a a n d i b u t u h k a n g u n a menghasilkan penggunaan turbin angin yang lebih efektif. Kata kunci: Energi angin, Energi terbarukan, Turbin angin 1
PENDAHULUAN
K e b u t u h a n energi d a n biaya listrik serta h a r g a b a h a n b a k a r fosil terutama minyak yang t e r u s meningkat telah mendorong pengembangan sumber energi alternatif seperti energi angin. Terwujudnya teknologi energi itu tidak mudah dan berlangsung lama. Eksperimen s u d a h dilakukan sejak akhir abaci ke19, tetapi t a h a p a n komersial dicapai setelah t a h u n 70-an; itu p u n skala kecil. Dan s e p u l u h t a h u n kemudian baru terwujud pembangkit listrik tenaga angin skala besar. Belakangan ini tenaga angin telah menjadi s u m b e r energi penting di sejumlah negara. Pengembangan dan pemanfaatan turbin angin skala kecil telah dilakukan 32
di Indonesia g u n a m e n d u k u n g penyediaan listrik p e d e s a a n . Berbagai u k u r a n turbin angin kecil telah dioperasikan d a n dimanfaatkan u n t u k k e b u t u h a n m a s y a r a k a t d e s a u t a m a n y a u n t u k pener a n g a n d a n p e m o m p a a n air. Pengemb a n g a n turbin angin kecil tidak sematam a t a m e m p e r t i m b a n g k a n nilai ekonomi seperti h a l n y a skala besar, tetapi lebih p a d a indepedensi d a n stabilitas harga energi, d a n kontribusi t e r h a d a p lingkungan yang lebih bersih. Keberhasilan turbin angin sangat tergantung p a d a potensi angin yang tersedia serta desain d a n teknologinya. Teknologi energi angin pertama kali m e n g g u n a k a n rotor s u d u majemuk soliditas tinggi, lalu dikembangkan rotor
aerodinamik yang lebih ensien. Kini desain turbin angin didominasi oleh teknologi rotor aerodinamik soliditas rendah dengan dua atau tiga s u d u dari fibreglass. Teknologi turbin angin tergolong spesifik dan efektif jika karakteristiknya sesuai dengan kondisi d a n kecepatan angin. Dalam u p a y a pengembangan d a n pemanfaatan teknologi energi angin, telah ditetapkan u n t u k mengembangkan turbin angin kapasitas 10 kW. Pengembangan didasarkan p a d a turbin angin tipikal dan telah dioperasikan di Indonesia. Desain, teknologi d a n prestasi turbin angin itu k e m u d i a n dianalisis u n t u k dikembangkan lebih lanjut sesuai dengan sistem penerapan, ketersediaan tenaga angin dan lingkungan di Indonesia. 2
PENGEMBANGAN TURBIN ANGIN
2.1Pilihan Kapasitas Kapasitas (daya rated a t a u daya maksimum) turbin angin yang lebih kecil daripada 40 kW d a n atau diameter rotor lebih kecil daripada 12 m digolongkan skala kecil. Dalam u p a y a pengembangan dan pemanfaatan turbin angin pedesaan, telah ditetapkan u n t u k mengembangkan prototipe turbin angin s u m b u datar kapasitas 10 kW. Pemilihan turbin angin tersebut didasarkan a t a s pertimbangan berikut. • Biaya turbin angin yang sangat kecil mahal k a r e n a a d a b a t a s minimum servis/perawatan; biaya servis/ perawatan dapat menyita biaya setara dengan keluaran listrik sebulan. • Biaya s a t u a n energi m e n u r u n jika ukuran turbin angin relatif besar, kebutuhan lahan berkurang (jarak antar turbin angin proporsional dengan diameter). • Resiko teknik lebih rendah daripada skala m e n e n g a h / b e s a r , dan u n t u k investasi tertentu lebih banyak unit kecil yang dapat dibuat, d a n lebih banyak pengalaman u n t u k penyempurnaan. • Pengangkutan dan instalasi relatif mudah, keandalan d a n modularitas
lebih tinggi, d a n relatif m u r a h (dapat menggunakan komponen standar otomotif u n t u k sistem yaw, rem, dan sebagainya). 2 . 2 Langkah Pengembangan
•
Pengembangan didasarkan p a d a desain d a n teknologi turbin angin komersial yang tipikal dan telah dioperasikan di Indonesia (Gambar 2-1). Turbin angin didesain beroperasi p a d a kecepatan angin rata-rata t a h u n a n di atas 5 m / s d a n dapat menghasilkan energi mencapai 16.000 k W h / t a h u n . Mengingat kecepatan angin ratar a t a t a h u n a n yang dominan di Indonesia lebih rendah daripada 5 m / s , pengemb a n g a n turbin angin yang lebih efektif menjadi prioritas. Pengembangan mengu t a m a k a n simplifikasi, keandalan tinggi, t a n p a mengabaikan efisiensi. Yang potensial dikembangkan: rotor, airfoil s u d u , komposit u n t u k s u d u , sistem generator kecepatan variabel, dan menara. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah kontrol kualitas dalam pembuatan (sudu, s a m b u n g a n p a d a akar sudu, pengelasan bagian-bagian, dsb).
Gambar 2 - 1 : Sketsa turbin angin 10 kW yang tipikal 2.3 Konsep Desain dan Teknologi Konsep desain dan teknologi turbin angin bervariasi. Turbin angin 33
p e d e s a a n didesain dengan mengutamak a n pendckatan simplifikasi dan sasaran p a d a k e t a h a n a n t e r h a d a p beban angin d a n keandalan tinggi tanpa mengabaikan efisiensi dan prestasi. Komponen u t a m a turbin angin terdiri a t a s rotor, transmisi daya, generator, sistem yaw, d a n menara. Setiap pilihan komponen berpengaruh t e r h a d a p komponen lain. Komponen tambahan (baterei penyimpan energi, inverter, sumber tenaga p e n d u k u n g , d a n sistem monitoring, d a n seterusnya) tergantung p a d a penggunaan.
3 . 1 . 2 Bahan sudu dan naf
3
3.1.3 K o n t r o l kecepatan
ANAL1SIS TURBIN ANGIN
3.1 Desaln dan Teknologi 3.1.1 Rotor Komponen utama d a n yang terpenting u n t u k turbin angin pedesaan ini mempunyai desain d a n teknologi sebagai berikut. • Rotor yang m e n g u t a m a k a n kesederh a n a a n d a n k e a n d a l a n paling banyak m e n g g u n a k a n rotor a r u s h u l u dengan tiga s u d u . Dalam k a s u s ini efisiensi tinggi, simetri secara dinamik, stabil, dan tidak mengalami olakan. • Soliditas rotor yang relatif kecil meningkatkan efisiensi dan menghemat b a h a n p e m b u a t a n . B a t a s a n soliditas dalam k a s u s ini c u k u p longgar k a r e n a pengaruhnya t e r h a d a p biaya s u d u kecil, d a n ini m e m u d a h k a n dalam desain k e k u a t a n d a n k e k a k u a n • Perbandingan kecepatan ujung yang relatif tinggi m e n i n g k a t k a n efisiensi, perputaran, m e n u r u n k a n torsi, dan mengurangi u k u r a n . • Desain s u d u tebal-tipis m e n a m b a h kekuatan lelah, meningkatkan efisiensi, m e n u r u n k a n sensitifitas, menguragi berat dan biaya, dan menyempurnakan s a m b u n g a n akar s u d u . • Naf rotor tiga s u d u rigid j a u h lebih sederhana ketimbang naf teetered untuk dua sudu.
34
Dipertimbangkan t e r u t a m a terh a d a p biaya d a n berat y a n g sangat b e r p e n g a r u h t e r h a d a p k o n s t r u k s i turbin angin. • B a h a n fibreglass diperkuat poliester (GRP) a t a u d i p e r k u a t epoksi (GRE) kini digunakan p a d a hampir s e m u a turbin angin. • Bahan s p a r s u d u dari fiber-karbon beratnya h a n y a sepersepuluh spar baja yang ekivalen. • Bahan naf selalu dari baja tempa, tuang, atau las.
Kontrol k e c e p a t a n ditentukan b e r d a s a r k a n k e c e p a t a n operasi, k o n s t a n atau variabel. • Kontrol pitch variabel pasif yang memanfaatkan deformasi s u d u elastik pada turbin angjn tipikal menghasilkan twist s u d u p a d a run optimum, memb a n t u start p a d a kecepatan angin r e n d a h d a n m e n i n g k a t k a n efisiensi. Tetapi kontrol m u t u h a r u s l a h sangat ketat, kalau tidak, a k a n terjadi ketidakstabilan dinamik yang serius d a n kegagalan p a d a s a m b u n g a n akar sudu. • Kontrol yaw-pasif pitch-tetep dengan ekor berengsel y a n g dikombinasikan dengan orientasi turbin angin relatif sederhana dan paling banyak digunakan p a d a turbin angin kecil. 3 . 1 . 4 Transmisi Transmisi daya, poros d a n kotak gigi (opsi), m e m i n d a h k a n daya poros ke generator. • Kotak gigi m e n i n g k a t k a n p e r p u t a r a n poros, mengurangi u k u r a n generator, tetapi menurunkan efisiensi dan keandalan. • Desain penggerak-langsung menambah u k u r a n generator, tetapi meningkatkan efisiensi, memperkecil kapasitas generator atau diameter turbin angin. Sistem ini mendominasi turbin angin pedesaan.
3.1.5 Peralatan k e a m a n a n Peralatan k e a m a n a n u n t u k m e n cegah kecepatan lebih (akibat k e r u s a k a n kontrol, tranmisi, dan sebagainya) adalah sebagai berikut. • Kombinasi rem m e k a n i k d a n rem dinamik (generator j u g a berfungsi sebagai rem listrik) d i g u n a k a n p a d a beberapa turbin angin kecil. • Peralatan keamanan yang lebih sgderhana yang mendominasi turbin angin kecil adalah m e k a n i s m e yaw (manual) s e r t a r e m dinamik y a n g sedehana. 3.1.6 Nasel dan yaw Sebagai t e m p a t d a n pelindung komponen dari p e n g a r u h langsung alam/cuaca digunakan n a s e l berikut.
• Penggunaan menara yang relatif tinggi menguntungkan apabila biaya produksi energi menurun. • Menara ditumpu di atas fondasi beton untuk menjamin agar tidak roboh atau terguling. 3.2
Analisis Prestasi
3.2.1 Perhitungan Prestasi atau energi yang dihasilkan turbin angin dalam setahun dipengaruhi berbagai faktor, kecepatan angin, ketinggian dan kekasaran permukaan. Perhitungan dilakukan pada sejumlah lokasi pengukuran, dan didasarkan pada persamaan berikut. • Model angin
matematik
profil
kecepatan
• Nasel kerangka lebih s e d e r h a n a dari gondola, tapi k u r a n g r i n g k a s / k o m p a k . • Sebaliknya, nasel gondola r i n g k a s / kompak, dan juga digunakan pada turbin angin tipikal. 3.1.7 Subsistem listrik Generator t u r b i n angin dipilih berdasarkan p e n e r a p a n d a n keluaran listrik yang diinginkan • Generator magnet p e r m a n e n paling banyak digunakan p a d a turbin angin pedesaan. Sistem listrik DC digunakan untuk pengisian baterei. • Transmisi tenaga listrik d a n d a t a ke permukaan melalui nasel yang berorientasi m e n g g u n a k a n slip ring a t a u •kabel-lebih'. • Kabel-lebih m e m e r l u k a n p e m b e b a s a n berkala p u n t i r a n kabel akibat orientasi nasel, s e d a n g k a n slip ring m e m e r l u k a n perawatan a t a u penggantian berkala. 3.1.8 Menara dan fondasi Menara t u r b i n angin kecil dipilih terutama b e r d a s a r k a n h a r g a d a n kondisi lapangan. • Menara yang paling b a n y a k digunakan adalah tipe latis a t a u t u b u l a r dengan penguat.
Keterangan: Cfi = koefisien energi Eo = prestasi Ew = energi angin yang melewati rotor Po = keluaran daya sistem (W) A = l u a s s a p u a n rotor (m2) pw = densitas daya angin (W/m 2 ) 35
Keterangan: k = konstanta karakteristik prestasi T = periode waktu 3 . 2 . 2 Data perhitungan Data kecepatan angin rata-rata (di a t a s 3 m / s ) ditunjukkan dalam Tabel 3-1. Data teknis turbin angin tipikal ditunjukkan dalam Tabel 3-2. Karakteristik prestasi turbin angin ditunjukkan dalam Tabel 3-3. Estimasi biaya sistem turbin angin dan menara (opsi) diberikan dalam Tabel 3-4 (asumsi $1 = Rp. 9.000). D a t a k e k a s a r a n p e r m u k a a n lokasi ditunjukkan dalam Tabel 3-5 (didasarkan p a d a lokasi p e n g u k u r a n dan berbagai kondisi permukaan) Tabel 3-1: DATA PENGUKURAN KECEPATAN ANGIN DI ATAS 3 M/S
36
Tabel 3-2: DATA TEKNIS TURBIN ANGIN TIPIKAL Prestasi Kecepatan Angin Start Kecepatan Angin Cut-in Kecepatan Angin Rated Kecepatan Angin Cut-out Kecepatan Angin Furling Kecepatan Angin Max Daya Rated Daya M a k s i m u m Kecepatan Rotor Mekanik Type Diameter Rotor Berat Kontrol Pitch S u d u Proteksi Kecepatan Lebih Tranmisi Range T e m p e r a t u r Listrik Bentuk Keluaran Generator Sistem Kontrol K e l u a r a n
T a b e l 3 - 4 : BIAYA SISTEM TURBIN ANGIN
3,1 m / s 3,5-4,5 m / s 12,4 m / s tidak a d a 15,7 m / s 54 m / s 7-8,5 kW 10 kW 0-350 rpm Arus hulu 7m 463 kg Powerflex Autofurl Penggerak Langsung -40-60" C 4 8 , 120, VDC PMG VCS-10
Tabel 3-3: KARAKTERISTIK ANGIN (REFERENSI)
TURBIN
Lahan pepohonan
0,4
Lahan banyak pepohonan,
0,3
Pepohonan sedang
0,2
Pepohonan jarang
0,1
Lahan tanaman rendah, semak
0,05
Lahan r u m p u t liar
0,02
Lapangan r u m p u t
0,01
Kawasan pesisir pantai rata
0,005
3 . 2 . 3 Hasil perhitungan Hasil perhitungan kecepatan angin menurut ketinggian dan kekasaran permukaan ditunjukkan dalam Tabel 3-6. Hasil p e r h i t u n g a n prestasi dan biaya s a t u a n energi u n t u k referensi d a n Selayar ditunjukkan dalam Tabel 3-7. Dan hasil p e r h i t u n g a n prestasi d a n biaya satuan energi pada lokasi alternatif masing-masing ditunjukkan dalam Tabel 3-8 d a n 3-9.
Tabel 3-6: KECEPATAN ANGIN MENURUT KETINGGIAN DAN KEKASARAN
37
Tabel 3-7: PRESTASl DAN BIAYA ENERGI TURBIN ANGIN (REFERENSI DAN SELAYAR)
Tabel 3-8: PRESTASl TURBIN ANGIN PADA LOKASI ALTERNATIF
4
PEMBAHASAN DAN HASIL
4.1 Desain dan Teknologi Rotor dipilih a r u s hulu, j u m l a h sudu tiga, soliditas kecil, d a n perbandingan kecepatan tinggi, sehingga sederhana, efisiensinya tinggi, d a n stabil. Pemanfaatan deformasi elastik u n t u k peningkatan efisiensi p a d a turbin angin tipikal relatif kompleks sehingga tidak perlu dipertimbangkan. Sebagai altematif diterapkan desain s u d u tebal-tipis dan airfoil k h u s u s sehingga prestasi tetap tinggi, kekuatan lelah meningkat, sambungan akar s u d u lebih baik, sensitifitas dan biaya berkurang. Bahan sudu dipilih fiberglas, menggunakan naf rigid yang dibuat dari baja tempa, tuang, atau las.
38
Kontrol kecepatan menerapkan yaw-pasif, yang dominan p a d a turbin angin kecil. Sistem yang tidak membutuhkan mekanisme/bantalan untuk p e r u b a h a n pitch ini mengurangi biaya dan m e m u d a h k a n pemeliharaan. Desain penggerak langsung (tanpa kotak gigi) dipilih sehingga efisiensi meningkat, s e d e r h a n a d a n perawatan berkurang. Peralatan keamanan dengan menerapkan mekanisme yaw atau furling (manual) d a n kontrol dinamik. Nasel m e n g g u n a k a n bentuk gondola sehingga lebih r i n g k a s / k o m p a k daripada bentuk kerangka. Gabungan kontrol yaw, orientasi pasif dan pengamanan m a n u a l dengan sistem d a u n ekor paling
banyak digunakan p a d a turbin angin ke<*il. Generator menggunakan tipe magnet p e r m a n e n d a n sistem listrik DC untuk pengisian baterei. Transmisi tenaga listrik dan data ke p e r m u k a a n melalui nasel yang berorientasi m e n g g u n a k a n slip ring atau kabel-lebih. Menara turbin angin menggunakan tipe latis a t a u tubular berpenguat dengan ketinggian optimum. Penggunaan menara tilt-down d a p a t dipertimbangkan apabila tidak tcrsedia crane.
dapat dilihat dalam tabel-tabel hasil perhitungan. Tampak j e l a s b a h w a terdapat p e r b e d a a n prestasi d a n biaya s a t u a n energi yang signifikan bila turbin angin ditempatkan di Selayar dengan J e p a r a d a n lokasi alternatif. Dengan demikian, jelas pula b a h w a pengembangan atau p e n y e m p u r n a a n desain dan teknologi menjadi prioritas. Pengembangan potensial u n t u k m e n d a p a t k a n turbin angin yang lebih efektif p e n g u n a a n n y a p a d a kondisi d a n kecepatan angin dominan adalah sepexti yang diuraikan di at as.
4.2 Prestasi Turbin Angin Prestasi turbin angin sangat ditentukan oleh k e c e p a t a n angin. Kecepatan angin dipengaruhi oleh ketinggian dan k e k a s a r a n p e r m u k a a n (Tabel 3-5(. Sebagai contoh, peningkatan ketinggian dari 10 m menjadi 49 m menghasilkan peningkatan k e c e p a t a n angin mencapai 51 % pada k e k a s a r a n tertinggi d a n sekitar 21 % p a d a k e k a s a r a n terendah. Perbedaan k e k a s a r a n y a n g relatif kecil tidak menimbulkan perbedaan kecepatan angin yang berarti. Prestasi turbin angin di Selayar (label 3-6 d a n 3-7) p a d a ketinggian 24 dan 30 m s a m a dengan referensi, d a n pada ketinggian 37 m prestasi sedikit mehingkat (sekitar 5 %). Prestasi terbesar dan biaya satuan energi terkecil (masingmasing R p l 2 . 4 9 0 u n t u k referensi dan Rp, 11.907 terdapat pada ketinggian 37 m. Prestasi d a n biaya s a t u a n energi pada lokasi alternatif (Tabel 3-6 dan 3-7), misalnya peningkatan ketinggian dari 18 m menjadi 37 m u n t u k J e p a r a menghasilkan peningkatan k e c e p a t a n angin sekitar 14 % d a n p e n i n g k a t a n prestasi sekitar 50 %. Dalam k a s u s ini biaya sistem meningkat dari sekitar R p l 6 0 j u t a menjadi R p l 7 9 j u t a (sekitar 12 %), d a n biaya s a t u a n energi m e n u r u n dari sekitar Rp. 2 0 . 2 2 0 menjadi Rp. 16.240 (sekitar 20 %). Biaya s a t u a n energi terkecil terdapat p a d a ketinggian 30 m dan kekasaran terkecil, besarnya Rp.15.500 selama satu tahun. Gambaran selengkapnya analisis prestasi tersebut
5 KESIMPULAN Penggunaan turbin angin tipikal di Selayar menghasilkan prestasi mendekati referensi. Pada ketinggian optimum biaya s a t u a n energi adalah sekitar Rp.l.OOO/kWh. Akan tetapi, p a d a kecepatan angin yang relatif rendah, prestasi turbin angin m e n u r u n signifikan dan biaya s a t u a n energi p a d a ketinggian optimum mencapai sekitar Rp.l.250/kWh. Perbedaan biaya ini relatif besar. Untuk m e n g e m b a n g k a n turbin angin yang lebih efektif penggunaanya u n t u k lokasi yang dominan relatif r e n d a h k e c e p a t a n anginnya adalah dengan m e n e r a p k a n kofiguraai rotor a r u s hulu, tiga s u d u dari fibreglass, P e n g g e r a k langsung, kontrol kecepatan yaw/furling pasif d a n orientasi dengan daun ekor. Adaptasi dan penyempurnaan rotor dengan desain b e n t u k s u d u tebaltipis d a n airfoil k h u s u s menghasilkan efisiensi yang tetap tinggi, kecepatan start rendah, d a n yang terpenting teknologinya lebih sederhana. DAFTAR RUJUKAN Anonim, 2 0 0 0 . Data Angin Sejumlah Lokasi di Indonesia, Laporan Intern Lapan, J a k a r t a . Bergey, M.L.S., 1993. Wind Energy for Bulk Power and Rural Electrification in Indonesia, Proceedings, Opportunities for Renewable Energy Develpopment in Indonesia Workshop, J a k a r t a . 39
Burton, T., at all., 2 0 0 2 . Wind Energy Handbook, J o h n Wiley & Sons, Ltd. Ginting, D., 1997. Kajian Prestasi Turbin Angin Kecil untuk Pembangkit Listrik di Pedesaan, Proceeding Teknologi Dlrgantara, Lap an, Jakarta. Gipe, P., 1995. Wind Energy Comes of Age, J o h n Wiley & Sons, Ltd. J u s t u s , C,G., dkk, 1976. Reference Wind Speed Distibutions and Height Profiles for Wind Turbine Design and Performance Evaluation Applications, George Institute of Technology, Atlanta, Georgia. Nielsen, P., 1993. Development of Wind Energy in Denmark, Proceedings, Wind Power Conference, AWEA, Washington, DC.
40
Spera, D. A., 1994. Wind Turbine Technology - Fundamental Concepts of wind Turbine Engineering, ASME Press, New York. Spera, D.A., 1 9 9 1 . Analysis of the Diurnal Cycle of Wind Shear at Clayton, New Mexico, DASCON Engineering, Cleveland, Ohio. Tresher, R. W., at all, 1993. Advanced Technology for theYear 2000, Proceedings, Wind Power Conference, AWEA, Washington, DC. Wegley, H. L. dkk, 1980. A Sitting Handbook for Small Wind Energy Conversion Systems, Battelle Pacific Nortwest Laboratory, Wind Books, Washington.
