RANCANG BANGUN DAN PENELITIAN SKEA UNTUK PENERANGAN RUMAH TINGGAL DENGAN KAPASITAS 200 WATT Elvis Adril (1), Nusyirwan (1), Ichlas Nur (1) dan Rahmat (2) (1)
Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang
(2)
ABSTRACT This study focused on the design and testing of Wind Energy Conversion System (WECS) for wind power applications as an alternative solution to the energy needs of residential electric lighting, especially so far from the cities area underserved by the State Electricity Company in West Sumatra. The method used is the experimental method with the following steps: 1. Designing Wind Turbine 2. Make Turbine, 3. Testing Laboratory, 4. Field Test. The results obtained are a wind turbine capable of filling Battery to generate 200 watts of electrical energy, can operate with an average wind condition of Indonesia, design and simple construction, can be created and operated by the community itself. Keywords: Wind turbine, simple construction 1.
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Energi merupakan bagian penting dalam kehidupan masyarakat karena hampir semua aktivitas manusia selalu membutuhkan energi. Misalnya untuk penerangan, proses industri atau untuk menggerakkan peralatan rumah tangga diperlukan energi listrik, untuk menggerakkan kendaraan baik roda dua maupun empat diperlukan bensin, serta masih banyak peralatan di sekitar kehidupan manusia yang memerlukan energi. Sebagian besar energi yang digunakan di Indonesia berasal dari energy fosil yang berbentuk minyak bumi dan gas bumi. Ketergantungan terhadap bahan bakar fosil setidaknya memiliki tiga ancaman serius, yakni: 1.
Menipisnya cadangan minyak bumi.
2.
Kenaikan / ketidakstabilan harga akibat laju permintaan yang lebih besar dari produksi minyak.
3.
Polusi gas rumah kaca (terutama CO2) akibat pembakaran bahan bakar fosil. Kadar CO2 saat ini disebut sebagai yang tertinggi selama 125 tahun belakangan, efek buruk CO2 terhadap pemanasan global telah disepakati hampir oleh semua kalangan. Hal ini menimbulkan ancaman serius bagi kehidupan makhluk hidup di muka bumi. Oleh karena itu, pengembangan dan implementasi bahan bakar terbarukan yang ramah lingkungan perlu mendapatkan perhatian serius dari berbagai negara. Pemerintah sebenarnya telah menyiapkan berbagai peraturan untuk mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar fosil (misalnya: Kebijakan Umum Bidang Energi (KUBE) tahun 1980 dan
Keputusan Menteri Pertambangan dan Energi No. 996.K / 43 / MPE / 1999 tentang prioritasi penggunaan bahan bakar terbarukan untuk produksi listrik yang hendak dibeli PLN). Pemanfaatan energi angin sebenarnya bukan barang baru bagi umat manusia. Semenjak 2000 tahun lalu teknologi pemanfaatan sumber daya angin dan air sudah dikenal manusia dalam bentuk kincir angin (wind mills). Selain ramah lingkungan, sumber energi ini juga selalu tersedia setiap waktu dan memiliki masa depan bisnis yang menguntungkan. Kini sebagian besar negara maju di Eropa dan Amerika Serikat telah memanfaatkan sumber energi ini. Pada masa awal perkembangannya, teknologi energi angin lebih banyak dimanfaatkan sebagai sulih tenaga manusia dalam bidang pertanian dan manufaktur, maka kini dengan teknologi dan bahan yang baru, manusia membuat turbin angin untuk membangkitkan energi listrik yang bersih, baik untuk penerangan, sumber panas atau tenaga pembangkit untuk alat-alat rumah tangga. Menurut data dari American Wind Energy Association (AWEA), hingga saat ini telah ada sekitar 20.000 turbin angin diseluruh dunia yang dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik. Kebanyakan turbin semacam itu dioperasikan di lahan khusus yang disebut “ladang angin” (wind farm). Di negara-negara Eropa, pemanfaatan sumber energi yang dapat diperbaharui diperkirakan bakal mencapai 8% dari permintaan energi di tahun 2005. Energi angin menjadi salah satu alternatif yang banyak dipilih dan sekaligus berfungsi mengurangi emisi gas karbondioksida (CO2) yang dihasilkan oleh perangkat sumber energi sebelumnya. Tujuh tahun belakangan ini, kapasitas energi angin terpasang di Eropa melonjak hingga 40% per tahun dan saat ini kapasitas
Rancang Bangun dan Penelitian SKEA untuk Penerangan Rumah Tinggal dengan Kapasitas 200 Watt (Elvis Adril)
tersebut dapat memenuhi kebutuhan listrik lebih dari 5 juta kepala keluarga. Industri energi tenaga angin diperkirakan bakal memiliki kapasitas 40.000 MW (mega Watt) yang dapat mencukupi kebutuhan listrik untuk 50 juta kepala keluarga pada tahun 2010. Energi angin adalah energi yang relatif bersih dan ramah lingkungan karena tidak menghasilkan karbon dioksida (CO2) atau gas-gas lain yang berperan dalam pemanasan global, sulphur dioksida dan nitrogen oksida (jenis gas yang menyebabkan hujan asam). Energi ini pun tidak menghasilkan limbah yang berbahaya bagi lingkungan ataupun manusia. Meski demikian, harap diingat bahwa sekecil apapun semua bentuk produksi energi selalu memiliki akibat bagi lingkungan. Hanya saja efek turbin angin sangat rendah, bersifat lokal dan mudah dikelola. Di samping itu turbin atau kincir angin memiliki pesona tersendiri dan menjadi atraksi wisata yang menarik, seperti misalnya saja kincir-kincir angin di negeri Belanda. (Nanang Okta: 2006) Pada bulan-bulan musim kemarau 2004, Perusahaan Listrik Negara (PLN) terpaksa melakukan pemadaman listrik bergilir di Sumatera Barat dan bahkan di bulan Juni 2004 di wilayah Jawa, Madura dan Bali. Keputusan ini menghebohkan masyarakat. Soalnya, bagaimana hidup (modern) dapat berlangsung tanpa energi listrik ? sangat menyedihkan, sumber energi listrik kita masih didominasi oleh sumber energi fosil, sumber energi yang takterbarukan (unrenewable energy resources). Dengan gaya hidup seperti sekarang, maka dalam kurun waktu 10-15 tahun lagi, cadangan sumber daya minyak akan terkuras habis. Belum lagi jika dilihat betapa ”boros” masyarakat kita dalam pemakaian energi [Sinar Harapan, 2 Juni 2003]. Ada dua hal yang seharusnya dilakukan secara simultan untuk menghadapi masalah di atas: konservasi dan diversifikasi sumber energi. Jadi, melakukan usaha penghematan konsumsi energi dan kemudian pada saat yang sama, juga melakukan pencarian dan penggunaan secara intensif atas sumber energi terbarukan (renewable energy resources) [Teknologi, Oktober 1999].
Teknologi turbin yang dapat digunakan untuk PLT Angin ini adalah turbin angin propeller. Turbin propeller ini terdiri atas : sudu, rotor, nacelle, transmisi daya, menara dan sudu pengarah [Brahmanto, 2004]. Sementara generatornya dapat menggunakan generator DC (arus searah), generator AC (arus bolak-balik) sinkron atau AC asinkron. Agar kualitas dan kontinuitas energi listrik yang dihasilkan oleh PLT Angin memenuhi standar, maka dibutuhkan juga sistem penyimpan energi yang sekaligus berfungsi sebagai penstabil “nilai” tegangan. Penelitian ini ditujukan untuk membuat unit PLT Angin dengan daya 200 W dengan tegangan keluaran 220 V AC yang akan dapat menyuplai beban sederhana untuk penerangan dan/atau pesawat penerima siaran televisi (TV). Hal ini akan sejalan dengan arah kebijakan nasional berupa “himbauan” Menristek Ir. M. Hatta Rajasa dalam “Seminar Prospek Energi Alternatif Ramah Lingkungan” di Jakarta, 17 Juni 2003[1]. Jadi ada keterpaduan antara upaya konservasi dan diversifikasi energi[6]. Diagram sistem konversi energi angin menjadi energi listrik diperlihatkan pada ”Gambar (1)”. Energi angin berbentuk energi kinetik (kecepatan angin) menjadi masukan bagi turbin angin. Turbin angin bekerja mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik rotasional pada rotor. Energi rotasional ini menjadi masukan - dengan jalan mengopel rotor turbin dan generator - bagi generator sehingga generator akan menghasilkan energi listrik dalam bentuk tegangan di antara terminalnya. Energi mekanik poros
Energi kinetik angin
Turbin
Energi listrik Generator
Gambar 1: Prinsip konversi energi angin menjadi energi listrik pada unit PLT Angin. Energi kinetis angin (Ek) dikonversikan menjadi energi mekanis (Em) putaran turbingenerator; Energi mekanis menjadi energi listrik (El) dengan generator
Energi angin adalah salah satu sumber energi terbarukan yang melimpah di negeri ini. Energi angin dapat dikonversikan menjadi energi listrik dengan menggunakan Pembangkit Energi Listrik Tenaga Angin (PLT Angin). Oleh karena itu, dengan PLT Angin, maka sesungguhnya kita dapat memperoleh energi listrik “murah” yang tak terbatas. Secara garis besar, PLT Angin terdiri atas dua bagian: turbin angin dan generator Turbin angin berfungsi untuk mengubah energi angin menjadi energi mekanis berupa putaran. Selanjutnya, generator akan mengubah energi putaran menjadi energi listrik.
Gambar 2. Suatu PLT Angin yang dapat mencas akki untuk mensuplai listrik rumah [7]
71
Jurnal Teknik Mesin
Vol.7, No.2, Desember 2010
Energi listrik yang dihasilkan oleh generator, berupa tegangan yang fluktuatif akibat fluktuasi masukan yakni kecepatan angin yang berubah-ubah di sepanjang waktu. Agar tegangan tersebut menjadi “layak pakai”, fluktuasinya harus dibuat sekecil mungkin (konstan). Hal tersebut dapat dicapai dengan menggunakan media-antara berupa baterai/aki, sebagaimana terlihat pada ”Gambar (2)”. Tegangan AC fluktuatif di terminal generator, disearahkan (bentuk tegangan dikonversi dari AC ke DC) lalu kemudian disimpan ke dalam baterai melalui sistem penyearah dan penyimpan (rectifier dan charger). Selanjutnya, beban DC dapat memperoleh suplai energi yang sudah konstan secara langsung dari terminal baterai. Beban yang membutuhkan tegangan AC, harus mendapatkan suplai daya dari sistem pengubah bentuk tegangan DC ke AC (inverter). Kualitas tegangan yang diperoleh dengan demikian telah memenuhi standar 220 Volt AC dengan frekuensi 50 Hz. Satu set PLT Angin berdaya maksimum 3200 W dengan kode produk 175HVT tersedia di pasaran. Sistem ini menghasilkan keluaran tegangan standar 230 V AC dengan segala kelengkapannya. Spesifikasi tersebut dipasarkan dengan harga (plus biaya pengiriman) sekitar $7.525,00 (Rp. 63.962.000,00; Rp. 8.500,00/$)[9]. Harga ini cukup mahal karena harus diimpor. Dalam penelitian yang diajukan ini, sebuah PLT Angin berdaya 200 Watt akan dirancang, dibuat dan diuji. Sistem turbin angin ini dapat mensuplai energi listrik sebuah rumah. Dengan peralatan penstabil tegangan listrik keluaran dari generator, maka sistem PLT Angin ini dapat digunakan untuk pengisian akki (accumulator).
ISSN 1829-8958
yang tersedia jaringan PLN, biasanya dengan 3-5 jam berjalan kaki.
Di beberapa tempat tersedia potensi sumber energi seperti air sungai dan angin yang berkecepatan tinggi
Pada lokasi yang tertentu, angin dapat berkecepatan tinggi 2-7 m/s yang cocok untuk dimanfaatkan turbin angin.
Hal ini dapat membantu warga pedesaan memperoleh energi listrik dengan investasi jauh lebih kecil dari pada PLTMH.
1.2 TUJUAN PENELITIAN Secara umum tujuan dari penelitian ini adalah untuk merealisasikan sistem PLT Angin untuk pengisian ulang akki. Pencas akki ini yang dapat digunakan untuk pensuplai listrik sebuah rumah dan/atau sebagai peralatan untuk usaha pengisian ulang akki. Sistem ini diuji aplikasinya untuk mengetahui efisiensi, standar dan batasan operasionalnya. Tujuan khusus penelitian ini antara lain:
Mendesain, membuat dan menguji unit PLT Angin berdaya 200 W.
Mendesain sistem penyimpan energi agar kualitas dan kontinuitas energi yang dihasilkan oleh PLT Angin tersebut sesuai standar.
Merancang Turbin Angin dengan teknologi yang memiliki kandungan lokal yang tinggi. dimana setiap komponennya dapat diproduksi dengan teknologi dan proses manufaktur lokal.
Urgensi Penelitian
Hal ini memungkinkan adanya peluang usaha baru di daerah tak terjangkau listrik PLN. Masih banyak daerah terisolir seperti ini di Sumatera Barat seperti Desa Buluh Apo dan Desa Tanjung Mutus-Sungai Puar di Kecamatan Padang Sago Kab. PadangPariaman. Untuk mencas akki yang digunakan untuk penerangan rumah dan televisi, masyarakat terpaksa membawa akki dengan kuda beban atau digotong menaiki dan menuruni perbukitan ke Kudu yaitu daerah terdekat berjarak 5-10 kilometer yang terdapat usaha pencas akki.
Penyediaan energi yang murah dan tersedia terus menerus.
Menekan kebutuhan energi tak terbarukan, dan mengurangi emisi gas buang.
Penyediaan sumber energi listrik untuk penerangan rumah dan televisi di daerah-daerah yang tidak terjangkau listrik dari jaringan PLN
Memungkinkan adanya peluang usaha baru di daerah-daerah tersebut, misalnya pencas akki.
Memanfaatkan Teknologi Sederhana
Pada daerah terisolir, akses jalan dan jaringan listrik PLN belum tersedia.
Di Sumatera Barat, terdapat 15-20% daerah belum terjangkau listrik PLN (RUKD, 2005).
Selain penerangan tradisional, masyarakat di daerah tersebut menggunakan akki untuk sumber daya untuk penerangan dan televisi.
Untuk mencaskan akki, masyarakat membawa akkinya dengan kuda beban ke pasar terdekat
1. Segi ekonomi, merupakan sumber energi alternatif yang murah dan ramah lingkungan, serta merupakan peluang/wadah bagi masyarakat yang menjadikan listrik sebagai sarana pengembangan usaha. 2. Segi IPTEK, sebagai sarana pengembangan kreativitas yang sejalan dengan kebijakan nasional berupa “himbauan” Menristek Ir. M. Hatta Rajasa dalam “Seminar Prospek Energi Alternatif Ramah Lingkungan”[8]. Jadi ada
Kegunaan dari penelitian ini adalah :
72
Rancang Bangun dan Penelitian SKEA untuk Penerangan Rumah Tinggal dengan Kapasitas 200 Watt (Elvis Adril)
keterpaduan antara upaya diversifikasi energi [7].
konservasi
dan
2.
METODE PENELITIAN
Metode/langkah yang ditempuh untuk mewujudkan tujuan penelitian ini adalah mengikut diagram alir berikut: Persiapan Desain
Mengumpulkan data-data Desain
Torsi & rpm, Kecepatan angin, Daya dll
Pemilihan Bahan Desain
Pembuatan Turbin & Menara
Pengujian Laboratorium
Pengujian Sistem Kelistrikan
Pengujian dilapangan
Hasil : Daya (Watt)
Gambar 3 Diagram alir penelitian
3.
Daya yang dihasilkan :
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Pengujian Angin selama 24 jam, Tempat pengujian Politeknik Negeri Padang
Sejumlah udara bergerak dengan kecepatan ν melalui seluas (luas sudu), maka daya angin adalah:
Tabel 1. Pengujian Kecepatan Angin No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 14
Waktu (jam) 7.00 9.00 11.00 13.00 15.00 17.00 19.00 21.00 23.00 1.00 3.00 5.00 7.00 Rata-rata
Kecepatan Angin (m/s) 3.0 4.0 4.0 4,2 3.8 5,7 4.5 7.00 5.0 5.0 6.6 4.5 3.2 4.6
Keterangan
Perhitungan: Diketahui: Angin Kencang
Jadi Daya: = 220,056 watt =
221 watt 73
Jurnal Teknik Mesin
Vol.7, No.2, Desember 2010
ISSN 1829-8958
Dari hasil pengujian didapatkan daya yang di dapatkan adalah 221 Watt
Gambar 4 Data pengujian Kecepatan Angin
Pada ”Gambar(4)” terlihat bahwa kecepatan angin rata-rata di Politeknik adalah 4,6 m/s dan kecepatan angin yang tinggi yaitu terjadi pada malam hari yaitu 7 m/s.
4. DESIGN WIND TURBINE
Gambar 4. Assembling dari turbin angin Fungsi dari masing-masing komponen tersebut adalah: 1.
Balade (sudu-sudu) adalah penggerak dari turbin
2.
Rotor berfngsi mengahsilkan arus listrik
3.
Pengarah berfungsi mengarahkan arah angin
4.
Cotroler adalah untuk proses pengisian batray
5.
Inverter berfungsi merobah arus DC menjadi arus AC
6.
Batray untuk mengimpan daya yang dihasilkan
7.
Menara adalah tempat turbin angin dipasangkan
5. PENUTUP 5.1 Kesimpulan Telah dilaksanakan perancangan dan pembuatan Sistim Konversi Energi Angin dengan kapasitas 200 Watt dengan spesifikasi:
Gambar 3 Gambar design
Power : 200 Watt Volatage : 24 DCV Diameter Rotor : 2.2 Kecepatan angin awal : 3 m/s Rat Kecepatan angin : 6 m/s Aktif keamanan kec angin : 15 m/s Kecepatan putar : 450 Rpm Bahan Blad : Fiber glass Jumlah Blads : 3 buah Tinggi Towe : 12 m (9 meter
pipa diameter 3 Inchi dan 3 m rangka besi)
Baterai
: 2 buah 12V/80A 74
Rancang Bangun dan Penelitian SKEA untuk Penerangan Rumah Tinggal dengan Kapasitas 200 Watt (Elvis Adril)
5.2 Saran Saran yang dapat di berikan oleh penulis guna kelanjutan penelitian ini selanjutnya adalah: 1. Untuk mendapatkan output (tegangan dan daya) yang maksimal dan effisiensi dari turbin, hendaknya pemanfaatan turbin angin ini dilakukan didaerah pantai dengan kecepatan angin yang lebih besar. 2. Adanya perbaikan dan pengembangan dengan penelitian yang lebih besar, sehingga dapat dipergunakan oleh masyarakat PUSTAKA 1.
Harian Kompas, Produsen Minyak Perlu Bantu Riset Energi Terbarukan, Kelompok Gramedia, Jakarta, 18 Juni 2003
2.
Harian Sinar Harapan, Sumber Energi Terbarukan Mahal, Tapi berwawasan Masa Depan, Penerbit Sinar Harapan, Jakarta, 2 Juni 2003
3.
Hofman, Harm. Energi Angin (Alih Bahasa Harun): Binacipta, 1987.
4.
Heier, S., Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, 1998
5.
Jono, Yon. Dasar Teknik Tenaga Listrik (Edisi Revisi). Yogyakarta: Andi Offset, 1997.
6.
Majalah Teknologi, Konservasi dan Diversivikasi Energi, PT. Darma Yasamas Teknindo, Jakarta, Oktober 1999
7.
Majalah Teknologi, The Golden Triangle Teknologi Nasional, PT. Darma Yasamas Teknindo, Jakarta, Mei 1999
8.
Southwest Windpower, Owners manual: Installation, Operation and Maintenance, Southwest Windpower, Inc., Arizona, 2001
9.
Nooutage, Whisper 3200W Wind Generator with Long Distance capability, www.nooutage.com, 2004
pada tanggal 15 februari 2007. 2003. http://www.kompas.com/inspirasi/index.htm 13. White F.M., Mekanika Fluida, Jilid 2, Edisi Kedua, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1988 14. Okta, Nanang, Menabur Angin, Menuai Energi. Yayasan Pijar Cendikiawan. Bandar lampung. Download pada tanggal 10 februari 2007, 2006. http://www.sendaljepit.wordpress.com/
Curriculum Vitae DR. Elvis Adril, ST., MT., adalah Staf pengajar Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang, dengan alamat e-mail:
[email protected]
10. Djojodihardjo, H., J.P. Molly, Wind Energy Systems, Penerbit Alumni, Bandung, 1983 11. Saka, R. C. S., “Tarif Listrik Menjelang Abad XXI”, Makalah: Seminar Nasional Pengembangan SDM Teknik Elektro Menyongsong Abad 21, 30-31 Oktober, Teknik Elektro Unhas, Ujung Pandang,1995 12. Safarudin, Mochamad., Turbin Angin sebagai Alternatif Pembangkit Listrik. Peneliti Sekolah Tinggi Teknologi Mandala, Bandung Download 75
