Paper ID : 021
Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin Menggunakan Kincir Angin Sumbu Vertikal untuk Beban Rumah Tinggal Mochammad Machmud Rifadil1), Era Purwanto2),Arman Jaya3), Gigih Prabowo4) 1,2,3,4)
Rumah tinggal yang akan digunakan untuk kincir angin berada di daerah pedesaan, dimana di daerah pedesaan hanya beberapa rumah yang sedikit mendapat pasokan tenaga listrik dari PLN. Karena biaya untuk infrastruktur listrik ini sangat besar atau mahal, sehingga tidak merata di seluruh pedesaan. Selain itu, permasalahan utama yang tengah dihadapi oleh pemerintah dibidang kelistrikan oleh PLN adalah biaya energi per-KWH semakin tinggi dikarenakan subsidi BBM untuk pembangkit listrik dihapus dan subsidi untuk PLN berkurang. Saat ini, persediaan BBM semakin berkurang dan polusi udara semakin besar. Untuk mengantisipasi ketersediaan BBM yang semakin berkurang, dan pemerataan pembangunan di bidang listrik khususnya untuk rumah tinggal di pedesaan. Di Indonesia, banyak energi terbarukan dari alam yang belum dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik. Salah satu energi terbarukan yang memungkinkan adalah angin. Angin terdapat dimana-mana, mudah didapat, mudah dikonversikan serta tidak membutuhkan biaya operasional yang tinggi. Untuk memanfaatkan angin diperlukan rancangan kincir angin dengan sumbu vertikal sebagai sistem sederhana pembangkit listrik. Kincir angin dengan sumbu vertikal sebagai sistem sedehana pembangkit listrik ini ditempatkan pada daerah pedesaan dikarenakan lokasi antar rumah yang saling berjauhan. Jarak antar rumah yang berjauhan ini bisa menghasilkan energi angin yang lebih besar jika dibandingkan dengan jarak antar rumah yang saling berdekatan. Penggunaan energi angin dapat meringankan PLN dan biaya operasional yang dikeluarkan lebih sedikit atau bahkan tidak ada sama sekali. Oleh karena itu pembangkit listrik tenaga angin ini perlu dibuat dan diterapkan di masyarakat. Energy listrik tidak bisa dihasilkan secara langsung oleh alam, untuk itu dalam memanfaatkan angin diperlukan sebuah alat yang bekerja dan menghasilkan energi listrik. Alat yang dapat digunakan adalah kincir angin jenis poros atau sumbu vertical dengan metode mesh. Keuntungan jenis kincir angin sumbu vertical adalah tidak terpengaruh arah angin, serangga tidak mempengaruhi efisiensi energi angin, dan kecepatan putar yang tinggi.
EE PI SIT S
SI TI A
Abstract -Permasalahan utama yang dihadapi bidang listrik terutama untuk beban rumah tinggal di pedesaan adalah tidak ada pemerataan listrik dari pln, dikarenakan sarana infrastruktur yang tidak memadai dan biaya operasional yang besar, biaya energi per-kwh semakin tinggi, subsidi bbm dari pemerintah untuk pembangkit listrik dihapus dan subsidi untuk pln berkurang. Oleh karena itu, suatu sistem pembangkit listrik tenaga angin (splta) menggunakan kincir angin sumbu vertikal dengan memanfaatkan angin untuk menyuplai beban listrik rumah tinggaldi daerah pedesaan.Dengan splta ini diharapkan dapat mensuplai beban listrik dirumah tinggal dan membantu pihak pln dalam pemerataan listrik dipedesaan. Hasil penelitian didapatkan potensi daya kincir tertinggi pertama dari empat buah kincir angin adalah kincir diameter 60cm 36sudu sebesar 63,65Watt didapatkan saat kecepatan angin 1.45 m/s putaran kincir pada poros 229RPM pada torsi sebesar 7.19 Nm. Potensi daya kincir tertinggi ke dua dari 4 kincir angin adalah kincir diameter 80 cm 36 sudu sebesar 41.12 Watt didapatkan saat kecepatan angin 1.29 m/s putaran kincir pada poros 205.30RPM pada torsi sebesar 6.44 Nm.
20 13
Prodi Teknik Elektro Industri, Dept.Teknik Elektro, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya 1,2,3,4) Kampus ITS Keputih Sukolilo, Surabaya, 60111 Telp : (031) 5947280, Fax : (031) 5946114 E-mail : 1)
[email protected], 2)
[email protected], 3)
[email protected],4)
[email protected]
2M R
Keywords :RPM, Watt, torsi I.
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Kincir angin yang sering dipakai oleh berbagai negara di dunia adalah menggunakan kincir angin sumbu horizontal. Akan tetapi, kincir angin sumbu horizontal selalu mengalami banyak masalah dalam arah putaran, kecepatan putar, gangguan serangga, efisiensi energi dan daya yang dibangkitkan. Arah angin tidak bisa dijamin satu arah karena tergantung pada kondisi alam. Perubahan dari siang dan malam banyak hewan serangga yang keluar dari tempat asal dan hampir seluruh hewan serangga ini bertubrukan di kincir angin dan bangkai serangga menempel di sudusudu kincir angin sehingga terjadinya penurunan daya 50% menurut penelitian Gustave P. Corten, Herman F. Veldkamp [1].
51
II.
TINJAUAN PUSTAKA
METODE PENELITIAN
Penelitian yang diusulkan dalam proposal ini pada prinsipnya akan mencoba mengembangkan rancang bangun kincir angin sumbu vertikal sebagai sistem pembangkit listrik tenaga angin untuk beban listrik rumah tinggal. Bidang penelitian ini dalam bidang mesin listrik yang terdiri dari kincir angin, generator, pemodelan steady state maupun dinamik, karakteristik, pemodelan dan simulasi. Penelitian ini difokuskan pada pemodelan kincir angin sumbu vertikal sebagai pembangkit listrik tenaga angin untuk beban rumah tinggal. Sementara ini, pengembangan sistem kontrol untuk menjaga kestabilan energi listrik pada keluaran generator baik konvensional maupun intelligentbelum dilakukan.
2M R
EE PI SIT S
Gustave P. Corten, Herman F. Veldkamp “Insect can halve wind turbine power, penelitian ini dilakukan di daerah california dimana operator pembangkit listrik tenaga angin belajar dari pengalaman bahwa pada umumnya selalu ada masalah pada disisi kincir dan turbin angin pada saat pergantian posisi waktu yaitu terjadi banyak hewan serangga yang menempel di kincir angin dan turbin sehingga putarannya tidak normal atau terjadi hambatan putaran dari putaran normal”. Nature Vol. 412, 15 July 2001, www.nature.com [1]. Agus Ariwibowo, “Karakteristik Aerodinamika Savonius bersudu banyak dengan Metode Pergeseran Mesh, Metode pergeseran mesh pada aerodinamika savonius ini disimulasikan dengan menggunakan software CFD Fluent 6.2 untuk kincir savonius sudu 2,3,4, dan 6 dengan kecepatan aliran 5 m/s dan perputaran 3 RPM. Hasil simulasi menunjukkan bahwa semakin banyak bertambahnya jumlah sudu akan mengakibatkan terjadinya saling reduksi gaya positif dan negative antara satu sudu dengan sudu lainnya, serta mengakibatkan performasi akan menurun selling dengan pertambahan jumlah sudu”. Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 4 No. 1 Juni 2006 : 39-46 [2]. F. Blaabjerg, Z. Chen, R. Teodorescu, F. Lov, “Power Electronics in Wind Turbine Systems, di dalam paper ini menjelaskan tentang sumber energy terbarukan tentang angin dimana focus di bidang elektronika daya dalam bidang pengisian atau menghasilkan sumber daya listrik pada sistem energi kincir angin” IEEE 1-4244-0449-5/06 2006 [3]. R. Bharanikumar, A. Nirmal Kumar, “Analysis of Wind Turbin Driven PM Generator with Power Convertes, di dalam paper ini menjelaskan tentang analisa turbin angin sebagai penggerak generator magnet permanent dengan mengkonversi daya suplai” International Journal of Computer and
III.
20 13
1.2 Rumusan Masalah Didasari oleh latar belakang yang telah dipaparkan di atas, maka perumusan masalah dalam penelitian ini dikelompokkan sebagai berikut : a. Mengklasifikasikan kecepatan angin di daerah yang akan dipasang kincir angin. b. Desain kincir angin sumbu vertikal. c. Pemodelan desain kincir angin sumbu vertikal dengan memperhatikan sistem aerodinamis. d. Pemodelan desain sistem pembangkit listrik tenaga angin menggunakan kincir angin sumbu vertikal untuk beban rumah tinggal.
Electrical Engineering, Vol. 2, No. 4, August, 2010, 1 793-8163 [4]. Y. Daryanto, “Kajian Potensi Angin untuk Pembangkit listrik Tenaga Bayu, di dalam paper ini menjelaskan tentang potensi energy angin meliputi pengukuran data angin, analisa potensi angin, sumber daya energy angin, teknologi turbin angin”, Balai PPTAGG-UPT-LAGG, Yogyakarta, 5 april 2007[5]. M. Ragleb, “Theory of Wind Machines, Betz Equation, di dalam paper ini menjelaskan tentang teori untuk turbin angin dengan metode persamaan Betz”, America, 2/10/2010[6].
SI TI A
Memperhatikan semua permasalahan tersebut, maka pada penelitian ini adalah menghasilkan desain kincir angin untuk mengetahui kecepatan angin, kecepatan kincir, torsi poros kincir serta potensi daya pada poros kincir.
Gambar 1. Roadmap Penelitian SPLTA Vertikal
Dari gambar 1 dapat dijelaskan bahwa penelitian mengenai rancang bangun kincir angin sumbu vertikal sebagai pembangkit listrik tenaga angin pada beban rumah tinggal. Dalam road map Green Energy Transportatioan and Application (GET-A), penelitian ini termasuk dalam bidang mesin listrik yang terdiri dari generator DC, generator AC, pemodelan steady state maupun dinamik, karakteristik, pemodelan dan simulasi. 3.1 Desain Kincir Angin
52
Gambar 2. Desain Kincir Angin sumbu vertikal Jumlah Kincir ada 4 buah meliputi : 1. Kincir D:60; N:18 sudu; TS: 44 cm 2. Kincir D:60; N:36 sudu; TS: 44 cm 3. Kincir D:80; N:18 sudu; TS: 48 cm 4. Kincir D:80; N:36 sudu; TS: 48 cm Dimana : D:diameter N:jumlah sudu TS:tinggi sudu
P
1 2 AV 3 [Watt/m ]………………..…… (4) 2
Daya angin maksimum yang dapat diekstrak oleh turbin angin dengan luas sapuan rotor A adalah
P
16 1 2 AV 3 [Watt/m ]…………..……. (5) 27 2
Angka
16 (= 59,3%) ini disebut dengan batas 27
3.2Blok Diagram Sistem
Ek W
20 13
Bets (Betz limit, diambil dari ilmuan Jerman Albert Betz). Energi kinetic angin adalah energy yang dimiliki suatu benda akibat gerakan dapat dinyatakan dengan rumus :
1 mV 2 [Watt]………..………… (6) 2
SI TI A
Angin yang menggerakkan sudu merupakan udara yang bergerak dan mempunyai massa, sehingga dinyatakan dengan rumus : Ek W A d [Watt]….….………… (7) Dalam mendesain kincir angin harus mempertimbangkan berapa besar daya yang dibutuhkan, kemudian kecepatan angin, dan yaitu berapa jumlah blade yang harus digunakan, hal pertama yang diperhatikan dalam desain kincir angin adalah TSR (TipSpeedRatio) atau perbandingan kecepatan ditiap kincir angin (ujung) dan kecepatan angin yang didapat oleh kincir. Menghitung TSR (λ) dapat menggunakan persamaan : SpeedofRotorTip v r 2 nr ….. (8) TSR( )
2M R
EE PI SIT S
3.3 Analisa Angin dan Desain Kincir Angin Sumbu Vertikal Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari. Karena bergerak angin memiliki energi kinetik. Energi angin dapat dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Oleh karena itu, kincir atau turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA). Daya adalah energi per satuan waktu.Dan untuk mengetahui suatu energy yang dibangkitkan oleh angin selama perjam dapat dinyatakan dengan persamaan berikut : W=Pxt [Watt]……………………………….(1) Untuk mengetahui daya atau energy yang dikeluarkan oleh alternator berdasarkan kecepatan angin dan diameter baling-baling (telah diketahui dan diameter 60 cm) dapat dinyatakan dengan rumus :
P
1 3 2 [Watt]……………………….(2) V D 12
Daya angin berbanding lurus dengan kerapatan udara, dan kubik kecepatan angin.dapat dinyatakan dengan rumus :
P
1 2 V 3 [Watt/m ]……………..………. (3) 2
Dimana: P : Daya ouput (Watt), 3 : kerapatan udara 1.1726 kg/m , V : kecepatan angin (m/s) t : satuan waktu (s) A : luas penampang (m2) Energi yang dimiliki oleh angin dapat dinyatakan dengan rumus :
53
WindSpeed
V
V
V
Dimana : V : Kecepatan angin(m/s) v = ωr : Kecepatan putar rotor(m/s) r : jari-jari rotor(m) ω = 2πf : rotasi putaran kincir angin(radian/sec) f : frekuensi rotasi(Hz), (sec-1) n : putaran poros kincir tiap detik (rps) asumsi : f = n Torsi dari sebuah kincir angin dapat dihitung menggunakan persamaan : V 2 R3 TORQUE 2 F .r m.a ………………. (9) Dimana : V : Kecepatan angin(m/s) R=r : Jari-jari rotor(m) F: : gaya pada poros akibat puntiran(N) m : massa pengimbang(kg) a : percepatan gravitasi(m/s) Persamaan untuk menghitung potensi daya kincir (Pk): Pk Torque x Torque x 2 n ………… (10) V 4R Dimana : Pk : Daya kincir(Watt)
B 80 / 2 ………………………………. (13) Persamaan untuk menghitung sudut blade (β):
anti tan(2 R / 3r ) ……..…… (14) HASIL PENGUJIAN
Hasil data pengujian sistem pembangkit listrik tenaga angin menggunakan kincir angin sumbu vertikal untuk beban rumah tinggal didapatkan data berupa kecepatan kincir angin dengan berbagai macam dimensi, torsi yang dihasilkan oleh putaran kincir dan potensi daya yang dibangkitkan dapat dilihat pada tabel 1. No
Kecepatan (RPM)
60/18 Torsi (Nm)
97.1 75.8 47.4 129 163.2 142.1 123.7 111.19
3.00 2.40 1.48 4.05 5.12 4.46 3.88 3.48
Potensi Daya (W) 2.06 0.76 0.11 6.41 16.42 9.43 5.41 5.80
Kecepatan (RPM)
60/36 Torsi (Nm)
100 60.5 105.3 229 144.8 202.7 173.7 145.14
3.14 1.89 3.30 7.19 4.54 6.36 5.45 4.55
Potensi Daya (W) 3.80 4.16 15.39 1.02 5.89 1.86 0.01 4.59
Kecepatan (RPM)
80/36 Torsi (Nm)
60.5 62.4 64 110.5 65.8 205.3 126.3 99.26
1.89 1.95 2.00 3.46 2.06 6.44 3.96 3.11
2M R
1 2 3 4 5 6 7 Rata2
No
1 2 3 4 5 6 7 Rata2
20 13
EE PI SIT S
IV.
SI TI A
Torque : besarnya torsi(Nm) n : putaran poros(rps) TSRmempengaruhikecepatanputarankincir(RPM). HubunganTSRdengankecepatanyaitu:Kecepatanpadap orosShaftspeed(SS) 60v [RPM]…………………………. (11) SS D Dimana : D : Diameter Rotor (m) Diameter suatu rotor kincir angin dapat pula diperoleh melalui sebuah perhitungan. Persamaan untuk menghitung diameter suatu rotor kincir angin yaitu : D ( P ( 47 RPM ) 3 ) 0.2 ……………… (12) Dimana : Power : Daya output generator(Watt) RPM : Kecepatan putar generator(RPM) Untuk menentukan jumlah blade yang digunakan, dapat digunakan persamaan :
Kecepatan (RPM)
80/18 Torsi (Nm)
113.2 115.8 160.6 81.6 126.3 94.8 26.3 102.66
3.55 3.63 5.04 2.56 3.96 2.97 0.82 3.22
Potensi Daya (W) 2.31 0.31 2.84 63.65 10.17 39.07 21.07 19.92
Potensi Daya (W) 0.31 0.35 0.38 3.45 0.43 41.12 5.89 7.42
Dari data tabel 1. Didapatkan kurva karakteristik kecepatan putar kincir angin sumbu vertikal dengan berbagai tipe ukuran diameter dan banyaknya jumlah sudu seperti pada gambar 3.
Gambar 3. Kurva kecepatan putar, torsi dan potensi daya pada masing-masing kincir angin sumbu vertikal Pada gambar 3 menjelaskan tentang kurva kecepatan putar kincir beserta sumber tegangan terhadap banyaknya data sampling baik antara kincir diameter 60 cm 18 sudu, kincir diameter 60 cm 36 sudu, kincir diameter 80 cm 18 sudu, kincir diameter 80 cm 36 sudu. V.
KESIMPULAN
Dari pengujian model kincir angin yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan : 1. Potensi daya kincir tertinggi dari 4 kincir angin adalah kincir diameter 60 cm 36 sudu sebesar 63,65 Watt didapatkan saat kecepatan angin 1.45 m/s putaran kincir pada poros 229 RPMpada torsi sebesar 7.19 Nm. 2. Potensi daya kincir tertinggi ke dua dari 4 kincir angin adalah kincir diameter 80 cm 36 sudu sebesar 41,12Watt didapatkan saat kecepatan angin 1.29 m/s putaran kincir pada poros 205 RPM pada torsi sebesar 6.44 Nm. 3. Semakin kecil diameter disertai semakin banyak jumlah sudu maka semakin besar kecepatan putar poros kincir, semakin kecil torsi kincir serta potensi daya (Pk) yang dihasilkan pada poros kincir juga semakin besar.
54
2M R
EE PI SIT S
20 13
SI TI A
DAFTAR PUSTAKA [1] Gustave P. Corten, Herman F. Veldkamp“Insect can halve wind turbine power”, Nature Vol. 412, 15 July 2001,www.nature.com. [2] Agus Ariwibowo, “Karakteristik Aerodinamika Savonius bersudu banyak dengan Metode Pergeseran Mesh”, Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 4 No. 1 Juni 2006:39-46.F. Blaabjerg, Z. Chen, R. Teodorescu, F. Lov, “Power Electronics in Wind Turbine Systems”, IEEE 1-4244-04495/06 2006. [3] Goran Wall, “Renewable Energi Wind Power”, Hogskolan Lgavle 30/09/2008. [4] R. Bharanikumar, A. Nirmal Kumar, “Analysis of Wind Turbin Driven PM Generator with Power Convertes”, International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol. 2, No. 4, August, 2010, 1 793-8163. [5] Y. Daryanto, “Kajian Potensi Angin untuk Pembangkit listrik Tenaga Bayu”, Balai PPTAGGUPT-LAGG, Yogyakarta, 5 april 2007 [6] M. Ragleb, “Theory of Wind Machines, Betz Equation”, America, 2/10/2010.
55
