STUDI APLIKASI FLYWHEEL ENERGY STORAGE UNTUK MENINGKATKAN DAN MENJAGA KINERJA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO (PLTMH)
Moh. Syaikhu Aminudin, Ir. Sarwono, MM, Ridho Hantoro, ST. MT. Jurusan Teknik Fisika – Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Keputih Sukolilo, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] ABSTRAK Akibat kebutuhan akan penggunaan energi yang efisien dan Seiring makin dirasakannya krisis sumber daya energi alat penyimpan energi menjadi kian penting. energi yang berlebih dari pembangkit listrik tenaga air seperti mikrohidro harus disimpan dalam bentuk tertentu atau energi tersebut akan terbuang percuma. Salah satu cara yang dilakukan untuk menyimpan energi yang berlebih kemudian menggunakannya kembali saat diperlukan (power on demand) adalah menggunakan roda gaya (flywheel).Flywheel memiliki kepadatan energi yang tinggi serta dapat menyimpan dan melepaskan energi dengan lebih cepat. Dari studi tugas akhir ini dengan metode pengujian menggunakan miniplant pembangkit listrik tenaga mikrohidro, didapat bahwa sepuluh buah flywheel berbentuk cakram pejal bermassa sama yang diaplikasikan pada shaft turbin miniplant mikrohidro tersebut ternyata energi kinetik rotasi dan torsinya meningkat 0,825 sampai 6,212 joule dan 0,009 sampai 0,045 kg.m2/s2 seiring dengan peningkatan variasi jari-jari 0,055 sampai 0,15 m selama flywheel tersebut berputar dengan kecepatan sudut yang sama. Kata kunci: Mikrohidro, Flywheel, Energi Kinetik Rotasi, Torsi, Massa, Jari-jari, Kecepatan Sudut.
kemudian turbin menggerakan generator untuk menghasilkan listrik. Dalam kenyataannya air yang digunakan sebagai sumber tenaga mengalami debit yang tidak konstan sehingga mengakibatkan perubahan kecepatan putaran dan torsi pada turbin, hal ini akan mempengaruhi kualitas listrik yang dihasilkan oleh generator. Selain itu pemakaian listrik yang melebihi beban secara mendadak dari kemampuan generator juga akan menurunkan putaran dari generator tersebut sehingga bisa mengakibatkan padamnya listrik. Perubahan putaran yang terjadi juga bisa merusak turbin dan juga generator karena mendapat tekanan yang tidak stabil, untuk itu diperlukan suatu alat penyimpan energi pada pembangkit yang akan memberikan tambahan energi jika diperlukan sewaktu untuk mempertahankan putaran turbin maupun generator dan meningkatkan torsinya, Flywheel dapat memperbaiki kualitas daya listrik yang dihasilkan sehingga mencegah terjadinya pemadaman listrik (black out) akibat beban puncak tidak dapat dipenuhi.
I. PENDAHULUAN Seiring makin dirasakannya krisis sumber daya energi maka peran dari sebuah alat penyimpan energi menjadi sangat penting akibat kebutuhan akan penggunaan energi yang efisien. Air merupakan salah satu sumber energi yang sangat potensial yang kita miliki, energi yang berlebih dari suatu pembangkit listrik tenaga air harus disimpan dalam bentuk tertentu atau energi tersebut akan terbuang percuma. Dari sekian banyak media penyimpan energi yang ada salah satu media yang dapat menyimpan energi yang berlebih kemudian menggunakannya kembali saat diperlukan adalah menggunakan flywheel (roda gaya). Flywheel atau sering juga disebut roda gaya seperti yang kita ketahui adalah sebuah komponen yang terdapat pada semua kendaraan roda empat, merupakan sebuah piringan yang karena beratnya dapat menahan perubahan kecepatan yang drastis sehingga gerak putaran poros mesin menjadi lebih halus. Yang jarang diketahui adalah Flywheel memiliki kepadatan energi hingga ratusan kali lebih banyak dibandingkan dengan baterai yang ada saat ini serta dapat menyimpan dan melepaskan energi dengan lebih cepat. Pembangkit listrik tenaga mikrohidro menggunakan tenaga air untuk memutar turbin
II.
PERUMUSAN MASALAH
Berdasarkan latar belakang diatas maka akan timbul permasalahan yang akan di cari solusinya yaitu:
1
• Bagaimana mengetahui kinerja dari sebuah flywheel? • Bagaimana desain model flywheel dan mekanisme kinerja penyimpanan energinya yang diaplikasikan pada miniplant pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH)? • Keuntungan apa yang diperoleh dari aplikasi flywheel energi storage pada miniplant PLTMH? III. BATASAN MASALAH Untuk mempermudah dalam pengerjaan tugas akhir ini dan menghindari timbulnya serta melebarnya permasalahan yang tidak diinginkana maka pada tugas akhir ini hanya dibatasi pada: • Dalam tugas akhir ini hanya mempelajari tentang flywheel energi storage yang akan diaplikasikan pada sebuah miniplant PLTMH untuk meningkatkan kinerjanya. • Desain dan model flywheel energi storage mengikuti teori yang telah ada, hanya dilakukan modifikasi pada jari-jari. • Variabel dari desain dan model flywheel diambil bebas mengikuti miniplant PLTMH. • Pengukuran dan pengujian flywheel menggunakan miniplant PLTMH. • Miniplant PLTMH hanya digunakan sebagai media aplikasi dan tidak dibahas secara mendalam. • Data yang akan dianalisa adalah hasil pengukuran perubahan torsi dan energi yang tersimpan dari flywheel.
Gambar 1.1 Flowchart penelitian tugas akhir VI. LANDASAN TEORI Beberapa teori yang dapat menunjang dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 6.1. Penyimpanan Energi Dengan Flywheel / Roda Gaya Energi yang berlebih dari pembangkit listrik tenaga air harus disimpan dalam bentuk tertentu atau energi tersebut akan terbuang percuma. Salah satu cara yang dilakukan untuk menyimpan energi yang berlebih kemudian menggunakannya kembali saat diperlukan (power on demand) adalah menggunakan flywheel (roda gaya). flywheel atau sering juga disebut roda gila seperti yang kita ketahui adalah sebuah komponen yang terdapat pada semua kendaraan roda empat, merupakan sebuah piringan yang karena beratnya dapat menahan perubahan kecepatan yang drastis sehingga gerak putaran poros mesin menjadi lebih halus. Yang jarang diketahui adalah flywheel memiliki kepadatan energi hingga ratusan kali lebih banyak dibandingkan dengan baterai yang ada saat ini serta dapat menyimpan dan melepaskan energi dengan lebih cepat.
IV. TUJUAN Adapun tujuan dari tugas akhir ini adalah study mempelajari kinerja suatu flywheel energi storage sehingga bisa diaplikasikan pada suatu pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) untuk meningkatkan torsi putaran turbin mikrohidro tersebut dan penyimpanan energinya dalam bentuk energi kinetik rotasi. V. METODOLOGI PENELITIAN Segala bentuk kegiatan yang dilakukan dalam menyelesaikan dan mencapai tujuan dari tugas akhir ini disusun dalam serangkaian diagram alur metodologi penelitian Tugas Akhir yang dapat ditunjukkan dalam gambar 1.1:
Gambar 2.1. Flywheel / roda gaya Energi disimpan secara mekanik di flywheel dengan memutar porosnya sementara pada baterai biasa energi disimpan secara 2
energi kinetik rotasi dan akan melepaskan energi tersebut saat gaya yang mengenainya berkurang atau dihilangkan. Sebuah flywheel bisa berputar sampai puluhan ribu RPM tergantung dari material yang menyusunnya, semakin padat dan keras material suatu flywheel semakin bagus karena dengan volume yang kecil massanya semakin besar dan selain itu juga akan semakin tahan jika diputar dengan kecepatan tinggi.
kimiawi. Flywheel dapat menyimpan energi dengan cara memutarnya pada suatu tempat di mana gesekan yang terjadi relatif kecil. Untuk dapat menyimpan energi yang bermanfaat, poros flywheel harus berputar sangat cepat. Jika energi yang tersimpan di flywheel akan digunakan, sebuah generator dapat mengubah energi mekanik tersebut menjadi energi listrik. Sistem penyimpanan dengan flywheel beroperasi pada kecepatan sampai 60.000 putaran tiap menitnya. Berfungsi seperti layaknya baterai, flywheel dapat diisi (charged) selama waktu beban listrik rendah dan melepaskan energi tersebut saat beban puncak. Dengan fungsi tersebut, flywheel dapat menghemat biaya energi bagi pemiliknya. Penggunaan flywheel pada perkantoran atau perumahan dapat menghindari keharusan membangun pembangkit listrik baru untuk memenuhi kebutuhan akan energi yang terus meningkat. Sebuah unit flywheel dapat berukuran kecil dan berbobot ringan untuk ditempatkan di lingkungan perumahan. Sebuah unit berkapasitas 50 kilowatt-hour (kWh) yang dapat memberikan daya listrik sebesar 10 kW, suatu daya yang lebih dari cukup untuk sebuah rumah, hanya berukuran sebesar teko air. Perkembangan teknologi terbaru telah memungkinkan dirancangnya flywheel yang ekonomis, yaitu biaya murah, kontrol elektronik yang ringkas sehingga memperkecil ukuran komponen, serta mengurangi gesekan yang terjadi. Pada penerapannya di daerah komersial dan industri, pemasangan sistem flywheel dilakukan di bawah tanah atau di atas lantai suatu bangunan. Flywheel berumur sepuluh kali lebih lama dibandingkan dengan baterai konvensional. Tidak menggunakan bahan kimia yang berbahaya, dapat beroperasi pada suhu lingkungan yang ekstrem dan mudah dalam perawatan. Umur flywheel dapat mencapai 20 hingga 40 tahun.
6.3. Momen Inersia Momen inersia adalah ukuran resistansi/ kelembaman sebuah benda terhadap perubahan dalam gerak rotasi. Berbeda dengan massa benda yang hanya tergantung pada jumlah kandungan zat didalam benda tersebut, momen inersia disamping tergantung pada jumlah kandungan zat (masa benda) juga tergantung bagaimana zat-zat atau massa ini terdistribusi. Semakin jauh distribusi massa dari pusat putaran semakin besar momen inersinya. Momen inersia I suatu benda titik (partikel) terhadap suatu sumbu putar didefinisikan sebagai perkalian massa partikel, m dengan kuadrat jarak partikel r dari sumbu putar.
I=
1 2 mr 2
(2.1)
Dimana I = momen inersia m = massa partikel r = jarak partikel dari sumbu putar Momen inersia dari sistem beberapa partikel dapat dihitung dengan menjumlahkan momen inersia tiap-tiap partikel. I = mi ri 2 (2.2)
∑ i
Momen inersia benda tegar terhadap suatu sumbu putar didefinisikan sebagai jumlah momen inersia setiap partikel dalam benda itu.
6.2. Mekanisme Penyimpanan Energi Pada Flywheel Flywheel merupakan sebuah benda dengan berbagai macam bentuk yang berputar terhadap titik pusat massa. Pada umumnya flywheel berbentuk silinder pejal atau cakram yang memiliki massa dan jari-jari tertentu. Mekanisme penyimpanan energinya menggunakan prinsip gerak rotasi, energi disimpan dalam bentuk energi kinetik rotasi. Besarnya energi yang tersimpan pada flywheel tergantung pada momen inersia dan kecepatannya saat berputar, flywheel akan menyimpan energi saat berputar karena dikenai gaya dalam bentuk
I = m1 r12 + m 2 r22 + m3 r32 + m4 r42 + m5 r52 I = ∑ mi ri 2
(2.3)
i
Karena benda tegar mempunyai struktur kontinu (atom-atom sangat berdekatan sehingga dapat dikatakan saling ber-sambungan) maka rumus jumlah itu boleh diganti dengan rumus integral.
I = ∫ r 2 dm
(2.4)
Dengan dm menyatakan elemen kecil dari benda yang terletak pada jarak r dari sumbu puatar. 3
pada gerak translasi, bagaimana dengan I? I mempunyai peran seperti massa, semakin besar I semakin besar benda berputar (mirip dengan gerak translasi). Benda bermassa besar sukar digerakkan/dipercepat. kita peroleh rumus energi kinetik partikel ini
6.4. Gaya, Torsi dan Energi Kinetik Kalau dalam gerak lurus, gerakan benda dipengaruhi oleh gaya, maka dalam gerak rotasi, gerakan benda dipengaruhi oleh torsi. Semakin besar torsi, semakin cepat benda berotasi. Sebaliknya semakin kecil torsi, semakin lambat benda berotasi. misalnya mula-mula benda diam (kecepatan sudut = 0). Jika pada benda itu dikerjakan torsi, benda itu berotasi dengan kecepatan sudut tertentu. Dalam hal ini benda mengalami perubahan kecepatan sudut (dari diam menjadi berotasi). Perubahan kecepatan sudut = percepatan sudut
1 2 (2.10) mv 2 1 = mr 2ω 2 (2.11) 2 1 E k = Iω 2 (2.12) 2 Keterangan: E k = energi kinetic rotasi I = momen inersia Ek =
Semakin besar torsi, semakin besar percepatan sudut. sebaliknya semakin kecil torsi, semakin kecil percepatan sudut. Dengan kata lain, torsi sebanding alias berbanding lurus dengan percepatan sudut. secara matematis, hubungan antara torsi dan percepatan sudut dinyatakan dengan persamaan : a ≈ τ keterangan: a = percepatan sudut
ω = kecepatan sudut Dalam kasus ini partikel hanya bergerak melingkar saja, sehingga rumus energi diatas adalah rumus energi kinetik untuk gerak rotasi. Satuan energi kinetik rotasi adalah joule. Rumus diatas dapat diperluas untuk suatu benda tegar. Pada waktu benda tegar diputar dengan kecepatan sudut maka seluruh partikel yang menyusun benda itu bergerak dengan kecepatan sudut . Energi kinetic rotasi benda tegar merupakan penjumlahan energi kinetik tiap partikel.
τ = momen gaya/torsi
6.5. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Gambar 2.9. Momen inersia flywheel yang berputar Gambar melukiskan partikel bermassa m yang diberi gaya F gaya tegak lurus jari-jari menurut hukum Newton benda akan di percepat dengan percepatan searah dengan gaya percepatan. Percepatan ini dinamakan hubungan gaya dan percepatan ini adalah: F = ma (2.5) F = mar (2.6) τ = rF (2.7) Untuk memperoleh hubungan antara momen gaya dengan percepatan sudut
Gambar 2.11. Pembangkit listrik tenaga mikrohidro Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang mengunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan ketiggian tertentu dari instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari istalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. Mikrohidro hanyalah sebuah istilah. Mikro artinya kecil sedangkan hidro artinya air. Dalam, prakteknya istilah ini tidak merupakan sesuatu yang baku namun bisa dibayangkan bahwa Mikrohidro,
rF = rm(ar )
τ = mr 2 a
(2.8) Karena momen inersia partikel adalah :
I = mr 2 τ = Ia
(2.9) = torsi I = momen inersia a = percepatan sudut Rumus diatas mirip dengan Newton II . Disini torsi berperan seperti gerak translasi dan percepatan sudut berperan sebagai percepatan
Keterangan: τ
4
dalam tugas akhir ini akan dilakukan uji coba dengan membuat beberapa flywheel dengan massa yang tetap tetapi jari-jarinya dibuat bervariasi. Dengan pertimbangan jika massa yang dibuat bervariasi maka massa yang semakin besar akan semakin membebani putaran dari mikrohidro, termasuk komponennya seperti shaft dan bearing. Dengan variasi jari-jari pada flywheel diharapkan sesuai persamaan 2.1 dan 2.12 kinerja flywheel akan semakin baik khususnya dalm hal penyimpanan energi kinetik rotasinya dan diharapkan juga torsi dari mikrohidro akan meningkat. Untuk membuat beberapa flywheel dengan massa yang sama tetapi jari-jari bervariasi maka dapat dengan menggunakan persamaan volume silinder yaitu: V = ρ .π .r 2 .t (3.1) Keterangan: V = volume silinder ρ = massa jenis bahan r = jari-jari silinder t = ketebalan silinder Flywheel yang dibuat memakai bahan yang terbuat dari besi biasa dengan pertimbangan besi itu mudah didapat, memiliki kepadatan dan kekerasan yang cukup baik serta mudah dalam proses pembentukan flywheelnya. Ukuran flywheel yang dibuat dimulai dengan jari-jari 5,5 cm dan tebal 1,5 cm kemudian untuk variasinya dibuat sebanyak 10 buah flywheel dengan ukuran jari-jari yang terus membesar sebesar 1 cm yaitu: No flywheel Jari-jari (cm) 1 5.5 2 6.5 3 7.5 4 8.5 5 9.5 6 10.5 7 11.5 8 12.5 9 13.5 10 15 Tabel 3.1 variasi ukuran jari-jari flywheel Dengan menggunakan persamaan 3.1 maka bisa diulis: V1 = ρ .π .r 2 .t = ρ (3,14)(5,5cm) 2 (1,5cm)
pasti mengunakan air sebagai sumber energinya. Yang membedakan antara istilah Mikrohidro dengan Minihidro adalah output daya yang dihasilkan. Mikrohidro menghasilkan daya lebih rendah, sekitar 100 W, sedangkan untuk minihidro daya keluarannya berkisar antara 100 sampai 5000 W. Secara teknis, Mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan clan ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin). Di rumah instalasi air tersebut akan menumbuk turbin dimana turbm' sendin, dipastikan akan menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputamya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan mengunakan kopling. Darl generator akan dthaslikan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya (beban). Begitulah secara ringkas proses Mikrohidro merubah energi aliran dan ketinggian air menjadt energi listrik. VII. FABRIKASI FLYWHEEL 7.1. Fabrikasi Flywheel Flywheel yang dibuat merupakan piringan cakram dengan massa, jari-jari dan ketebalan tertentu yang disesuaikan dengan ukuran miniplant. Dalam sebuah literature disebutkan bahwa: “Kinetic energy is roughly equal to mass times velocity squared. So doubling mass doubles energy storage, but doubling the rotational speed quadruples energy storage.” Hal ini sesuai dengan persamaan 2.1 dan 2.12:
Ek = I=
1 2 Iω 2
1 2 mr 2
Keterangan:
E k = energi kinetik rotasi I = momen inersia
ω = kecepatan sudut
I = momen inersia m = massa partikel r = jarak partikel dari sumbu putar Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa momen inersia tidak hanya sebanding lurus dengan massa tapi juga sebanding dengan kuadrat jari-jari dari flywheel. Maka dari itu,
= ρ (3,14)(30,25cm 2 )(1,5cm) = ρ (141,3cm 3 ) = 141,3ρcm 2
5
Nilai volume yang telah didapat tadi kemudian dibuat sebagai patokan untuk menentukan nilai ketebalan flywheel yang lain. Dari table 3.1 untuk flywheel berikutnya flywheel 2 yaitu dengan jari-jari 6 cm maka dengan memasukkan nilai volume flywheel 1 pada perhitungan sebelumnya didapat nilai ketebalan untuk flywheel 2 adalah:
V1 = V2
141,3ρcm 3 = ρ .π .r 2 .t 141,3cm 3 = π .r 2 .t
Gambar 3.1. variasi ukuran flywheel Teknik pembuatan flywheel dalam tugas akhir ini yaitu dengan melakukan pembubutan dari besi, tentu saja tidak hanya bisa dilakukan dengan teknik ini saja, tp bisa dilakukan dengan teknik-teknik yang lain jika lebih baik.
141,3cm 3 = (3,14)(6,5cm) 2 t 141,3cm 3 = (3,14)(42.25cm 2 )t 141,3cm 3 = (132,665cm 2 )t
141,3cm 3 132,665cm 2 t = 1,1cm
t=
7.2. Fabrikasi Miniplant Mikrohidro Miniplant mikrohidro yang akan dijadikan sebagai media uji adalah sebuah miniplant dengan perbandingan 2:1, maksudnya miniplant tersebut berukuran setengah kali dari plant yang sebenarnya. Miniplant mikrohidro ini bertipe crossflow. pertimbangan ini diambil karena mikrohidro tipe ini sudah banyak terdapat di indonesia yang salah satunya terdapat di daerah seloliman kabupaten mojokerto, Sebagaimana kami telah mengadakan studi lapangan terlebih dahulu di sana.
Jadi dengan flywheel 1 yang berjari-jari 5,5 cm dan ketebalan 1,5 cm supaya volumenya sama maka flywheel 2 yang berjari-jari 6,5 cm harus memiliki ketebalan 1,1 cm. dengan catatan bahan yang digunakan adalah bahan yang sama, sedangkan untuk nilai massa jenis bahan sengaja tidak dimasukkan dengan pertimbangan massa jenis bahan besi dari literature belum tentu sama persis dengan bahan besi yang digunakan dimana nantinya hal ini akan sangat mempengaruhi hasil perhitungan. Untuk mencari massa dapat dengan langsung melakukan penimbangan menggunakan timbangan biasa. Dengan perhitungan yang sama maka didapatkan ketebalan dari flywheel yang lainnya yaitu: No Flywheel 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Jari-jari(cm)
Ketebalan (cm)
5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5 12.5 13.5 15
1.5 1.1 0.8 0.6 0.5 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2
Gambar 3.2. desain aplikasi flywheel pada turbin mikrohidro Karena miniplant mikrohidro ini hanya sebagai media aplikasi saja, jadi tidak akan dibahas secara mendalam dalam penelitian ini seperti yang telah disebutkan pada bab 1 mengenai batasan masalah sebelumnya.
Tabel 3.2 variasi flywheel dengan massa yang sama Gambar 3.3. komponen turbin miniplant mikrohidro
6
Gambar 3.4. komponen rumah miniplant mikrohidro
Gambar 3.9. pengujian mengukur kecepatan rotasi flywheel pada miniplant mikrohidro
Gambar 3.5. miniplant mikrohidro Gambar 3.10. pengukuran kecepatan rotasi flywheel pada miniplant mikrohidro Cara kerja stroboscobe yaitu dengan cara menyamakan frekuensi dari kedipan lampu dari stroboscobe terhadap tanda yang ada pada poros mikrohidro. Jika tanda yang ikut berputar tersebut sudah kelihatan seolah-olah berhenti maka frekuensi kedipan lampu dari stroboscobe sudah tepat yang nilainya dapat dilihat pada indikator angka digital.
7.3. Penimbangan Massa flywheel Untuk mengetahui massa dari masingmasing flywheel yang telah dibuat dapat dilakukan dengan menimbangnya.
8.2. Pengukuran Energi Store/Energi Sisa Pengukuran ini untuk mengetahui besarnya energi yang terkandung atau yang tersimpan dalam flywheel yang dapat diindikasikan dengan lamanya flywheel untuk berhenti dari kecepatan stabil setelah gaya inputan dihilangkan. “Semakin lama waktu untuk berhenti semakin baik karena semakin besar energi yang tersimpan”.
Gambar 3.6. penimbangan massa flywheel VIII. UJI PERFORMANSI FLYWHEEL Uji performansi dari flywheel yang akan dilakukan meliputi pengukuran energi store atau energi sisa dan torsi dari masing-masing flywheel 8.1. pengukuran kecepatan rotasi (RPM) Pengukuran ini untuk mengetahui berapa kecepatan rotasi dari masing-masing flywheel dengan perubahan terhadap jari-jari. Alat ukur yang dipakai adalah stroboscobe yang merupakan alat ukur kecepatan rotasi permenit.
8.3. Pengukuran Torsi “bagaimana pengaruh perubahan jari-jari pada flywheel terhadap torsi yang dihasilkan” Perlu diketahui torsi yang dimaksud adalah torsi saat turbin yang diberi flywheel berputar pada kecepatan stabil. Metode yang dilakukan yaitu dengan memberikan beban secara tiba-tiba pada shaft turbin saat sedang berputar. dari situ dapat diketahui percepatan beban yang bergerak mengikuti shaft.
Gambar 3.8. stroboscobe
7
4 5 6 7 8 9 10
0.085 0.095 0.105 0.115 0.125 0.135 0.150 Rata-rata
1.11 1.06 1.06 1.13 1.13 1.10 1.11 1.09
Tabel 4.1 Hasil penimbangan massa flywheel Massa yang diharapkan dari setiap flywheel itu adalah sama tetapi dari hasil penimbangan didapatkan massa dari setiap flywheel berkisar 1.06-1.13 kg. hal ini diakibatkan karena faktor fabrikasi khususnya pembubutan pada flywheel yang kurang tepat dan presisi yang benar-benar diluar perkiraan sewaktu proses perancangan. Akan tetapi, karena selisih massanya sangat kecil maka semua dianggap sama jadi untuk untuk perhitungan-perhitungan hasil pengujian menggunakan massa rata-rata.
Gambar 3.11. metode pengukuran torsi flywheel pada miniplant mikrohidro Dengan menggunakan hukum newton II: m = m2 − m1 (3.2)
S t2 F = ma τ = Fr a=2
(3.3) (3.4) (3.5)
Dimana: m = massa beban (kg) a = percepatan beban (m/s2) S = jarak yang beban selama waktu t (cm) t = waktu yang dibutuhkan beban untuk menempuh jarak sejauh S (detik) F = gaya yang menarik beban (kg.cm/s2) r = jari-jari shaft (cm) τ = torsi yang terjadi pada shaft (kg.cm2/s2)
9.2. Analisa Hasil Uji Kecepatan Rotasi Flywheel ini diujikan pada miniplant mikrohidro yang diletakkan pada shaft-nya turbin. pengujian dilakukan dengan cara setelah sistem dijalankan kemudian dibiarkan beberapa saat sampai berputar pada kecepatan yang stabil baru dilakukan pengukuran. dari hasil uji performansi untuk pengukuran kecepatan rotasi dari masing-masing flywheel pada miniplant mikrohidro didapat hasil sebagai berikut:
m1 = 0.25kg m 2 a = 0.5kg m 2b = 0.7 kg
Jari-jari Kecepatan Rotasi Flywheel (m) (RPM) 1 tanpa flywheel 304.25 2 0.055 302.33 3 0.065 304.41 4 0.075 303.59 5 0.085 304.10 6 0.095 303.49 7 0.105 303.44 8 0.115 303.95 9 0.125 303.85 10 0.135 303.95 11 0.150 304.10 Tabel 4.2. Hasil pengukuran kecepatan rotasi flywheel dari Pengujian No
S = 0.27 m
rpulley = 0.0325m
Gambar 3.12. pengukuran uji torsi flywheel pada miniplant XI. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN HASIL UJI PERFORMANSI 9.1.
Analisa Hasil Penimbangan massa Flywheel Setelah dilakukan penimbangan massa dari masing-masing flywheel didapat hasil sebagai berikut: No 1 2 3
Jari-jari Flywheel (m) 0.055 0.065 0.075
Massa (kg) 1.08 1.08 1.08 8
Jari-jari Flywheel Energi kinetik (m) (Joule) 1 0.055 0.825 2 0.065 1.169 3 0.075 1.548 4 0.085 1.995 5 0.095 2.482 6 0.105 3.030 7 0.115 3.647 8 0.125 4.306 9 0.135 5.026 10 0.150 6.212 Tabel 4.3. Hasil perhitungan energi kinetik terhadap perubahan jari-jari flywheel dari pengujian Catatan: Proses perhitungan dapat dilihat pada lampiran
1 4. 30
85 3. 30
95 3. 30
9
44 3. 30
303 33 2. 30
302.5
4 3. 30
59 3. 30
303.5
95 3. 30
1 4. 30
1
304
No
4 4. 30
25 4. 30
Kecepatan Rotasi (RPM)
305 304.5
302 301.5 301 TF
0.055 0.065 0.075 0.085 0.095 0.105 0.115 0.125 0.135 0.15 Jari-jari Flywheel (m)
Grafik 4.1. Perubahan kecepatan Rotasi terhadap perubahan jari-jari flywheel dari pengujian Catatan: - TF adalah singkatan dari ”Tanpa Flywheel” Dari pengujian kecepatan rotasi diatas dapat diketahui hasilnya kecepatan rotasi tidak mengalami penurunan yang signifikan, dapat dilihat dari nilai flywheel dengan jari-jari paling kecil sampai flywheel dengan jari-jari paling besar Penurunan dan kenaikan grafik kecepatan rotasinya intervalnya hanya 1,92 RPM hal ini tentulah sangat kecil jika dibandingkan dengan hasil pengukuran yang nilai maksimumnya mencapai 304,25 RPM. Bisa diartiakan bahwa pengaplikasian flywheel pada miniplant mikrohidro tidak menimbulakn dampak yang merugikan bagi putaran turbin mikrohidro tersebut. Hasil pengukuran yang diharapkan adalah kecepatan rotasi miniplant mikrohidro yang konstan antara sebelum dan sesudah diberi flywheel dengan variasi jari-jari yang berbeda. akan tetapi, Penjelasan kenapa dalam grafik diatas hasilnya naik-turun atau fluktuatif salah satunya adalah dimungkinkan karena fabrikasi atau proses pembuatan yang kurang tepat dan presisi yang benar-benar diluar perkiraan sewaktu proses perancangan, ataupun bisa juga disebabkan oleh karakteristik dari miniplant mikrohidro itu sendiri yang tidak dibahas dalam penelitian ini sesuai batasan masalah pada bab 1 pendahuluan.
Energi Kinetik Rotasi (joule)
7 6.212
6 5.026
5 4.306
4
3.647 3.03
3 2.482
2
1.995 1.548
1
0.825
1.169
0 0.055 0.065 0.075 0.085 0.095 0.105 0.115 0.125 0.135
0.15
Jari-jari Flywheel (m)
Grafik 4.2. Perubahan energi kinetik terhadap perubahan jari-jari flywheel dari pengujian Dari tabel 4.3. dan grafik 4.2. diatas dapat diketahui bahwa energi kinetik dari pengujian flywheel hasilnya adalah energi kinetik terus berubah semakin besar seiring dengan bertambahnya jari-jari pada flywheel. Hasil pengujian ini akan di bandingkan dengan perhitungan secara teoritis dari persamaan 2.12. dengan mengasumsikan kecepatan rotasi dari flywheel adalah konstan pada 304,25 RPM perhitungannya didapat: Jari-jari Flywheel Energi kinetik (m) (Joule) 1 0.055 0.836 2 0.065 1.168 3 0.075 1.554 4 0.085 1.997 5 0.095 2.494 6 0.105 3.047 7 0.115 3.655 8 0.125 4.318 9 0.135 5.036 10 0.150 5.810 Tabel 4.4. Hasil perhitungan energi kinetik terhadap perubahan jari-jari flywheel secara teoritis dengan kecepatan konstan No
9.3. Analisa Hasil Uji Energi Kinetik Jika dikenakan gaya maka flywheel akan menyimpan energi dalam bentuk energi kinetik rotasi dan flywheel tersebut akan melepaskan energi yang tersimpan saat gaya yang mengenainya dihilangkan, gaya yang dimaksud adalah gaya dorong debit air pada turbin dari miniplant mikrohidro. Untuk mengetahui energi kinetik rotasi dari flywheel dapat dilakukan melalui perhitungan dengan memakai data yang telah didapat dari pengujian kecepatan rotasi sebelumnya Hasil perhitungan energi kinetik rotasi dari hasil pengujian dengan menggunakan persamaan 2.12. dapat dilihat pada tabel berikut: 9
Catatan: Proses perhitungan dapat dilihat pada lampiran
digunakan oleh turbin miniplant mikrohidro setelah gaya untuk memutar turbin dihentikan. di indikasikan dengan lamanya waktu yang dibutuhkan oleh flywheel untuk berhenti berputar. Hasil pengujiannya dapat dilihat pada table berikut:
Energi Kinetik Rotasi (joule)
7 6
5.81
5
5.036 4.318
4
3.655
3
3.047
Jari-jari Lama Waktu Flywheel (m) Untuk Berhenti (s) 1.35 1 tanpa flywheel 4.25 2 0.055 5.65 3 0.065 7.14 4 0.075 8.39 5 0.085 10.87 6 0.095 13.69 7 0.105 15.39 8 0.115 16.15 9 0.125 17.11 10 0.135 18.09 11 0.150 Tabel 4.5. Lamanya waktu yang dibutuhkan untuk berhenti berputar terhadap perubahan jari-jari flywheel dari pengujian
2.494
2
1.997
No
1.554
1
0.836
1.168
0 0.055 0.065 0.075 0.085 0.095 0.105 0.115 0.125 0.135
0.15
Jari-jari Flywheel (m)
7.000
6.000
6.000
5.000
5.000
4.000
4.000
3.000
3.000
2.000
2.000
1.000
1.000
0.000
0.000
20 Waktu untuk berhenti (s)
7.000
Energi Kinetik Rotasi Secara Teoritis (joule)
Energi Kinetik Rotasi Dari Pengujian (joule)
Grafik 4.3. Perubahan energi kinetik terhadap perubahan jari-jari flywheel secara teoritis dengan kecepatan konstan Antara grafik 4.2. yang merupakan perhitungan dari hasil pengujian dan grafik 4.3. yang merupakan perhitungan secara teoritis memiliki karakteristik yang sama yaitu energi kinetiknya sama-sama meningkat seiring bertambahnya ukuran jari-jari dari flywheel, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada grafik berikut:
0.055 0.065 0.075 0.085 0.095 0.105 0.115 0.125 0.135 0.150 Jari-jari Flywheel (m) Energi kinetik rotasi dari pengujian
Energi Kinetik Rotasi secara teoritis
18.09
18 16
15.39
14
16.15
17.11
13.69
12
10.87
10 8.39
8
7.14
6
5.65 4.25
4 2
1.35
0 TF
Grafik 4.4. Perbandingan perubahan energi kinetik rotasi terhadap perubahan jari-jari flywheel dari pengujian dan perhitungan secara teoritis Catatan: yang dilihat dalam perbandingan ini adalah perubahan garis grafiknya bukan nilainya. Dari grafik 4.4. diatas dapat diartikan bahwa putaran turbin dari miniplant mikrohidro yang diberi flywheel kinerjanya menunjukan peningkatan yaitu pada energi kinetik yang disimpan saat berputar. Dengan meningkatnya energi kinetik maka putaran turbin miniplant mikrohidro akan lebih terjaga dari gangguangangguan yang menyebabkan gaya putar turbin menurun karena saat gaya putar turbin menurun maka energi kinetik yang tersimpan akan dilepaskan untuk menggantikan penurunan gaya putar tersebut sehingga gaya putar akan tetap terjaga.
0.055 0.065 0.075 0.085 0.095 0.105 0.115 0.125 0.135 0.15 Jari-jari Flywheel (m)
Grafik 4.5. Perubahan lamanya waktu yang dibutuhkan untuk berhenti berputar terhadap perubahan jari-jari flywheel dari pengujian Dari tabel 4.5. dan grafik 4.5. diatas didapat nilai dari waktu yang dibutuhkan oleh flywheel untuk berhenti dari berputar semakin besar seiring semakin besarnya jari-jari. Pada pengujian ini selain dimaksudkan untuk mengetahui berapa lama energi yang tersimpan dalam flywheel dapat digunakan oleh turbin miniplant mikrohidro setelah gaya untuk memutar turbin dihentikan. Juga untuk membuktikan bahwa semakin lama waktunya berarti semakin besar energi kinetik rotasinya. Sehingga antara grafik 4.2. dan grafik 4.5. jika diplotkan dalam satu grafik diperoleh:
9.4. Analisa Hasil Uji Energi Sisa Seperti dijelaskan pada bab 3, uji energi sisa ini dimaksudkan untuk mengetahui berapa lama energi yang tersimpan dalam flywheel dapat 10
16.15
17.11
18.09 6.212
5.026
13.69 4.306 10.87 3.03
8.39 7.14 5.65 4.25 1.35
0.825
1.169
3.647
6 5 4 3
2.482
2
1.995 1.548
1
0.05 0.045
0 TF
0.045
0.04 Torsi (kg.m2/s2)
15.39
Energi Kinetik (joule)
Waktu Untuk Berhenti (s)
Catatan: Proses perhitungan dapat dilihat pada lampiran
7
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
0.055 0.065 0.075 0.085 0.095 0.105 0.115 0.125 0.135 0.15 Jari-jari Flywheel (m)
0.035
0.034
0.03 0.025
0.023
0.02 0.017
0.015 0.01
Waktu Untuk Berhenti (s)
0.025
0.027
0.029 0.03
0.018 0.019
0.009
0.005
Energi Kinetik (joule)
0 TF
Grafik 4.6. Perbandingan perubahan energi kinetik rotasi dan lamanya waktu yang dibutuhkan untuk berhenti terhadap perubahan jari-jari flywheel dari pengujian
0.055 0.065 0.075 0.085 0.095 0.105 0.115 0.125 0.135 0.15 Jari-jari Flywheel (m)
Grafik 4.7. Perubahan torsi terhadap perubahan jari-jari flywheel dari pengujian Dari tabel 4.6. dan grafik 4.7. diatas dapat diketahui bahwa torsi dari pengujian flywheel pada miniplant mikrohidro hasilnya adalah torsi terus berubah semakin besar seiring dengan bertambahnya jari-jari pada flywheel. Hasil diatas akan di bandingkan dengan perhitungan secara teoritis dari persamaan 2.9. dengan mengasumsikan percepatan rotasi dari flywheel adalah konstan yang nilainya diambil 5 rad/s2. Hasil perhitungan teoritisnya didapat:
Catatan: - TF singkatan dari ”tanpa flywheel” - Yang dilihat dalam perbandingan ini adalah perubahan garis grafiknya bukan nilainya. Dari grafik 4.6. diatas dapat dilihat bahwa perbandingan antara perubahan energi kinetik rotasi dan lamanya waktu yang dibutuhkan untuk berhenti adalah sama-sama cenderung naik seiring dengan bertambahnya ukuran jari-jari flywheel. Jadi terbukti bahwa semakin lama waktu yang dibutuhkan oleh flywheel untuk berhenti berarti semakin besar energi kinetik rotasinya.
Jari-jari Flywheel Torsi (kg.m2/s2) (m) 1 0.055 0.008 2 0.065 0.012 3 0.075 0.015 4 0.085 0.020 5 0.095 0.025 6 0.105 0.030 7 0.115 0.036 8 0.125 0.043 9 0.135 0.050 10 0.150 0.057 Tabel 4.7. Hasil perhitungan torsi terhadap perubahan jari-jari flywheel secara teoritis dengan percepatan konstan Catatan: Proses perhitungan dapat dilihat pada lampiran No
9.5. Analisa Hasil Uji Torsi Pada bab 3 telah dibahas bagaimana metode pengujian torsi yang dilakukan. torsi yang yang dimaksud adalah torsi dari aplikasi flywheel pada miniplant mikrohidro. dimana, karakteristik torsi dari flywheel itu sendiri adalah saat sedang berputar pada kecepatan maksimumnya. Jadi torsi yang diukur tersebut adalah torsi saat sistem dari miniplant mikrohidro yang diberi flywheel sudah berputar. hasil perhitungan dari pengujian tersebut didapatkan hasil sebagai berikut: Jari-jari Torsi (kg.m2/s2) Flywheel (m) 1 tanpa flywheel 0.009 2 0.055 0.017 3 0.065 0.018 4 0.075 0.019 5 0.085 0.023 6 0.095 0.025 7 0.105 0.027 8 0.115 0.029 9 0.125 0.030 10 0.135 0.034 11 0.150 0.045 Tabel 4.6. Hasil perhitungan torsi terhadap perubahan jari-jari flywheel dari pengujian No
0.16 0.15
Torsi (kg.m2/s2)
0.14
0.135 0.125
0.12
0.115
0.1
0.095
0.06
0.105
0.085
0.08
0.075 0.065 0.055
0.04 0.02 0 0.055 0.065 0.075 0.085 0.095 0.105 0.115 0.125 0.135 0.15 Jari-jari Flywheel (m)
Grafik 4.8. Perubahan torsi terhadap perubahan jari-jari flywheel secara teoritis dengan percepatan konstan Perbandingan antara grafik 4.7. yang merupakan perhitungan dari pengujian dan grafik 4.8. yang merupakan perhitungan secara 11
•
0.050 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000
0.060 0.050 0.040 0.030 0.020 0.010
Torsi Secara Teoritis (kg.m2/s2)
Torsi Hasil Pengujian (kg.m2/s2)
teoritis memiliki karakteristik yang sama yaitu torsinya sama-sama meningkat seiring bertambahnya ukuran jari-jari dari flywheel, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada grafik berikut:
10.2 Saran Beberapa hal yang dapat disarankan dari hasil penelitian tugas akhir ini untuk kelanjutan pengembangannya ini antara lain: • Jika memungkinkan, untuk meningkatkan kinerja flywheel energy storage yang berbentuk cakram/silinder pejal sebaiknya dilakukan modifikasi pada jari-jari karena jika dilakukan modifikasi pada massa dikuwatirkan hal ini dapat menambah beban putaran turbin karena shaft-nya juga harus diperbesar untuk mengimbangi pertambahan beban dari flywheel tersebut sehingga pengaruh koefisien gesek akan lebih besar lagi akibat beban yang bertambah dari flywheel dan juga shaft. • Dalam fabrikasi atau pembuatan suatu flywheel harus dilakukan dengan teliti dan tepat karena jika tidak dapat menimbulkan vibrasi atau gerakan putaran flywheel jadi oleng. Hal ini justru akan membahayakan sistem yang diberi flywheel tersebut. • Untuk pengujian kinerja flywheel energy storage pada suatu miniplant mikrohidro sebaiknya debit air dari mikrohidro tersebut dibuat sesuai dengan kondisi idealnya sehingga pengujian bisa dilakukan lebih mudah serta hasil pengujian juga akan lebih baik lagi. • Untuk pengembangan penelitian selanjutnya dapat dibuat suatu alat ukur yang berintegrasikan komputer sehingga lebih mudah untuk memonitoring kinerja dari flywheel energy storage pada miniplant mikrohidro.
0.000 TF 0.055 0.065 0.075 0.085 0.095 0.105 0.115 0.125 0.135 0.15 Jari-jari Flywheel (m) Torsi Hasil Pengujian (kg.m2/s2)
Flywheel energy storage dapat diaplikasikan pada suatu miniplant mikrohidro sehingga dapat dipastikan bisa diaplikasikan juga pada pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) dengan skala yang sebenarnya.
Torsi Secara Teoritis (kg.m2/s2)
Grafik 4.9. Perbandingan perubahan torsi dari pengujian dan secara teoritis terhadap perubahan jari-jari flywheel Catatan: - TF adalah singkatan dari ”tanpa flywheel” - Yang dilihat dalam perbandingan ini adalah perubahan garis grafiknya bukan nilainya. Dari grafik 4.9. diatas dapat diartikan bahwa putaran turbin dari miniplant mikrohidro yang diberi flywheel kinerjanya menunjukan peningkatan yaitu pada torsi saat berputar. keuntungannya dengan torsi yang besar maka penurunan dan fluktuasi kecepatan rotasi turbin miniplant mikrohidro akibat gangguan akan semakin kecil dan dengan torsi yang besar pula suatu turbin miniplant mikrohidro tidak akan mudah down ketika mendapat beban berlebih. Atau bahkan bisa memutar generator dengan kapasitas yang lebih besar sehingga daya listrik yang dihasilkan juga semakin besar. X. KESIMPULAN DAN SARAN 10.1 Kesimpulan Setelah serangkaian penelitian tugas akhir yang telah dilakukan mulai awal sampai akhir, dapat disimpulkan beberapa hal yang sangat bermanfaat bagi perkembangan flywheel energy storage antara lain yaitu: • Penggunaan flywheel energy storage yang berbentk cakram/silinder pejal dapat meningkat energi kinetik rotasi serta torsi putaran turbin dari miniplant mikrohidro. • Energi kinetik rotasi dan torsi dari turbin miniplant mikrohidro terus meningkat 0,825 sampai 6,212 joule dan 0,009 sampai 0,045 kg.m2/s2 seiring dengan peningkatan variasi jari-jari 0,055 sampai 0,15 m selama flywheel tersebut massanya sama dan berputar dengan kecepatan sudut yang sama. 12
DAFTAR PUSTAKA
BIODATA PENULIS Nama : Moh. Syaikhu Aminudin TTL : Mojokerto, 27 Agustus 1986 Alamat : Dsn. Kedung Bendo Ds. Gemekan Kec. Sooko Kab. Mojokerto Prov. Jawa Timur Mahasiswa S-1 Jurusan Teknik Fisika (NRP: 2405.100.092) Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
[1]
Dosen-dosen Fisika. 2006. “ Fisika I Kinematika Dinamika Getaran Panas”. Surabaya: Yanasika. [2] Sutrisno. 1984. “ Fisika Dasar 2 Mekanika”. Bandung : ITB Bandung. [3] Tipler, Paul A. 1998. “ Fisika untuk Sains dan Teknik”, jilid 1. Jakarta: Erlangga. [4] Giancoli. 2001. “Fisika”, edisi ke lima, jilid 1. Jakarta: Erlangga [5] Pasaman Saiyo, Situs Resmi Pemerintah Kabupaten Pasaman Sumatra Barat Pembangkit Listrik tenaga Microhydro, Copyright © 2007 2008 Dinas Komunikasi dan Informatika Kabupaten Pasaman, Sumatera Barat – Indonesia [6]
[8] [9] Jaja Kustija, M.Sc. “FISIKA DASAR I Modul XII dan XIV Fisika Mekanika dan Momen Inersia”, Pusat Pengembangan Bahan Ajar-UMB [10] “Understanding Flywheel Energy Storage: Does High-Speed Really Imply a Better Design?” © ® TM 2008 Active Power, Inc. All rights reserved. [11] PT. Bekade Prima Energi> [12]
13
