STUDI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN LAUT UNTUK MEMENUHI KEBUTUHAN PENERANGAN JEMBATAN SURAMADU

STUDI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN LAUT UNTUK MEMENUHI KEBUTUHAN PENERANGAN JEMBATAN SURAMADU Nama Mahasiswa NRP Jurusan Dosen Pembimbing

: Ganda Akbar Rizkyan : 4205 100 040 : Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS : Ir. Sardono Sarwito, M.Sc. Muh. Badrus Zaman, ST. MT.

ABSTRAK Pada pembangkit listrik konvensional, penggunaan bahan bakar fosil sebagai bahan bakar utama merupakan hal yang cukup kontras terhadap isu menipisnya cadangan sumbersumber bahan bakar tersebut. Sebagai konsekuensi atas kebutuhan manusia akan listrik, maka harus dicari solusi terhadap pemenuhan listrik dengan pemanfaatan energi alternatif terbarukan. Salah satu energi alternatif terbarukan yang saat ini cukup mendapat perhatian dikalangan pengusaha serta ilmuwan dalam bidang energi, adalah pemanfaatan tenaga angin untuk menggerakkan turbin angin guna memenuhi kebutuhan manusia akan listrik. Pada tugas akhir ini akan dilakukan studi tentang pemanfaatan tenaga angin laut untuk memutar turbin angin vertikal jenis H-Darrieus yang ditujukan untuk memenuhi kebutuhan penerangan di jembatan Suramadu. Dari data kecepatan angin rata-rata terendah yaitu 8.63 m/s diperoleh daya listrik sebesar 3.72 kW untuk masing-masing turbin yang digunakan untuk melayani beban penerangan sebesar 79 kW, sehingga total turbin yang terpasang adalah 26 turbin. Untuk mengantisipasi asumsi tidak tersedianya angin selama dua jam, digunakan baterai yang diisi oleh turbin tersebut sebanyak 27 baterai pada 6583.33 Ah. Sebagai hasil akhir nantinya, dilakukan pembuatan wiring diagram yang sesuai dengan perencanaan Kata kunci: angin laut, turbin angin vertikal, jembatan Suramadu

1. PENDAHULUAN Listrik merupakan kebutuhan manusia yang sangat penting dalam kehidupannya. Hampir semua kegiatan manusia di setiap harinya, memerlukan listrik yang pastinya diperlukan sebuah pembangkit listrik untuk dapat memenuhi kebetuhan tersebut. Pada pembangkit listrik konvensional, penggunaan bahan bakar fosil sebagai bahan bakar utama merupakan hal yang cukup kontras terhadap isu menipisnya cadangan sumber-sumber bahan bakar tersebut. Sebagai konsekuensi atas kebutuhan manusia akan listrik, maka harus dicari semacam solusi terhadap pemenuhan listrik dengan pemanfaatan energi alternatif terbarukan. Salah satu energi alternatif terbarukan yang saat ini

cukup mendapat perhatian di kalangan pengusaha serta ilmuwan dalam bidang energi, adalah penggunaan energi angin untuk menggerakkan turbin angin guna memenuhi kebutuhan manusia akan listrik. Pada pembangunan jembatan suramadu yang menghubungkan antara jawa timur dengan pulau madura, tentunya konsumsi listrik untuk kedepan akan sangat mempengaruhi pasokan listrik serta suplai yang telah ada saat ini. Dengan memanfaatkan energi angin laut, diharapkan sebagian dari total kebutuhan listrik untuk jembatan dapat dipenuhi. Saat ini telah digunakan dua buah genset dengan daya masing-masing sebesar 500 KVA dan suplai dari PLN sebesar 20 KVA 1

untuk memenuhi seluruh kebutuhan listrik jembatan suramadu. Untuk kebutuhan penerangannya, dibutuhkan daya total sebesar 79 kW untuk penggunaan 316 buah lampu jenis high pressure sodium (HPS) dengan masing-masing daya sebesar 250 watt pada 50 Hz. (suramadu, 2009) 2. DASAR TEORI Sebuah pembangkit listrik tenaga angin dapat dibuat dengan menggabungkan beberapa turbin angin sehingga menghasilkan listrik ke unit penyalur listrik. Listrik dialirkan melalui kabel transmisi dan didistribusikan ke rumahrumah, kantor, sekolah, dan sebagainya. Angin akan memutar sudut turbin, kemudian memutar sebuah poros yang dihubungkan dengan generator, lalu menghasilkan listrik. Turbin untuk pemakaian umum berukuran 50-750 kilowatt. Sebuah turbin kecil, kapasitas 50 kilowatt, digunakan untuk perumahan, piringan parabola, atau pemompaan air. (http://www2.kompas.com) DAYA TOTAL Daya total aliran angin adalah sebanding dengan tenaga kinetik aliran udara: .

.

Ptot = m KE i = m

Vi 2 2g c

Dimana: Ptot = daya total aliran udara = massa udara per detik Vi = kecepatan angin masuk = faktor konversi gc. m = 1.0 kg/Ns2

(2-1) watt kg/s m/s

Massa aliran udara per detik dapat dihitung dengan persamaan: . (2-2) m = ρAVi Dimana: ρ = massa jenis udara kg/m3 A = luas penampang turbin m2 Sehingga didapatkan: 1 Ptot = ρAVi 3 2g c

(2-3)

Dari persamaan tersebut disimpulkan bahwa daya total dari aliran angin adalah sebanding dengan kerapatan udara, luas penampang baling-baling dan kecepatan angin. DAYA MAKSIMUM Daya maksimum angin (watt) yang dapat diserap oleh sudu rotor dapat dinyatakan dengan persamaan: 8 Pmax = ρAVi 3 (2-4) 27 DAYA NYATA Daya nyata adalah daya yang yang dapat dimanfaatkan oleh turbin untuk dijadikan sebuah energi baru. Daya ini dapat dinyatakan dalam persamaan berikut: Dimana: 1 (2-5) P =η ρAVi 3 2gc η = efisiensi dari turbin angin (~0.59) TORSI Pada semua benda yang berputar selalu terdapat torsi, yaitu gaya yang menyebabkan sebuah tetap dapat berputar pada kecepatan putarnya. Besarnya torsi dapat dinyatakan dalam persamaan berikut: (2-6) P π × D × Ptot T = = ω v (2-7) T = F×L Dimana: T = torsi ω = kecepatan anguler poros D = diameter poros v = kecepatan linear F = gaya putar L = panjang lengan gaya

Nm rps m m/s N m

TURBIN ANGIN H-DARRIEUS Secara teori, besarnya efisiensi yang dihasilkan oleh turbin angin adalah sebesar 0.59 sesuai dengan batas Betz (Betz limit, diambil dari ilmuwan Jerman Albert Betz). Angka ini secara teori menunjukkan efisiensi maksimum yang dapat dicapai 2

r turbin angin tipe sumbbu oleh rotor horisonttal. Pada kenyataanny k ya karena ada rugi-ruggi gesekan dan keruggian di ujunng sudu, effisiensi aeroodinamik daari rotor, ηrootor ini akann lebih kecill lagi yaitu berkisar pada 0.45 saja untuk suddu harga maksimum m yang dirrancang denngan sangatt baik.

Gam mbar 2.3. Marrine Battery (http://googlle.co.id)

Gambar 2.1. Batas Beetz (w www.windturbbine-performannce.com)

Turbin H-Darrieus T H mula-muula diperkennalkan di Perancis pada sekittar tahun 1920-an. Turbin anngin sumbbu vertikal ini memppunya bilahh-bilah tegak yang beerputar ke dalam dann keluar arah angin.

Gaambar 2.2. Turbin Angin H--Darrieus (http://idd.wikipedia.orgg/wiki/darrieuus_wind_turbiin)

BATER RAI Baterai adalah alat listrik-kkimiawi yanng menyim mpan energii dan mengeluarkannyya dalam bentuk b listrrik. Bateraai terdiri daari tiga kom mponen pennting, yaitu: • bataang karbonn sebagai anoda a (kutuub possitif baterai)) • senng (Zn) sebagai s kaatoda (kutuub neggatif baterai) • passta sebagai elektrolit e (penghantar)

Dalam m perhituungan keebutuhan baaterai, persamaan yangg digunakaan dalam peembahasan ini antara laain: Kapasitas K Yaang Diperluukan Qt nQ = tot (2-8) Qbaatt Dimana: D Qtot = kappasitas total baterai Ah watt P = dayya tiap zonaa jam t = wakktu penggunnaan Vcharger = tegangan DC ddipakai volt Setelah kappasitas totaal diketahui, maka un ntuk selaanjutnya ddilakukan analisa peemilihan baaterai yang terdapat diipasaran. Parameter yaang digunaakan untuk memilih baaterai adalaah besarnya kapasitas (Ampere(A ho our) serta tegangan. Persamaaan yang diigunakan unntuk menetuukan jumlah h baterai ad dalah: Kebutuhan K Baterai U Untuk Pem menuhan Kapasitas K P×t Qtot = (2-9) Vch c arg er Dimana: D nQ = jum mlah baterai untuk pem menuhan kapassitas Qbatt = kappasitas baterrai yang digunnakan Ah

3

Kebutuhan Baterai Untuk Pemenuhan Tegangan Vch arg er nv = (2-10) Vbatt Dimana: nv = jumlah baterai Vbatt = tegangan baterai volt Total Kebutuhan Baterai

n = nQ × n v

(2-11)

Dimana: n = jumlah total baterai MARINE CABLE Untuk instalasi listrik pada bidang marine, sebaiknya menggunakan jenis kabel yang sesuai dengan standar marine sehingga dapat diperoleh hasil yang lebih optimal baik dari segi keamanan serta masa pakai. Contoh pembacaan kode pada kabel marine adalah sebagai berikut: FA – DPYCY 4 Artinya: FA = flame retardant D = double core (S=single;T=three;F=four; M=multiple) P = EPR insulated (C=FR-XLPE; Y=PVC) Y = PVC inner sheated cable C = galvanized steel wire braided cable (CB=copper alloy) Y = PVC protective covering (digunakan pada daerah yang terendam minyak atau daerah berminyak) 4 = luas penampang konduktor (mm2)

komponen 1 phase berbeda dengan persamaan yang digunakan untuk komponen 3 phase. Menentukan Kabel Dan MCB komponen 1 phase I 1φ =

Ptotal 3 × V phase × Cos θ

(2-12)

Dimana: I1φ = arus yang mengalir A Ptotal = daya total pada fase R, S dan T watt Vphase = tegangan fase (netral dengan R/S/T) volt Cos θ = faktor daya (umumnya 0.8) Menentukan Kabel Dan MCB komponen I 3φ =

Ptotal 3 × Vline × Cosθ

(2-13)

3 phase Dimana: = arus yang mengalir A I3φ Ptotal = daya total pada fase R, S dan T watt Vline = tegangan line (fase dengan fase) volt Cos θ = faktor daya (umunya 0.8) Menentukan Ukuran Busbar I sc = 4 × I total Dimana: = arus hubungan pendek Isc

(2-14)

A

PERENCANAAN WIRING DIAGRAM Dalam perencanaan wiring diagram, terdapat proses perhitungan untuk menentukan jenis serta ukuran kabel, kapasitas dari pengaman atau MCB (Magnetic Circuit Breaker) serta ukuran dari Bus-Bar. Selain itu, persamaan yang digunakan untuk menentukan arus 4

3. METODOLOGI Mulai

Pengumpulan Data : - Kec. Angin laut - Kebutuhan daya penerangan jembatan - Spesifikasi turbin angin jenis H-Darrieus Analisa dan perhitungan daya untuk beban penerangan Analisa dan Perhitungan kapasitas listrik dan parameter lain yang dihasilkan turbin

Pemilihan turbin angin Analisa turbin dengan CFD

Sesuai?

Tidak

Ya Analisa dan perhitungan kebutuhan baterai Pembuatan wiring diagram

4. ANALISA DAN PEMBAHASAN ANALISA KEBUTUHAN DAYA PENERANGAN Data-data yang telah diperoleh tentang jembatan Suramadu antara lain: panjang total = 5438 m lampu sisi Cause Way Sby = 74 buah lampu sisi Approach Sby = 36 buah lampu sisi Main Bridge = 80 buah lampu sisi Approach Mdr = 72 buah lampu sisi Cause Way Mdr = 54 buah total jumlah lampu PJU = 316 buah = 250 watt daya tiap lampu HPS daya kebutuhan penerangan = 79 kW Sedangkan untuk distribusi tiang lampu PJU di setiap bagian jembatan adalah: Cause Way Surabaya • sisi kiri = 37 buah @250 watt selter terletak pada P.18 • sisi kanan = 37 buah @250 watt selter terletak pada P.18A Approach Surabaya • sisi kiri = 18 buah @250 watt selter terletak pada P.46 • sisi kanan = 18 buah @250 watt selter terletak pada P.46A Main Bridge • sisi kiri

Kesimpulan

• Selesai

• Gambar 3.1 :Diagram Alir Metodologi

= 20

buah @250 watt selter terletak pada P.46 sisi tengah = 20 buah @2x250 watt selter terletak pada P.46A sisi kanan = 20 buah @250 watt selter terletak pada P.46A

5

TOTAL DAYA DAYA (kW) ZONA (kW)

ZONA

BAGIAN

POSISI

1

Cause Way Surabaya Approach Surabaya

Kiri Kiri

9.25 4.5

Main Bridge

Kiri

5

2 3 4 5

Cause Way Surabaya Kanan Approach Surabaya Kanan

9.25 4.5

Main Bridge

Kanan

5

Main Bridge

Tengah

10

Approach Madura

Kanan

9

Cause Way Madura Approach Madura Cause Way Madura

Kanan Kiri Kiri

6.75 9 6.75

79 Tabel 4.1. Pembagian Zona

18.75

18.75 10.00 15.75 15.75 79

PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN ANGIN Turbin yang digunakan adalah turbin jenis vertikal yaitu H-Darrieus yang sudah ada dipasaran sehingga tidak dilakukan pembuatan desain dari turbin yang dibutuhkan. Dari berbagai jenis produk yang ada di pasaran, dipilih turbin angin jenis vertikal dengan karakteristik sebagai berikut : Buatan = HAWKSFORD Jenis = VAWT Daya (P2) =4 kW Kec. Kerja = 12 m/s Range kec. = 3-25 m/s Maks kec. = 50 m/s Teg.output = 200-400 VDC Tinggi (H2) = 3.5 m Diameter (D2) = 2 m =7 m2 Luas (A2) Massa (m1) = 500 kg Putaran = 300 RPM Harga = $ 13,429.00 Buatan Jenis Daya (P2) Kec. Kerja Range kec. Maks kec. Teg.output Tinggi (H2) Diameter (D2)

=CWE = VAWT =5 = 10.7 = 2.8-22.3 = 44.7 = 250-500 = 4.6 =4

kW m/s m/s m/s VAC m m

Luas (A2) Massa (m1)

= 18.4 = 1088

m2 kg

Buatan Jenis Daya (P2) Kec. Kerja Range kec. Maks kec. Teg.output Tinggi (H2) Diameter (D2) Luas (A2) Massa (m1) Putaran

= MUCE = VAWT =5 = 10 = 3.5-25 = 60 = 380 =4 =4 = 16 = 376 = 155

kW m/s m/s m/s VAC m m m2 kg RPM

Buatan Jenis Daya (P2) Kec. Kerja Range kec. Maks kec. Teg.output Tinggi (H2) Diameter (D2) Luas (A2) Massa (m1) Putaran Harga

= SANTA FE = VAWT =6 = 12.5 = 3-25 = 40 = 220 =3 = 2.75 = 8.25 = 130 = 170 = $ 11,185.00


= EVERWIND = VAWT = 10 kW = 11 m/s = 4-25 m/s = 45 m/s = 380 VAC = 5.2 m = 5.2 m = 27.04 m2 = 552 kg = 130 RPM

Buatan Jenis Daya (P2) Kec. Kerja Range kec. Maks kec. Teg.output

= HAWKSFORD = VAWT = 10 kW = 12 m/s = 4-25 m/s = 55 m/s = 280-580 VDC

kW m/s m/s m/s VAC m m m2 kg RPM

6

Tinggi (H2) Diameter (D2) Luas (A2) Massa (m1) Harga

= 6.2 =6 = 37.2 = 1700 = $ 32,599.00

besarnya daya tersebut, digunakan persamaan (2-5). Sehingga didapat:

m m m2 kg

Semakin besar nilai efisiensi maka penggunaan turbin angin akan semakin sedikit pada dimensi dan kecepatan angin yang sama. Persamaan yang digunakan adalah dengan mengaplikasikan persamaan (2-5), menjadi: P2 × 2 η= (4-1) ρ udara × D2 × H 2 × V2 3 dimana: P2 = daya nominal turbin watt D2 = diameter turbin m H2 = tinggi turbin m = kecepatan nominal turbin m/s V2 ρudara = massa jenis udara pada suhu 25oC kg/m3 Sehingga didapat: PRODUKSI I HAWKSFORD 4kW II CWE 5kW III MUCE 5kW IV SANTA FE 6kW V EVERWIND 10kW VI HAWKSFORD 10kW

η 0.560 0.376 0.530 0.631 0.471 0.264

Tabel 4.2. Efisiensi Turbin Angin

PERHITUNGAN DAYA YANG DIHASILKAN TURBIN ANGIN Besarnya nilai efisiensi yang telah didapatkan untuk setiap jenis turbin angin digunakan untuk menghitung besarnya daya listrik yang dapat dihasilkan tubin tersebut. Untuk parameter lainnya, seperti kecepatan angin laut digunakan acuan kecepatan angin laut yang berhembus pada bulan desember. Alasannya adalah, dari perhitungan yang telah dilakukan oleh tim Suramadu, pada bulan desember kecepatan angin merupakan kecepatan yang terendah sepanjang tahun 2005. Untuk mengitung

PRODUKSI P3 (kW) I HAWKSFORD 4kW 1.49 II CWE 5kW 2.62 II MUCE 5kW 3.21 IV SANTA FE 3.5kW 1.15 V EVERWIND 10kW 4.83 VI HAWKSFORD 10kW 3.72 Tabel 4.3. Daya Aktual Turbin Angin

ANALISA PARAMETER TURBIN ANGIN Analisa dilakukan untuk masing-masing jenis turbin angin, sehingga akan diketahui turbin mana yang paling optimal untuk dipasang di jembatan Suramadu. Berikut ini akan disajikan tabel analisa hasil perhitungan untuk setiap turbin angin. HAWKSFORD 4 kW ZONA

DAYA ZONA (kW)

1 2

18.75 18.75

12.60 13.00 0.97 12.60 13.00 0.97

6.50 6.50

3

10.00

6.72

0.96

3.50

4

15.75

10.58 11.00 0.96

5.50

5

15.75

10.58 11.00 0.96

5.50

79

56

27.50

[n]

[N]

7.00

[l.f]

MASSA (TON)

CWE 5 kW ZONA

DAYA ZONA (kW)

[n]

[N]

[l.f]

MASSA (TON)

1 2

18.75 18.75

7.15 7.15

8.00 8.00

0.89 0.89

8.70 8.70

3

10.00

3.81

4.00

0.95

4.35

4

15.75

6.00

7.00

0.86

7.62

5

15.75

6.00

7.00

0.86

7.62

79

34

36.99

MUCE 5 kW ZONA

DAYA ZONA (kW)

[n]

[N]

[l.f]

MASSA (TON)

1 2

18.75 18.75

5.83 5.83

6.00 6.00

0.97 0.97

2.26 2.26

3

10.00

3.11

4.00

0.78

1.50

4

15.75

4.90

5.00

0.98

1.88

5

15.75

4.90

5.00

0.98

1.88

79

26

9.78

7

SANTA FE 6 kW ZONA

DAYA ZONA (kW)

1 2 3

18.75 18.75 10.00

4 5

15.75 15.75 79

[l.f]

MASSA (TON)

9.49 10.00 9.49 10.00 5.06 6.00

0.95 0.95 0.84

2.3 2.3 1.38

7.98 7.98

8.00 8.00 42

0.997 0.997

2.07 2.07 10.12

[n]

[N]

EVERWIND 10 kW ZONA

DAYA ZONA (kW)

[n]

[N]

[l.f]

MASSA (TON)

1 2

18.75 18.75

3.88 3.88

4.00 4.00

0.97 0.97

2.21 2.21

3

10.00

2.07

3.00

0.69

1.66

4

15.75

3.26

4.00

0.82

2.21

5

15.75

3.26

4.00

0.82

79

19

2.21 10488

Faktor beban / load factor (L.F) Faktor beban dalam hal ini adalah rasio dari total daya beban penerangan ditiap zona dengan total daya turbin angin yang terpasang pada zona tersebut. Pada perencanaan ini dipilih faktor beban yang paling rendah diantara turbin yang ada sehingga daya yang tidak terpakai dapat diminimalkan. Persamaan yang digunakan adalah: n (4-3) l. f = N PEMILIHAN TURBIN ANGIN Setelah dilakukan proses analisa terhadap tubin angin, didapatkan parameterparameter yang dapat digunakan sebagai acuan dalam pemilihan turbin. Parameter tersebut antara lain:

HAWKSFORD 10 kW ZONA

DAYA ZONA (kW)

[n]

[N]

[l.f]

MASSA (TON)

1 2

18.75 18.75

5.04 5.04

6.00 6.00

0.84 0.84

18.00 18.00

3

10.00

2.69

3.00

0.90

9.00

4

15.75

4.23

5.00

0.85

15.00

5

15.75

4.23

5.00

0.85

15.00

79 25 75.00 Tabel 4.4. Analisa Parameter Turbin Angin

Jumlah Turbin Terpasang (N) Harga N merupakan pembulatan dari n. untuk mendapatkan n, terlebih dahulu dihitung besarnya daya yang dihasilkan turbin kemudian dibagi dengan daya masing-masing turbin akibat kecepatan angin. Persamaan yang digunakan adalah: dimana: P n= (4-2) P3 P = beban tiap zona watt P3 = daya turbin watt sedangkan P3 mengaplikasikan

didapat persamaan

dengan (2-5).

Mampu beroperasi pada kecepatan rendah Faktor ini disesuaikan dengan kondisi angin di Indonesia yang fluktuatif dan cenderung berkecepatan rendah. Sehingga pada kecepatan yang rendah, turbin tetap dapat beroperasi. Memiliki batas kecepatan maksimum yang tinggi Pada daerah pantai (laut), kemungkinan angin dapat berhembus relatif lebih kencang. Sehingga faktor ini sebagai pertimbangan agar turbin tidak cepat rusak karena angin yang kencang. Tegangan yang dihasilkan adalah tegangan DC Karena putaran turbin yang tidak konstan, maka frekuensi juga tidak akan konstan apabila digunakan generator AC. Selain itu juga diharapkan dapat mengurangi rugi elektrik dari sistem kontrolnya. Dimensi yang tidak terlalu besar namun ringan Jembatan merupakan struktur yang cukup berpengaruh terhadap berat, sehingga sedapat mungkin dipilih turbin yang ringan. Selain itu faktor estetika jembatan dan keselamatan dari para pengendara juga 8

3,6 m

harus dipertimbangkan, sehingga dipilih turbin yang diameternya tidak terlalu besar.

3,6 m 3,6 m 7,5 m

kW m/s m/s m/s VDC m m m2 kg RPM

3,6 m

= MUCE = VAWT =5 = 10 = 3.5-25 = 60 = 216 =4 =4 = 16 = 376 = 155

Gambar 4.2. Rencana Peletakan Turbin Angin Di Approach Bridge (Tampak Melintang)

3,6 m 3,6 m

7,5 m

3,6 m

30 m

7,5 m

3,6 m


30 m

Dari keseluruhan parameter diatas, maka turbin yang paling sesuai dan optimal untuk dipasang di jembatan Suramadu untuk memenuhi kebutuhan penerangan adalah turbin:

7,5 m

Memiliki efisiensi yang relatif tinggi Turbin dengan efisiensi tinggi, akan berpengaruh pada jumlah turbin yang harus dipasang pada kecepatan yang sama.

Gambar 4.1. Rencana Peletakan Turbin Angin Di Main Bridge (Tampak Melintang)

Gambar 4.3. Rencana Peletakan Turbin Angin (Tampak Samping)

9

ANALISA TURBIN ANGIN DENGAN CFD Tujuan dilakukan analisa turbin dengan menggunakan CFD adalah untuk mengetahui besarnya gaya putar yang terjadi pada turbin tersebut akibat angin yang mengenainya. Dari nilai gaya tersebut nantinya digunakan untuk menghitung besarnya torsi hingga didapatkan daya yang dihasilkan turbin. Daya hasil analisa CFD akan dibandingkan dengan daya hasil perhitungan matematis. Tujuannya adalah sebagai proses validasi dari turbin tersebut. Namun tentunya proses analisa dengan CFD ini bukan satusatunya cara untuk mengetahi hasil sebenarnya, karena memang CFD adalah sebuah pendekatan.

Gambar 4.4. Pola Aliran Angin Terhadap Turbin

Dari perhitungan ANSYS, gaya yang bekerja pada blade atau sudu turbin adalah sebesar 532.314 N. Dengan mengaplikasikan persamaan (2-7) maka diperoleh torsi sebesar: (4-3) T = F×L Dimana: T = torsi F = gaya putar L = panjang lengan gaya

Nm N m

Sehingga apabila panjang lengan adalah diameter turbin yaitu sebesar empat meter, maka: T = 532 .314 × 4 T = 2129 .26

Nm

Kemudian dengan mengaplikasikan persamaan (2-6), selanjutnya dilakukan perhitungan daya secara matematis dengan menggunakan persamaan (4-2). Dari kedua perhitungan tersebut diperoleh: Daya hasil CFD = 5.5 kW Daya hasil perhitungan =5 kW ANALISA DAN PERHITUNGAN KEBUTUHAN BATERAI Dalam pembahasan ini, akan dilakukan analisa serta perhitungan matematis dari kebutuhan baterai yang digunakan untuk menyimpan energi listrik dari turbin angin. Tujuan dilakukan penyimpanan energi listrik adalah sebagai langkah antisipasi apabila tidak terdapat angin atau kecepatan angin terlalu rendah pada saat malam hari. Dari tujuan tersebut, maka dapat diasumsikan bahwa dalam perhitungan nantinya hanya waktu sesaat saja (bukan sepanjang malam) baterai beroperasi. Dalam perencanaan ini, diasumsikan waktu operasi dari baterai adalah selama dua jam.

Gambar 4.5. Hasil Perhitungan Gaya Pada Blade Turbin

Untuk proses pengisian baterai (charging), digunakan sistem yang telah terintegrasi dengan sistem pendukung dari turbin angin. Sehingga yang perlu dilakukan 10

adalah menghitung kebutuhan baterai yang perlukan dan pembuatan wiring diagramnya. Parameter serta jenis baterai yang digunakan antara lain: Tegangan charger = 24 volt Pemakaian baterai = 2 jam Merk Baterai Tipe Baterai Kapasitas baterai Tegangan baterai Dimensi P a n ja n g Lebar Tinggi Massa

= ROLLS MARINE = 8 CH 33PM = 846 Ah = 8 v o lt = = = =

718 286 464 187.8

mm mm mm kg

Secara keseluruhan, perhitungan kebutuhan baterai untuk semua zona adalah: ZONA

DAYA KAPASITAS n n ZONA (kW) DIPERLUKAN(Ah) Q v

n N

1

18.75

1562.50

1.85 3 5.54 6

2

18.75

1562.50

1.85 3 5.54 6

3

10.00

833.33

0.99 3 2.96 3

4

15.75

1312.50

1.55 3 4.65 6

5

15.75

1312.50

1.55 3 4.65 6

79

Rangkaian Baterai Untuk Zona 3

6583.33 Tabel 4.5. Kebutuhan baterai

27

Rangkaian Baterai Untuk Zona 1, 2, 4 Dan 5

Gambar 4.7. Rangkaian Baterai Zona 3 (Seri)

PERENCANAAN WIRING DIAGRAM Setelah dilakukan serangkaianAanalisa serta perhitungan dari komponen-komponen yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan PJU jembatan Suramadu, untuk selanjutnya dilakukan pembuatan wiring diagram dari sejumlah turbin angin dan baterai untuk masing-masing zona. Contoh perhitungan untuk zona 1 adalah sebagai berikut: Menentukan Kabel Dan MCB komponen 1 phase I 1φ =

PR / S / T V phase × Cos θ

2750 220 × 0.8 I 1φ = 15.63 I 1φ =

A

Menentukan Kabel Dan MCB komponen 3 phase Ptotal I 3φ = 3 × Vline × Cosθ 30000 I 3φ = 3 × 380 × 0.8 A I 3φ = 56.98 Menentukan Ukuran Busbar Gambar 4.6. Rangkaian Baterai Zona 1, 2, 4, dan 5 (Seri-Paralel)

I sc = 4 × I total I sc = 4 × 106.53 I sc = 426 .14

A

11

Menentukan Ukuran Busbar Besar arus = 426.14 Busbar = 4x(30x5)

Ketiga nilai arus tersebut digunakan untuk memilih kabel, pengaman serta ukuran busbar untuk masing-masing panel. Sehingga didapatkan pemilihan sebagai berikut: Menentukan Kabel Dan MCB komponen 1 phase Besar arus = 15.63 A Kabel = DPYC 4 Pengaman = 20 A

A

Untuk menentukan nilai arus dari saklar, diambil nilai satu tingkat diatas nilai pengaman. Sehingga apabila nilai arus pengaman adalah 60 A, maka arus yang digunakan untuk saklar adalah 80 A. Tabel nilai arus untuk kabel dan pengaman dapat dilihat di lembar lampiran. Pada perhitugan arus pada bagian 3 phase, Ptotal yang digunakan merupakan daya dari keseluruhan turbin yang digunakan untuk masing-masing zona. Secara keseluruhan, perencanaan wiring diagram untuk seluruh zona adalah sebagai berikut:

Menentukan Kabel Dan MCB komponen 3 phase Besar arus = 56.98 A Kabel = FPYC 16 Pengaman = 60 A TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah

4x(30x5)

JL ZONA 1

Nomer Saluran

TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah TURBIN ANGIN SET

3x80A

3x60A

FPYC 16

Phase

Arus

Titik Lampu HPS

(Amp)

@250 Watt

R 2750

20A

DPYC 4

1

R1

15.63

11

20A

DPYC 4

2

S1

15.63

11

20A

DPYC 4

3

TI

15.63

11

20A

DPYC 4

4

R2

15.63

11

20A

DPYC 4

5

S2

15.63

11

20A

DPYC 4

6

T2

15.63

11

6A

DPYC 1

7

R3

4.26

3

6A

DPYC 1

8

S3

4.26

3

6A

DPYC 1

9

T3

4.26

3

10

R4

11

S4

12

T4

S

T

2750 2750 2750 2750 2750 750 750 750

Cadangan 106.53

5 kW;380VAC/50Hz;3PHS

Daya (Watt)

75

6250

6250

24 VDC;130 Ah

BATERAI SET 6 pcs @846 Ah;8 Volt

Gambar 4.8. Wiring Diagram Zona 1

12

6250

TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah

4x(30x5)

JL ZONA 2

Nomer Saluran

TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah TURBIN ANGIN SET

3x80A

3x60A

FPYC 16

5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS

Phase

Arus

Titik Lampu HPS

(Amp)

@250 Watt

R 2750

20A

DPYC 4

1

R1

15.63

11

20A

DPYC 4

2

S1

15.63

11

20A

DPYC 4

3

TI

15.63

11

20A

DPYC 4

4

R2

15.63

11

20A

DPYC 4

5

S2

15.63

11

20A

DPYC 4

6

T2

15.63

11

6A

DPYC 1

7

R3

4.26

3

6A

DPYC 1

8

S3

4.26

3

6A

DPYC 1

9

T3

4.26

3

10

R4

11

S4

12

T4

24 VDC;130 Ah TURBIN ANGIN SET

S

T

2750 2750 2750 2750 2750 750 750 750

Cadangan 106.53


Daya (Watt)

75

6250

6250

6250

24 VDC;130 Ah



TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah

4x(20x3)

JL ZONA 3

Nomer

TURBIN ANGIN SET

Saluran

5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah

3x80A

3x60A

FPYC 16

Phase

Arus

Titik Lampu HPS

(Amp)

@250 Watt

R 1750

10A

DPYC 1.5

1

R1

9.94

7

10A

DPYC 1.5

2

S1

9.94

7

10A

DPYC 1.5

3

TI

9.94

7

10A

DPYC 1.5

4

R2

9.94

7

10A

DPYC 1.5

5

S2

8.52

6

10A

DPYC 1.5

6

T2

8.52

6

7

R3

8

S3

9

T3

Daya (Watt) S

T

1750 1750 1750 1500 1500

Cadangan 56.82

40

3500



13

3250

3250


4x(25x5)

JL ZONA 4

Nomer

TURBIN ANGIN SET

Saluran


TURBIN ANGIN SET

3x80A

3x60A

FPYC 16

5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah

Arus

Titik Lampu HPS

(Amp)

@250 Watt

R 2750

DPYC 4

1

R1

15.63

11

20A

DPYC 4

2

S1

15.63

11

20A

DPYC 4

3

TI

15.63

11

20A

DPYC 4

4

R2

14.20

10

20A

DPYC 4

5

S2

14.20

10

20A

DPYC 4

6

T2

14.20

10

7

R3

8

S3

9

T3

20A

24 VDC;130 Ah

Phase


Daya (Watt) S

T

2750 2750 2500 2500 2500

Cadangan 89.49

63

5250

5250

5250

BATERAI SET


6 pcs @846 Ah;8 Volt TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah

4x(25x5)

JL ZONA 5

Nomer

TURBIN ANGIN SET

Saluran

5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah

3x80A

3x60A

FPYC 16

Phase

Arus

Titik Lampu HPS

(Amp)

@250 Watt

R 2750

20A

DPYC 4

1

R1

15.63

11

20A

DPYC 4

2

S1

15.63

11

20A

DPYC 4

3

TI

15.63

11

20A

DPYC 4

4

R2

14.20

10

20A

DPYC 4

5

S2

14.20

10

20A

DPYC 4

6

T2

14.20

10

7

R3

8

S3

9

T3


Daya (Watt) S 2750 2750 2500 2500 2500

Cadangan 63

89.49

5250

5250


Gambar 4.12. Wiring Diagram Zona 5 RECTIFIER

CHARGING CONTROLLER

UNLOADER

DC OUTPUT 24 Volt;130 Amp

INVERTER

KE BATERAI SET 6 pcs @846 Ah;8 Volt

Gambar 4.13. Skema Turbin Angin Set

T

AC OUTPUT 380VAC/50Hz;3phs

14

5250

5. KESIMPULAN Setelah melalui serangkaian proses analisa dan perhitungan didapatkan beberapa poin kesimpulan dari Studi Pembangkit Listrik Tenaga Angin Laut Untuk Memenuhi Jembatan Suramadu, antara lain: 1. Dalam perencanaan ini dilakukan pembagian daerah (zona) penerangan sebanyak lima zona dengan masingmasing kebutuhan daya sebagi berikut: ZONA

BAGIAN

POSISI

1

Cause Way Sby Approach Sby

Kiri Kiri

Main Bridge

Kiri

2

Cause Way Sby Kanan Approach Sby Kanan

3 4 5

TOTAL DAYA TIAP DAYA (kW) ZONA (kW) 9.25 4.5 5 9.25 4.5

Main Bridge

Kanan

5

Main Bridge

Tengah

10

Approach Mdr

Kanan

9

Cause Way Mdr Kanan Approach Mdr Kiri Cause Way Mdr Kiri

18.75

6.75 9 6.75 79

18.75 10.00 15.75 15.75 79

2. Setelah dilakukan analisa beban penerangan hingga analisa terhadap turbin angin, didapatkan turbin angin yang paling sesuai (optimal) untuk memenuhi kebutuhan PJU, dengan spesifikasi sebagai berikut: Buatan = MUCE Jenis = VAWT Daya (P2) =5 kW Kec. Kerja = 10 m/s Range kec. = 3.5-25 m/s Maks kec. = 60 m/s Teg.output = 216 VDC Tinggi (H2) = 4 m Diameter (D2) = 4 m Luas (A2) = 16 m2 Massa (m1) = 376 kg Putaran = 155 RPM 3. Melalui proses perhitungan matematis, jumlah turbin yang harus terpasang untuk masing-masing zona adalah sebagai berikut: Zona 1 6 turbin

Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 5

6 turbin 4 turbin 5 turbin 5 turbin

4. Daya yang dihasilkan oleh setiap turbin yang diasumsikan pada kecepatan rata-rata terendah pada bulan Desember tahun 2005 adalah sebesar 3.21 kW pada 8.63 m/s 5. Dengan menggunakan CFD, diketahui besarnya gaya yang terjadi pada sudu turbin sebesar 532.314 N 6. Dari proses validasi turbin, yaitu membandingkan daya nyata yang dihasilkan turbin secara perhitungan matematis dengan CFD diperoleh: Daya hasil CFD = 5.5 kW Daya hasil perhitungan =5 kW 7. Pada analisa dan perhitungan baterai untuk cadangan listrik, diasumsikan tidak terdapat angin selama dua jam berturut-turut sehingga diperoleh jumlah baterai yang harus digunakan untuk masing-masing zona sebanyak: Zona 1 6 baterai Zona 2 6 baterai Zona 3 3 baterai Zona 4 6 baterai Zona 5 6 baterai 8. Spesifikasi baterai yang digunakan adalah: Merk = ROLLS MARINE Tipe = 8 CH 33PM Kapasitas = 846 Ah Tegangan = 8 volt Dimensi Panjang = 718 mm Lebar = 286 mm Tinggi = 464 mm Massa = 187.8 kg 9. Dari keseluruhan proses analisa dan perhitungan dilakukan pembuatan wiring diagram yang terdapat pada bagian analisa dan pembahasan 15

STUDI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN LAUT UNTUK MEMENUHI KEBUTUHAN PENERANGAN JEMBATAN SURAMADU

Recommend Documents