Wisnu Dian Trisnandi 2209100089 Dosen Pembimbing Ir. Teguh Yuwono Ir. Sjamsjul Anam M.T.
Perkembangan Pembangkit Listrik Tenaga Angin dan Air
Pendahuluan
Gambaran Umum Pulau Selayar dan Permodelan Sistem
Perhitungan dan Analisis Simulasi
Contents
Penutup
2
Perkembangan Pembangkit Listrik Tenaga Angin dan Air
Pendahuluan
Gambaran Umum Pulau Selayar dan Permodelan Sistem
Perhitungan dan Analisis Simulasi
Contents
Penutup
2
1
2
3
• Latar Belakang Masalah
• Batasan Masalah
• Tujuan
3
Latar Belakang Permintaan kebutuhan energi yang meningkat Cadangan sumber energi tidak terbarukan semakin menipis
Sulitnya listrik di daerah terpencil, kebanyakan memakai PLTD Pemanfaatan energi baru terbarukan untuk menggantikan sumber energi tak terbarukan Potensi energi angin di Indonesia yang cukup besar untuk dikembangkan sebagai PLTB
PLTA mempunyai respon yang cepat dalam menghasilkan listrik
4
Cara kerja pembangkit hybrid ini, perhitungan komponen pembangkitan dan simulasi pengisian dan pengosongan reservoir atas
Menggunakan wind turbin 3x10kW dan hydro turbin 10kW
Lokasi perencanaan di Kabuaten Kepulauan Selayar, Sulawesi Selatan.
Tidak membahas sistem kontrol pengaturan pembangkit hybrid
5
Mengetahui konsep pembangkitan hibrida angin dan air dari negara maju yang coba di implementasikan di Indonesia.
Apabila mempunyai potensi yang cukup besar, rancangan ini dapat di teliti lebih lanjut serta dibuat prototype nya untuk pemanfaatan renewable energy di negara ini.
6
A. Turbin Angin TASV (Turbin Angin Sumbu Vertikal) TASH (Turbin Angin Sumbu Horizontal)
7
Daya yang dihasilkan oleh tenaga angin adalah 1 2 ◦ 𝜌 : masa jenis udara (1,225 kg/m3) ◦ A : luasan area dari rotor (m2) ◦ V : kecepatan dari angin (m/s) 𝑃𝑤𝑡 𝐶𝑝 = , Cpmax= 16/27 = 0,593 (Benz Limit) 𝑃𝑎𝑖𝑟 1 3 2 𝑃𝑤𝑡 = 𝐶𝑝. 𝑃𝑎𝑖𝑟 = 𝐶𝑝(𝜆). 𝜌. 𝜋. 𝑅𝑏𝑙𝑎𝑑𝑒 . 𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑 2
𝑃𝑎𝑖𝑟 = 𝜌𝐴𝑉 3
8
Untuk Kecepatan angin yang berubah-ubah
𝐶𝑝 (λ, β) =
𝑐 𝑐1 2 𝜆1
− 𝑐3 𝛽 − 𝑐4
𝛽𝑐5
− 𝑐6 𝑒
𝑐7 𝛾
dengan λ dan β adalah
𝜆= 𝛾=
𝜔𝑤𝑡. 𝑅𝑏 𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑 1 𝜆:𝑐8 𝛽
−
𝑐9 ;1 1:𝛽3
dengan Cp : koefisien daya turbin (Coefficient Performance) λ : tip speed ratio β : sudut pitch blade c1-c9: konstanta empiris dari turbin angin
9
10
Turbin Impuls Pelton Turgo Cross Flow
Turbin Reaksi Francis Propller (sudu tetap dan Kaplan)
11
Pulau Selayar
12
NO 1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Site Sidrap UPT Punaga-Laikang-Takalar SBSPJLAPAN, Parepare Desa Bungaiya Kec. Bontomatene Selayar
Propinsi Sulsel Sulsel Sulsel Sulsel
30m 6.19 4.14 5.97 5.44
50m 6.47 4.58 6.62 6.02
Sulsel
7.25
7.92
Dongin, kec. Bantul Banggai Tinobu, Lasolo Kendari Kaimbulawa, Buton Gerak Makmur, Kec. Sampalawa, Kab. Buton Sampuabalo, Lasa Limu Buton Poliwai Mandar Bulungkobit, Tinangkung, Kab. Banggai Abason, Tatikum Banggai Sandana Bolaan Uki Bolaan Mangondow Desa Libas, Kec. Likupang, Kab Minahasa Desa Paudean, Kec. Bitung Selatan, Kab.Bitung Kaluwatu, Manganitu Selatan Sangihe Talaud Malamenggu Sangihe Talaud Kalasuge, Tabukan Utara, Kab. Sangihe Talaud Selayar Kota Palu Talaud Parigi
Sulteng Sultra Sultra Sultra
3.10 2.18 4.59 3.10
3.44 2.42 5.09 3.44
Sultra Sulbar Sulteng
3.11 3.40 3.56
3.45 3.92 3.94
Sulteng Sulut
4.02 2.07
4.45 2.29
Sulut
3.33
3.69
Sulut
2.99
3.31
Sulut
2.30
2.54
Sulut Sulut
5.17 3.45
5.73 3.82
Sulsel Sulteng Sulut Sulteng
6.51 3.00 2.93 3.88
6.77 3.32 3.41 4.30
Appa tanah, Kec. Bontosikuyu Selayar
13
14
15
Blok dinamik dari reservoir atas V1
(Tank dynamik) Blok wind turbine dan pompa (In Valve)
Blok Hydro turbine (Out Valve) Blok Kontrol Animasi pada simulasi (Animation Control) Blok Display (Scope)
16
Time Programming In Valve
17
Time Programming Out Valve
18
Tabel Perencanaan No 1 2 3 4 5 6
Data Kecapatan angin rata-rata Head air Daya pompa Volume reservoir atas Daya output generator turbin air Daya output generator turbin angin
Simbol Satuan
Nilai
V H Pp V1‟ Pt
m/s m kW m3 kW
7 40 6,17 2000 10
Pwt
kW
10
Lokasi PLTHybrid Selayar 19
1 2
= 𝐶𝑝. 𝜌𝐴𝑉 3
𝑃𝑤𝑡 = 𝐶𝑝. 𝑃𝑎𝑖𝑟
𝐶𝑝. 𝜌𝐴𝑉 3
0,59. .1,225. 𝐴. 73 = 10.000
1 2
1 2
= 10.000 𝐴 = 80,68𝑚2
1 4 1 . 3,14. 𝐷 2 4
= 𝜋𝐷 2
𝐴
80,68 =
𝐷
= 10,14𝑚
20
Contoh produk Wind Turbine
GENERAL Rated Power output Turbine Designed standard
DESCRIPTION 10KW @ 9 m/s AWEA,MCS,IEC-61400 Wind class 2
Annual Power Production
Approximately 20000 kwh @ annual average wind speed of 5 m/s Approximately 30000 kwh @ annual average wind speed of 6 m/s Approximately 37000 kwh @ annual average wind speed of 7 m/s
Start up Wind speed Cut in Wind speed Cut out wind speed Survival wind speed Anemometer Rotor blade diameter Rotor speed Generator Voltage Generator Type Grid Feeding Turbine Controller
2.5 m/s 3.5 m/s 25 m/s 59.5 m/s Ultrasonic 9.8m 150r/min-1000r/min 240Vdc @ 150 rpm Permanent Magnet 230v,50hz,110v,60Hz,1ph or 3ph WiCo Microprocessor based smart controller Active 1. Electronic speed limiter 2. Active Yaw 1.Automatic generator relay switch control WIPO remote monitoring system LAN,wireless/GPRS/3G >20 years <55db 650 KG Free standing with hydraulic lifting system 5 years, Win Force 10KW
Yaw Controller Rotor speed Controller Braking System Remote Monitoring Interface Designed life span Acoustic Emission Unit Weight Towers Warranty
21
Waktu operasi hydro turbin Outflow : jam 05.00-08.00 dan 17.00-24.00 WIBT Inflow : pompa P1 jam 08.00-20.00 WIBT
inflow outflow
outflow
0
5
8
17
20
22
24
22
𝑃ℎ𝑔 = 9,8𝑥𝐻𝑥𝑄𝑥𝜂 𝑇 𝑥𝜂𝑔 10 = 9,8𝑥40𝑥𝑄𝑥0,64𝑥0,8 𝑄𝑡 = 0,0498 𝑚3 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 ≈ 0,05 𝑚3 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 = 50𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟/𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 = 180𝑚3 /𝑗𝑎𝑚
𝑉1 =
𝑚3 0,05 𝑥10𝑥3600 𝑠
= 1800𝑚3
(Volume reservoir atas)
𝑉1′ = 𝑉1 + 10%𝑉1 = 1800 + 180 = 1980𝑚3 ≈ 2000m3 𝑉2 = 1,5𝑉1′ = 3000𝑚3 (Volume reservoir bawah)
23
Tip : Nominal Power (W) : U Nom (V) :
Produk turbin air
20
Head max (m)
250
Flow min (l/s)
4
Flow max (l/s)
200
9 Channel IGC included diversion load included Generator type: Water to Wire Efficiency:
LPH00068
10000 220VAC/380VA C
Head min (m)
Runner Diam. ( mm)
Cod Produs:
Turgo
200/300
Yes Yes Induction Hi Eff. 220/380V 3PH Max. 75% Min. 65%
Syncronus Gen
optional
ELC
optional EV-LPE 10000200-AC
Model:
24
Pompa air P1 𝑉1 1800 𝑚3 𝑚3 𝑄𝑝 = = = 0,042 = 151,2 𝑠 ℎ 𝑇𝑝 12𝑥3600 9.8𝑥𝑄𝑝 𝑥ℎ 9,8𝑥0,042𝑥12 𝑃𝑝 = = = 6,17 𝑘𝑊 𝜂 0,8 𝑝
Pipa Penstock 𝑄0,45 0,050,45 𝐷 = 1,12. = 1,12. 𝐻 0,12 400,12 𝐷:20 7,36:20 𝑇 = = = 0,068 𝑖𝑛𝑐ℎ𝑖 400 400
= 0,187𝑚 = 7,36 𝑖𝑛𝑐ℎ𝑖
25
Tank base area atau luas alas daripada reservoir diset 400. Ketinggian reservoir diset pada 10m-batas atas dan 2m-batas bawah. Flow Rate-Out diset 50 untuk debit Qt = 0,050m3/s dan Flow Rate-In diset 42 untuk debit pompa Qp = 0,042m3/s.
GUI Model 26
Hasil Simulasi
Memakai perbandingan 1 jam=10s water height sampai waktu flushing (pemukaan out valve) awal pada posisi 6m sebagai awal cadangan air yang terdapat di reservoir atas. Flushing pertama jam 05.00-08.00, time programming pada signal builder memberikan signal 1, membuat sinyal flush selama 3 jam. Outvalve membuka sampai waktu 90 karena ketinggian air pada waktu 80-90 berada di limit bawah. Rangkaian logika belum menutup out valve sampai water height berada pada limit bawah yaitu 2m. Pada jam 08.00-20.00 angin cukup untuk memutar turbin angin dan cukup untuk mengoperasikan pompa air P1 untuk mengisi air di reservoir atas dan terjadi penambahan water height. Pada pukul 17.00-24.00 sinyal 2 dari signal builder out valve kembali mengirimkan sinyal pada out valve untuk flush selama waktu 170-240. Grafik penurunan water height antara waktu 170200 belum curam karena invalve masih membuka, sedangkan setelah waktu 200 ketinggian air turun sampai limit 2m karena pompa sudah berhenti beroperasi. Air berhenti mengalir pada waktu 250 karena sudah mendekati batas bawah. Semua air yang dipake untuk memutar turbin air sampai pada waktu 250, energi listrik yang dihasilkan dikirim ke grid PLN
27
Agar Out valve menutup sesuai perencanaan yaitu jam ke 24, maka debit in flow dapat dikurangi menjadi 0,036m3/s dengan mengurangi daya pompa menjadi 5,29kW
28
Kesimpulan
Perencanaan lokasi pembangkit hybrid ini berdasarkan potensi angin dan topografi Selayar Lokasi perencanaan berada di Appa tanah, Pulau Selayar dengan kecepatan angin 7,92m/s pada ketinggian 50m. Pembangkit hybrid angin dan air ini menggunakan 3 buah turbin angin dengan daya 3x10kW dan turbin air dengan head 40m serta debit 0,050m3/detik menghasilkan daya 10kW. Satu buah turbin angin digunakan sebagai sumber daya untuk pompa P1 dengan debit 0,042m3/detik yang digunakan untuk memompa air ke reservoir atas dengan volume 1800m3 Waktu operasi dari turbin angin dari jam 08.00-20.00 WIBT, sedangkan untuk operasi turbin air mulai dari jam 17.00-24.00 dan 05.00-08.00 WIBT.
29
Hasil simulasi menunjukkan bahwa out valve berhenti pada jam ke-25, hal ini tidak sesuai dengan perencanaan yang off pada jam ke-24 dikarenakan debit in valve yang besar. Untuk membuat out valve off pada jam ke-24 maka in valve bisa diset dengan debit 0,036m3/s dengan cara mengurangi daya pompa menjadi 5,29kW. Seluruh daya yang dihasilkan oleh pembangkit listrik baik dari wind generator maupun hydro generator dikirim ke grid PLN.
Saran
Pengembangan lebih lanjut untuk sistem pengaturan dari pembangkit hybrid ini agar berjalan secara otomatis. Penggabungan dengan sumber energi terbarukan lainnya seperti solar cell agar diperoleh keluaran energi yang lebih besar daripada hybrid angin dan air ini.
30
[1] Florina Cozorici, Ioan Vadan, Radu A. Munteanu, Ioan Cozorici, Petros Karaissas, “Design and Simulation of A Small Wind-Hydro Power Plant”, IEEE 2011
[2] Brendan Fox, Damian Flynn, Leslie Bryans, Nick Jenkins, David Milborrow, Mark O‟Malley, Richard Watson and Olimpo Anaya Lara,”Wind Power Integration Connection and System Operational Aspects”, The Institution of Engineering and Technology, 2007 [3] Florina Leach, R.A. Munteanu1, I. Vădan1 and D. Căpăţână2 “Didactic Platfrom for the Study of Hybrid Wind-Hydro Power Plant”, IEEE Trans ELECTROMOTION 2009 – EPE Chapter „Electric Drives‟ Joint Symposium, Lille, France, July, 2009. [4] Arismunandar, Artono dan Kuwahara, Susumu, “Buku Pegangan Teknik Tenaga Listrik”, Pradnya Paramita, Jakarta, 2000. [5] Marsudi Suwanto, Siswoyo Heri, Lestari Budi, “Perencanaan Kapasitas Daya Terpasang PLTA Kusan 3”, Universitas Brawijaya, Malang, 2011. [6] Wind Turbine, Mechanical Engineering, Boston [7] Evelina, Winna, “Analisa Karakteristik Penguatan VAR pada Generator Induksi Penguatan Sendiri dengan Menggunakan Kondesnser Sinkron”, Universitas Indonesia, Jakarta, 2008 [8] Kabupaten Selayar Dalam Angka, 2010 [9] RKPD Kabupaten Selayar 2013 [10] Badan Nasional Penanggulangan Bencana, “Peta Topologi Kabupaten Selayar”, 2010 [11] Martosaptro, Soeripno, “Wind Energy Potential and Development in Indonesia”, Masyarakat Energi Angin Indonesia, 2012 [12] Luknanto, Djoko, “Bangunan Tenaga Air”, Diktat Kuliah [13] Adami, Alif Reza And Putra Ps, Andika, “Perencanaan Bendungan Pamutih Kecamatan Kajen Kabupaten Pekalongan (Design of Pamutih Dam at Kajen Subdistrict Pekalongan Regency)”, Undergraduate thesis, Fakultas Teknik UNDIP,2011. [14] Pumpfundamentals, “Turbine Selection Chart”
[15] ESDM Litbang, “Potensi Energi Angin” [16] Hicks, Edwards, diedit oleh Harahap Z, “Teknologi Pemakaian Pompa”, Penerbit Erlangga, 1996.
Terima Kasih
1.
2. 3.
4.
Batasan dari pembangkit hybrid yang dipake apa? Di Spanyol 11MW, tapi kok di tugas akhir anda 10KW? Tipe generator angin yang dipakai apa? Berapa minimum dan maksimum kecepatan angin nya? Saat kecepatan angin turun, daya dihasilkan wind turbin turun, padahal air harus naik, padahal switching nya diperhitungkan, bagaimana kontrolnya? Berapa lama untuk mengisi reservoir dan bila tidak ada beban bagaimana?
1.
Ada beberapa batasan mengapa memakai pembangkit dengan daya 10KW ◦ Faktor Peralatan (turbin angin) yang ada ◦ Faktor ketersediaan dan sumber daya (air) yang ada
Faktor Turbin Angin sendiri yang semakin besar rating powernya membutuhkan kecepatan angin dan diameter blade yang besar pula, sedangkan di selayar pada ketingian 50m potensi angin dengan kecepatan 7,92m/s. Dan dengan perencanaan menggunakan potensi kecepatan angin di Selayar, contoh produk turbin angin 10KW sudah tersedia.
Model
SURNOR 194-1000
Rated Kilowatt Output
1000kW
Cut-In Wind Speed
4 m/s (8.9 mph)
Cut-Out Wind Speed
22 m/s (49 mph)
Rated Wind Speed
16 m/s (35.7 mph)
Max Design (Survival) Wind Speed
59.5 m/s (133 mph)
Weight (lbs.)
111,300
Design Lifetime (yrs)
20
Wind turbine name: E82/2000 Nominal power: 2000 kW Rotor diameter: 82 m Start-up wind speed: 2 m/s Nominal wind speed: 13 m/s Maximum wind speed: 34 m/s
Faktor lahan Lokasi Appa tanah yang berada di selatan Selayar yang luas wilayahnya kurang apabila menggunakan pembangkit dengan daya yang besar, dan juga dari contoh di Spanyol yang hydro generation membutuhkan volume reservoir atas 379.634m3 tidak bisa dicukupi dengan sumber daya air yang ada. Dibandingkan dengan daya 10KW operasi 10 jam hanya membutuhkan sekitar 1800m3
Generator Induksi yang dipakai tipe DFIG, dimana tegangan dan frekuensi dijaga konstan. Menurut contoh produk wind turbine yang dipakai, cut in 3m/s dan cut out 25, cut in dipilih 3m/s karena sudah dapat menyalakan pompa dengan debit yang menyesuaikan daya input
Energi dari angin pada siang hari disimpan supaya dapat dimanfaatkan ketika tidak ada angin yang berhembus (malam hari). Maka antara Hg dan Wg1, Wg2 tidak saling mempengaruhi, berjalan sediri-sediri. Daya dari Wg3 yang dipakai untuk pompa, dengan kecepatan angin yang berubah-ubah pasti berakibat pada debit aliran air yang dihasilkan.
Apabila sesuai dengan perencanaan, rating daya dari pompa dipenuhi (6,17kW), maka reservoir atas (1800m3) akan penuh dalam waktu 12 jam dengan debit konstan 42liter/s. Seluruh daya keluaran pembangkit ini dikirimkan ke grid agar bisa dijual ke PLN.
1800000
1600000 1400000 1200000 1000000 volume air reservoir 800000
jam (8-20)
600000 400000 200000 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
