rt-2013-1805
Post on 28-Dec-2015
11 Views
Preview:
TRANSCRIPT
164
PEMODELAN DAN UJI TESTING TURBIN ANGIN SKALA KECIL
DI KUPANG NTT
Ayub Amheka 1), Jonri Lomi Ga 2), Jodi Zacharias 3)
1) Teknik Elektro Politeknik Negeri Kupang
e-Mail : ayubamheka1@gmail.com
2) Teknik Mesin Politeknik Negeri Kupang
3) Teknik Elektro FST Universitas Nusa Cendana
Jakarta, 7 - 8 November 2013
ABSTRAK
Penyediaan energi listrik di kupang masih menggunakan tenaga diesel yang membutuhkan bahan bakar
minyak dan biaya operasional perawatan yang cukup tinggi. Kebutuhan energi listrik di daerah pantai
teluk kupang bagi masyarakat nelayan dan pengembangan wisata belum terpenuhi sedangkan wind
power density sekitar 600-1000 W/m2. Penelitian ini bertujuan menghasilkan sebuah novel prototipe
turbin angin sumbu vertikal dengan sasaran memampudayakan sumber elektrifikasi yang dihasilkan dari
konversi energi angin untuk komunitas masyarakat nelayan di daerah pantai teluk kupang dan
membangun model prototipe yang terbaik. Dengan menggunakan Blade System Based Software
Development maka dapat digunakan untuk merancang turbin angin sumbu vertikal,menghitung variabel
dimensi turbin,melakukan analisis sistem aerodinamis untuk menentukan tipe dan bentuk blade yang
tepat serta analisis akselerasi untuk menghasikan karakteristik model turbin angin sumbu vertikal. Hasil
uji testing blade turbin angin sumbu vertikal dalam penelitian ini yaitu Cut-in win speed (Vci)= 4m/s,
Rated winspeed (Vrs)=9 m/s,Optimum Tip speed Ratio(TSR)=1,7 ,Maximum power
coeffisien(Cp)=0,2,Rotor radius (R)= 1,44 m, Blade chord (c)=0,48m, Blade Length (L)= 2,4 m, Number
of Blade(N)=3, Initial angle of attack(o= 0o).
Berdasarkan dimensi turbin angin yang didapat dan
perencanaan generator untuk putaran rendah, dihasilkan dimensi generator untuk dilakukan pembuatan
generator serta system pembangkit listrik tenaga angin. Hasil uji generator yaitu pada putaran (n) = 200
rpm sampai 500 rpm menghasilkan tegangan 38,5 volt sampai 96,36 volt. Konfigurasi aplikasi
pembangkit listrik yang dibuat dapat menghasilkan daya listrik 3000 watt pada tegangan 220 volt AC.
Kata Kunci : turbin angin, generator, pembangkit listrik.
I. PENDAHULUAN
Kebutuhan energi listrik untuk memenuhi
kebutuhan masyarakat di Kupang NTT semakin
hari semakin meningkat seiring dengan
perkembangan sektor ekonomi. Keterbatasan
pasokan energi oleh karena masih menggunakan
sistem listrik tenaga diesel yang masih sangat
terbatas raw-materialnya dan infrastruktur jaringan
distribusinya. Karena itu sangat dibutuhkan
pasokan energi hasil pemanfaatan energi baru
terbarukan seperti energi angin yang sangat
berpotensi di Pulau Timor dengan wind power
density sekitar 600-1000 W/m2 ini dapat
didistribusikan melalui perangkat turbin angin
sumbu vertikal. Kebutuhan energi listrik,
khususnya pada wilayah pesisir pantai teluk
kupang yang mayoritas penduduknya bekerja
sebagai nelayan dan pedagang merupakan satu hal
yang perlu dipenuhi. Wilayah pesisir pantai ini
merupakan wilayah tempat wisata bagi masyarakat
kota kupang, selain itu terdapat juga beberapa
industri kecil yang berhubungan dengan
pengolahan hasil laut seperti pengeringan dan
pengemasan ikan, yang selama ini masih dilakukan
secara tradisional dengan teknik penjemuran
sehingga memakan waktu yang cukup lama dan
hasil yang belum tentu baik. Sangat diperlukan
penggunaan energi listrik untuk mengembangkan
daerah wisata ini menjadi lebih maju dan
pengolahan hasil laut yang lebih baik untuk dapat
meningkatkan mutu produksi, tetapi yang menjadi
165
permasalahan adalah biaya energi yang kurang
terjangkau oleh rata-rata masyarakat di wilayah ini.
Data menunjukan bahwa pada wilayah pantai teluk
kupang ini memiliki potensi energi terbarukan yang
besar, khususnya energi angin karena dipengaruhi
oleh posisi pada pesisir yang mempunyai pola
pergerakan angin darat dan angin laut yang konstan
pada siang dan malam hari.
Turbin angin sumbu vertikal merupakan
turbin angin yang sumbu rotasinya tegak lurus
terhadap permukaan tanah. Jika dibandingkan
efisiensi turbin, turbin angin sumbu horisontal
lebih efektif dalam mengekstrak energi angin
dibandingkan turbin angin sumbu vertikal. Tetapi
turbin angin sumbu vertikal juga memiliki
keunggulan, yaitu:(a) Tidak harus diubah posisinya
jika arah angin berubah, tidak seperti turbin angin
horisontal yang memerlukan mekanisme tambahan
untuk menyesuaikan rotor turbin dengan arah
angin.(b)Tidak membutuhkan struktur menara yang
besar (c)Konstruksi turbin sederhana (d)Dapat
didirikan dekat dengan permukaan tanah. Sehingga
memungkinkan menempatkan komponen mekanik
dan komponen elektronik yang mendukung
beroperasinya turbin.
Penelitian tentang turbin angin sumbu vertikal
sudah banyak dilakukan. J. Castilo [1] melakukan
suatu perancangan yg menghasilkan parameter
hasil disain yang optimal untuk suatu turbin angin
sumbu vertikal skala kecil, De Coste, [2]
melakukan penelitian tentang unjuk kerja model
kincir angin poros vertikal dengan empat sudu
yang membuka dan menutup secara otomatis
dengan variasi diameter. Dari hasil penelitian
tersebut didapatkan hasil bahwa semakin besar
diameter dari turbin angin maka semakin besar
torsi,daya kincir dan koefosien daya. Dalam
pembuatan turbin angin untuk menghasilkan listrik
perlu dilengkapi dengan generator sebagai
penghasil daya listrik. Untuk generator sendiri
telah dikembangkan penelitian dalam berbagai
bentuk. Salah satunya yang digunakan dalam
penelitian ini yaitu generator untuk putaran rendah.
Pada penelitian oleh J. Waluyo,[3] untuk
perancangan generator fluks aksial putaran rendah
pada magnet permanen, dihasilkan bahwa semakin
lebar celah udara generator akan semakin kecil
tegangan, arus dan daya listrik yang dihasilkan. P.
Chatra [4],[5] melakukan penelitian tentang studi
desain kumparan stator pada generator sinkron
magnet permanen fluks aksial tanpa inti stator.
Hasilnya adalah kesimetrisan antara setiap
permukaan stator yang menangkap fluks magnet
dari rotor setiap waktu sangat mempengaruhi
tegangan keluaran. Paul Cooper [6] dalam
publikasi ilmiahnya berjudul Development and
Analysis of A novel Vertical Axis Wind turbine
berhasil membuat sebuah prototipe dengan blade
turbin yang dapat berotasi 180 derajat dan
menghasilkan Cp 0,25 dengan TSR 0,2 dan 0,8
Penelitian ini memiliki state of the art
berupa pembuatan aplikasi system pembangkit
listrik tenaga angin. Berdasarkan hasil simulasi
Blade System Based Software Development
(BSBSD) didapatkan Dimensi turbin angin sebagai
dasar dalam implementasi pembuatan turbin
angin. Untuk menghasilkan daya listrik, turbin
angin dilengkapi dengan generator. Pada turbin
angin jenis vertikal biasanya digunakan generator
dengan putaran rendah. Sebelum melakukan
pengujian turbin angin perlu melakukan
perencanaan generator untuk mendapatkan dimensi
generator sesuai dengan jenis turbin angin. Hasil
dari perencanaan generator adalah berupa data
spesifikasi generator untuk melakukan uji aplikasi
system pembangkit listrik tenaga angin.
II. METODE
Makalah ini secara garis besar menjelaskan
bagaimana untuk mendapatkan suatu tools bantu
yaitu software pemodelan Blade System Based
Software Development (BSBSD) dan simulator uji
untuk membuat aplikasi system pembangkit listrik
tenaga angin.
Pada metode ini, diawali dengan hasil
perancangan turbin angin menggunakan pemodelan
Blade System Based Software Development
(BSBSD). Hasil Identifikasi potensi energi angin di
daerah pantai teluk kupang berdasarkan data
kecepatan angin rata-rata selama 9 tahun terakhir
adalah seperti yang terlihat pada gambar 1.
Besaran nilai kecepatan angin rata-rata menjadi
acuan untuk merencanakan dimensi turbin angin
dan hasilnya ditunjukan pada tabel 1.
Langkah selanjutnya adalah perencanaan
generator yang dapat memberikan daya listrik pada
putaran rendah yang meliputi : tegangan keluaran,
magnet rotor dan kumparan stator. Setelah
perencanaan generator, dilanjutkan dengan
pengujian dan analisis generator AC putaran
rendah untuk mendapatkan dimensi generator.
166
Gambar 2. Flowchart Blade System Based
Software Development (BSBSD)
Tabel 1. Dimensi Turbin Angin
Initial Estimation
Disain
Parameter
Parameter yang
dihitung
Diameter
Rotor(m)
1,5 Swept area
(m2)
5,65
Panjang
Blade(m)
1,2 Solidity 4
Chord
Blade(m)
0,35
Koefisien
Daya
0,592 Kecepatan
blade (rad/s)
50,93
Tip
Speed
Ratio
0,15 Kecepatan
rotasi Aktual
(rad/s)
50,95
Jumlah
Blade
3 Kecepatan
rotasi Aktual
(rpm)
486,53
Konstanta Udara
Kerapatan
udara
1,204
Kecepatan
Angin
2,5 Daya angin
tersedia (W)
53,14
Faktor konversi Daya
keluaran
(W)
31,5
Rad/s --->
rpm
9,54
Tabel 2. Data spesifikasi generator
Parameter Lambang Nilai
Kerapatan
fluks magnet
Br 1.35
Dimensi
magnet
p 3 cm
l 2.5 cm
t 0.5 cm
Jumlah magnet Nm 24
Radius dalam
magnet
ri 8 cm
Radius luar
magnet
ro 11 cm
Jarak antar
magnet
Ʈf 2.5 cm
Celah udara δ 1 mm
Jumlah
kumparan
Ns 9
Gambar 1. Kecepatan angin rata-rata
di Pantai Teluk Kupang
167
Jumlah fasa Nph 3
Jumlah lilitan N 75
Langkah selanjutnya yaitu membuat system
pembangkit listrik tenaga angin seperti yang
ditunjukkan pada gambar 3. Prinsip kerja dari
system ini yaitu tegangan keluaran dari generator
dengan celah udara 1 mm pada putaran 200 rpm-
500 rpm digunakan untuk mengisi baterai melalui
charge controller. Selanjutnya baterai
dihubungkan dengan inverter DC ke AC untuk
menghasilkan arus lisrik AC yang dapat
dimanfaatkan secara langsung untuk kebutuhan
masyarakat.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Membangkitkan listrik dengan tenaga angin
merupakan salah satu cara untuk menghemat bahan
bakar minyak yang digunakan sehari-hari. Energi
angin dikonversi menjadi energi listrik dilakukan
dengan cara memanfaatkan energi angin untuk
memutar turbin angin Pembangkitan listrik dengan
tenaga angin terjadi dengan cara membuat kincir
angin yang karakteristiknya disesuaikan dengan
angin di daerah tropis seperti diindonesia, dalam
hal ini turbin angin sumbu vertikal yang
dihubungkan ke generator flux aksial, kemudian
tegangan keluaran akan di tingkatkan serta
disimpan dalam elemen penyimpanan energi listrik
dalam hal ini akumulator. Turbin angin sumbu
vertikal yang telah dirancang mengalami gerakan
aerodimanis dengan bantuan generator yang
dihubungkan langsung ke turbin angin yang
berputar menghasilkan tegangan listrik.
Elektrifikasi yang dihasilkan oleh generator akan
mengalami penyearahan arus dan pengaturan
tegangan sebelum disimpan dalam baterai atau
akumulator.
Hasil konfigurasi generator dihasilkan grafik
tegangan output terhadap putaran. Tegangan output
yang keluar sesuai dengan putaran yang ada seperti
terlihat pada gambar 2.
Gambar 2 Grafik Tegangan Output terhadap
putaran
Dari hasil konfigurasi generator yang dihasilkan
akan menjadi acuan untuk membuat aplikasi sistem
pembangkit listrik tenaga angin skala kecil.
Berdasarkan prinsip kerja sistem
pembangkit listrik, indikator untuk mendapatkan
arus listrik yang dihasilkan pembangkit yaitu
generator dapat membangkitkan tegangan 38,54
volt pada putaran 200 rpm sampai 96,36 volt pada
putaran turbin 500 rpm. Tegangan ini akan diatur
oleh charge controller untuk tetap stabil dan tidak
melebihi 12 volt. Pada tegangan ini yang dipakai
untuk proses pengisian akumulator yang
selanjutnya diubah dari 12 volt DC ke 220 volt AC
oleh inverter.
Gambar 3 Aplikasi Sistem Pembangkit Listrik
Tenaga angin skala kecil
5
1
2
3 4
1. Turbin dan generator
2. Charge controller
3. Battery
4. DC-AC Inverter
5. Beban
168
Tabel 3. Spesifikasi Aplikasi Sistem Pembangkit
Listrik Tenaga Angin
No Perangkat Spesifikasi
1 Turbin Tipe : Vertical Axis Wind
Turbine (VAWT); Diameter
: 1,5 m; Panjang : 1,2 m ;
Jumlah Blade : 3.
2 Generator Tipe : Fluks Aksial Magnet
Permanen ; Jumlah
Kumparan : 9 ; Fasa Kutub :
12 ;Tegangan keluaran : 0-
96,36 V
3 Charge
Controller
Tegangan Input maksimum :
100 V; Tegangan output : 12
V ; Arus Pengisian
Maksimum : 15 A.
4 Battery Tipe
Tegangan : 12 V
Arus : 3 x 100 Ah
5 DC-AC
Inverter
Tegangan input : 12 Volt DC
Tegangan output : 220 V
Daya Maksimum : 3000 W
Efisiensi : 92%
IV. KESIMPULAN
1. Untuk membangun suatu model prototipe
diperlukan dimensi dasar Vertical Axis Wind
Turbine (VAWT) yaitu: tinggi rotor, diameter
rotor, panjang chord, jumlah blade,dengan
parameter input berupa daya listrik yang
diinginkankan, kecepatan angin minimum
untuk mengekstrak daya,dan kecepatan angin
untuk turbin bekerja, parameter input ini
diproses pada BSBSD sehingga didapatkan
parameter output berupa dimensi dasar
VAWT.
2. Untuk membuat aplikasi sistem pembangkit
listrik tenaga angin skala kecil perlu diketahui
dimensi dari generator. Hasil perencanaan
generator adalah spesifikasi generator yang
akan diimplementasi dalam pembuatan.
3. Hasil pengujian aplikasi sistem pembangkit
listrik tenaga angin skala kecil adalah
generator dapat membangkitkan tegangan
38,54 volt pada putaran 200 rpm dan 96,36
volt sampai pada putaran turbin 500 rpm.
Daftar Pustaka
[1] Castilo, javier, 2011. Small-Scale Vertical
Axis Wind Turbine Design. Aeronautical
Engineering Tampere University of Applied
Sciences Desember.
[2] DeCoste, Jon, et.al, 2005. Vertical Axis Wind
Turbine. Mechanical Engineering Dalhousie
University.
[3] Jati, Waluyo, et.al, 2012. Perancangan
Generator Fluks Aksial Putaran Rendah
Magnet Permanen Jenis Neodymium
(NdFeB) Dengan Variasi Celah Udara.
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Diponegoro.
[4] Prisandi, Chatra, 2011. Studi Desain
Kumparan Stator Pada Generator Sinkron
Magnet Permanen Fluks Aksial Tanpa Inti
Stator. Jurusan Teknik Elektro Fakultas
Teknik Universitas Indonesia.
[5] Nugroho, Difi, 2011. Analisis Pengisian
Baterai Pada Rancang Bangun Turbin Angin
Poros Vertikal Tipe Savonius Untuk
Pencatuan Beban Listrik. Jurusan Teknik
Elektro Fakultas Teknik Universitas
Indonesia.
[6] Paul Cooper,Oliver Kennedy,2011.
Development and Analysis of a Novel Vertical
Axis Wind Turbine. School of
Mechanical,Materials and Mechatronic
Engineering University of Wollongong,
Australia.
top related