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.