SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN DI PANTAI KOTA TEGAL Soebyakto1, Hadi Wibowo2, Rusnoto3 Fakultas Teknik, Universitas Pancasakti Tegal (Penulis 1) Email : [email protected] 2 Fakultas Teknik, Universitas Pancasakti Tegal (Penulis 2) Email : [email protected] 3 Fakultas Teknik, Universitas Pancasakti Tegal (Penulis 3) Email : [email protected] 1 ABSTRACT Driving force of the wind is wind power divided by the speed of the wind. Electric generator power generated from the data of wind speed and wind turbine shaft speed is by utilizing the kinetic energy of wind into the effective area of the turbine. Wind energy in the near beach Tegal, expected to be able to rotate the Savonius turbine. The basic design of a turbine Savonius is shaped like the letter S made with two half circles the top of the two semi-circular bottom. Savonius rotor is designed with two blades. Two semi-circular shape covered with a sheet of aluminum. Savonius wind turbine is a device that utilizes wind energy to generate mechanical power or electricity. Two Savonius turbine design is done in this research, has an aspect ratio of 0.7. Design 1 Savonius turbine has a mass of 3.29 kg load and design 2 Savonius turbine has a mass of 2.32 kg load. Design 1 was not spinning in the wind speed interval of 1-4 m/s. Design 2 can rotate in the wind speed interval. Savonius wind turbine would be ideal for areas with a very turbulent wind and generate high torque. The mechanical power near beach Tegal in this research was found at the power range 0,4 – 2 W. The use of mechanical energy, among others, one of them to generate electricity generator 7-25 Watt or higher, by changing the broad sweep of the Savonius turbine, power generation purposes in the power range of the generator can be obtained. Keywords: Wind power, Savonius turbine, mechanical power, electrical generator. 1. PENDAHULUAN Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin di Pantai Kota Tegal dilandasi oleh keingintahuan peneliti dalam mengungkapkan suatu gejala/konsep/dugaan bahwa tenaga angin pantai Kota Tegal dapat digunakan untuk menghasilkan listrik. Pembangkit Listrik Tenaga Angin atau sering juga disebut dengan Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) adalah salah satu pembangkit listrik energi terbarukan yang ramah lingkungan. Prinsip kerja PLTB adalah dengan memanfaatkan energi kinetik angin yang masuk ke dalam area efektif turbin untuk memutar turbin angin Savonius, kemudian energi putar ini diteruskan ke generator untuk membangkitkan energi listrik. Dalam pembuatan sistem pembangkitan listrik tenaga angin ini, input data yang digunakan adalah kecepatan angin dan kecepatan rotasi poros turbin angin Savonius. Data tersebut diproses untuk mendapatkan perhitungan daya angin, kecepatan rotasi, gaya, torsi dan daya turbin Savonius. Data frekuensi putar poros dalam satuan rotasi per menit (rpm), torsi dan banyaknya kutub magnet yang disediakan dalam penelitian ini ada 6 buah, digunakan untuk menghitung daya generator listrik sebagi hasil (output) yang diperoleh dalam penelitian ini. 2. a. KAJIAN LITERATUR Kecepatan dan Daya Angin Sistem konversi energi angin (SKEA) merupakan suatu sistem yang bertujuan untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik poros turbin, kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator. Energi kinetik adalah energi yang terjadi karena gerak benda. 1 E k 12 .m.v 2 Daya angin adalah energi per satuan waktu, maka: Pa E k 1 2 .m .v 2 t (1) m mass flow rate per second = laju aliran massa udara per satuan waktu (kg/s) m m V A.s m . A.s s m . A. t (2) m . A.v Persamaan (2-2) disubstitusikan ke persamaan (2-1), sehingga diperoleh : Pa 12 . . A.v 3 (3) Pa = daya angin (Watt) = massa jenis udara (kg/m3) A = luas area turbin (m2 ) = kecepatan angin (m/s) b. Turbin Angin Savonius Turbin angin Savonius pertama kali diperkenalkan oleh seorang insinyur Finlandia yang bernama Sigurd J. Savonius pada tahun 1922. Turbin angin Savonius adalah turbin angin yang memiliki bentuk dan konstruksi yang sangat sederhana sehingga dalam proses pembuatannya pun tidak memerlukan biaya yang mahal. Turbin angin Savonius adalah salah satu jenis turbin angin yang digerakkan dengan gaya drag. Turbin ini terdiri atas dua hingga tiga bucket atau sudu yang disusun sedemikian rupa sehingga jika dilihat dari atas akan terlihat seperti membentuk huruf S. Pada turbin angin Savonius luas penampang sapuan turbin adalah panjang diameter bucket turbin (D) dikali tinggi turbin (h), atau secara matematis dapat digambarkan pada persamaan: A = D.h (4) 2 A = luas penampang sapuan turbin (m ) D = diameter bucket turbin (m) h = tinggi turbin (m) 2.3 Efisiensi Turbin Angin Efisiensi turbin angin adalah perbandingan antara daya yang diserap oleh turbin angin terhadap daya angin yang tersedia. Pw = V.I (5) V = R.I (6) R cu . Lcu Acu (7) cu = hambatan jenis tembaga (m) = 1,68.10-8 m R = Resistor atau hambatan kawat tembaga (Ohm) Lcu = panjang kawat penghantar (m) Acu = luas penampang kawat penghantar (m2) I = Kuat arus listrik (Ampere) V = beda potensial listrik (volt) Pw = daya generator listrik (W) PT = . = F.r = torsi turbin angin (Nm) F = gaya dorong angin pada turbin angin (N) F 12 Av 2 (8) (9) (10) = massa jenis udara = 1,225 kg/m . 3 2 A = luas penampang sapuan turbin (m2) = D.h = kecepatan angin (m/s) r D jari-jari rotor turbin angin (m) 2 = kecepatan rotasi turbin angin (rad/s) 2 ft 1 f t 60 30 (11) f t frekuensi poros turbin (rpm) PT = daya mekanik turbin (W) Pw x100% PT (12) = efisiensi turbin angin (%) Koefisien Daya (Cp) dan Tip Speed Ratio (TSR) Daya angin berbanding lurus dengan pangkat tiga dari kecepatan angin, hal ini berarti bahwa pemilihan tempat penelitian akan sangat menentukan besarnya daya yang dihasilkan. Rasio antara daya mekanik yang dikeluarkan oleh konverter dand arus udara yang tidak terganggu (arus bebas) itu dinamakan “koefisien daya/ power coefficient” Cp: Koefisien daya dapat dinyatakan secara langsung sebagai fungsi rasio kecepatan, METODE PENELITIAN Tahap pertama penelitian, melakukan observasi lapangan, mempelajari beberapa situasi yang berkaitan langsung dengan keadaan pada lokasi pengujian. Dari hasil pengamatan terhadap beberapa daerah yang dianggap baik untuk melakukan pengujian, maka dipilih daerah yang memiliki kecepatan angin yang mampu mengerakkan turbin Savonius, yaitu pantai Kota Tegal dan atau di daerah dekat pantai tegal, di Kampus Universitas Pancasakti Tegal. Selanjutnya adalah studi literatur untuk mengumpulkan data dari referensi terkait berikut data-data dari penelitian sebelumnya, kemudian dijadikan suatu perbandingan dengan menganalisa rumus-rumus yang berkaitan pada penelitian ini. Demikian juga dengan pencarian informasi melalui media internet untuk mendukung proses pengumpulan data turbin angin. Tahap kedua, Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan metode penelitian eksperimental (experimental research) yaitu melakukan pengamatan untuk mencari data sebab akibat dalam suatu proses melalui eksperimen sehingga dapat mengetahui pengaruh jarak 3 celah sudu terhadap sumbu poros kerja turbin angin savonius. Peneliti melakukan pembuatan turbin Savonius dengan tidak sebagaimana mestinya. Turbin Savonius dibuat tidak memenuhi ketentuan 2 x diameter rotor turbin, yaitu ketinggian turbin seharusnya, h = 2 x 3 r = 6 r. Turbin Savounius terbuat dari rangka plat logam besi dan selubung setengah lingkarannya terbuat dari seng, merupakan rancangan 1 turbin Savonius. Pembuatan Turbin Savounius ini dengan diameter D = 45 cm, ketinggian h = 30 cm. Tahap tiga, pembuatan rancangan 2 turbin Savounius terbuat dari rangka plat logam besi dan selubung setengah lingkarannya terbuat dari lembaran alumunium, merupakan rancangan 2 turbin Savonius. Pembuatan turbin Savonius ini dengan diameter rotor turbin, D = 52 cm dan ketinggian turbin 36 cm. Gambar 1 Rancangan 2 Turbin Savonius Tahap empat, melakukan pengolahan data, menghitung gaya dorong angin dan gaya gesekan yang dipengaruhi beban turbin angin Savonius. Mencari hubungan antara daya mekanik turbin terhadap koefisien kecepatan atau tip speed ratio. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Hasil rancangan 1 dan 2, turbin Savonius dilihat dari penampang atas adalah sebagai berikut : Gambar 2 Penampang atas turbin Savonius rancangan 1 Gambar 3 Penampang atas turbin Savonius rancangan 2 ρ = Massa jenis udara = 1,225 kg/m3. 4 Luas sapuan turbin Savonius adalah diameter rotor (D) dikalikan ketinggian turbin (h). A = D.h Volume dan massa udara di dalam turbin : 2 D Vt h 2 M t Vt Gambar 2 Udara yang masuk ke celah turbin Volume udara yang masuk ke celah turbin adalah C kali volume total turbin. D 2 Vi C D h 14 CDh D 2 Massa udara yang masuk turbin : M i Vi Gaya dorong angin pada turbin Savonius : P Ft v 12 Av 3 Ft 12 Av 2 Gaya drag rotor memanfaatkan gaya Fw yang dibangkitkan oleh angin pada luas A pada sudut tertentu : Fw cw ( 12 Av 2 ) Nilai koefisien drag adalah suatu indikasi banyaknya suatu objek aerodinamika. Tabel 1 Nilai koefisien drag, Cw cw 1.11 1.10 0.33 1.33 Body Circular Plate Square Plate Closed Semi-Sphere Open Semi-Sphere Tabel 2 Nilai gaya drag rotor (Fw) dan gaya gesekan Design Mt (kg) D (m) h (m) A (m2) va 5 1 2 3.29 2.32 0.45 0.52 0.3 0.36 0.135 0.1872 (m/s) 4.2 4.2 C(m) 0.135 0.2 f (Hz) 0.82 0.82 Vt(m3) 0.048 0.076 Mu(kg) 0.058 0.094 Fw (N) 1.940 2.690 fg (N) 3.227 2.276 Dari penelitian yang dilakukan pada rancangan turbin Savonius 1, tidak dapat berputar pada range kecepatan angin 1 – 4 m/s. Ini dapat dianalisa dengan menghitung gaya-gaya yang bekerja pada turbin. Pada table 2 diperoleh Fw dan fg. Fw – fg < 0 Gaya-gaya yang bekerja pada turbin lebih kecil daripada nol, sehingga turbin Savonius rancangan 1 tidak dapat berputar sebagaimana mestinya. Pada penelitian rancangan 2 turbin Savonius, dapat berputar. Hal ini karena gaya-gaya yang bekerja pada turbin Savonius lebih besar nol. Fw – fg > 0 Pada table 2 diperoleh nilai Fw = 2,690 N dan fg = 2,28 N. Dengan demikian turbin Savonius rancangan 2 dapat berputar pada range kecepatan angin yang memenuhi Fw> mg. Dengan turbin angin Savonius tidak ada masalah dari arah mana angin bertiup, karena angin akan selalu menuju ke arah mangkok terbuka pada sudu turbin angin Savonius dan memutar rotor turbin. Ini membuat desain turbin angin Savonius ideal untuk daerah dengan angin yang sangat turbulen. Berikut ini, disertakan sample data penelitian pada hari Senin tanggal 20 Oktober 2014. Tabel 3 Kecepatan angin dan frekuensi poros NO Waktu Kecepatan Angin (m/s) Frekuensi Poros (rpm) Min Max vaverage Min Max faverage 1 11:00 1.08 2.33 1.71 12.5 26.2 19.4 2 11:30 1.20 2.67 1.94 14.2 32.6 23.4 3 12:00 2.18 3.58 2.88 20.4 31.6 26.0 4 12:30 2.31 3.00 2.66 22.1 30.5 26.3 5 13:00 2.24 3.21 2.73 20.2 33.5 26.9 6 13:30 2.05 3.25 2.65 22.4 30.2 26.3 7 14:00 2.01 2.59 2.30 19.0 21.1 20.1 8 14:30 1.93 2.88 2.41 17.9 20.9 19.4 9 15:00 1.91 2.83 2.37 17.2 29.3 23.3 Tabel 4 Nilai tip speed ratio (TSR) NO Frekuensi Kecepatan rotasi Kecepatan turbin f (Hz) (rad/s) v = .r Waktu TSR 1 11:00 0.21 1.31 0.34 0.15 2 11:30 0.24 1.49 0.39 0.14 3 12:00 0.34 2.14 0.56 0.16 4 12:30 0.37 2.31 0.60 0.20 5 13:00 0.34 2.11 0.55 0.17 6 6 13:30 0.37 2.34 0.61 0.19 7 14:00 0.32 1.99 0.52 0.20 8 14:30 0.30 1.87 0.49 0.17 9 15:00 0.29 1.80 0.47 0.17 Laju turbin angin Savonius tidak dapat berputar lebin cepat daripada laju angin yang masuk, dengan demikian memiliki koefisien kecepatan atau tip speed ratio (TSR) kurang daripada 1. Ini artinya bahwa turbin angin sumbu vertical tipe Savonius akan berputar lambat tetapi membangkitkan torsi yang tinggi. Oleh karena itu, turbin Savonius tidak ideal untuk pembangkit listrik karena generator turbinnya memerlukan beberapa ratus sampai beberapa ribu rotasi per menitnya (RPM) untuk menghasilkan arus listrik dan voltage (beda tegangan) yang tinggi. Gearbox dapat digunakan untuk mengurangi torsi dan menaikkan RPM generator, akan tetapi sudu-sudu turbin Savonius memerlukan angin yang lebih kuat untuk memutarnya. Daya mekanik input adalah daya poros dalam generator. P = . P = daya mekanik (Watt) = torsi mekanik (Nm) = kecepatan rotasi (rad/s) Tabel 5 Daya Angin (Pa) dan Kecepatan Turbin (v) No Waktu vmax Pa=0,5Av3 fmin v = .r 1 11:00 2.33 1.45 12.5 0.34 2 11:30 2.67 2.18 14.2 0.39 3 12:00 3.58 5.26 20.4 0.56 4 12:30 3.00 3.10 22.1 0.60 5 13:00 3.21 3.79 20.2 0.55 6 13:30 3.25 3.94 22.4 0.61 7 14:00 2.59 1.99 19.0 0.52 8 14:30 2.88 2.74 17.9 0.49 9 15:00 2.83 2.60 17.2 0.47 Tabel 6 Nilai Torsi (), daya mekanik (P) dan koefisien daya (Cp) No Waktu a = 2.r F = m.a = F.r P = . Cp 1 11:00 0.45 1.03 0.27 0.35 0.24 2 11:30 0.57 1.33 0.35 0.51 0.24 3 12:00 1.19 2.75 0.72 1.53 0.29 4 12:30 1.39 3.23 0.84 1.94 0.63 5 13:00 1.16 2.70 0.70 1.48 0.39 6 13:30 1.43 3.32 0.86 2.02 0.51 7 14:00 1.03 2.39 0.62 1.23 0.62 8 14:30 0.91 2.12 0.55 1.03 0.38 9 15:00 0.84 1.95 0.51 0.92 0.35 Rasio antara daya mekanik dengan daya angin disebut koefisien daya (Cp). 7 Cp P Pa Koefisien daya secara langsung dihubungkan dengan efisisiensi global mesin angin. Powe Coefficient (Cp) October 20th, 2014 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 = Tip Speed Ratio (TSR) Gambar 3 Power Coefficient vs Tip Speed Ratio Gambar 3 menunjukkan daya koefisien (Cp), rasio daya aerodinamik turbin terhadap angin yang masuk pada tanggal 20 Oktober 2014, sebagai fungsi rasio kecepatan. Rasio kecepatan ini disebut koefisien kecepatan atau tip speed ratio (TSR) dan sama dengan perbandingan kecepatan turbin terhadap kecepatan angin. Rotor Savonius yang merupakan mesin angin sumbu vertical berputar lambat ( 1 ) mempunyai efisiensi kurang baik. Koefisien daya (Cp) yang mempunyai nilai yang mendekati nilai antara 0,15 sampai 0,20 adalah paling baik. Hubungan antara frekuensi listrik dari generator dan frekuensi mekanik dari putaran poros diberikan oleh persamaan : f m .N p fe 120 f e frekuensi listrik (Hz) = 60 Hz. f m laju mekanik medan magnet dalam RPM ( sama dengan laju rotor ). N p jumlah kutub magnet yang digunakan dalam penelitian = 6. Oleh karena itu, frekuensi mekanik dari perputaran poros harus dihasilkan oleh frekuensi rotor turbin dalam satuan rpm (rotasi per menit) sebanyak 1200 rpm. fm 120 f e 120 x60 1200 rpm Np 6 Dalam penelitian yang dilakukan, frekuensi mekanik perputaran poros dari turbin Savonius dua sudu terlalu kecil untuk menghasilkan daya generator listrik, agar supaya frekuensi listrik generator mencapai 50 – 60 Hz. Untuk melanjutkan penelitian ini untuk mendapatkan daya generator lebih tinggi, ukuran rotor dan ketinggian rotor harus dirubah pada nilai tertentu yang memungkinkan. Dan juga harus ditambah gearbox untuk menaikkan rotor Savonius. Untuk desain turbin dengan diameter rotor, D = 52 cm, dan ketinggian turbin, h = 104 cm, maka akan diperoleh luas sapuan turbin, A = D x h = 5408 cm2 = 0,5408 m2. Kecepatan angin, v = 3,21 m/s, akan mendapatkan daya angin : P = 0,5. ρ.A.v3 = (0,5).(1.225).(0,5408).(3,213) = 11 Watt. 8 Penerapan tenaga angin ke daya mekanik, yang dikonversikan ke generator listrik, digunakan data kecepatan angin maksimum. Hal ini dilakukan untuk menghidari terbakarnya generator listrik pada kecepatan angin maksimum. Apabila fluktuasi kecepatan angin tidak menentu, maka pemilihan daya maksimum generator listrik perlu dilengkapi alat pemutus arus mana kala kecepatan angin mencapai diluar daya kemampuan daya generator yang dipilih. KESIMPULAN 1. Gaya-gaya yang bekerja pada turbin Savonius rancangan 1 menghasilkan gaya rotor Fw = 1,94 N dan gaya gesekan poros fg = 3,23 N, berakibat Fw – fg < 0 sehingga turbin tidak dapat berputar pada kisaran angin 1 – 4 m/s. 2. Gaya-gaya yang bekerja pada turbin Savonius rancangan 2 menghasilkan gaya rotor Fw = 2,69 N dan gaya gesekan poros fg = 2,28 N, berakibat Fw – fg > 0 sehingga turbin dapat berputar pada kisaran angin 1 – 4 m/s. 3. Laju turbin angin Savonius tidak dapat berputar lebih cepat daripada kecepatan angin yang masuk. Ini ditandai dengan nilai TSR < 1. 4. Daya mekanik input dalam penelitian ini adalah daya poros dalam generator yang mempunyai nilai daya berkisar antara 0,4 – 2 Watt. 5. Dengan merubah luas sapuan turbin Savonius akan menambah pembangkitan daya dalam range daya yang diperlukan. Sedangkan untuk meningkatkan frekuensi mekanik generator diperlukan gearbox. REFERENSI Chapman Stephen J. 2005. Electric Machinery Fundamentas Fourth Edition. Includes index. ISBN 0-07- 246523-9. Published by McGraw-H ill. a business unit of The McGraw-Hill Companies. Inc., 1221 Avenue of the Americas, New York.<www.mhhe.com> [8/13/2014 12:30 PM]. Turner Lance. 2014. Making a simple Savonius wind turbine. <http://www.macarthurmusic.com/johnkwilson/MakingasimpleSavoniuswindturbine.htm>[10/ 27/2014 3:20 PM ]. Widodo, W.S., Chin, A.C., Haeryip Sihombing, And Yuhazri. 2012. Design And Analysis Of 5 Kw Savonius Rotor Blade. Faculty of Manufacturing Engineering Universiti Teknikal Malaysia Melaka Hang Tuah Jaya, 76100 Durian Tunggal, Melaka, Malaysia. < www.getview.org>[ 10/18/2014 10:00 PM]. Mohamed Hassan. 2010. Design Optimization of Savonius and Wells Turbines. Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades. Fakult Äatf Äur Verfahrens- und System technik der Otto-von-Guericke-Universit Äat Magdeburg, Germany. 9