Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin M (1)
Paper ID : 021
Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Menggunakan Kincir Angin Sumbu Vertikal
untuk Beban Rumah Tinggal
Mochammad Machmud Rifadil1), Era Purwanto2),Arman Jaya3), Gigih Prabowo4)
1,2,3,4)
SI
T
IA
Rumah tinggal yang akan digunakan untuk kincir
angin berada di daerah pedesaan, dimana di daerah
pedesaan hanya beberapa rumah yang sedikit
mendapat pasokan tenaga listrik dari PLN. Karena
biaya untuk infrastruktur listrik ini sangat besar atau
mahal, sehingga tidak merata di seluruh pedesaan.
Selain itu, permasalahan utama yang tengah
dihadapi oleh pemerintah dibidang kelistrikan oleh
PLN adalah biaya energi per-KWH semakin tinggi
dikarenakan subsidi BBM untuk pembangkit listrik
dihapus dan subsidi untuk PLN berkurang. Saat ini,
persediaan BBM semakin berkurang dan polusi udara
semakin besar. Untuk mengantisipasi ketersediaan
BBM yang semakin berkurang, dan pemerataan
pembangunan di bidang listrik khususnya untuk
rumah tinggal di pedesaan.
Di Indonesia, banyak energi terbarukan dari alam
yang belum dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik.
Salah satu energi terbarukan yang memungkinkan
adalah angin. Angin terdapat dimana-mana, mudah
didapat,
mudah
dikonversikan
serta
tidak
membutuhkan biaya operasional yang tinggi. Untuk
memanfaatkan angin diperlukan rancangan kincir
angin dengan sumbu vertikal sebagai sistem sederhana
pembangkit listrik.
Kincir angin dengan sumbu vertikal sebagai sistem
sedehana pembangkit listrik ini ditempatkan pada
daerah pedesaan dikarenakan lokasi antar rumah yang
saling berjauhan. Jarak antar rumah yang berjauhan ini
bisa menghasilkan energi angin yang lebih besar jika
dibandingkan dengan jarak antar rumah yang saling
berdekatan.
Penggunaan energi angin dapat meringankan PLN
dan biaya operasional yang dikeluarkan lebih sedikit
atau bahkan tidak ada sama sekali. Oleh karena itu
pembangkit listrik tenaga angin ini perlu dibuat dan
diterapkan di masyarakat.
Energy listrik tidak bisa dihasilkan secara langsung
oleh alam, untuk itu dalam memanfaatkan angin
diperlukan sebuah alat yang bekerja dan menghasilkan
energi listrik. Alat yang dapat digunakan adalah kincir
angin jenis poros atau sumbu vertical dengan metode
mesh. Keuntungan jenis kincir angin sumbu vertical
adalah tidak terpengaruh arah angin, serangga tidak
mempengaruhi efisiensi energi angin, dan kecepatan
putar yang tinggi.
EE
PI
SIT
S
Abstract -Permasalahan utama yang dihadapi bidang
listrik terutama untuk beban rumah tinggal di
pedesaan adalah tidak ada pemerataan listrik dari
pln, dikarenakan sarana infrastruktur yang tidak
memadai dan biaya operasional yang besar, biaya
energi per-kwh semakin tinggi, subsidi bbm dari
pemerintah untuk pembangkit listrik dihapus dan
subsidi untuk pln berkurang.
Oleh karena itu, suatu sistem pembangkit listrik
tenaga angin (splta) menggunakan kincir angin sumbu
vertikal dengan memanfaatkan angin untuk menyuplai
beban
listrik
rumah
tinggaldi
daerah
pedesaan.Dengan splta ini diharapkan dapat
mensuplai beban listrik dirumah tinggal dan
membantu pihak pln dalam pemerataan listrik
dipedesaan. Hasil penelitian didapatkan potensi daya
kincir tertinggi pertama dari empat buah kincir angin
adalah kincir diameter 60cm 36sudu sebesar
63,65Watt didapatkan saat kecepatan angin 1.45 m/s
putaran kincir pada poros 229RPM pada torsi sebesar
7.19 Nm. Potensi daya kincir tertinggi ke dua dari 4
kincir angin adalah kincir diameter 80 cm 36 sudu
sebesar 41.12 Watt didapatkan saat kecepatan angin
1.29 m/s putaran kincir pada poros 205.30RPM pada
torsi sebesar 6.44 Nm.
20
13
Prodi Teknik Elektro Industri, Dept.Teknik Elektro, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
1,2,3,4)
Kampus ITS Keputih Sukolilo, Surabaya, 60111
Telp : (031) 5947280, Fax : (031) 5946114
E-mail : 1)mmrifadil@eepis-its.edu, 2)era@eepis-its.edu, 3)arman@eepis-its.edu,4)gigih@eepis-its.edu
2M
R
Keywords :RPM, Watt, torsi
I.
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kincir angin yang sering dipakai oleh berbagai
negara di dunia adalah menggunakan kincir angin
sumbu horizontal. Akan tetapi, kincir angin sumbu
horizontal selalu mengalami banyak masalah dalam
arah putaran, kecepatan putar, gangguan serangga,
efisiensi energi dan daya yang dibangkitkan. Arah
angin tidak bisa dijamin satu arah karena tergantung
pada kondisi alam. Perubahan dari siang dan malam
banyak hewan serangga yang keluar dari tempat asal
dan hampir seluruh hewan serangga ini bertubrukan di
kincir angin dan bangkai serangga menempel di sudusudu kincir angin sehingga terjadinya penurunan daya
50% menurut penelitian Gustave P. Corten, Herman
F. Veldkamp [1].
51
TINJAUAN PUSTAKA
2M
R
20
13
Penelitian yang diusulkan dalam proposal ini pada
prinsipnya akan mencoba mengembangkan rancang
bangun kincir angin sumbu vertikal sebagai sistem
pembangkit listrik tenaga angin untuk beban listrik
rumah tinggal. Bidang penelitian ini dalam bidang
mesin listrik yang terdiri dari kincir angin, generator,
pemodelan steady state maupun dinamik, karakteristik,
pemodelan dan simulasi.
Penelitian ini difokuskan pada pemodelan kincir
angin sumbu vertikal sebagai pembangkit listrik
tenaga angin untuk beban rumah tinggal. Sementara
ini, pengembangan sistem kontrol untuk menjaga
kestabilan energi listrik pada keluaran generator baik
konvensional maupun intelligentbelum dilakukan.
EE
PI
SIT
• Gustave P. Corten, Herman F. Veldkamp “Insect can
halve wind turbine power, penelitian ini dilakukan di
daerah california dimana operator pembangkit listrik
tenaga angin belajar dari pengalaman bahwa pada
umumnya selalu ada masalah pada disisi kincir dan
turbin angin pada saat pergantian posisi waktu yaitu
terjadi banyak hewan serangga yang menempel di
kincir angin dan turbin sehingga putarannya tidak
normal atau terjadi hambatan putaran dari putaran
normal”. Nature Vol. 412, 15 July 2001,
www.nature.com [1].
• Agus Ariwibowo, “Karakteristik Aerodinamika
Savonius bersudu banyak dengan Metode
Pergeseran Mesh, Metode pergeseran mesh pada
aerodinamika savonius ini disimulasikan dengan
menggunakan software CFD Fluent 6.2 untuk kincir
savonius sudu 2,3,4, dan 6 dengan kecepatan aliran 5
m/s dan perputaran 3 RPM. Hasil simulasi
menunjukkan bahwa semakin banyak bertambahnya
jumlah sudu akan mengakibatkan terjadinya saling
reduksi gaya positif dan negative antara satu sudu
dengan sudu lainnya, serta mengakibatkan
performasi akan menurun selling dengan
pertambahan jumlah sudu”. Jurnal Teknologi
Dirgantara Vol. 4 No. 1 Juni 2006 : 39-46 [2].
• F. Blaabjerg, Z. Chen, R. Teodorescu, F. Lov,
“Power Electronics in Wind Turbine Systems, di
dalam paper ini menjelaskan tentang sumber energy
terbarukan tentang angin dimana focus di bidang
elektronika daya dalam bidang pengisian atau
menghasilkan sumber daya listrik pada sistem energi
kincir angin” IEEE 1-4244-0449-5/06 2006 [3].
• R. Bharanikumar, A. Nirmal Kumar, “Analysis of
Wind Turbin Driven PM Generator with Power
Convertes, di dalam paper ini menjelaskan tentang
analisa turbin angin sebagai penggerak generator
magnet permanent dengan mengkonversi daya
suplai” International Journal of Computer and
METODE PENELITIAN
IA
II.
III.
SI
T
1.2 Rumusan Masalah
Didasari oleh latar belakang yang telah dipaparkan
di atas, maka perumusan masalah dalam penelitian ini
dikelompokkan sebagai berikut :
a. Mengklasifikasikan kecepatan angin di daerah
yang akan dipasang kincir angin.
b. Desain kincir angin sumbu vertikal.
c. Pemodelan desain kincir angin sumbu vertikal
dengan memperhatikan sistem aerodinamis.
d. Pemodelan desain sistem pembangkit listrik
tenaga angin menggunakan kincir angin sumbu
vertikal untuk beban rumah tinggal.
Electrical Engineering, Vol. 2, No. 4, August, 2010,
1 793-8163 [4].
• Y. Daryanto, “Kajian Potensi Angin untuk
Pembangkit listrik Tenaga Bayu, di dalam paper ini
menjelaskan tentang potensi energy angin meliputi
pengukuran data angin, analisa potensi angin,
sumber daya energy angin, teknologi turbin angin”,
Balai PPTAGG-UPT-LAGG, Yogyakarta, 5 april
2007[5].
• M. Ragleb, “Theory of Wind Machines, Betz
Equation, di dalam paper ini menjelaskan tentang
teori untuk turbin angin dengan metode persamaan
Betz”, America, 2/10/2010[6].
S
Memperhatikan semua permasalahan tersebut,
maka pada penelitian ini adalah menghasilkan desain
kincir angin untuk mengetahui kecepatan angin,
kecepatan kincir, torsi poros kincir serta potensi daya
pada poros kincir.
Gambar 1. Roadmap Penelitian SPLTA Vertikal
Dari gambar 1 dapat dijelaskan bahwa penelitian
mengenai rancang bangun kincir angin sumbu vertikal
sebagai pembangkit listrik tenaga angin pada beban
rumah tinggal. Dalam road map Green Energy
Transportatioan and Application (GET-A), penelitian
ini termasuk dalam bidang mesin listrik yang terdiri
dari generator DC, generator AC, pemodelan steady
state maupun dinamik, karakteristik, pemodelan dan
simulasi.
3.1 Desain Kincir Angin
52
Gambar 2. Desain Kincir Angin sumbu vertikal
Jumlah Kincir ada 4 buah meliputi :
1. Kincir D:60; N:18 sudu; TS: 44 cm
2. Kincir D:60; N:36 sudu; TS: 44 cm
3. Kincir D:80; N:18 sudu; TS: 48 cm
4. Kincir D:80; N:36 sudu; TS: 48 cm
Dimana :
D:diameter
N:jumlah sudu
TS:tinggi sudu
P=
1
2
ρAV 3 [Watt/m ]………………..…… (4)
2
Daya angin maksimum yang dapat diekstrak oleh
turbin angin dengan luas sapuan rotor A adalah
P=
16 1
2
⋅ ρAV 3 [Watt/m ]…………..……. (5)
27 2
Angka
16
(= 59,3%) ini disebut dengan batas
27
3.2Blok Diagram Sistem
Ek = W =
20
13
Bets (Betz limit, diambil dari ilmuan Jerman Albert
Betz).
Energi kinetic angin adalah energy yang dimiliki
suatu benda akibat gerakan dapat dinyatakan dengan
rumus :
1
mV 2 [Watt]………..………… (6)
2
2M
R
EE
PI
SIT
S
3.3 Analisa Angin dan Desain Kincir Angin Sumbu
Vertikal
Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan
udara yang lebih tinggi ke tekanan udara yang lebih
rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh
perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfir yang
tidak merata oleh sinar matahari. Karena bergerak
angin memiliki energi kinetik. Energi angin dapat
dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain
seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan
kincir atau turbin angin. Oleh karena itu, kincir atau
turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi
Energi Angin (SKEA).
Daya adalah energi per satuan waktu.Dan untuk
mengetahui suatu energy yang dibangkitkan oleh
angin selama perjam dapat dinyatakan dengan
persamaan berikut :
W=Pxt [Watt]……………………………….(1)
Untuk mengetahui daya atau energy yang
dikeluarkan oleh alternator berdasarkan kecepatan
angin dan diameter baling-baling (telah diketahui dan
diameter 60 cm) dapat dinyatakan dengan rumus :
SI
T
IA
Angin yang menggerakkan sudu merupakan udara
yang bergerak dan mempunyai massa, sehingga
dinyatakan dengan rumus :
Ek = W = ρ × A × d [Watt]….….…………
(7)
Dalam
mendesain
kincir
angin
harus
mempertimbangkan berapa besar daya yang
dibutuhkan, kemudian kecepatan angin, dan yaitu
berapa jumlah blade yang harus digunakan, hal
pertama yang diperhatikan dalam desain kincir angin
adalah TSR (TipSpeedRatio) atau perbandingan
kecepatan ditiap kincir angin (ujung) dan kecepatan
angin yang didapat oleh kincir.
Menghitung TSR (λ ) dapat menggunakan
persamaan :
SpeedofRotorTip v ω r 2π nr ….. (8)
TSR(λ ) =
= =
=
P=
1 3 2 [Watt]……………………….(2)
V D
12
Daya angin berbanding lurus dengan kerapatan
udara, dan kubik kecepatan angin.dapat dinyatakan
dengan rumus :
P=
1
2
ρV 3 [Watt/m ]……………..………. (3)
2
Dimana:
P : Daya ouput (Watt),
3
ρ : kerapatan udara 1.1726 kg/m ,
V : kecepatan angin (m/s)
t : satuan waktu (s)
A : luas penampang (m2)
Energi yang dimiliki oleh angin dapat dinyatakan
dengan rumus :
53
WindSpeed
V
V
V
Dimana :
V
: Kecepatan angin(m/s)
v = ω r : Kecepatan putar rotor(m/s)
r
: jari-jari rotor(m)
ω = 2π f : rotasi putaran kincir angin(radian/sec)
f
: frekuensi rotasi(Hz), (sec-1)
n
: putaran poros kincir tiap detik (rps)
asumsi : f = n
Torsi dari sebuah kincir angin dapat dihitung
menggunakan persamaan :
V 2 R3
TORQUE = 2 = F .r = m.a ……………….
λ
(9)
Dimana :
V
: Kecepatan angin(m/s)
R=r
: Jari-jari rotor(m)
F:
: gaya pada poros akibat puntiran(N)
m
: massa pengimbang(kg)
a
: percepatan gravitasi(m/s)
Persamaan untuk menghitung potensi daya kincir
(Pk):
Pk = Torque x ω = Torque x 2π n ………… (10)
= V 4R
Dimana :
Pk
: Daya kincir(Watt)
IA
20
13
Torque : besarnya torsi(Nm)
n
: putaran poros(rps)
TSRmempengaruhikecepatanputarankincir(RPM).
HubunganTSRdengankecepatanyaitu:Kecepatanpadap
orosShaftspeed(SS)
60λv [RPM]…………………………. (11)
SS =
πD
Dimana :
D : Diameter Rotor (m)
Diameter suatu rotor kincir angin dapat pula
diperoleh melalui sebuah perhitungan. Persamaan
untuk menghitung diameter suatu rotor kincir angin
yaitu :
D = ( P × ( 47 λ × RPM ) 3 ) 0.2 ……………… (12)
Dimana :
Power : Daya output generator(Watt)
RPM : Kecepatan putar generator(RPM)
Untuk menentukan jumlah blade yang digunakan,
dapat digunakan persamaan :
SI
T
B = 80 / λ2 ………………………………. (13)
Persamaan untuk menghitung sudut blade (β ):
β = anti tan(2 R / 3rλ ) − Φ ……..…… (14)
HASIL PENGUJIAN
No
Kecepatan
(RPM)
60/18
Torsi
(Nm)
97.1
75.8
47.4
129
163.2
142.1
123.7
111.19
3.00
2.40
1.48
4.05
5.12
4.46
3.88
3.48
Kecepatan
(RPM)
80/18
Torsi
(Nm)
113.2
115.8
160.6
81.6
126.3
94.8
26.3
102.66
3.55
3.63
5.04
2.56
3.96
2.97
0.82
3.22
2M
R
1
2
3
4
5
6
7
Rata2
No
1
2
3
4
5
6
7
Rata2
Gambar 3. Kurva kecepatan putar, torsi dan potensi
daya pada masing-masing kincir angin sumbu vertikal
Pada gambar 3 menjelaskan tentang kurva kecepatan
putar kincir beserta sumber tegangan terhadap
banyaknya data sampling baik antara kincir diameter
60 cm 18 sudu, kincir diameter 60 cm 36 sudu, kincir
diameter 80 cm 18 sudu, kincir diameter 80 cm 36
sudu.
EE
PI
SIT
Hasil data pengujian sistem pembangkit listrik
tenaga angin menggunakan kincir angin sumbu
vertikal untuk beban rumah tinggal didapatkan data
berupa kecepatan kincir angin dengan berbagai macam
dimensi, torsi yang dihasilkan oleh putaran kincir dan
potensi daya yang dibangkitkan dapat dilihat pada
tabel 1.
S
IV.
Potensi
Daya
(W)
2.06
0.76
0.11
6.41
16.42
9.43
5.41
5.80
Kecepatan
(RPM)
60/36
Torsi
(Nm)
100
60.5
105.3
229
144.8
202.7
173.7
145.14
3.14
1.89
3.30
7.19
4.54
6.36
5.45
4.55
Potensi
Daya
(W)
3.80
4.16
15.39
1.02
5.89
1.86
0.01
4.59
Kecepatan
(RPM)
80/36
Torsi
(Nm)
60.5
62.4
64
110.5
65.8
205.3
126.3
99.26
1.89
1.95
2.00
3.46
2.06
6.44
3.96
3.11
Potensi
Daya
(W)
2.31
0.31
2.84
63.65
10.17
39.07
21.07
19.92
Potensi
Daya
(W)
0.31
0.35
0.38
3.45
0.43
41.12
5.89
7.42
Dari data tabel 1. Didapatkan kurva karakteristik
kecepatan putar kincir angin sumbu vertikal dengan
berbagai tipe ukuran diameter dan banyaknya jumlah
sudu seperti pada gambar 3.
V.
KESIMPULAN
Dari pengujian model kincir angin yang telah
dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan :
1. Potensi daya kincir tertinggi dari 4 kincir
angin adalah kincir diameter 60 cm 36 sudu
sebesar 63,65 Watt didapatkan saat kecepatan
angin 1.45 m/s putaran kincir pada poros 229
RPMpada torsi sebesar 7.19 Nm.
2. Potensi daya kincir tertinggi ke dua dari 4
kincir angin adalah kincir diameter 80 cm 36
sudu sebesar 41,12Watt didapatkan saat
kecepatan angin 1.29 m/s putaran kincir pada
poros 205 RPM pada torsi sebesar 6.44 Nm.
3. Semakin kecil diameter disertai semakin
banyak jumlah sudu maka semakin besar
kecepatan putar poros kincir, semakin kecil
torsi kincir serta potensi daya (Pk) yang
dihasilkan pada poros kincir juga semakin
besar.
54
2M
R
EE
PI
SIT
20
13
IA
SI
T
S
DAFTAR PUSTAKA
[1] Gustave P. Corten, Herman F. Veldkamp“Insect
can halve wind turbine power”, Nature Vol. 412,
15 July 2001,www.nature.com.
[2] Agus Ariwibowo, “Karakteristik Aerodinamika
Savonius bersudu banyak dengan Metode
Pergeseran Mesh”, Jurnal Teknologi Dirgantara
Vol. 4 No. 1 Juni 2006:39-46.F. Blaabjerg, Z.
Chen, R. Teodorescu, F. Lov, “Power Electronics
in Wind Turbine Systems”, IEEE 1-4244-04495/06 2006.
[3] Goran Wall, “Renewable Energi Wind Power”,
Hogskolan Lgavle 30/09/2008.
[4] R. Bharanikumar, A. Nirmal Kumar, “Analysis of
Wind Turbin Driven PM Generator with Power
Convertes”, International Journal of Computer and
Electrical Engineering, Vol. 2, No. 4, August,
2010, 1 793-8163.
[5] Y. Daryanto, “Kajian Potensi Angin untuk
Pembangkit listrik Tenaga Bayu”, Balai PPTAGGUPT-LAGG, Yogyakarta, 5 april 2007
[6] M. Ragleb, “Theory of Wind Machines, Betz
Equation”, America, 2/10/2010.
55
Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Menggunakan Kincir Angin Sumbu Vertikal
untuk Beban Rumah Tinggal
Mochammad Machmud Rifadil1), Era Purwanto2),Arman Jaya3), Gigih Prabowo4)
1,2,3,4)
SI
T
IA
Rumah tinggal yang akan digunakan untuk kincir
angin berada di daerah pedesaan, dimana di daerah
pedesaan hanya beberapa rumah yang sedikit
mendapat pasokan tenaga listrik dari PLN. Karena
biaya untuk infrastruktur listrik ini sangat besar atau
mahal, sehingga tidak merata di seluruh pedesaan.
Selain itu, permasalahan utama yang tengah
dihadapi oleh pemerintah dibidang kelistrikan oleh
PLN adalah biaya energi per-KWH semakin tinggi
dikarenakan subsidi BBM untuk pembangkit listrik
dihapus dan subsidi untuk PLN berkurang. Saat ini,
persediaan BBM semakin berkurang dan polusi udara
semakin besar. Untuk mengantisipasi ketersediaan
BBM yang semakin berkurang, dan pemerataan
pembangunan di bidang listrik khususnya untuk
rumah tinggal di pedesaan.
Di Indonesia, banyak energi terbarukan dari alam
yang belum dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik.
Salah satu energi terbarukan yang memungkinkan
adalah angin. Angin terdapat dimana-mana, mudah
didapat,
mudah
dikonversikan
serta
tidak
membutuhkan biaya operasional yang tinggi. Untuk
memanfaatkan angin diperlukan rancangan kincir
angin dengan sumbu vertikal sebagai sistem sederhana
pembangkit listrik.
Kincir angin dengan sumbu vertikal sebagai sistem
sedehana pembangkit listrik ini ditempatkan pada
daerah pedesaan dikarenakan lokasi antar rumah yang
saling berjauhan. Jarak antar rumah yang berjauhan ini
bisa menghasilkan energi angin yang lebih besar jika
dibandingkan dengan jarak antar rumah yang saling
berdekatan.
Penggunaan energi angin dapat meringankan PLN
dan biaya operasional yang dikeluarkan lebih sedikit
atau bahkan tidak ada sama sekali. Oleh karena itu
pembangkit listrik tenaga angin ini perlu dibuat dan
diterapkan di masyarakat.
Energy listrik tidak bisa dihasilkan secara langsung
oleh alam, untuk itu dalam memanfaatkan angin
diperlukan sebuah alat yang bekerja dan menghasilkan
energi listrik. Alat yang dapat digunakan adalah kincir
angin jenis poros atau sumbu vertical dengan metode
mesh. Keuntungan jenis kincir angin sumbu vertical
adalah tidak terpengaruh arah angin, serangga tidak
mempengaruhi efisiensi energi angin, dan kecepatan
putar yang tinggi.
EE
PI
SIT
S
Abstract -Permasalahan utama yang dihadapi bidang
listrik terutama untuk beban rumah tinggal di
pedesaan adalah tidak ada pemerataan listrik dari
pln, dikarenakan sarana infrastruktur yang tidak
memadai dan biaya operasional yang besar, biaya
energi per-kwh semakin tinggi, subsidi bbm dari
pemerintah untuk pembangkit listrik dihapus dan
subsidi untuk pln berkurang.
Oleh karena itu, suatu sistem pembangkit listrik
tenaga angin (splta) menggunakan kincir angin sumbu
vertikal dengan memanfaatkan angin untuk menyuplai
beban
listrik
rumah
tinggaldi
daerah
pedesaan.Dengan splta ini diharapkan dapat
mensuplai beban listrik dirumah tinggal dan
membantu pihak pln dalam pemerataan listrik
dipedesaan. Hasil penelitian didapatkan potensi daya
kincir tertinggi pertama dari empat buah kincir angin
adalah kincir diameter 60cm 36sudu sebesar
63,65Watt didapatkan saat kecepatan angin 1.45 m/s
putaran kincir pada poros 229RPM pada torsi sebesar
7.19 Nm. Potensi daya kincir tertinggi ke dua dari 4
kincir angin adalah kincir diameter 80 cm 36 sudu
sebesar 41.12 Watt didapatkan saat kecepatan angin
1.29 m/s putaran kincir pada poros 205.30RPM pada
torsi sebesar 6.44 Nm.
20
13
Prodi Teknik Elektro Industri, Dept.Teknik Elektro, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
1,2,3,4)
Kampus ITS Keputih Sukolilo, Surabaya, 60111
Telp : (031) 5947280, Fax : (031) 5946114
E-mail : 1)mmrifadil@eepis-its.edu, 2)era@eepis-its.edu, 3)arman@eepis-its.edu,4)gigih@eepis-its.edu
2M
R
Keywords :RPM, Watt, torsi
I.
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kincir angin yang sering dipakai oleh berbagai
negara di dunia adalah menggunakan kincir angin
sumbu horizontal. Akan tetapi, kincir angin sumbu
horizontal selalu mengalami banyak masalah dalam
arah putaran, kecepatan putar, gangguan serangga,
efisiensi energi dan daya yang dibangkitkan. Arah
angin tidak bisa dijamin satu arah karena tergantung
pada kondisi alam. Perubahan dari siang dan malam
banyak hewan serangga yang keluar dari tempat asal
dan hampir seluruh hewan serangga ini bertubrukan di
kincir angin dan bangkai serangga menempel di sudusudu kincir angin sehingga terjadinya penurunan daya
50% menurut penelitian Gustave P. Corten, Herman
F. Veldkamp [1].
51
TINJAUAN PUSTAKA
2M
R
20
13
Penelitian yang diusulkan dalam proposal ini pada
prinsipnya akan mencoba mengembangkan rancang
bangun kincir angin sumbu vertikal sebagai sistem
pembangkit listrik tenaga angin untuk beban listrik
rumah tinggal. Bidang penelitian ini dalam bidang
mesin listrik yang terdiri dari kincir angin, generator,
pemodelan steady state maupun dinamik, karakteristik,
pemodelan dan simulasi.
Penelitian ini difokuskan pada pemodelan kincir
angin sumbu vertikal sebagai pembangkit listrik
tenaga angin untuk beban rumah tinggal. Sementara
ini, pengembangan sistem kontrol untuk menjaga
kestabilan energi listrik pada keluaran generator baik
konvensional maupun intelligentbelum dilakukan.
EE
PI
SIT
• Gustave P. Corten, Herman F. Veldkamp “Insect can
halve wind turbine power, penelitian ini dilakukan di
daerah california dimana operator pembangkit listrik
tenaga angin belajar dari pengalaman bahwa pada
umumnya selalu ada masalah pada disisi kincir dan
turbin angin pada saat pergantian posisi waktu yaitu
terjadi banyak hewan serangga yang menempel di
kincir angin dan turbin sehingga putarannya tidak
normal atau terjadi hambatan putaran dari putaran
normal”. Nature Vol. 412, 15 July 2001,
www.nature.com [1].
• Agus Ariwibowo, “Karakteristik Aerodinamika
Savonius bersudu banyak dengan Metode
Pergeseran Mesh, Metode pergeseran mesh pada
aerodinamika savonius ini disimulasikan dengan
menggunakan software CFD Fluent 6.2 untuk kincir
savonius sudu 2,3,4, dan 6 dengan kecepatan aliran 5
m/s dan perputaran 3 RPM. Hasil simulasi
menunjukkan bahwa semakin banyak bertambahnya
jumlah sudu akan mengakibatkan terjadinya saling
reduksi gaya positif dan negative antara satu sudu
dengan sudu lainnya, serta mengakibatkan
performasi akan menurun selling dengan
pertambahan jumlah sudu”. Jurnal Teknologi
Dirgantara Vol. 4 No. 1 Juni 2006 : 39-46 [2].
• F. Blaabjerg, Z. Chen, R. Teodorescu, F. Lov,
“Power Electronics in Wind Turbine Systems, di
dalam paper ini menjelaskan tentang sumber energy
terbarukan tentang angin dimana focus di bidang
elektronika daya dalam bidang pengisian atau
menghasilkan sumber daya listrik pada sistem energi
kincir angin” IEEE 1-4244-0449-5/06 2006 [3].
• R. Bharanikumar, A. Nirmal Kumar, “Analysis of
Wind Turbin Driven PM Generator with Power
Convertes, di dalam paper ini menjelaskan tentang
analisa turbin angin sebagai penggerak generator
magnet permanent dengan mengkonversi daya
suplai” International Journal of Computer and
METODE PENELITIAN
IA
II.
III.
SI
T
1.2 Rumusan Masalah
Didasari oleh latar belakang yang telah dipaparkan
di atas, maka perumusan masalah dalam penelitian ini
dikelompokkan sebagai berikut :
a. Mengklasifikasikan kecepatan angin di daerah
yang akan dipasang kincir angin.
b. Desain kincir angin sumbu vertikal.
c. Pemodelan desain kincir angin sumbu vertikal
dengan memperhatikan sistem aerodinamis.
d. Pemodelan desain sistem pembangkit listrik
tenaga angin menggunakan kincir angin sumbu
vertikal untuk beban rumah tinggal.
Electrical Engineering, Vol. 2, No. 4, August, 2010,
1 793-8163 [4].
• Y. Daryanto, “Kajian Potensi Angin untuk
Pembangkit listrik Tenaga Bayu, di dalam paper ini
menjelaskan tentang potensi energy angin meliputi
pengukuran data angin, analisa potensi angin,
sumber daya energy angin, teknologi turbin angin”,
Balai PPTAGG-UPT-LAGG, Yogyakarta, 5 april
2007[5].
• M. Ragleb, “Theory of Wind Machines, Betz
Equation, di dalam paper ini menjelaskan tentang
teori untuk turbin angin dengan metode persamaan
Betz”, America, 2/10/2010[6].
S
Memperhatikan semua permasalahan tersebut,
maka pada penelitian ini adalah menghasilkan desain
kincir angin untuk mengetahui kecepatan angin,
kecepatan kincir, torsi poros kincir serta potensi daya
pada poros kincir.
Gambar 1. Roadmap Penelitian SPLTA Vertikal
Dari gambar 1 dapat dijelaskan bahwa penelitian
mengenai rancang bangun kincir angin sumbu vertikal
sebagai pembangkit listrik tenaga angin pada beban
rumah tinggal. Dalam road map Green Energy
Transportatioan and Application (GET-A), penelitian
ini termasuk dalam bidang mesin listrik yang terdiri
dari generator DC, generator AC, pemodelan steady
state maupun dinamik, karakteristik, pemodelan dan
simulasi.
3.1 Desain Kincir Angin
52
Gambar 2. Desain Kincir Angin sumbu vertikal
Jumlah Kincir ada 4 buah meliputi :
1. Kincir D:60; N:18 sudu; TS: 44 cm
2. Kincir D:60; N:36 sudu; TS: 44 cm
3. Kincir D:80; N:18 sudu; TS: 48 cm
4. Kincir D:80; N:36 sudu; TS: 48 cm
Dimana :
D:diameter
N:jumlah sudu
TS:tinggi sudu
P=
1
2
ρAV 3 [Watt/m ]………………..…… (4)
2
Daya angin maksimum yang dapat diekstrak oleh
turbin angin dengan luas sapuan rotor A adalah
P=
16 1
2
⋅ ρAV 3 [Watt/m ]…………..……. (5)
27 2
Angka
16
(= 59,3%) ini disebut dengan batas
27
3.2Blok Diagram Sistem
Ek = W =
20
13
Bets (Betz limit, diambil dari ilmuan Jerman Albert
Betz).
Energi kinetic angin adalah energy yang dimiliki
suatu benda akibat gerakan dapat dinyatakan dengan
rumus :
1
mV 2 [Watt]………..………… (6)
2
2M
R
EE
PI
SIT
S
3.3 Analisa Angin dan Desain Kincir Angin Sumbu
Vertikal
Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan
udara yang lebih tinggi ke tekanan udara yang lebih
rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh
perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfir yang
tidak merata oleh sinar matahari. Karena bergerak
angin memiliki energi kinetik. Energi angin dapat
dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain
seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan
kincir atau turbin angin. Oleh karena itu, kincir atau
turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi
Energi Angin (SKEA).
Daya adalah energi per satuan waktu.Dan untuk
mengetahui suatu energy yang dibangkitkan oleh
angin selama perjam dapat dinyatakan dengan
persamaan berikut :
W=Pxt [Watt]……………………………….(1)
Untuk mengetahui daya atau energy yang
dikeluarkan oleh alternator berdasarkan kecepatan
angin dan diameter baling-baling (telah diketahui dan
diameter 60 cm) dapat dinyatakan dengan rumus :
SI
T
IA
Angin yang menggerakkan sudu merupakan udara
yang bergerak dan mempunyai massa, sehingga
dinyatakan dengan rumus :
Ek = W = ρ × A × d [Watt]….….…………
(7)
Dalam
mendesain
kincir
angin
harus
mempertimbangkan berapa besar daya yang
dibutuhkan, kemudian kecepatan angin, dan yaitu
berapa jumlah blade yang harus digunakan, hal
pertama yang diperhatikan dalam desain kincir angin
adalah TSR (TipSpeedRatio) atau perbandingan
kecepatan ditiap kincir angin (ujung) dan kecepatan
angin yang didapat oleh kincir.
Menghitung TSR (λ ) dapat menggunakan
persamaan :
SpeedofRotorTip v ω r 2π nr ….. (8)
TSR(λ ) =
= =
=
P=
1 3 2 [Watt]……………………….(2)
V D
12
Daya angin berbanding lurus dengan kerapatan
udara, dan kubik kecepatan angin.dapat dinyatakan
dengan rumus :
P=
1
2
ρV 3 [Watt/m ]……………..………. (3)
2
Dimana:
P : Daya ouput (Watt),
3
ρ : kerapatan udara 1.1726 kg/m ,
V : kecepatan angin (m/s)
t : satuan waktu (s)
A : luas penampang (m2)
Energi yang dimiliki oleh angin dapat dinyatakan
dengan rumus :
53
WindSpeed
V
V
V
Dimana :
V
: Kecepatan angin(m/s)
v = ω r : Kecepatan putar rotor(m/s)
r
: jari-jari rotor(m)
ω = 2π f : rotasi putaran kincir angin(radian/sec)
f
: frekuensi rotasi(Hz), (sec-1)
n
: putaran poros kincir tiap detik (rps)
asumsi : f = n
Torsi dari sebuah kincir angin dapat dihitung
menggunakan persamaan :
V 2 R3
TORQUE = 2 = F .r = m.a ……………….
λ
(9)
Dimana :
V
: Kecepatan angin(m/s)
R=r
: Jari-jari rotor(m)
F:
: gaya pada poros akibat puntiran(N)
m
: massa pengimbang(kg)
a
: percepatan gravitasi(m/s)
Persamaan untuk menghitung potensi daya kincir
(Pk):
Pk = Torque x ω = Torque x 2π n ………… (10)
= V 4R
Dimana :
Pk
: Daya kincir(Watt)
IA
20
13
Torque : besarnya torsi(Nm)
n
: putaran poros(rps)
TSRmempengaruhikecepatanputarankincir(RPM).
HubunganTSRdengankecepatanyaitu:Kecepatanpadap
orosShaftspeed(SS)
60λv [RPM]…………………………. (11)
SS =
πD
Dimana :
D : Diameter Rotor (m)
Diameter suatu rotor kincir angin dapat pula
diperoleh melalui sebuah perhitungan. Persamaan
untuk menghitung diameter suatu rotor kincir angin
yaitu :
D = ( P × ( 47 λ × RPM ) 3 ) 0.2 ……………… (12)
Dimana :
Power : Daya output generator(Watt)
RPM : Kecepatan putar generator(RPM)
Untuk menentukan jumlah blade yang digunakan,
dapat digunakan persamaan :
SI
T
B = 80 / λ2 ………………………………. (13)
Persamaan untuk menghitung sudut blade (β ):
β = anti tan(2 R / 3rλ ) − Φ ……..…… (14)
HASIL PENGUJIAN
No
Kecepatan
(RPM)
60/18
Torsi
(Nm)
97.1
75.8
47.4
129
163.2
142.1
123.7
111.19
3.00
2.40
1.48
4.05
5.12
4.46
3.88
3.48
Kecepatan
(RPM)
80/18
Torsi
(Nm)
113.2
115.8
160.6
81.6
126.3
94.8
26.3
102.66
3.55
3.63
5.04
2.56
3.96
2.97
0.82
3.22
2M
R
1
2
3
4
5
6
7
Rata2
No
1
2
3
4
5
6
7
Rata2
Gambar 3. Kurva kecepatan putar, torsi dan potensi
daya pada masing-masing kincir angin sumbu vertikal
Pada gambar 3 menjelaskan tentang kurva kecepatan
putar kincir beserta sumber tegangan terhadap
banyaknya data sampling baik antara kincir diameter
60 cm 18 sudu, kincir diameter 60 cm 36 sudu, kincir
diameter 80 cm 18 sudu, kincir diameter 80 cm 36
sudu.
EE
PI
SIT
Hasil data pengujian sistem pembangkit listrik
tenaga angin menggunakan kincir angin sumbu
vertikal untuk beban rumah tinggal didapatkan data
berupa kecepatan kincir angin dengan berbagai macam
dimensi, torsi yang dihasilkan oleh putaran kincir dan
potensi daya yang dibangkitkan dapat dilihat pada
tabel 1.
S
IV.
Potensi
Daya
(W)
2.06
0.76
0.11
6.41
16.42
9.43
5.41
5.80
Kecepatan
(RPM)
60/36
Torsi
(Nm)
100
60.5
105.3
229
144.8
202.7
173.7
145.14
3.14
1.89
3.30
7.19
4.54
6.36
5.45
4.55
Potensi
Daya
(W)
3.80
4.16
15.39
1.02
5.89
1.86
0.01
4.59
Kecepatan
(RPM)
80/36
Torsi
(Nm)
60.5
62.4
64
110.5
65.8
205.3
126.3
99.26
1.89
1.95
2.00
3.46
2.06
6.44
3.96
3.11
Potensi
Daya
(W)
2.31
0.31
2.84
63.65
10.17
39.07
21.07
19.92
Potensi
Daya
(W)
0.31
0.35
0.38
3.45
0.43
41.12
5.89
7.42
Dari data tabel 1. Didapatkan kurva karakteristik
kecepatan putar kincir angin sumbu vertikal dengan
berbagai tipe ukuran diameter dan banyaknya jumlah
sudu seperti pada gambar 3.
V.
KESIMPULAN
Dari pengujian model kincir angin yang telah
dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan :
1. Potensi daya kincir tertinggi dari 4 kincir
angin adalah kincir diameter 60 cm 36 sudu
sebesar 63,65 Watt didapatkan saat kecepatan
angin 1.45 m/s putaran kincir pada poros 229
RPMpada torsi sebesar 7.19 Nm.
2. Potensi daya kincir tertinggi ke dua dari 4
kincir angin adalah kincir diameter 80 cm 36
sudu sebesar 41,12Watt didapatkan saat
kecepatan angin 1.29 m/s putaran kincir pada
poros 205 RPM pada torsi sebesar 6.44 Nm.
3. Semakin kecil diameter disertai semakin
banyak jumlah sudu maka semakin besar
kecepatan putar poros kincir, semakin kecil
torsi kincir serta potensi daya (Pk) yang
dihasilkan pada poros kincir juga semakin
besar.
54
2M
R
EE
PI
SIT
20
13
IA
SI
T
S
DAFTAR PUSTAKA
[1] Gustave P. Corten, Herman F. Veldkamp“Insect
can halve wind turbine power”, Nature Vol. 412,
15 July 2001,www.nature.com.
[2] Agus Ariwibowo, “Karakteristik Aerodinamika
Savonius bersudu banyak dengan Metode
Pergeseran Mesh”, Jurnal Teknologi Dirgantara
Vol. 4 No. 1 Juni 2006:39-46.F. Blaabjerg, Z.
Chen, R. Teodorescu, F. Lov, “Power Electronics
in Wind Turbine Systems”, IEEE 1-4244-04495/06 2006.
[3] Goran Wall, “Renewable Energi Wind Power”,
Hogskolan Lgavle 30/09/2008.
[4] R. Bharanikumar, A. Nirmal Kumar, “Analysis of
Wind Turbin Driven PM Generator with Power
Convertes”, International Journal of Computer and
Electrical Engineering, Vol. 2, No. 4, August,
2010, 1 793-8163.
[5] Y. Daryanto, “Kajian Potensi Angin untuk
Pembangkit listrik Tenaga Bayu”, Balai PPTAGGUPT-LAGG, Yogyakarta, 5 april 2007
[6] M. Ragleb, “Theory of Wind Machines, Betz
Equation”, America, 2/10/2010.
55