Rabu, 23 Mei 2012

Rancangan Pembangkit Listrik Tenaga Angin


RANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN
VERTICAL AXIS  WIND TURBIN (VAWT) TIPE DARRIEUS’ DENGAN KAPASITAS 20.000 WATT





Disusun Oleh :
      ROLAN SIREGAR                0810912069




JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS ANDALAS
PADANG, 2011






KATA PENGANTAR
Puji dan Syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa yang telah memberikan Rahmat dan karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah ini dengan judul “Rancangan Pembangkit Listrik Tenaga Angin ‘Vertical Axis Wind Turbin (VAWT’ Tipe Darrieus dengan kapasitas 20.000 Watt)”.
Terimakasih kami  ucapkan kepada Bapak Dr. –ing. Uyung Gatot. S. Dinata  yang telah memberikan materi, arahan,  serta saran dalam penyelesaian makalah ini dan kepada semua rekan – rekan mahasiswa di Jurusan Teknik Mesin Universitas Andalas yang telah memberikan dukungan dan semangat sehingga makalah ini dapat selesai dengan baik.
Penulis sangat berharap karya ilmiah  ini dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan  dan menjadi motivasi diri menjadi orang yang berprestasi dalam dunia kerja. Dan apabila ada kekurangan dalam karya ilmiah ini terlebih dahulu penulis mohon maaf yang sebesar-besarnya, penulis juga  menerima kritikan dan saran sebagai perbaikan kedepannya.


Padang, 5  Desember 2011


   Penulis



I.   PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Salah satu cara untuk mengatasi krisis energi adalah dengan cara pengembangan energy baru dan terbarukan, salah satunya  yaitu  energy angin yang bisa dimanfaatkan menjadi pembangkit listrik. Pembangkit listrik tenaga angin sangat cocok digunakan di Indonesia yang memiliki banyak daerah-daerah terpencil dan beri-ribu pulau kecil yang di huni oleh masyarkat atau yang dijadikan sebagai tempat wisata namun masih sulit dijangkau oleh listrik yang disediakan oleh negara atau Perusahaan Listrik Negara (PLN), sehingga pembangkit listrik tenaga angin dengan kelebihannya sangat dibutuhkan untuk memenuhi kebutuhan masyarakat tersebut.
Pembangkit listrik tenaga angin memiliki dua tipe menurut posisi porosnya,yaitu horizontal axis wind turbine (HAWT) atau turbin angin poros horizontal dan yang kedua yaitu vertical Axis Wind Turbin (VAWT) atau turbin angin poros vertical. Dalam makalah ini yang dikembangkan adalah tipe turbin angin sumbu vertical (VAWT) sebagai cara untuk memenuhi kebutuhan listrik sebesar 20.000 watt.
1.2. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian yang akan dilaksanakan ini adalah :
1.      Merancang sebuah pembangkit listrrik tenaga angin tipe Vertical Axis Wind Turbin (VAWT) spesifikasi darrieus untuk kapasitas listrik 20.000 watt
1.3.  Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat berguna bagi pengembangan ilmu mahasiswa di bidang perancangan teknik. Juga sebagai acuan bagi sipembaca untuk membuat suatu usaha di bidang keteknikan.


1.4. Lingkup Penelitian                    
Penelitian ini mencakup langkah-langkah perancangan, konsep perncangan, Spesifikasi masalah, defenisi komponen, tata letak komponen, analisis/hitungan, perkiraan biaya, optimasi perancangan dan desain akhir.
























II.    TINJAUAN PUSTAKA

2.1     Energi Angin
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 angin berbanding lurus dengan kerapatan udara, dan kecepatan angin kubik, seperti diungkapkan dengan persamaan :
Add caption
Dimana :
P          =  Daya mekanik (Watt)
Cp       =  Maximum power coefficient (0,25 – 0,45) 
r          = Massa jenis udara (kg/m3)
v          =  Kecepatan angin (m/s)
r           =  jari-jari turbin  (m)
Dari persamaan  di atas dapat disimpulkan bahwa daya listrik yang dihasilkan sebuah kincir angin dipengaruhi oleh kecepatan angin dan luas daerah sapuan kincir. Sehingga semakin besar nilai kedua variabel tersebut maka semakin besar daya listrik yang dihasilkan. Daya angin maksimum yang dapat keluarkan oleh turbin angin dengan luas sapuan rotor A adalah,
Konstanta 16/27 (=59.3%) ini disebut batas Betz (Betz limit). Angka ini secara teori menunjukkan efisiensi maksimum yang dapat  dicapai oleh rotor turbin angin tipe sumbu horisontal. Pada kenyataannya karena ada rugi-rugi gesekan dan kerugian di ujung sudu, efisiensi aerodinamik dari rotor, η rotor ini akan lebih kecil lagi yaitu berkisar pada harga maksimum 0.45 saja untuk sudu yang dirancang dengan sangat baik untuk turbin darrieus tipr vertical.
2.2     Karakteristik Angin
Beberapa hal penting mengenai karakteristik angin yang perlu kita ketahui adalah Massa Jenis Angin.
Definisi dari density atau massa jenis angin  adalah massa dari suatu fluida dalam satu satuan volume, atau ρ= m/v, lain, yaitu T (temperature) dan S (salinity: untuk kasus air laut). Kenaikan T memberikan kontribusi penurunan kerapatan pada sebuah boundary sistem yang seragam. Kerapatan udara kering yang diambil sebagai konstanta pada perhitungan daya keluaran sebuah pembangkit listrik tenaga angin adalah 1,225 kg/m3.
2.3   Komponen Vertical Axis Wind Turbine (VAWT)
a.      Tipe Blade
Bentuk umum dari Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) yang dapat membangkitkan energi listrik pada generator adalah :
Karakteristik dari turbin jenis ini adalah : Turbin angin berporos tegak
Contoh  VAWT yaitu savonius darierus panemone.
Prinsip aerodinamika : gaya drag 
Kincir angin savonius memiliki banyak kelebihan ,
Konstruksinya yang sederhana
Karakteristik starting yang cepat
Mampu menerima angin dari segala arah sehingga tidak perlu membutuhkan pengarah
Mempunyai jumlah sudu berbeda-beda ( 2, 3, 4 dan 6 )






 



                                               


(a)                                                                                                                    (b)
Tipe Blade (a) Darrieus Vertical Axis Wind Turbine (b) Savonius Vertical Axis Wind Turbine .   Masing-masing tipe yang disebutkan diatas masih dibagi kedalam model sudu/blade yang lebih spesifik. Untuk mendesign wind turbin ini perlu diperhatikan tentang bentuk dan jumlah blade yang digunakan, bentuk dari blade itu juga tergantung dari karakteristik angin di suatu tempat, ketika sudah diketahui karakteristik angin ini baru kemudian dapat ditentukan bentuk sudu/blade mana yang akan dipakai. Penjelasan mengenai pembagian dari tipe turbin dapat dilihat pada keterangan berikut ini :  


 


           













Gambar : Vertical axis wind turbine

b.      Main Shaft (Poros Utama)
Adalah poros yang digunakan untuk mentransmisikan power mekanik putaran sudu/blade ke bagian gear-box.   Berikut adalah perhitungan untuk menentukan shaft speed dan gaya torsinya.
Dan

λ      = Tip speed ratio
v     = kecepatan angin dalam m/s 
p     = 3.14
D    = diameter blade (m)
r     = jari-jari blade (m)  






 


                                   
           
Gambar : Poros Utama

c.       Hub
Merupakan bagian yang menjadi penghubung antara rangkaian sudu/blade dengan main shaft/poros utama.   



 





                                               
Gambar : Hub
2.4  Penelitian Yang Relevan
Berdasarkan yang telah dilakuakn oleh Arief Pajar Prasetya, ST. Pada tahun 2008 tentang Uji Performansi Vertical Axis Wind Turbine Tiga dan Lima Blade didapatkan kesimpulan :
1.      Performansi terbaik pada kecepatan angin yang relatif tinggi yaitu 6m/s adalah dengan menggunakan 5 blade dengan sudut 15º dengan kemampuan berputar vertical axis wind turbine bisa mencapai sekitar 50.5 kali putaran dalam 1 menit.


III.             METODOLOGI PERANCANGAN

3.1     Konsep Perancangan
Adapaun konsep perancangan yang dilakukan adalah :
1.      Membangun pembangkit listrik terbaharui untuk mengatasi krisis sumber energy fosil
2.      Membangun pembangkit listrik yang lebih optimum untuk daerah-daerah terpencil yang jauh dari sumber energy listrik seperti PLN
Pembangkit listrik terbaharui yang salah satunya adalah pembangkit listrik tenaga angin. Pembangkit listrik tenaga angin secara garis besar di bagi menjadi dua berdasarkan posisi poros utamanya yaitu turbin angin dengan poros horizontal atau Horizontal Axil Wind Turbin (HAWT) dan turbin angin dengan poros vertical atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT).
Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) ini juga memilki beberapa tipe yaitu darrieus dan savoinus, turbin yang kita rancang adalah tipe darrieus.
Turbin darrieus juga memiliki 3 tipe yaitu:
1.      Giromil
·         Menggunakan vertical blade dan horizontal support
·         Memerlukan angin dengan kecepatan tinggi untuk melakukan start
·         Cocok digunakan dalam keadaan angin yang turbulen

 




2.      Helical Turbine
·         Menggunakan 3 buah blade dengan helical twist 600 berbentuk seperti struktur DNA
·         Mampu mengurangi beban akibat torsi (pulsating torque) saat berputar  meminimalisasi keausan pada shaft bearing
3.      Cycloturbine
·         Merupakan variasi dari turbin giromill dengan vertical blade yang dapat diatur orientasinya
·         Memiliki kemampuan untuk self-starting
Dalam masalah ini tipe turbin darries yang dirancang adalah tipe giromil.


3.2     Spesifikasi design
Energi Listrik Yang dibutuhkan sebesar  20.000 Watt atau setara dengan 20 kW.
Jika rumah penduduk dipasoki energy listrik sebesar 900 watt maka akan terpenuhi kira-kira 20 rumah, sangat cocok diguanakan untuk daerah-daerah terpencil.
3.3  Defenisi Komponen
Komponen-komponen yang dibutuhkan dalam pembangkit ini adalah :
  TURBIN ANGIN DARIEUS  - tipe  Giromil
                        * Rotor
                        * Hub
                        * Poros utama
                        * Sistem pengereman
                        * dan pendukung lainnya
  GEAR BOX
Gear box digunakan untuk mentransmisikan daya dari poros utama ke poros generator.
  GENERATOR
Generator digunakan untuk mengubah energy mekanik menjadi energy listrik
  BANGUNAN SIPIL
Yaitu bangunan pendukung untuk sebuah pembangkit
3.4  Tata Letak
            Berikut adalah letak komponen dari system tersebut dan lokasi pembangkit listrik yang dirancang.
Peta diatas menunjukan besar potensi angin di Indonesia, bisa kita lihat bahwa daerah yang memiliki kecepatan angin yang significan adalah pulau bali dengan kecepatan angin 6,0 – 6.6 m/s, pulau bali dipilih sebagai lokasi pembangkit listrik tenaga angin.
Berikut disajikan peletakan komponen komponen penyusun:



 











 


3. 5 Analisis
Secara garis besar hal-hal yang perlu diperhatikan dalam perancanagan ini adalah :
1.      Kecepatan angin rata-rata
Keceptan angin rata-rata di bali adalah 6.5 m/s.
Dari kecepatan angin secara teori kita bisa menghitung daya yaitu :
Diketahui :
Daya teorical P =  20. 000 Watt
Maximum power coefficient Cp  = 0,45
Massa jenis udara r = 1.17 kg/m3
            Kecepatan angin v  = 6.5 m/s
Ditanya :
            Jari rotor =   ??
Penyelesaian
20.000 W = ½ . 0.45. 1.17 . 6.53 . 3.14. r2
r2  = 88,10
 r = 9.38 m
maka secaraa teori panjang jari-jari rotor adalah 9.38 meter.

2.      Tsr  (Tip speed ratio) disimbolkan  
Jika λ kecil maka  torsi yang dihasilkan  besar
Diketahui :
Jumlah balade B = 5
Ditanya Tip speed ratio λ =   ??
Penyelesaian:
λ = 4
 
3.      Poros utama (main shaft)
Adalah poros yang digunakan untuk mentransmisikan power mekanik putaran sudu/blade ke bagian gear-box yang akan diteruskan ke generator dan dari torsi yang dihasilkan kita bisa mendapatkan daya secara praktek dengan persamaan:
P = T . w
Dimana :
P = daya nmekanik
T = torsi
w = kecepatan putar sudu
Diketahui  :
P = 20.000 watt
λ      = 4
v     = 6.5 m/s
p     = 3.14
w    = 50 rpm = 0,833 rps = 5.23 Hz
*didapatkan dari hasil pengujian (teori relevan)*
Ditanya :
r  =    ??
Penyelsaian:
P = T . w
20.000 w = T . 5.23 Hz
T = 3824 N.m

Maka :
r = 7,126 m
d = 14,25 m
maka dapat disimpulkan bahwa jari-jari sudu yang dibutuhkan untuk menhghasilkan daya sebesar 20 kw adalah 7, 126 meter.

4.      Geometri sudu dan rotor
yang diperhatikan adalah dimensi dan massa yang bertujuan untuk menghasilkan kecepatan sudu turbin
        
Gambar : Tipe straigt blade

Gambar : rotor dilihat dari atas
 

Panjang sudu sepanjang 5 m


5 m
 



5.      Jumlah sudu
Uji Performansi Vertical Axis Wind Turbine oleh Arief Pajar Prasetya, ST pada tahun 2008 bahwa performansi terbaik pada kecepatan angin yang relatif tinggi yaitu 6m/s adalah dengan menggunakan 5 blade dengan sudut 15º dengan kemampuan berputar vertical axis wind turbine bisa mencapai sekitar 50.5 kali putaran dalam 1 menit.


6.      Solidity
Yaitu  perbandingan luas sudu dengan  luas lintasan sudu
Jika solidity tinggi maka  torsi tinggi yang akan menghasiljan  daya besar
3. 6. Perkiraan Biaya
Pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Angin  kapasitas 1 MW dibutuhkan biaya sebesar  US $ 3,5 Juta (sekitar 35 milyar rupiah).
Maka  untuk membangun Pembangkit Listrik Tenaga Angin  dengan kapasitas 20kW dibutuhkan biaya sekisar Rp  700 juta.
        

3.7 Optimasi

      14,25 m
 
Dari biaya untuk membangun pembangkit listrik ini bisa dakategorikan cukup murah dibandingkan dengan pemasukan yang didapatkan, maka rancangan ini layak untuk dibangun.
3.8              Desain Akhir



 

















IV.             KESIMPULAN
Dari hasil perancanagan diatas maka dapat disimpulkan bahwa:
1.      Diameter rotor turbin yang dibutuhkan adalah 14, 25 meter
2.      Pembangkit ini dibangun di Bali yang memiliki kecepatan angin sebesar 6.5 m/s



           












DAFTAR PUSTAKA
Afifuddin, Moch. Arif. 2010. Studi Eksperimental Performansi Vettical Axis Wind Turbine (VAWT) Dengan Variasi Desain Turbin.  Surabaya: Fakultas Teknik ITS

Syahroni, dkk. 2008. Kincir Angin Vertikal Sebagai Pembangkit Listrik di Pulau-Pulau Kecil. Bogor : Institut Teknologi Bogor

Matilda, dkk. 2006. Petunjuk Pemasangan dan Pengembangan Sistem pembangkit Listrik Tenaga Angin. Yogyakarta : UGM
http://konversi.wordpress.com/2009/03/01/dampak-lingkungan-pembangkit-listrik-tenaga-angin/

4 komentar:

  1. Gambar nya mana lan ???..hehehe

    BalasHapus
  2. Komentar ini telah dihapus oleh penulis.

    BalasHapus
  3. boleh minta softnyo da, awak elektro unand 09

    BalasHapus
  4. ko gambarnya ga muncul ya kak?
    boleh share ke email yogifrima@gmail.com
    untuk referensi tugas,
    makasih kak

    BalasHapus