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
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
|
Panjang
sudu sepanjang 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
|
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/
Gambar nya mana lan ???..hehehe
ReplyDeleteThis comment has been removed by the author.
ReplyDeleteboleh minta softnyo da, awak elektro unand 09
ReplyDeleteko gambarnya ga muncul ya kak?
ReplyDeleteboleh share ke email yogifrima@gmail.com
untuk referensi tugas,
makasih kak
knpa gambarnya ga muncul mas?
ReplyDeleteboleh share donk mas, eric.afrizals23@gmail.com
mennarik ini
Kak, boleh minta soft copynya lewat email buat referensi? saya elektro unsoed.
ReplyDeleteTidak bisa dijadikan sebagai refrernsi Tugas Akhir, byk yg harus di tambahkan disana.
ReplyDeleteuntuk diskus bisa hubungi lewat email :
rolan.siregar.90@gmail.com
Mantap lae
ReplyDeletepagi mas, boleh saya liat pembahasan ttg ini sebagai referensi sayaa? saya sedang menyusun tugas akhir. mohon bantuannya. terima kasihh.
ReplyDeletetolong di kirim ke email saya ya : ritaputriislamiyah@yahoo.com