DESAIN PROTOTIPE PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN DENGAN TURBIN HORISONTAL DAN GENERATOR MAGNET PERMANEN TIPE AXIAL KECEPATAN RENDAH Hasyim Asy ari 1, Aris Budiman 2, Wahyu Setiyawan 3 1,2,3) Jurusan Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan Kartasura - Surakarta E-mail: asy_98ari@yahoo.com ABSTRAK Pembangkit listrik yang beroperasi di Indonesia secara umum didominasi dengan pembangkit yang energi primernya diperoleh dari batubara, termasuk proyek percepatan pembangunan pembangkit listrik berkapasitas 10.000 MW. Hal ini perlu perhatian khusus dan antisipasi sebelumnya mengingat batubara merupakan bahan yang tergolong tidak terbarukan atau proses untuk mendapatkan batubara membutuhkan ratusan tahun. Salah satu perhatian yang dilakukan oleh pemerintah yaitu pembangunan pembangkit listrik tenaga panas bumi dan mendorong kepada para praktisi dan akademisi untuk mengkaji potensi-potensi lain yang sifatnya terbarukan, misalnya potensi angin, cahaya matahari. Tujuan penelitian adalah mendesain sebuah prototype pembangkit listrik tenaga angin dengan tipe turbin horizontal dan generator magnet permanen tipe axial kecepatan rendah. Metode penelitian adalah mendesain turbin tipe horizontal dan generator magnet permanen tipe axial yang memiliki kecepatan putar dengan range 750 1000 rpm. Turbin angin tipe horizontal yang digunakan memiliki 3 blade dari bahan fiber glass dengan panjang 75 cm, gear box yang digunakan 1 : 1.2. Desain generator yang digunakan adalah generator satu fasa dengan 10 magnet permanen pada rotor dan belitan dengan diameter 0.3 mm pada stator dengan total belitan adalah 160. Pengujian dilakukan di area bendungan pembangkit listrik tenaga air di Wonogiri dengan potensi kecepatan angin antara 3 m/s 5.6 m/s. Hasil pengujian prototype pembangkit listrik tenaga angin menunjukkan bahwa pada kecepatan angin tertinggi yaitu 5.6 m/s dan keluaran dari generator tersebut adalah tegangan 95 volt dan arus 4.8 ma, pada kondisi tersebut sistem menunjukkan bahwa terjadi proses pengisian pada accumulator yang digunakan. Kata Kunci: Generator Magnet Permanent, Kecepatan Angin, Energi Terbarukan, Kincir Angin PENDAHULUAN Peningkatan kebutuhan energi listrik terjadi akibat tingginya pertumbuhan jumlah penduduk, hal ini tidak seimbang dengan peningkatan penyediaan tenaga listrik. Masyarakat Indonesia tergantung pada pasokan listrik PLN, tidak hanya untuk kebutuhan penerangan tetapi juga untuk mendukung kegiatan ekonomi. Kurangnya kapasitas pembangkitan disbanding permintaan menimbulkan pemadaman aliran listrik oleh PLN, terutama pada saat beban puncak. Kebutuhan energi listrik yang terus meningkat, maka diperlukan penambahan pembangkit, salah satu cara untuk memenuhi permintaan energy listrik oleh masyarakat adalah dengan pembangunan proyek 10.000 MW. Pembangunan pembangkit membutuhkan waktu yang lama. Para perencana sistem juga harus dapat melihat kemungkinan-kemungkinan perkembangan sistem tenaga listrik di tahun yang akan datang. Pembangkit listrik yang dimiliki oleh PLN secara umum menggunakan energi yang tidak terbaharui, contoh : batubara, BBM. Hal tersebut mendorong dan bertujuan untuk melakukan pengkajian pemanfaatan potensi alam untuk pembangkit listrik yang bersifat terbarukan (renewable energy) seperti PLTMh (Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro) dan PLTB (Pembangkit Listrik Tenaga Bayu) adalah pembangkit tenaga listrik dengan sumber energi terbarukan. Pengembangan PLTMh sangat cocok untuk daerah terpencil atau pedesaan yang pada umumnya masih banyak terdapat sumber daya air terutama daerah yang masih banyak ditumbuhi pepohonan. PLTB atau Pembanglit Listrik Tenaga Angin sagat cocok untuk daerah pesisir pantai yang mempunyai kecepatan angin tinggi. PLTB mempunyai keuntungan utama karena sifatnya terbarukan. Hal ini berarti eksploitasi sumber energi ini tidak akan membuat sumber daya angin yang berkurang seperti halnya penggunaan bahan bakar fosil. B-42
Penelitian analisis teknis sudu kincir angin tipe sumbu horizontal dari bahan fibreglass, menunjukkan bahwa tenaga yang dihasilkan oleh kincir angin berkisar antara 0.037 Hp sampai 0.053 Hp (Desriansya, 2006). Pemanfaatan alternator mobil sebagai pembangkit ;listrik tenaga angin. oleh Tegangan rata-rata yang dikeluarkan alternator mobil selama satu jam menghasilkan tegangan sebesar 10.64 volt. Tegangan keluaran sebesar 9.1 volt sampai dengan 12.1 Volt, kemudian dengan tegangan ini mampu untuk menghidupkan beban lampu 12 volt/21 watt selama ± 1.9 jam (Setiono Puji, 2006). Penggunaan turbin angin horizontal dengan 3 bilah dan diameter 2 meter yang terbuat dari bahan PVC 8 dim dan kecepatan angin 4,4 m/s di daerah Selo boyolali, sistem yang memanfaatkan generator sinkron yang ditempatkan di atas gedung lantai 2 mampu mengahsilkan daya rata-rata 36,3 watt (Hasyim Asy ari, 2010) Penggunaan kincir angin tipe horizontal dilakukan pengujian di daerah pantai dengan kecepatan angin 4,1 m/s sistem tersebut baru mampu menghasilkan energy, terlihat dari parameter mampu mencharger ke accumulator atau storage (Jatmiko, 2010). Generator magnet permanen tiga phase pada 1000 rpm menghasilkan tegangan keluaran 38 volt dan arus 114,1 ma antar phase. Pengukuran tegangan dan arus pada kecepatan 1000 RPM dengan phase nol mempunyai tegangan keluaran 20 volt dan arus 83,1 ma. Penelitian ini menghasilkan tengangan keluaran dan arus yang berbeda untuk pengukuran antara phase nol dan antar phase dengan beban yang berbeda (Hasyim Asy ari, 2012). Mengingat potensi kecepatan angin yang ada di Indonesia terutama wilayah Jawa Tengah terkategori kecepatan rendah sehingga perlu diperthiungkan penggunaan generator kecepatan rendah sehingga mampu mengoptimalkan potensi kecepatan angin tersebut. Penelitian ini bertujuan untuk mendesain sebuah prototype pembangkit listrik tenaga angin dengan menggunakan turbin angin jenis horizontal dan generator (satu phase) magnet permanen tipe axial kecepatan rendah. Desain turbin, banyak jenis mesin turbin yang telah dikembangkan, tetapi secara garis besar dapat dibedakan menjadi dua tipe, yaitu: 1. HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) HAWT mempunyai ciri sumbu putar turbin sejajar terhadap tanah. Turbin jenis ini paling banyak dikembangkan di berbagai negara. Cocok dipakai untuk menghasilkan listrik. Terdiri dari dua tipe yaitu mesin upwind dan mesin downwind. a) Mesin upwind: rotor berhadapan dengan angin. Rotor didesain tidak fleksibel, dan diperlukan mekanisme yaw untuk menjaga rotor agar tetap berhadapan dengan angin. b) Mesin downwind: rotor ditempatkan di belakang tower. Rotor dapat dibuat lebih fleksibel, lebih ringan daripada mesin upwind. Kelemahannya adalah bahwa angin harus melewati tower terlebih dulu sebelum sampai pada rotor, sehingga menambah beban (fatigue load) pada turbin. 2. VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) VAWT memiliki ciri sumbu putar vertikal terhadap tanah. Turbin jenis ini jarang dipakai untuk turbin komersial. Rotornya berputar relatif pelan ( < 100 rpm), tetapi memiliki momen gaya yang kuat, sehingga dapat dipakai untuk menggiling biji bijian, pompa air, tetapi tidak cocok untuk menghasilkan listrik (di atas 1000 rpm cocok untuk menghasilkan listrik). Sebenarnya dapat dipakai gearbox untuk menaikkan kecepatan putarnya, tetapi efisiensinya turun dan mesin sulit untuk dimulai. VAWT terdiri dua tipe, yaitu: a) Tipe dorong (Savonius) Terjadi bila TSR<1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya dorong, Seperti pada mangkuk anemometer. Memiliki bentuk yang bervariasi, seperti ember, dayung, layar, tangki. Rotornya ber-bentuk, kecepatan maksimum blade yang dihasilkan hampir sama dengan kecepatan angin. Ujung blade tidak pernah bergerak lebih cepat daripada kecepatan angin. B-43
b) Tipe angkat (Darrieus) Terjadi bila TSR>1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya angkat, Seperti pada turbin Darrius. Masing-masing blade memperlihatkan momen gaya angkat maksimum hanya dua kali setiap putaran dan daya keluarannya berbentuk sinusoida. Ukuran blade relatif besar dan tinggi, sehingga menimbulkan getaran. Biasanya memakai dua atau tiga blade. Turbin jenis ini menghasilkan lebih banyak daya output dan memiliki efisien tinggi. 2. Energi Angin, sebuah turbin angin mendapatkan tenaga masukan dengan cara mengubah gaya angin menjadi torsi (gaya putar) yang beraksi pada sudu rotor. Jumlah energi yang ditransferkan angin ke rotor tergantung pada berat jenis angin, luasan rotor dan kecepatan angin. Berdasarkan hukum newton II tentang gerak, sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan tertentu akan mempunyai energi kinetik sebesar: Ek = 0.5 m V² (1) Jumlah massa dengan berat jenis ρ yang melewati suatu alasan A dalam satuan waktu ditunjukkan pada persamaan 2. m = ρ A v Persaman 2 dapat ditulis menjadi: Ek = 0.5 ρ A v³ (3) dengan : Ek = daya kinetik angin (watt); m = massa udara (kg); ρ = berat jenis udara (kg/m³) A = luasan udara (m²); v = kecepatan angin (m/s) Energi kinetik angin sebanding dengan berat jenis udara (massa per volume). Semakin besar berat jenis udara, makin besar energi yang dikandungnya. Berat jenis udara pada tekanan normal, suhu 150C adalah sebesar 1.225 kg/m 3 berat jenis dipengaruhi oleh tekanan udara, suhu, kelembaban dan ketinggian. Berat jenis akan turun jika, kelembapan naik, suhu naik, tekanan turun dan semakin tinggi lokasi. Kecepatan angin merupakan komponen yang sangat menentukan terhadap energi yang akan dihasilakan. Berdasar persamaan tersebut dapat dikatakan bahwa besar energi angin yang melewati suatu luasan A akan sebanding dengan pangkat tiga kecepatan angin (m/s). Jika kecepatan angin dikalikan dua, maka energi yang dikandungnya akan menjadi delapan kali energi semula (2³ = 8). Perbedaan suhu di permukaan bumi di karenakan penyinaran matahari ke bumi dan peredaran bumi terhadap matahari. Oleh karena itu adanya angin pada suatu wilayah tergantung perbedaan suhu, sehingga dapat dikatakan secara periodik angin di suatu wilayah dibagkitkan kembali selama ada perbedaan suhu oleh penyinaran matahari. Atas dasar hal tersebut angin dapat di katakan sebagai sumber daya energi terbarukan. Energi yang dibangkitkan oleh angin selama perjam dapat dinyatakan dengan persaman 4. dengan : W W = P. t (4) = energi (watt jam); P = daya (watt); t = waktu (detik) (2) 3. Generator Magnet Permanen (PGM), mesin listrik pada dasarnya adalah suatu peralatan yang digunakan untuk konversi energi, yaitu dari energi mekanik menjadi energi listrik, energi listrik menjadi energi mekanik, atau dari energi listrik ke energi listrik dalam level tegangan yang lain. B-44
Fungsi ini sangat erat kaitannya dengan medan magnet sebagai medium dalam proses pengubahan energi. Generator sinkron (alternator) adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga phase atau generator sinkron satu phase tergantung dari kebutuhan. Secara garis besar, generator memiliki 2 komponen utama yaitu stator dan rotor yang menentukan jenis dan karakteristik generator. Rotor terbuat dari besi karbon yang ditempatkan magnet permanen (NdFeB) pada permukaannya. Rotor generator diputar oleh prime mover menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini menginduksi tegangan tiga phase pada kumparan stator generator. METODE Penelitian diawali dengan mendesain generator magnet permanen satu phase kecepatan rendah dengan menggunkan 10 magnet permanen dan mendesain prototype pembangkit listrik tenaga angin dengan turbin angin jenis horizontal yang terdiri dari 3 baling atau blade, baling tersebut terbuat dari bahan fibreglass. Pengujian dilakukan di daerah waduk gajah mungkur Wonogiri, peralatan yang digunakan dalam pengujian ini adalah anemometer, PMG, fiberglass sebagai turbin angin, gear box dengan perbandingan 1:1,2 accumulator sebagai media penyimpan muatan atau energy listrik yang dihasilkan. Proses jalannya penelitian ditunjukkan pada diagram alir penelitian, diagram alir penelitian secara detail ditunjukkan pada gambar 1. Gambar 1. Diagram Alir Penelitian. B-45
PEMBAHASAN Hasil pengujian lapangan ditunjukkan pada tabel 1. dan 2, wind energy atau pembangkit listrik tenaga angin pada saat menggunakan 3 bilah. No Waktu (jam ke-) Tabel 1 Hasil pengujian wind energy dengan 3 bilah hari 1 Kecepatan Angin (m/s) Generator (rpm) Tegangan Gen. (volt) Arus Gen. (ma) Lampu Indikator Pengisian 1 18:07 4,2 492 65 3,3 Menyala 2 18:09 3,0 438 50 2,5 Menyala 3 18:10 2,0 270 20 1,0 Tidak Menyala 4 18:13 3,7 473 55 2,8 Menyala 5 18:15 4,0 480 59 3,0 Menyala 6 18:16 3,2 455 53 2,7 Menyala 7 18:16 2,8 388 43 2,2 Menyala 8 18:17 4,6 585 75 3,8 Menyala 9 18:18 2,5 358 32 1,6 Menyala 10 18:19 2,3 330 25 1,3 Tidak menyala No Waktu (jam ke-) Tabel 2 Hasil pengujian wind energy dengan 3 bilah pada hari 2 Kec. Angin (m/s) Putaran Gen. (rpm) Tegangan Gen. (volt) Arus Gen. (ma) Lampu Indikator Pengisian 1 17:15 3,5 443 50 2,5 Menyala 2 17:15 4,4 510 66 3,3 Menyala 3 17:17 4,3 495 64 3,2 Menyala 4 17:20 5,2 621 77 3,9 Menyala 5 17:20 4,7 585 75 3,8 Menyala 6 17:23 4,9 592 76 3,8 Menyala 7 17:26 5,3 645 85 4,3 Menyala 8 17:29 3,6 462 53 2,7 Menyala 9 17:31 5,6 685 95 4,8 Menyala 10 17:35 2,4 341 30 1,5 Tidak menyala Pada Tabel 1 dan Tebel 2 bahwa kecepatan angin tertinggi terjadi pada pengujian hari kedua pukul 17.31 dengan kecepatan angin 5,6. Kecepatan angin tersebut mengakibatkan kecepatan putar generator magnet permanen mencapai 685 rpm tegangan keluaran generator magnet permanen 95 volt dengan arus 4,8 mampere. Pada saat pengujian lampu indikator menunjukkan menyala, hal ini memberikan informasi bahwa pada waktu tersebut terjadi pengisian muatan atau energi listrik ke accumulator. Lampu indikator menunjukkan tidak menyala terjadi sebanyak 3 kali yaitu pada saat kecepatan angin 2,3 m/s dan 2,0 pada hari pertama dan 2,4 m/s pada hari kedua, sehingga memberikan gambaran pada saat kecepatan angin diatas 2,5 m/s sistem akan mengisi accumulator secara otomatis. KESIMPULAN Dari uraian hasil pengujian dan analisa maka dapat disimpulkan bahwa seperangkat wind energy tersebut mampu menghasilkan tegangan 95 volt dan arus 4.8 mampere pada saat kecepatan B-46
angin 5,6 m/detik dengan putaran generator 685 rpm dan jumlah kincir nya 3 buah. System akan melakukan proses pengisian accumulator jika kecepatan angin diatas 2,5 m/s. Ucapan Terima Kasih Terima kasih kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi (DIKTI) yang telah mendukung penelitian ini (pemberian dana hibah penelitian dalam skema Hibah Bersaing) sehingga penelitian ini dapat berjalan, semoga dengan penelitian ini bisa dikembangkan lebih lanjut untuk meningkatkan efisiensi serta mampu memanfaatakan potensi yang ada secara optimal. DAFTAR PUSTAKA Chapman, S.J, (2001), Electric Machinery Fundamentals, Mc.Graw-Hill, New York. Desriansyah, 2006, Analisis Teknis Sudu Kincir Angin Tipe Sumbu Horizontal Dari Bahan Fibreglass, Indralaya Hasyim, A. Jatmiko. Nugraheni, A, 2010, Pemanfaatan potensi angin untuk pembangkit listrik tenaga angin skala kecil, Simposium RAPI IX 2010, Hal, E-1 E-6, Surakarta Hasyim, A. Jatmiko. Azis, A. 2012, Desain Generator Magnet Permanen Kecepatan Rendah untuk Pembangkit Listrik Tenaga Angina atau Bayu. Simposium SNATI 2012, Yogyakarta. Jatmiko, Asy ari. H, Widianto. A, 2010, Tengan angin sebagai pembangkit listrik berskala kecil di daerah pantai, Simposium RAPI IX 2010, Hal E-93 E-98, Surakarta. Setiono Puji, 2006, Pemanfaatan Alternator Mobil Sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Angin, Semarang. B-47