PERANCANGAN KINCIR ANGIN TIPE AXIAL SEBAGAI PEMBANGKIT TENAGA LISRIK NASKAH PUBLIKASI Diajukan Untuk Melengkapi Tugas Akhir dan Memenuhi Syarat-syarat Untuk Mencapai Gelar Sarjana Teknik Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Surakarta Diajukan oleh: AIRLANGGA GURUH PRATAMA D 4 8 46 JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 212
SURAT PERNYATAAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH Bismillahirrahmanirrohim Yang bertanda tangan di bawah ini, saya Nama : Airlangga Guruh Pratama NIM : D 4 8 46 Fakultas/Jurusan : Tehnik/Elektro Jenis : Skripsi Judul : PERANCANGAN KINCIR ANGIN TIPE AXIAL SEBAGAI PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK Dengan ini menyatakan bahwa saya menyetujui untuk 1. Memberikan hak bebas royalti kepada Perpustakaan UMS atas penulisan karya ilmiah saya, demi pengembangan ilmu pengetahuan. 2. Memberikan hak menyimpan, mengalih mediakan/mengalih formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), mendistribusikannya, serta menampilkannya dalam betuk softcopy untuk kepentingan akademis kepada perpustakaan UMS, tanpa perlu meminta ijin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta. 3. Bersedia dan menjamin untuk menanggung secara pribadi tanpa melibatkan pihak Perpustakaan UMS, dari semua bentuk tuntutan hukum yang timbul atas pelanggaran hak cipta dalam karya ilmiah ini. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sesungguhnya dan semoga dapat digunakan sebagaimana mestinya. Surakarta, Juli 212 Yang menyatakan ( Airlangga Guruh Pratama )
PERANCANGAN KINCIR ANGIN TIPE AXIAL SEBAGAI PEMBANGKIT TENAGA LISRIK Airlangga Guruh Pratama FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA E-mail : belutz_cursed@yahoo.com ABSTRAKSI Penelitian ini adalah untuk pemanfaatan turbin angin axial 4 bilah dan 3 bilah dengan menggunakan generator magnet permanent. Pemanfaatan Turbin Angin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu ini menggunakan turbin angin axial 4 bilah dan 3 bilah dari bahan fiber glass. Desain bilah dibuat dengan ukuran 7x2 cm, bilah tersebut digunakan sebagai penggerak generator magnet permanent. Generator magnet permanent menggunakan 1 buah magnet permanent dengan lilitan 1, 125, dan 15 berdiameter 28 cm. Sistem pembangkit ini memanfaatkan generator magnet permanent sebagai pembangkit listrik. Tegangan dan arus yang dihasilkan generator magnet permanent tergantung pada kecepatan angin yang memutar rotor generator. Untuk turbin angin axial 4 bilah dapat menghasilkan tegangan 1 volt dan arus sebesar,5 ma pada kecepatan 758 rpm, dan untuk turbin angin axial 3 bilah dapat menghasilkan tegangan 9 volt dan arus sebesar,45 ma pada kecepatan 87 rpm. Pada sistem pembangkit ini mampu dibebani lampu emergency dengan nameplate 6 volt 4,5 Ah dan dapat mengisi lampu emergency pada tegangan 4 volt. Kata kunci : PLTB, axial 4 dan 3 bilah, generator magnet permanent 1. PENDAHULUAN Keberadaan wilayah di Indonesia yang begitu beragamnya sumber energi alternatif yang dapat dimanfaatkan, merupakan tantangan bagi kita untuk melakukan penelitian atau kajian agar memperoleh sumber energi alternatif yang dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi yang terus meningkat. Seiring dengan meningkatnya kebutuhan listrik, banyak muncul permasalahan yang disebabkan karena semakin berkurangnya cadangan minyak bumi dan gas yang digunakan sebagai bahan bakar pembangkit listrik. Energi terbarukan mulai dikembangkan seiring dengan terbatasnya cadangan energi fosil dan juga adanya dampak negatif pada lingkungan yang terjadi akibat penggunaan energi fosil tersebut. Salah satu sumber energi alternatif yang dapat dikembangkan adalah Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Kebutuhan energi listrik yang terus meningkat itulah, maka diperlukan waktu yang tidak sedikit untuk membangun suatu pembangkit tenaga listrik. Para perencana sistem juga harus dapat melihat kemungkinan-kemungkinan perkembangan sistem tenaga listrik di tahun-tahun yang akan datang. Maka dari itu diperlukan pengembangan industri listrik yang meliputi perencanaan pembangkitan, sistem kontrol dan proteksi, serta sistem transmisi dan distribusi listrik yang akan disalurkan hingga sampai pada konsumen. Pembangunan pembangkit skala besar sering terkendala besarnya investasi dan jangka waktu
pembangunan yang lama pada pusat-pusat tenaga listrik dibandingkan pembangunan industri yang lain maka perlu diusahakan agar dapat memenuhi kebutuhan tenaga listrik tepat pada waktunya. 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. Energi angin adalah energi yang relatif bersih dan ramah lingkungan karena tidak menghasilkan karbon dioksida CO 2 atau gas-gas lain yang berbahaya dalam pemanasan global, sulphur dioksida dan nitrogen oksida (jenis gas yang menyebabkan hujan asam). Energi ini pun tidak menghasilkan limbah yang berbahaya bagi lingkungan ataupun manusia. Dengan demikian, harap diingat bahwa sekecil apapun semua bentuk produksi energi selalu memiliki akibat bagi lingkungan. Hanya saja efek turbin angin sangat rendah, bersifat lokal dan mudah dikelola. Energi alternatif dan yang terbarukan mempunyai peran yang sangat penting dalam memenuhi kebutuhan energi. Hal ini disebabkan penggunaan bahan bakar untuk pembangkit-pembangkit listrik konvensional dalam jangka waktu yang panjang akan menguras sumber minyak bumi, gas dan batu bara yang makin menipis dan juga dapat mengakibatkan pencemaran lingkungan. 1).Generator Berdasarkan arus yang dihasilkan. Generator dapat dibedakan menjadi dua rnacam, yaitu generator AC dan generator DC. Generator AC menghasilkan arus bolak-balik (AC) dan generator DC menghasilkan arus searah (DC). Baik arus bolak-balik maupun searah dapat digunakan untuk penerangan dan alat-alat pemanas. 1. Generator AC Bagian utama generator AC terdiri atas magnet permanen (tetap), kumparan (solenoida). cincin geser, dan sikat. Pada generator. perubahan garis gaya magnet diperoleh dengan cara memutar kumparan di dalam medan magnet permanen. Karena dihubungkan dengan cincin geser, perputaran kumparan menimbulkan GGL induksi AC. OIeh karena itu, arus induksi yang ditimbulkan berupa arus AC. Adanya arus AC ini ditunjukkan oleh menyalanya lampu pijar yang disusun seri dengan kedua sikat. Sebagaimana percobaan Faraday, GGL induksi yang ditimbulkan oleh generator AC dapat diperbesar dengan cara : a. Memperbanyak lilitan kumparan. b. Menggunakan magnet permanen yang lebih kuat. c. Mempercepat perputaran kumparan, dan menyisipkan inti besi lunak ke dalam kumparan. Contoh generator AC yang akan sering dijumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah dinamo sepeda. Bagian utama dinamo sepeda adalah sebuah magnet tetap dan kumparan yang disisipi besi lunak. Jika magnet tetap diputar, perputaran tersebut menimbulkan GGL induksi pada kumparan. Jika sebuah lampu pijar (lampu sepeda) dipasang pada kabel yang menghubungkan kedua ujung kumparan, lampu tersebut akan dilalui arus induksi AC. Akibatnya, lampu tersebut menyala. Nyala lampu akan makin terang jika perputaran magnet tetap makin cepat (laju sepeda makin kencang). 2. Generator DC Prinsip kerja generator (dinamo) DC sama dengan generator AC. Namun, pada generator DC arah arus induksinya tidak berubah. Hal ini disebabkan cincin yang digunakan pada generator DC berupa cincin belah (komutator). Komutator menyebabkan terjadinya komutasi, peristiwa komutasi merubah arus yang dihasilkan generator menjadi searah. Berdasarkan sumber arus
kemagnetan bagi kutub magnet buatan tersebut generator arus searah dapat dibedakan menjadi: a. Generator dengan penguat terpisah, bila arus kemagnetan diperoleh dari sumber tenaga listrik arus searah di luar generator. b. Generator dengan penguat sendiri, bila arus kemagnetan bagi kutub-kutub magnet berasal dari generator itu sendiri. Berdasrkan hubungan lilitan penguat magnet dengan lilitan jangkar generator penguat sendiri dibedakan atas : 1) Generator shunt Generator shunt yaitu generator penguat sendiri dimana lilitan penguat magnetnya dihubungkan shunt atau parallel dengan lilitan jangkar. 2) Generator seri Generator seri yaitu generator penguat sendiri dimana lilitan magnetnya dihubungkan seri dengan lilitan jangkar. 3) Generator kompon Generator kompon yaitu generator arus searah yang lilitan penguat magnetnya terdiri dari lilitan penguat shunt dan lilitan penguat seri. Generator komponterdiri dari dua macam yaitu: a) Generator kompon panjang, merupakan generator kompon yang lilitan penguat serinya terletak pada rangkaian jangkar. b) Generator kompon pendek, merupakan generator kompon yang lilitan penguat serinya terletak pada rangkaian beban. 2). Transformator Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan bolak-balik (AC).Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu : kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai input, kumparan kedua (skunder) yang bertindak sebagai output, dan inti besi yang berfungsi untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan. Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut. Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal-balik (mutual inductance). Berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan skunder transformator ada dua jenis yaitu : 1. Transformator step up yaitu transformator yang mengubah tegangan bolak-balik rendah menjadi tinggi, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan sekunder lebih banyak daripada jumlah lilitan primer (Ns > Np). 2. Transformator step down yaitu transformator yang mengubah tegangan bolak-balik tinggi menjadi rendah, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder (Np > Ns). Gambar 1. Rangkaian Stepup Stop kontak
2. METODE PENELITIAN Secara keseluruhan penelitian diawali dari pengukuran kecepatan angin dan perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Peralatan utama yang digunakan untuk mendukung penelitian ini adalah : 1. Multimeter untuk mengukur tegangan dan arus. 2. Tachometer untuk mengukur kecepatan putaran mesin (rotor). 3. Anemometer sebagai pengukur kecepatan angin. 4. Generator magnet permanen sebagai pembangkit listrik saat pengujian. 5. Baling-baling (blade) dengan panjang 7 cm dan lebar 2 cm dari bahan fiberglass berjumlah 4 dan 3 buah sebagai penggerak. 6. Roda gigi (gearbox) dengan perbandingan jari-jari 1:2. 7. Tiang penyangga dengan tinggi 3 meter. Pengujian dilakukan di Waduk Gajah Mungkur, Alur penelitian ditunjukan pada Gambar 3. Gambar 3. Flowchart Penelitian. 3. HASIL PENELITIAN DAN ANALISA Hasil pengujian pertama turbin angin pada tanggal 19 April 212 dapat dilihat pada tabel 1 pengukuran turbin angin axial 4 bilah. Gambar 2. Kincir Axial 3 Bilah
Arus Generator (ma) Kecepatan Generator (RPM) Tegangan Generator (V) Kecepatan Generator (RPM). Tabel 1. Axial 4 Bilah. Pengukuran Turbin Angin 8 6 4 2 76 753 53454957 627 758 49 642 716 535569 582 414 58 Kecepatan Generator 3. 3.3 3.5 4. 4.3 4.5 5. 5.3 Kecepatan Angin (m/s) Tabel 2. Pengukuran Turbin Angin Axial 3 Bilah. Gambar 5. Grafik Hubungan Kecepatan Angin dengan Kecepatan Putar (RPM) pada Turbin Angin Axial 4 Bilah. 15 1 5 1 7578 8 55 58663 657 25 45 49552 Tegangan Kecepatan Generator 5 (RPM) 1 1 1 1 Arus Generator 5 1 Kecepatan Generator (RPM) 1 Gambar 6. Grafik Hubungan Tegangan dengan Kecepatan Putar (RPM) pada Turbin Angin Axial 4 Bilah. 8 6 4 2 582 68621 625 648 677 565 59 619 68 746 75 87 628 432 Kecepatan Generator Kecepatan 5 Angin (m/s) 1 Gambar 4. Grafik Hubungan Arus dengan Kecepatan Putar (RPM) pada Turbin Angin Axial 4 Bilah. Gambar 7. Grafik Hubungan Kecepatan Angin dengan Kecepatan Putar (RPM) pada Turbin Angin Axial 3 Bilah.
Arus Generator (ma) Tegangan (V) 1 8 6 4 2 1 61 63 74 55 57 6 65 67 69 72 85 87 9 76 25 Kecepatan Generator 5 (RPM) 1 Tegangan Gambar 8. Grafik Hubungan Tegangan dengan Kecepatan Putar (RPM) pada Turbin Angin Axial 3 Bilah. Arus Generator 5 1 Kecepatan Generator (RPM) Gambar 9. Grafik Hubungan Arus dengan Kecepatan Putar (RPM) pada Turbin Angin Axial 3 Bilah. DAFTAR PUSTAKA Anonim. 27. Existing Stucture of offshore wind energy. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Desriansyah. 26. Analisis Teknis Sudu Kincir Angin Tipe Sumbu Horizontal Dari Bahan Fibreglass. Indralaya. Hery Alamsyah. 27. Pemanfaatan Turbin Angin Dua Sudu Sebagai Penggerak Mula Alternator Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Universitas Negeri Semarang. Himran, Syukri. 21. Utilization of Wind Energy. CIRERD 21. Denpasar Bali Muhammad Hasan Ashari Widodo. 211. Modifikasi Generator Sebagai Penghasil Listrik Untuk PLTB Tipe Vertikal Axis. Universitas Muhammadiyah Surakarta. Yudhi Prasetyo. 211. Pemanfaatan Turbin Vertikal Axis Tipe H Pada Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) Dalam Skala Kecil. Universitas Muhammadiyah Surakarta. 4. KESIMPULAN Dari hasil pengujian dan analisa maka dapat disimpulkan bahwa turbin angin tipe axial dengan 4 bilah mampu yang menghasilkan tegangan 1 volt dan arus sebesar,5 ma pada kecepatan 758 rpm dengan kecepatan angin 5,3 m/s. Dan turbin angin tipe axial dengan 3 bilah mampu yang menghasilkan tegangan 9 volt dan arus sebesar,45 ma pada kecepatan 87 rpm dengan kecepatan angin 6 m/s. Pada sistem pembangkit ini mampu dibebani lampu emergency dengan nameplate 6 volt 4,5 Ah dan dapat mengisi lampu emergency pada tegangan 4 volt.