PERANCANGAN COMPOUND DEVICE PEMBANGKIT ENERGI GELOMBANG DAN ANGIN SEBAGAI SUMBER TENAGA LISTRIK (SKALA LABORATORIUM) M. Meddy Danial 1), Hardiansyah 2), Eko Widagdo 3) 1,2) Dosen F Teknik UNTAN 3) Dosen T. Mesin Politeknik UNTAN Abstract West Kalimantan has a long coastline, 982 km. Potential to be explored is the energy of waves and wind. Coastal areas and islands in West Kalimantan is very unique that the potential of the topography and bathymetry should be reviewed to be used optimally in order to create a model of energy generation that joined with nature or according to local site characteristics. This study will examine the combined generating model (compund device) which consists of generating wind energy and wave energy generator in one instrument (device). In the second year, the research focused on wind energy planning and a series of conversion tool combined wind and waves. This study conducted in the laboratory by testing the performance of the propeller and gearbox to drive the generator. Combined electronic circuits for wave energy conversion devices and wind energy are also performed. analysis conducted on the efficiency of the combined instrument. In general, the results of the design of the physical model is reliable, and can provide guidance to make the design of physical models and laboratory-scale prototype for wave energy conversion and wind energy into electrical energy. The best performance of alternator windmill obtained at 1400 rpm, and alternator windmill will work a minimum of 900 rpm. Windmill blade efficiency is 20%, the efficiency of a windmill gearboxes 72%. Meanwhile, the wave converter gearbox efficiency was 82.1%. Efficiency alternators for wave energy conversion devices is 0885 (88.5%). Keywords: wind and wave converter energy; compound device ; design 1. Latar Belakang Kalimantan Barat mempunyai garis pantai yang panjang, 982 km. Potensi yang dapat dieksplorasi salah satunya adalah energi gelombang dan angin. Daerah pesisir dan pulau-pulau di Kalimantan barat sangat unik sehingga potensi topografi dan batimetrinya harus dikaji untuk dapat dimanfaatkan secara optimal agar dapat diciptakan model pembangkit energi yang menyatu dengan alam atau sesuai dengan karakteristik lokasi setempat. Untuk itu perlu dilakukan suatu studi atau kajian yang mendalam mengenai kelayakan secara teknis apakah energi angin dan energi gelombang yang terdapat di wilyah perairan Kalbar dapat dimanfaatkan dan dikonversikan menjadi energi listrik yang berbasis pemanfaatan sumber energi alternatif setempat. Penelitian ini akan mengkaji model pembangkit gabungan (compund device) yang terdiri dari pembangkit energi angin dan pembangkit energi gelombang sekaligus dalam satu alat (device). Pada tahun kedua, penelitian difokuskan pada perencanaan energi angin dan rangkaian alat gabungan konversi angin dan gelombang. 2. Perancangan energi angin dengan 3 baling-baling. Dimensi panjang L baling-baling kincir angin adalah 1 m. Akan dihitung power captured oleh baling-baling sebagai berikut, El-Sharkawi, M. A. [3].. a. hitung power density, = 72,77253 W/m 2.ev b. cakupan area baling-baling adalah diameter baling-baling = 2 m 2 c. masukkan ke dalam persamaan : P = A. = r. =. 20 2.967.7 = 228,6217 W d. Efisiensi pada rotating blade dan rotor mechanism diasumsikan b = 40%, efisiensi gearbox gear = 95%, dan efisiensi generator generator = 70%. Pout = total. P = ( b. gear. generator ). P = (0.4 x 0.95 x 0.7) x 1.126 =468,6744 W. e. Kecepatan putar dari blades n (rev/s) adalah fungsi dari V tip (m/s) dan panjang blade (r) menjadi:v tip = V tip r 2 nr sehingga n = ( rev / s) 2 r V tip n = 60. ( rev / s) 2 r. Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 17 Desember 2009 A - 17
Rasio V tip terhadap kecepatan angin V adalah rasio tip speed (TSR = Tip speed ratio) V tip menjadi : TSR = nilai TSR dapat diatur dengan mengubah pitch angle dari blades. V f. Perancangan energi angin : direncanakan suatu wind turbine untuk menghasilkan energi dimana kecepatan generator ng minimal 905 r/min, dimana berkorelasi dengan kecepatan angin 5m/s. turbin memiliki TSR 70% dan diameter sweep 2 m. akan dicari rasio gear. g. Vtip = TSR x V = 0.7 x 5 = 3.5 m/s. h. Kecepatan shaft pada low speed side gear box : V tip 3.5 n = 60 x = 60 = 33.42 rev/min 2 r 2.1 i. Rasio gear = n g = n 905 = 27 33.42 2.1. Perencanaan gear box Dari perancangan energi angina, diperlukan 5 tingkat untuk mendapatkan jumlah putaran mendekati 1500 rpm. Perbandingan roda gigi diperoleh sedemikian sehingga direncanakan supaya linier sehingga tidak saling mengunci saat berputar (El-Sharkawi, M. A. [3]). Rasio 27 x (2.25^5) = 1543 rpm, dengan 2.25 adalah perbandingan antara roda gigi 1 dengan roda gigi 2. Desain penggambaran seluruh rangkaian kincir angin dikerjakan dengan menggunakan software AutoCad Inventor 2008, Anonim [1]. Software Acad Inventor 2008 ini sangat mudah dan cepat dalam merancang komponen alat-alat kincir angina dalam bentuk tiga dimensi maupun dua dimensi. Gambar 1. roda gigi 1 dan roda gigi 2 Pada Gambar 1, roda gigi 1 berdiameter 118 mm dengan jumlah gigi sebanyak 45 buah, sedangkan roda gigi 2 mempunyai diameter 55.6 mm dengan jumlah gigi 20 buah. Gambar 2 di bawah ini adalah rangkaian gearbox dan tempat dudukannya yang memperlihatkan 5 tingkatan dari kecepatan rendah menuju kecepatan tinggi dengan perbandingan 1: 57. Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 17 Desember 2009 A - 18
Gambar 2. Rangkaian roda gigi gearbox Gambar 3 di bawah ini adalah desain kincir angin final yang terdiri dari beberapa komponen yaitu blade, gearbox, alternator, poros alternator. 2.2. Cara kerja alat Kincir Angin Gambar 3. Desain kincir angin Kincir angin, adalah suatu alat yang dapat menghasilkan putaran akibat tekanan dan kecepatan angin yang memutarkan baling-baling. Kecepatan putaran dan besar tenaga yang dihasilkan pada poros tergantung pada besar kapasitas sudu-sudu atau baling-baling dan kecepatan angin yang mengalir. Putaran yang diperoleh pada poros baling-baling masih sangat rendah dari hasil perhitungan diperoleh antara 27 rpm hingga 33 rpm. Putaran tersebut belum mampu mengerakkan alternator, sedangkan yang dibutuhkan oleh alternator sebesar 1400 rpm, sehingga perlu adanya transmisi roda gigi yang mampu memberikan putaran tinggi. Dengan ratio 57 kali atau 6 tingkat Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 17 Desember 2009 A - 19
perubahan putaran, maka putaran akhir dapat dicapai oleh alternator. Prinsip kerja rangkaian sistem accumulator charger Kincir Angin adalah sebagai berikut: a. Pada saat kecepatan angin menerpa sudu baling-baling kincir angin maka baling-baling akan memutarkan transmisi roda gigi yang juga memutarkan poros alternator dengan putaran tinggi. Jika putaran output transmisi mencapai kurang lebih 800 rpm maka kontaktor sentrifugal akan ON dan mengaktifkan saklar tegangan positif dari accu ke magnetik rotor alternator. Sehingga medan magnit pada rotor akan aktif dan terjadilah gaya-gaya gerak listrik dan akan menghasilkan arus dan tegangan. b. Arus yang keluar dari alternator langsung dihubungkan ke Accu 12Volt/40A yang akan mencharger Accu (pengisian arus). Jika accu telah terisi maka dapat digunakan sebagai konsumsi sumber tenaga listrik AC melalui sebuah alat Inverter. 3. Hasil Pengujian laboratorium Dari hasil percobaan yang dilakukan dalam skala laboratorium dapat dilihat pada Tabel 1. No. Tabel 1. Pengujian Alternator Kincir Angin Putaran Poros Alternator Tegangan DC (volt) Arus (A) Tanp Denga Tanpa Dengan Tanpa Dengan a n Beban (rpm) Beban(rpm) beban Beban beba beban n 1 900 800 10 8.7 0 1.2 2 1000 900 12 10 0 1.4 3 1150 1000 12.4 11.6 0 1.6 4 1250 1100 13 12.5 0 2 5 1300 1200 14.3 13.8 0 2.4 Beban 25 W Baling-baling kincir angin diputar pada putaran kurang lebih 15,8 rpm menghasilkan putaran pada poros output gear box sebesar 900 rpm yang sama dengan putaran alternator karena posisi poros gear box satu sumbu dengan poros alternator melalui sambungan kopel langsung. Pada Tabel 1 dapat dilihat bahwa kenaikan kecepatan putaran alternator diimbangi dengan kenaikan dari tegangan. Semakin tinggi putaran alternator semakin tinggi pula tegangan yang dihasilkan. Demikian halnya, bahwa kenaikan kecepatan putaran alternator diimbangi dengan kenaikan dari arus. Semakin tinggi putaran alternator semakin tinggi pula arus yang dihasilkan, sehingga hubungan antara putaran dengan arus berbanding lurus. 4. Analisis kinerja kincir angin 1. Performa terbaik kincir angin diperoleh pada rpm alternator sebesar 1400 rpm, alternator akan bekerja secara minimal pada 900 rpm. Efisiensi blade kincir angin adalah 20%, efisiensi gearbox kincir angin 72% atau lebih besar 2% dibandingkan dengan desain awal 70%. 2. Dari hasil performa kincir angin, ditemukan beberapa kelemahan, yaitu pada saat alternator hidup karena magnetik rotor bekerja, akan terjadi hentakan yang menyebabkan putaran alternator menjadi berat sehingga putaran alternator akan turun. Untuk mengantisipasi hal ini akan dianalisis dengan dua cara, yaitu [2]: a. Memperpanjang blade Jika jari-jari blade diperpanjang akan menyebabkan putaran baling-baling menjadi lebih pelan, tapi daya di poros baling-baling yang dihasilkan akan makin tinggi, karena luas penampang makin besar sehingga laju aliran udara yang diterima ke blade menjadi lebih besar. Hal ini menyebabkan daya dorong dari angin ke blade menjadi lebih besar, momen puntir yang dihasilkan menjadi besar sehingga daya poros baling-baling menjadi besar. b. Memperlebar blade Pengaruh memperlebar blade terhadap performa kincir angina adalah rasio putaran poros blade adalah tetap karena panjang keliling lingkaran tetap, tapi berpengaruh terhadap daya porosnya yang makin besar yang disebabkan oleh efisiensi luas penampang blade yang semakin besar. Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 17 Desember 2009 A - 20
5. Alat konversi energi gabungan Alat konversi energi gabungan (compound device) energi gelombang dan energi angin dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 4 di bawah ini. Gambar 4. Rangkaian sistem elektrikal dan mekanikal konversi energi gabungan Prinsip kerja rangkaian sistem accumulator charger Energi Gelombang adalah sebagai berikut [ 4 ]: a. Cara kerja energi gelombang yaitu memanfaatkan gerakan gelombang air laut di tepi pantai adanya dorongan sejumlah masa air dengan kecepatan aliran air yang diterima oleh sebuah blade atau papan yang dipasang pada sebuah lorong alur. Intinya adalah gerakan air laut yang bergerak lurus dirubah menjadi gerak putar. Gerakan gelombang yang menghamtam tepi pantai dianggap gerakan lurus dan diterima oleh sebuah papan dengan jalur lurus yang kemudian dirubah menjadi gerak putar oleh sebuah roda gigi atau sproket dengan penghubung rantai panjang. Gerakan lurus gelombang air akan mendorong papan meluncur lurus sekaligus menggerakan rantai dan memutarkan sproket. b. Sproket akan berputar dan diteruskan oleh transmisi roda gigi dengan dengan tiga tingkat perbandingan, masing-masing tingkat dengan ratio perbandingan 1:2,25 seperi halnya yang terjadi pada transmisi gearbox energi angin. Untuk tiga tingkat diperoleh perbandingan I total sebesar 11,4 kali. Jika putaran sproket dapat berputar sebesar 127 rpm maka pada output gearbox akan diperoleh putaran sebesar 1450 putaran. Putaran yang diperoleh akan dikopel langsung dengan poros alternator. c. Cara kerja alternator pada energi gelombang sama dengan alternator pada energi angin, pada sambungan kopel antara poros akhir gearbox dengan poros alternator dipasang sebuah alat kontaktor sentrifugal. Fungsi dari kontaktor sentrifugal adalah bila alternator telah mencapai putaran diatas 800 rpm maka kontak relai akan bekerja dan kontak akan menghubungkan arus positif ke magnetik rotor pada alternator sehingga alternator dapat bekerja dan menghasilkan arus dan tegangan. d. Tegangan yang diperoleh pada alternator selanjutnya dihubungkan ke kutub positif accu sebagai pengisian arus pada accumulator. Diantara output alternator dan accu dipasang sebuah dioda DC 15 Amper berguna untuk memblokir arus balik dari accu ke alternator agar alternator tidak cepat rusak dan arus accu tidak cepat habis. e. Efisiensi gearbox konvertor gelombang adalah 82.1%. Efisiensi alternator untuk energi gelombang adalah 0.885 (88.5%). Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 17 Desember 2009 A - 21
5.1. Mekanisme kerja konversi energi gabungan Mekanisme kerja konversi energi gabungan dapat dijelaskan sebagai berikut. a. Jika putaran poros pada transmisi gearbox kincir angin dapat berputar diatas 800 rpm, maka kontak sentrifugal akan menggerakkan kontak yang akan menghidupkan relai yang selanjutnya akan menghidupkan magnetik rotor dan alternator akan bekerja menghasilkan arus dan tegangan. Karena magnetik rotor bekerja, akan terjadi hentakan yang mempengaruhi putaran alternator sehingga menjadi berat. Untuk mengatasi hal tersebut perlu dipasang kontrol outomatis. Cara kerja kontrol dapat digambarkan sebagai berikut [4]: Gambar 5. rangkaian kontrol untuk alat energi konversi gabungan b. Untuk energi gelombang. Alternator yang dipakai pada energi gelombang sama dengan alternator pada energi angina, hanya cara kerjanya dibedakan karena gerakan dari gelombang yang tidak continue menyebabkan putaran pada poros tidak linear atau terjadi periodik. Sistem yang dipakai adalah satu arah, artinya pada saat datangnya gelombang akan menghasilkan putaran sedang saat surutnya gelombang tidak menghasilkan putaran. Sehingga terjadi kekosongan putaran karena pada saat papan kembali ke posisi semula adalah gerakan ricet yaitu gerakan los, karena menggunakan gigi ricet. Oleh karena itu kalau alternator dipasang sistem kontrol alternator tidak akan efektif karena tidak bisa mempertahankan putaran atau tidak stabil. Maka pada alternator energi gelombang magnetik rotornya dipasang langsung, resikonya untuk memutarkan alternator akan sangat berat akibat beban medan magnit yang ditimbulkan oleh magnetik rotor pada alternator. Untuk mengatasi hal tersebut maka gaya dorong dari gelombang air harus cukup signifikan, untuk dapat menggerakan sudu papan. Sehingga berapapun putaran yang diperoleh dari putaran sproket dapat menggerakkan atau memutarkan alternator, walaupun hasilnya berperiodik tapi tetap dapat mengisi accu. c. Bila kedua sistem energi tersebut bekerja semua, artinya energi angin bekerja dan energi gelombang juga bekerja sistem pengisian accu tidak menjadi masalah. Karena masingmasing output sudah dipasang dioda sebagai pengarah agar masing-masing alternator menjadi aman dari arus balik. Jika pengisian accu sudah penuh maka untuk menghentikan sistem perlu dipasang sebuah kontrol outomatis yang akan memutuskan putaran pada poros sproket atau pada poros kincir angin dengan kopel magnetik (selenoid magnetic couple). Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 17 Desember 2009 A - 22
6. Penutup Dari hasil penelitian mengenai peramcangan konversi energi gabungan gelombang dan angin dapat disimpulkan sebagai berikut. a. Secara umum, hasil perancangan model fisik sesuai dengan yang diharapkan yaitu dapat memberikan panduan untuk membuat perancangan model fisik dan prototipe skala laboratorium untuk konversi energi gelombang dan energi angin menjadi energi listrik. b. Performa kincir angin, untuk kenaikan kecepatan putaran alternator diimbangi dengan kenaikan dari tegangan. Semakin tinggi putaran alternator semakin tinggi pula tegangan yang dihasilkan. Demikian pula untuk kenaikan kecepatan putaran alternator diimbangi dengan kenaikan dari arus. Semakin tinggi putaran alternator semakin tinggi pula arus yang dihasilkan. c. Performa terbaik kincir angin diperoleh pada rpm alternator sebesar 1400 rpm, alternator akan bekerja secara minimal pada 900 rpm. d. Efisiensi blade kincir angin adalah 20%, efisiensi gearbox kincir angin 72% atau lebih besar 2% dibandingkan dengan desain awal 70%. Sedangkan efisiensi gearbox konvertor gelombang adalah 82.1%. Efisiensi alternator untuk energi gelombang adalah 0.885 (88.5%). 7. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih atas kesempatannya untuk bisa mengkaji perencangan alat konversi energi gabungan gelombang dan angin dimana penelitian ini bersumber dari dana Hibah Bersaing 2008-2009, DIKTI. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada lab Hidrolika PAU UGM, Lab Teknik Mesin Peliteknik UNTAN, Lab. Mekanika Fluida dan Hidrolika F. Teknik UNTAN. Daftar Pustaka [1] Anonim, AutoCad Invertor, 2008, [2] Arwoko, H., Disain Turbin Angin, MIPA Ubaya, Surabaya, 1999. [3] El-Sharkawi, M. A., Electricity Energy: An Introduction, CRC Press, University of Washington, Seattle, 2007 [4] Germain, L., A., A Case Study of Wave Power Integration into the Ucluelet Area Electrical Grid, Dissertation, University of Victoria, 2003. Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 17 Desember 2009 A - 23
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 17 Desember 2009 A - 24