STUDI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU (PLTB) DI SUMATERA UTARA OLEH : NAMA : WISWANATHEN NIM : 030402072 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009
STUDI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU (PLTB) DI SUMATERA UTARA TUGAS AKHIR Diajukan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan Program Sarjana Teknik Elektro Oleh : WISWANATHEN NIM : 030402072 Disetujui oleh : DOSEN PEMBIMBING PROF. DR. IR. USMAN BAAFAI NIP : 130 365 322 Disetujui oleh : KETUA DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO Ir. NASRUL ABDI, MT NIP : 131 459 554 DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009
Abstrak Salah satu energi yang paling utama dari angin adalah kecepatan distribusinya pada suatu lokasi, yang dikarakteristikkan dengan f(v), V disebut kecepatan angin. Karakteristik yang paling utama dari sistem konversi energi angin adalah kurva dayanya P(V) f(v) dan P(V) bersama-sama menentukan produksi energi keluaran yang potensial. Tetapi daya keluaran efektif lebih sedikit tergantung pada perilaku pemakainya. Turbin Angin (SKEA Listrik) atau PLTB (Pusat Listrik Tenaga Bayu) adalah sistem konversi energi angin untuk menghasilkan energi listrik dengan energi proses pengubahan energi angin menjadi putaran mekanis rotor dan selanjutnya menjadi energi listrik. Sistem konversi energi angin ini merupakan suatu sistem / peralatan yang berfungsi untuk mengubah energi angin menjadi energi listrik, mekanis, atau bentuk energi lainnya.
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kasih dan karunia sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini, yang berjudul Studi Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) Di Sumatera Utara. Penulisan Tugas Akhir ini dibuat sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan sarjana di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa kedua orang tua V. Logenathen dan S. Rusnam Dewi serta saudara saudara penulis Kana Grain, Silvia Kasturi dan Sonia Sarasbathi yang selalu memberikan semangat, perhatian, inspirasi dan kasih sayang. Penulis juga ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang tulus kepada : 1. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT dan Rahmad Fauzi, ST, MT, selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 2. Bapak Ir. Eddy Warman, selaku Dosen Wali atas segala bimbingan, arahan dan motivasi kepada Penulis sehingga Tugas Akhir ini dapat diselesaikan dengan baik. 3. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Ba afai selaku dosen pembimbing Tugas Akhir penulis yang telah memberikan bimbingan, pengarahan,dan motivasi dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Soeharwinto, ST, MT selaku Bapak kami di kampus yang selalu menberikan dukungan dan semangat kepada saya selaku penulis. 5. Seluruh dosen pada Departemen Teknik Elektro USU, terutama dosen pada Sub Jurusan Sistem Energi Listrik. 6. Seluruh pegawai di Departemen Teknik Elektro Falkultas Teknik USU.
7. Teman teman stambuk 2003 yang selama ini telah menjadi teman diskusi belajar dan bekerjasama dalam kegiatan perkuliahaan. 8. Subasni, orang yang selalu memberikan semangat dan yang penulis kagumi dalam kerendahan hati, kegigihan dan tekadnya yang kuat dalam menjalani hidup. Penulis banyak belajar apa arti kehidupan dari beliau. 9. Serta semua pihak yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun untuk Tugas Akhir ini. Akhir kata penulis berharap semoga penulisan Tugas Akhir ini bermanfaat bagi kita semua. Medan, 1 Maret 2009 Penulis Wiswanathen NIM : 030402072 DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iv
DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR GRAFIK... I. PENDAHULUAN... 1 1. 1. Latar Belakang... 1 1. 2. Tujuan Penulisan... 1 1. 3. Batasan Masalah... 1 1. 4. Metode Penulisan... 2 1. 5. Sistematika Penulisan... 2 II. ANGIN... 4 II. 1. Umum... 4 II. 2. Klasifikasi Angin... 6 II. 3. Persamaan Konversi Energi Angin... 8 II. 3. 1. Daya Total Energi Angin... 8 II. 3. 2. Daya maksimum energi angin... 9 II. 3. 2. Efisiensi Teoritis... 12 II. 3. 4. Daya Aktual... 12 II. 4. Lapisan Batas Bumi... 13 II. 4. 1. Distribusi Rata - Rata Kecepatan Angin dengan ketinggian lapisan Batas bumi... 13 II. 4. 2. Fluktuasi Lebih... 15 II. 5. Peta Angin... 16 III. TEORI KONVERSI TENGA ANGIN KE ENERGI LISTRIK... 17 III. 1. Umum... 17 III. 2. Prinsip Dasar Karakteristik Airfoil... 17 III. 3. Efek Angka Reynolds Pada Karakteristik Airfoil... 24
III. 4. Transmisi Mekanik... 26 III. 5. Generator... 28 III. 5. 1. Generator Sinkron... 28 III. 5. 2. Generator Induksi Rotor Sangkar... 30 III. 5. 3. Generator Kecepatan Variabel... 31 III. 6. Pengaturan Putaran Generator... 32 III. 7. Penyimpanan Energi... 34 III. 8. Pendisainan rotor untuk kecepatan generator... 35 III. 9. Kurva Daya... 37 III. 10. Produksi Energi Tahunan SKEA.... 39 III. 11. Perkiraan Produksi Energi Pada Mesin Ideal Dan Mesin Riil... 42 III. 9. Daya dan Torsi Pada Rotor Riil... 43 III. 9. Penyimpangan Karakteristik Kekuatan dari Rotor... 44 IV. PRODUKSI ENERGI APLIKASI PANTAI CERMIN... 49 IV. 1. Umum... 49 IV. 1. 1. Potensi Pemanfaatan Tenaga Angin Di Pantai Cermin... 49 IV. 1. 2. Performansi... 52 IV. 1. 3. Ekonomis... 55 IV. 2. Pengaruhnya Terhadap Lingkungan... 57 V. KESIMPULAN DAN SARAN... 59 5.1. Kesimpulan... 59 5. 2. Saran... 59 Daftar Pustaka... 60 Lampiran... 61
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Aspek kemampuan Mesin... 17 Tabel 4.1. Indikasi tingkat energi angin di Indonesia... 49 Tabel 4.2. Kecepatan angin bulan Desember 2008... 50 Tabel 4.3 Data kecepatan angin, kerapatan daya angin dan kerapatan energi angin untuk daerah Pantai Cermin Tahun 2008... 52 Tabel 4.4 Total Harga (Power Projects)... 57
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kecepatan Angin... 4 Gambar 2.2 Sirkulasi Udara Global... 6 Gambar 2.3. Sistem Sirkulasi Udara Global... 7 Gambar 2.4 Angin Barat Dan Timur... 8 Gambar 2.5 Daerah Hembusan Angin... 9 Gambar 2.6. Diagram Tekanan Dan Kecepatan Angin Pada Sudu Rotor Turbin... 10 Gambar 2.7 Tipe Tipe Kekasaran Permukaan... 15 Gambar 2.8 Spectrum Daya Van Der Hoven Dari Fluktuasi Angin... 16 Gambar 2.9 Peta Angin Global... 16 Gambar 3.1 Lift And Drag... 18 Gambar 3.2 Koefisien Lift C l (Α) Dan Drag C d (Α)... 19 Gambar 3.3 Distribusi Aliran Dan Tekanan Sekitar Baling Baling Pada Sudut α... 19 Gambar 3.4 Aliran Melalui Baling Baling Pada Kondisi Stall)... 20 Gambar 3.5 Daya Dan Torsi Rotor Angin Sebagai Fungsi Kecepatan Rotasi Untuk Kecepatan Angin Yang Berbeda... 21 Gambar 3.6 Kurva Daya Dan Torsi Dari Dua Rotor Angin Sebagai Fungsi Rasio Tip Speed... 22 Gambar 3.7 Koefisien Lift Dan Drag Untuk Naca 4412 Pada Angka Reynolds Yang Berbeda... 25 Gambar 3.8 (C l /C d ) Max Bervariasi Dengan Angka Re Yang Berbeda Beda... 26 Gambar 3.9 Transmisi Roda Gigi 2 Tingkat... 27 Gambar 3.10 Menemukan Hubungan Kecepatan Angin Daya Keluaran Dari Generator Yang Terkopel Ke Rotor Angin... 28 Gambar 3.11. Sistem Pembangkit Turbin Angin Dengan Generator Sinkron... 29 Gambar 3.12 Hubungan AC DC AC... 30 Gambar 3.13 Instalasi Turbin Angin... 35 Gambar 3.14 Kurva Daya Ideal Dan Riil... 38 Gambar 3.15 Kurva Efisiensi Daya Untuk Turbin Dengan Generator
Yang Berbeda... 39 Gambar 3.16 Produksi Energi Tahunan... 41 Gambar 3.17 Contoh Dari Karakteristik Rotor... 44 Gambar 3.18 Tampak Atas Rotor. Arah Gaya Rotor Pada Penyimpangan... 45 Gambar 3.19 Kurva C p - λ Untuk Sudut Penyimpangan Yang Berbeda δ Dari Cwd 2000... 46 Gambar 3.20 Gaya Aksial (C fax (λ,δ)) Untuk Penyimpangan Sudut Yang Berbeda Untuk Cwd 2000... 47 Gambar 3.21 Pengukuran Daya Untuk Cwd2000... 47
DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1 Daya maksimum energi angin di Pantai Cermin... 53