STUDI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN LAUT UNTUK MEMENUHI KEBUTUHAN PENERANGAN JEMBATAN SURAMADU

(1)

1

STUDI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN LAUT

UNTUK MEMENUHI KEBUTUHAN PENERANGAN

JEMBATAN SURAMADU

Nama Mahasiswa : Ganda Akbar Rizkyan

NRP : 4205 100 040

Jurusan : Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS

Dosen Pembimbing : Ir. Sardono Sarwito, M.Sc. Muh. Badrus Zaman, ST. MT.

ABSTRAK

Pada pembangkit listrik konvensional, penggunaan bahan bakar fosil sebagai bahan bakar utama merupakan hal yang cukup kontras terhadap isu menipisnya cadangan sumber-sumber bahan bakar tersebut. Sebagai konsekuensi atas kebutuhan manusia akan listrik, maka harus dicari solusi terhadap pemenuhan listrik dengan pemanfaatan energi alternatif terbarukan. Salah satu energi alternatif terbarukan yang saat ini cukup mendapat perhatian dikalangan pengusaha serta ilmuwan dalam bidang energi, adalah pemanfaatan tenaga angin untuk menggerakkan turbin angin guna memenuhi kebutuhan manusia akan listrik. Pada tugas akhir ini akan dilakukan studi tentang pemanfaatan tenaga angin laut untuk memutar turbin angin vertikal jenis H-Darrieus yang ditujukan untuk memenuhi kebutuhan penerangan di jembatan Suramadu. Dari data kecepatan angin rata-rata terendah yaitu 8.63 m/s diperoleh daya listrik sebesar 3.72 kW untuk masing-masing turbin yang digunakan untuk melayani beban penerangan sebesar 79 kW, sehingga total turbin yang terpasang adalah 26 turbin. Untuk mengantisipasi asumsi tidak tersedianya angin selama dua jam, digunakan baterai yang diisi oleh turbin tersebut sebanyak 27 baterai pada 6583.33 Ah. Sebagai hasil akhir nantinya, dilakukan pembuatan wiring diagram yang sesuai dengan perencanaan

Kata kunci: angin laut, turbin angin vertikal, jembatan Suramadu

1. PENDAHULUAN

Listrik merupakan kebutuhan manusia yang sangat penting dalam kehidupannya. Hampir semua kegiatan manusia di setiap harinya, memerlukan listrik yang pastinya diperlukan sebuah pembangkit listrik untuk dapat memenuhi kebetuhan tersebut. Pada pembangkit listrik konvensional, penggunaan bahan bakar fosil sebagai bahan bakar utama merupakan hal yang cukup kontras terhadap isu menipisnya cadangan sumber-sumber bahan bakar tersebut. Sebagai konsekuensi atas kebutuhan manusia akan listrik, maka harus dicari semacam solusi terhadap pemenuhan listrik dengan pemanfaatan energi alternatif terbarukan. Salah satu energi alternatif terbarukan yang saat ini

cukup mendapat perhatian di kalangan pengusaha serta ilmuwan dalam bidang energi, adalah penggunaan energi angin untuk menggerakkan turbin angin guna memenuhi kebutuhan manusia akan listrik. Pada pembangunan jembatan suramadu yang menghubungkan antara jawa timur dengan pulau madura, tentunya konsumsi listrik untuk kedepan akan sangat mempengaruhi pasokan listrik serta suplai yang telah ada saat ini. Dengan memanfaatkan energi angin laut, diharapkan sebagian dari total kebutuhan listrik untuk jembatan dapat dipenuhi. Saat ini telah digunakan dua buah genset dengan daya masing-masing sebesar 500 KVA dan suplai dari PLN sebesar 20 KVA

(2)

2 untuk memenuhi seluruh kebutuhan listrik

jembatan suramadu. Untuk kebutuhan penerangannya, dibutuhkan daya total sebesar 79 kW untuk penggunaan 316 buah lampu jenis high pressure sodium (HPS) dengan masing-masing daya sebesar 250 watt pada 50 Hz. (suramadu, 2009)

2. DASAR TEORI

Sebuah pembangkit listrik tenaga angin dapat dibuat dengan menggabungkan beberapa turbin angin sehingga menghasilkan listrik ke unit penyalur listrik. Listrik dialirkan melalui kabel transmisi dan didistribusikan ke rumah-rumah, kantor, sekolah, dan sebagainya. Angin akan memutar sudut turbin, kemudian memutar sebuah poros yang dihubungkan dengan generator, lalu menghasilkan listrik. Turbin untuk pemakaian umum berukuran 50-750 kilowatt. Sebuah turbin kecil, kapasitas 50 kilowatt, digunakan untuk perumahan, piringan parabola, atau pemompaan air. (http://www2.kompas.com)

DAYA TOTAL

Daya total aliran angin adalah sebanding dengan tenaga kinetik aliran udara:

Dimana:

Ptot = daya total aliran udara watt

= massa udara per detik kg/s Vi = kecepatan angin masuk m/s

gc = faktor konversi

= 1.0 kg/Ns2

Massa aliran udara per detik dapat dihitung dengan persamaan:

Dimana:

ρ = massa jenis udara kg/m3 A = luas penampang turbin m2 Sehingga didapatkan:

Dari persamaan tersebut disimpulkan bahwa daya total dari aliran angin adalah sebanding dengan kerapatan udara, luas penampang baling-baling dan kecepatan angin.

DAYA MAKSIMUM

Daya maksimum angin (watt) yang dapat diserap oleh sudu rotor dapat dinyatakan dengan persamaan:

DAYA NYATA

Daya nyata adalah daya yang yang dapat dimanfaatkan oleh turbin untuk dijadikan sebuah energi baru. Daya ini dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

Dimana:

η = efisiensi dari turbin angin (~0.59) TORSI

Pada semua benda yang berputar selalu terdapat torsi, yaitu gaya yang menyebabkan sebuah tetap dapat berputar pada kecepatan putarnya. Besarnya torsi dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

Dimana:

T = torsi Nm

ω = kecepatan anguler poros rps D = diameter poros m

v = kecepatan linear m/s F = gaya putar N

L = panjang lengan gaya m

TURBIN ANGIN H-DARRIEUS

Secara teori, besarnya efisiensi yang dihasilkan oleh turbin angin adalah sebesar 0.59 sesuai dengan batas Betz (Betz limit, diambil dari ilmuwan Jerman Albert Betz). Angka ini secara teori menunjukkan efisiensi maksimum yang dapat dicapai i AV m=ρ . c i i tot g V m KE m P 2 2 . . = = . m (2-1) (2-2) 3 2 1 i c tot AV g P = ρ (2-3) 3 max 27 8 i AV P = ρ (2-4) 3 2 1 i c AV g P=η ρ (2-5) (2-6) L F T = × (2-7) v P D P T = =π × × tot ω

(3)

oleh r horisont rugi-rug sudu, ef ini akan harga m yang dir (w T diperken tahun vertikal yang be angin. Ga (http://id BATER Baterai menyim dalam b tiga kom • bata pos • sen neg • pas rotor turbi tal. Pada k gi gesekan fisiensi aero n lebih kecil maksimum rancang den Gambar www.windturb Turbin H nalkan di 1920-an. ini memp erputar ke ambar 2.2. Tu d.wikipedia.org RAI adalah al mpan energi bentuk listr mponen pen ang karbon sitif baterai) ng (Zn) s gatif baterai sta sebagai e n angin kenyataanny dan kerug odinamik da l lagi yaitu 0.45 saja ngan sangat 2.1. Batas Be bine-performan H-Darrieus Perancis Turbin an punya bilah dalam dan rbin Angin H-g/wiki/darrieu at listrik-k i dan men rik. Batera nting, yaitu: n sebagai a ) sebagai ka ) elektrolit (p tipe sumb ya karena a gian di ujun ari rotor, ηro berkisar pa untuk sud t baik. etz nce.com) mula-mu pada sekit ngin sumb h-bilah teg n keluar ar -Darrieus us_wind_turbi kimiawi yan geluarkanny ai terdiri da anoda (kutu atoda (kutu enghantar) bu da ng otor da du ula tar bu ak ah in) ng ya ari ub ub ba pe K D Q P t V S un pe P ba ho di ad K K D nQ Q Gam Dalam aterai, pers embahasan Kapasitas Ya Dimana: Qtot = kap = day = wak Vcharger = teg etelah kap ntuk sela emilihan ba arameter ya aterai adala our) serta igunakan un dalah: Kebutuhan Kapasitas Dimana: Q = jum kapas Qbatt = kap digun mbar 2.3. Mar (http://googl m perhitu amaan yang ini antara la ang Diperlu pasitas total ya tiap zona ktu penggun angan DC d pasitas tota anjutnya d aterai yang ang diguna ah besarnya tegangan. ntuk menetu Baterai U mlah batera sitas pasitas bater nakan c tot V P Q = ba t Q Q Q n = rine Battery le.co.id) ungan ke g digunaka ain: ukan baterai a naan dipakai al diketahu dilakukan terdapat di akan untuk kapasitas (A Persamaa ukan jumlah Untuk Pem i untuk pem rai yang er ch V t P arg × att tot 3 ebutuhan an dalam Ah watt jam volt i, maka analisa ipasaran. memilih (Ampere-an y(Ampere-ang h baterai menuhan menuhan Ah (2-8) (2-9)

(4)

4 Kebutuhan Baterai Untuk Pemenuhan

Tegangan

Dimana:

nv = jumlah baterai

Vbatt = tegangan baterai volt

Total Kebutuhan Baterai Dimana:

n = jumlah total baterai MARINE CABLE

Untuk instalasi listrik pada bidang marine, sebaiknya menggunakan jenis kabel yang sesuai dengan standar marine sehingga dapat diperoleh hasil yang lebih optimal baik dari segi keamanan serta masa pakai. Contoh pembacaan kode pada kabel marine adalah sebagai berikut:

F FAA––DDPPYYCCYY44 Artinya: FA = flame retardant D = double core (S=single;T=three;F=four; M=multiple)

P = EPR insulated (C=FR-XLPE; Y=PVC)

Y = PVC inner sheated cable C = galvanized steel wire braided

cable (CB=copper alloy) Y = PVC protective covering

(digunakan pada daerah yang terendam minyak atau daerah berminyak)

4 = luas penampang konduktor (mm2)

PERENCANAAN WIRING DIAGRAM Dalam perencanaan wiring diagram, terdapat proses perhitungan untuk menentukan jenis serta ukuran kabel, kapasitas dari pengaman atau MCB (Magnetic Circuit Breaker) serta ukuran dari Bus-Bar. Selain itu, persamaan yang digunakan untuk menentukan arus

komponen 1 phase berbeda dengan persamaan yang digunakan untuk komponen 3 phase.

Menentukan Kabel Dan MCB komponen 1 phase

Dimana:

I1φ = arus yang mengalir A

Ptotal = daya total pada fase R, S dan T

watt

Vphase = tegangan fase (netral dengan

R/S/T) volt

Cos θ = faktor daya (umumnya 0.8) Menentukan Kabel Dan MCB komponen

3 phase Dimana:

I3φ = arus yang mengalir A

Ptotal = daya total pada fase R, S dan T

watt

Vline = tegangan line (fase dengan fase)

volt

Cos θ = faktor daya (umunya 0.8) Menentukan Ukuran Busbar

Dimana:

Isc = arus hubungan pendek A

total sc I I = 4× (2-10) (2-11) batt er ch v V V n = arg (2-12) θ φ Cos V P I phase total × × = 3 1 θ φ Cos V P I line total × × = 3 3 (2-13) (2-14) v Q n n n= ×

(5)

5

3. METODOLOGI

Gambar 3.1 :Diagram Alir Metodologi

4. ANALISA DAN PEMBAHASAN

ANALISA KEBUTUHAN DAYA PENERANGAN

Data-data yang telah diperoleh tentang jembatan Suramadu antara lain:

panjang total = 5438 m lampu sisi Cause Way Sby = 74 buah lampu sisi Approach Sby = 36 buah lampu sisi Main Bridge = 80 buah lampu sisi Approach Mdr = 72 buah lampu sisi Cause Way Mdr = 54 buah total jumlah lampu PJU = 316 buah daya tiap lampu HPS = 250 watt daya kebutuhan penerangan = 79 kW Sedangkan untuk distribusi tiang lampu PJU di setiap bagian jembatan adalah: Cause Way Surabaya

• sisi kiri = 37 buah

@250 watt

selter terletak pada P.18 • sisi kanan = 37 buah

@250 watt

selter terletak pada P.18A Approach Surabaya

@250 watt

selter terletak pada P.46 • sisi kanan = 18 buah

@250 watt

selter terletak pada P.46A Main Bridge

@250 watt

selter terletak pada P.46 • sisi tengah = 20 buah

@2x250 watt selter terletak pada P.46A

• sisi kanan = 20 buah

@250 watt

selter terletak pada P.46A Analisa dan

perhitungan kebutuhan baterai

Analisa dan Perhitungan kapasitas listrik dan parameter

lain yang dihasilkan turbin

Tidak Ya

Mulai

Pengumpulan Data : - Kec. Angin laut

- Kebutuhan daya penerangan jembatan - Spesifikasi turbin angin jenis H-Darrieus

Analisa dan perhitungan daya untuk beban

penerangan Pembuatan wiring diagram Sesuai? Pemilihan turbin angin Analisa turbin dengan CFD Kesimpulan Selesai

(6)

6 Tabel 4.1. Pembagian Zona

PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN ANGIN

Turbin yang digunakan adalah turbin jenis vertikal yaitu H-Darrieus yang sudah ada dipasaran sehingga tidak dilakukan pembuatan desain dari turbin yang dibutuhkan. Dari berbagai jenis produk yang ada di pasaran, dipilih turbin angin jenis vertikal dengan karakteristik sebagai berikut : Buatan = HAWKSFORD Jenis = VAWT Daya (P2) = 4 kW Kec. Kerja = 12 m/s Range kec. = 3-25 m/s Maks kec. = 50 m/s Teg.output = 200-400 VDC Tinggi (H2) = 3.5 m Diameter (D2) = 2 m Luas (A2) = 7 m2 Massa (m1) = 500 kg Putaran = 300 RPM Harga = $ 13,429.00 Buatan =CWE Jenis = VAWT Daya (P2) = 5 kW Kec. Kerja = 10.7 m/s Range kec. = 2.8-22.3 m/s Maks kec. = 44.7 m/s Teg.output = 250-500 VAC Tinggi (H2) = 4.6 m Diameter (D2) = 4 m Luas (A2) = 18.4 m2 Massa (m1) = 1088 kg Buatan = MUCE Jenis = VAWT Daya (P2) = 5 kW Kec. Kerja = 10 m/s Range kec. = 3.5-25 m/s Maks kec. = 60 m/s Teg.output = 380 VAC Tinggi (H2) = 4 m Diameter (D2) = 4 m Luas (A2) = 16 m2 Massa (m1) = 376 kg Putaran = 155 RPM Buatan = SANTA FE Jenis = VAWT Daya (P2) = 6 kW Kec. Kerja = 12.5 m/s Range kec. = 3-25 m/s Maks kec. = 40 m/s Teg.output = 220 VAC Tinggi (H2) = 3 m Diameter (D2) = 2.75 m Luas (A2) = 8.25 m2 Massa (m1) = 130 kg Putaran = 170 RPM Harga = $ 11,185.00 Buatan = EVERWIND Jenis = VAWT Daya (P2) = 10 kW Kec. Kerja = 11 m/s Range kec. = 4-25 m/s Maks kec. = 45 m/s Teg.output = 380 VAC Tinggi (H2) = 5.2 m Diameter (D2) = 5.2 m Luas (A2) = 27.04 m2 Massa (m1) = 552 kg Putaran = 130 RPM Buatan = HAWKSFORD Jenis = VAWT Daya (P2) = 10 kW Kec. Kerja = 12 m/s Range kec. = 4-25 m/s Maks kec. = 55 m/s Teg.output = 280-580 VDC ZONA BAGIAN POSISI TOTAL

DAYA (kW)

DAYA ZONA (kW) 1

Cause Way Surabaya Kiri 9.25

18.75 Approach Surabaya Kiri 4.5

Main Bridge Kiri 5 2

Cause Way Surabaya Kanan 9.25

18.75 Approach Surabaya Kanan 4.5

Main Bridge Kanan 5

3 Main Bridge Tengah 10 10.00 4 Approach Madura Kanan 9 15.75

Cause Way Madura Kanan 6.75

5 Approach Madura Kiri 9 15.75 Cause Way Madura Kiri 6.75

(7)

7 Tinggi (H2) = 6.2 m Diameter (D2) = 6 m Luas (A2) = 37.2 m2 Massa (m1) = 1700 kg Harga = $ 32,599.00

Semakin besar nilai efisiensi maka penggunaan turbin angin akan semakin sedikit pada dimensi dan kecepatan angin yang sama. Persamaan yang digunakan adalah dengan mengaplikasikan persamaan (2-5), menjadi:

dimana:

P2 = daya nominal turbin watt

D2 = diameter turbin m

H2 = tinggi turbin m

V2 = kecepatan nominal turbin m/s

ρudara = massa jenis udara pada suhu 25oC

kg/m3 Sehingga didapat: PRODUKSI η I HAWKSFORD 4kW 0.560 II CWE 5kW 0.376 III MUCE 5kW 0.530 IV SANTA FE 6kW 0.631 V EVERWIND 10kW 0.471 VI HAWKSFORD 10kW 0.264

Tabel 4.2. Efisiensi Turbin Angin

PERHITUNGAN DAYA YANG DIHASILKAN TURBIN ANGIN

Besarnya nilai efisiensi yang telah didapatkan untuk setiap jenis turbin angin digunakan untuk menghitung besarnya daya listrik yang dapat dihasilkan tubin tersebut.

Untuk parameter lainnya, seperti kecepatan angin laut digunakan acuan kecepatan angin laut yang berhembus pada bulan desember. Alasannya adalah, dari perhitungan yang telah dilakukan oleh tim Suramadu, pada bulan desember kecepatan angin merupakan kecepatan yang terendah sepanjang tahun 2005. Untuk mengitung

besarnya daya tersebut, digunakan persamaan (2-5). Sehingga didapat:

Tabel 4.3. Daya Aktual Turbin Angin

ANALISA PARAMETER TURBIN ANGIN

Analisa dilakukan untuk masing-masing jenis turbin angin, sehingga akan diketahui turbin mana yang paling optimal untuk dipasang di jembatan Suramadu. Berikut ini akan disajikan tabel analisa hasil perhitungan untuk setiap turbin angin.

HAWKSFORD 4 kW

ZONA DAYA ZONA

(kW) [n] [N] [l.f] MASSA (TON) 1 18.75 12.60 13.00 0.97 6.50 2 18.75 12.60 13.00 0.97 6.50 3 10.00 6.72 7.00 0.96 3.50 4 15.75 10.58 11.00 0.96 5.50 5 15.75 10.58 11.00 0.96 5.50 79 56 27.50 CWE 5 kW

(kW) [n] [N] [l.f] MASSA (TON) 1 18.75 7.15 8.00 0.89 8.70 2 18.75 7.15 8.00 0.89 8.70 3 10.00 3.81 4.00 0.95 4.35 4 15.75 6.00 7.00 0.86 7.62 5 15.75 6.00 7.00 0.86 7.62 79 34 36.99 MUCE 5 kW

(kW) [n] [N] [l.f] MASSA (TON) 1 18.75 5.83 6.00 0.97 2.26 2 18.75 5.83 6.00 0.97 2.26 3 10.00 3.11 4.00 0.78 1.50 4 15.75 4.90 5.00 0.98 1.88 5 15.75 4.90 5.00 0.98 1.88 79 26 9.78 PRODUKSI P3 (kW) I HAWKSFORD 4kW 1.49 II CWE 5kW 2.62 II MUCE 5kW 3.21 IV SANTA FE 3.5kW 1.15 V EVERWIND 10kW 4.83 VI HAWKSFORD 10kW 3.72 3 2 2 2 2 2 V H D P udara× × × × = ρ η _(4-1)

(8)

8

SANTA FE 6 kW

ZONA DAYA ZONA

(kW) [n] [N] [l.f] MASSA (TON) 1 18.75 9.49 10.00 0.95 2.3 2 18.75 9.49 10.00 0.95 2.3 3 10.00 5.06 6.00 0.84 1.38 4 15.75 7.98 8.00 0.997 2.07 5 15.75 7.98 8.00 0.997 2.07 79 42 10.12 EVERWIND 10 kW

(kW) [n] [N] [l.f] MASSA (TON) 1 18.75 3.88 4.00 0.97 2.21 2 18.75 3.88 4.00 0.97 2.21 3 10.00 2.07 3.00 0.69 1.66 4 15.75 3.26 4.00 0.82 2.21 5 15.75 3.26 4.00 0.82 2.21 79 19 10488 HAWKSFORD 10 kW

ZONA DAYA ZONA

(kW) [n] [N] [l.f] MASSA (TON) 1 18.75 5.04 6.00 0.84 18.00 2 18.75 5.04 6.00 0.84 18.00 3 10.00 2.69 3.00 0.90 9.00 4 15.75 4.23 5.00 0.85 15.00 5 15.75 4.23 5.00 0.85 15.00 79 25 75.00

Tabel 4.4. Analisa Parameter Turbin Angin Jumlah Turbin Terpasang (N)

Harga N merupakan pembulatan dari n. untuk mendapatkan n, terlebih dahulu dihitung besarnya daya yang dihasilkan turbin kemudian dibagi dengan daya masing-masing turbin akibat kecepatan angin. Persamaan yang digunakan adalah: dimana:

P = beban tiap zona watt P3 = daya turbin watt

sedangkan P3 didapat dengan

mengaplikasikan persamaan (2-5).

Faktor beban / load factor (L.F)

Faktor beban dalam hal ini adalah rasio dari total daya beban penerangan ditiap zona dengan total daya turbin angin yang terpasang pada zona tersebut. Pada perencanaan ini dipilih faktor beban yang paling rendah diantara turbin yang ada sehingga daya yang tidak terpakai dapat diminimalkan. Persamaan yang digunakan adalah:

PEMILIHAN TURBIN ANGIN

Setelah dilakukan proses analisa terhadap tubin angin, didapatkan parameter-parameter yang dapat digunakan sebagai acuan dalam pemilihan turbin. Parameter tersebut antara lain:

Mampu beroperasi pada kecepatan rendah Faktor ini disesuaikan dengan kondisi angin di Indonesia yang fluktuatif dan cenderung berkecepatan rendah. Sehingga pada kecepatan yang rendah, turbin tetap dapat beroperasi.

Memiliki batas kecepatan maksimum yang tinggi

Pada daerah pantai (laut), kemungkinan angin dapat berhembus relatif lebih kencang. Sehingga faktor ini sebagai pertimbangan agar turbin tidak cepat rusak karena angin yang kencang.

Tegangan yang dihasilkan adalah tegangan DC

Karena putaran turbin yang tidak konstan, maka frekuensi juga tidak akan konstan apabila digunakan generator AC. Selain itu juga diharapkan dapat mengurangi rugi elektrik dari sistem kontrolnya.

Dimensi yang tidak terlalu besar namun ringan

Jembatan merupakan struktur yang cukup berpengaruh terhadap berat, sehingga sedapat mungkin dipilih turbin yang ringan. Selain itu faktor estetika jembatan dan keselamatan dari para pengendara juga 3 P P n= N n f l. = (4-3) (4-2)

(9)

9 harus dipertimbangkan, sehingga dipilih

turbin yang diameternya tidak terlalu besar.

Memiliki efisiensi yang relatif tinggi

Turbin dengan efisiensi tinggi, akan berpengaruh pada jumlah turbin yang harus dipasang pada kecepatan yang sama. Dari keseluruhan parameter diatas, maka turbin yang paling sesuai dan optimal untuk dipasang di jembatan Suramadu untuk memenuhi kebutuhan penerangan adalah turbin: B Buuaattaann ==MMUUCCE E J Jeenniiss ==VVAAWWTT D Daayyaa((PP22)) ==55 kkWW K Keecc..KKeerrjjaa ==1100 mm//ss R Raannggeekkeecc.. ==33..55--2255 mm//ss M Maakksskkeecc.. ==6600 mm//ss T Teegg..oouuttppuutt ==221166 VVDDCC T Tiinnggggii((HH22)) ==44 mm D Diiaammeetteerr((DD22)) ==44 mm L Luuaass((AA22)) ==1166 mm22 M Maassssaa((mm11)) ==337766 kkgg P Puuttaarraann ==115555 RRPPMM

Gambar 4.1. Rencana Peletakan Turbin Angin Di Main Bridge (Tampak Melintang)

Gambar 4.2. Rencana Peletakan Turbin Angin Di Approach Bridge (Tampak Melintang)

Gambar 4.3. Rencana Peletakan Turbin Angin (Tampak Samping) 30 m 3, 6 m 7, 5 m 3, 6 m 3, 6 m 7, 5 m 3, 6 m 30 m 3, 6 m 7, 5 m 3, 6 m 3, 6 m 7, 5 m 3, 6 m

(10)

10 ANALISA TURBIN ANGIN DENGAN

CFD

Tujuan dilakukan analisa turbin dengan menggunakan CFD adalah untuk mengetahui besarnya gaya putar yang terjadi pada turbin tersebut akibat angin yang mengenainya. Dari nilai gaya tersebut nantinya digunakan untuk menghitung besarnya torsi hingga didapatkan daya yang dihasilkan turbin.

Daya hasil analisa CFD akan dibandingkan dengan daya hasil perhitungan matematis. Tujuannya adalah sebagai proses validasi dari turbin tersebut. Namun tentunya proses analisa dengan CFD ini bukan satu-satunya cara untuk mengetahi hasil sebenarnya, karena memang CFD adalah sebuah pendekatan.

Gambar 4.4. Pola Aliran Angin Terhadap Turbin

Gambar 4.5. Hasil Perhitungan Gaya Pada Blade Turbin

Dari perhitungan ANSYS, gaya yang bekerja pada blade atau sudu turbin adalah sebesar 532.314 N. Dengan mengaplikasikan persamaan (2-7) maka diperoleh torsi sebesar:

Dimana:

T = torsi Nm

F = gaya putar N L = panjang lengan gaya m Sehingga apabila panjang lengan adalah diameter turbin yaitu sebesar empat meter, maka:

Kemudian dengan mengaplikasikan persamaan (2-6), selanjutnya dilakukan perhitungan daya secara matematis dengan menggunakan persamaan (4-2). Dari kedua perhitungan tersebut diperoleh:

Daya hasil CFD = 5.5 kW Daya hasil perhitungan = 5 kW ANALISA DAN PERHITUNGAN KEBUTUHAN BATERAI

Dalam pembahasan ini, akan dilakukan analisa serta perhitungan matematis dari kebutuhan baterai yang digunakan untuk menyimpan energi listrik dari turbin angin. Tujuan dilakukan penyimpanan energi listrik adalah sebagai langkah antisipasi apabila tidak terdapat angin atau kecepatan angin terlalu rendah pada saat malam hari. Dari tujuan tersebut, maka dapat diasumsikan bahwa dalam perhitungan nantinya hanya waktu sesaat saja (bukan sepanjang malam) baterai beroperasi. Dalam perencanaan ini, diasumsikan waktu operasi dari baterai adalah selama dua jam.

Untuk proses pengisian baterai (charging), digunakan sistem yang telah terintegrasi dengan sistem pendukung dari turbin angin. Sehingga yang perlu dilakukan

L F T = × 4 314 . 532 × = T 26 . 2129 = T (4-3) Nm

(11)

11 adalah menghitung kebutuhan baterai yang

perlukan dan pembuatan wiring diagramnya. Parameter serta jenis baterai yang digunakan antara lain:

Tegangan charger = 24 volt Pemakaian baterai = 2 jam M MeerrkkBBaatteerraaii ==RROOLLLLSSMMAARRIINNEE T TiippeeBBaatteerraaii ==88CCHH3333PPMM K Kaappaassiittaassbbaatteerraaii == 884466 AAhh T Teeggaannggaannbbaatteerraaii == 88 vvoolltt D Diimmeennssii P Paannjjaanngg == 771188 mmmm L Leebbaarr == 228866 mmmm T Tiinnggggii == 446644 mmmm M Maassssaa == 118877..88 kkgg

Secara keseluruhan, perhitungan kebutuhan baterai untuk semua zona adalah: ZONA DAYA ZONA (kW) KAPASITAS DIPERLUKAN(Ah) nQ nv n N 1 18.75 1562.50 1.85 3 5.54 6 2 18.75 1562.50 1.85 3 5.54 6 3 10.00 833.33 0.99 3 2.96 3 4 15.75 1312.50 1.55 3 4.65 6 5 15.75 1312.50 1.55 3 4.65 6 79 6583.33 27

Tabel 4.5. Kebutuhan baterai

Rangkaian Baterai Untuk Zona 1, 2, 4 Dan 5

Gambar 4.6. Rangkaian Baterai Zona 1, 2, 4, dan 5 (Seri-Paralel)

Rangkaian Baterai Untuk Zona 3

Gambar 4.7. Rangkaian Baterai Zona 3 (Seri) PERENCANAAN WIRING DIAGRAM Setelah dilakukan serangkaian analisa serta perhitungan dari komponen-komponen yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan PJU jembatan Suramadu, untuk selanjutnya dilakukan pembuatan wiring diagram dari sejumlah turbin angin dan baterai untuk masing-masing zona.

Contoh perhitungan untuk zona 1 adalah sebagai berikut:

Menentukan Ukuran Busbar A A A θ φ Cos V P I phase T S R × = / / 1 8 . 0 220 2750 1φ = _× I 63 . 15 1φ = I θ φ Cos V P I line total × × = 3 3 8 . 0 380 3 30000 3φ = _× _× I 98 . 56 3φ = I total sc I I = 4× 53 . 106 4× = sc I 14 . 426 = sc I A

(12)

12 Ketiga nilai arus tersebut

digunakan untuk memilih kabel, pengaman serta ukuran busbar untuk masing-masing panel. Sehingga didapatkan pemilihan sebagai berikut:

Besar arus = 15.63 A Kabel = DPYC 4

Pengaman = 20 A

Besar arus = 56.98 A Kabel = FPYC 16

Pengaman = 60 A

Menentukan Ukuran Busbar

Besar arus = 426.14 A Busbar = 4x(30x5) Untuk menentukan nilai arus dari saklar, diambil nilai satu tingkat diatas nilai pengaman. Sehingga apabila nilai arus pengaman adalah 60 A, maka arus yang digunakan untuk saklar adalah 80 A. Tabel nilai arus untuk kabel dan pengaman dapat dilihat di lembar lampiran.

Pada perhitugan arus pada bagian 3 phase, Ptotal yang digunakan merupakan daya dari

keseluruhan turbin yang digunakan untuk masing-masing zona. Secara keseluruhan, perencanaan wiring diagram untuk seluruh zona adalah sebagai berikut:

Gambar 4.8. Wiring Diagram Zona 1

Daya (Watt) Nomer Saluran Phase Arus (Amp) Titik Lampu HPS @250 Watt R S T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 R1 S1 TI R2 S2 T2 R3 S3 T3 R4 S4 T4 12 Cadangan 2750 2750 2750 2750 2750 2750 750 750 750 6250 106.53 15.63 15.63 15.63 15.63 15.63 15.63 4.26 4.26 4.26 11 11 11 11 11 11 3 3 3 75 DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A 6A 6A DPYC 1 6A DPYC 1 DPYC 1 3x60A FPYC 16 4x(30x5) JL ZONA 1 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS

24 VDC;130 Ah

BATERAI SET 6 pcs @846 Ah;8 Volt TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET

6250 6250 3x80A

(13)

13 Gambar 4.9. Wiring Diagram Zona 2

Daya (Watt) Nomer Saluran Phase Arus (Amp) Titik Lampu HPS @250 Watt R S T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 R1 S1 TI R2 S2 T2 R3 S3 T3 R4 S4 T4 12 Cadangan 2750 2750 2750 2750 2750 2750 750 750 750 6250 106.53 15.63 15.63 15.63 15.63 15.63 15.63 4.26 4.26 4.26 11 11 11 11 11 11 3 3 3 75 DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A 6A 6A DPYC 1 6A DPYC 1 DPYC 1 3x60A FPYC 16 4x(30x5) JL ZONA 2 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah TURBIN ANGIN SET 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS

24 VDC;130 Ah

BATERAI SET 6 pcs @846 Ah;8 Volt TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET

6250 6250 3x80A Daya (Watt) Nomer Saluran Phase Arus (Amp) Titik Lampu HPS @250 Watt R S T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R1 S1 TI R2 S2 T2 R3 S3 T3 1750 1500 1500 3500 56.82 9.94 8.52 8.52 7 7 7 7 6 6 40 DPYC 1.5 10A 3x60A FPYC 16 4x(20x3) JL ZONA 3 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah BATERAI SET 6 pcs @846 Ah;8 Volt TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET

3250 3250 3x80A Cadangan 1750 1750 1750 9.94 9.94 9.94 DPYC 1.5 10A DPYC 1.5 10A DPYC 1.5 10A DPYC 1.5 10A DPYC 1.5 10A

(14)

14 Gambar 4.11. Wiring Diagram Zona 4

Gambar 4.13. Skema Turbin Angin Set

Daya (Watt) Nomer Saluran Phase Arus (Amp) Titik Lampu HPS @250 Watt R S T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R1 S1 TI R2 S2 T2 R3 S3 T3 2750 5250 89.49 15.63 11 11 11 10 10 10 63 DPYC 4 20A 3x60A FPYC 16 4x(25x5) JL ZONA 4 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah BATERAI SET 6 pcs @846 Ah;8 Volt TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET

3x80A Cadangan 2750 2750 2500 14.20 2500 2500 5250 5250 15.63 15.63 14.20 14.20 DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A Daya (Watt) Nomer Saluran Phase Arus (Amp) Titik Lampu HPS @250 Watt R S T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R1 S1 TI R2 S2 T2 R3 S3 T3 2750 5250 89.49 15.63 11 11 11 10 10 10 63 DPYC 4 20A 3x60A FPYC 16 4x(25x5) JL ZONA 5 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah 5 kW;380VAC/50Hz;3PHS 24 VDC;130 Ah BATERAI SET 6 pcs @846 Ah;8 Volt TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET TURBIN ANGIN SET

3x80A Cadangan 2750 2750 2500 14.20 2500 2500 5250 5250 15.63 15.63 14.20 14.20 DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A DPYC 4 20A KE BATERAI SET 6 pcs @846 Ah;8 Volt

RECTIFIER CONTROLLERCHARGING UNLOADER

INVERTER

AC OUTPUT 380VAC/50Hz;3phs

DC OUTPUT 24 Volt;130 Amp

(15)

15

5. KESIMPULAN

Setelah melalui serangkaian proses analisa dan perhitungan didapatkan beberapa poin kesimpulan dari Studi Pembangkit Listrik Tenaga Angin Laut Untuk Memenuhi Jembatan Suramadu, antara lain:

1. Dalam perencanaan ini dilakukan pembagian daerah (zona) penerangan sebanyak lima zona dengan masing-masing kebutuhan daya sebagi berikut: ZONA BAGIAN POSISI TOTAL

DAYA (kW)

DAYA TIAP ZONA (kW) 1

Cause Way Sby Kiri 9.25

18.75 Approach Sby Kiri 4.5

Main Bridge Kiri 5 2

Cause Way Sby Kanan 9.25

18.75 Approach Sby Kanan 4.5

Main Bridge Kanan 5

3 Main Bridge Tengah 10 10.00 4 Approach Mdr Kanan 9 15.75

Cause Way Mdr Kanan 6.75

5 Approach Mdr Kiri 9 15.75 Cause Way Mdr Kiri 6.75

79 79 2. Setelah dilakukan analisa beban

penerangan hingga analisa terhadap turbin angin, didapatkan turbin angin yang paling sesuai (optimal) untuk memenuhi kebutuhan PJU, dengan spesifikasi sebagai berikut:

Buatan = MUCE Jenis = VAWT Daya (P2) = 5 kW Kec. Kerja = 10 m/s Range kec. = 3.5-25 m/s Maks kec. = 60 m/s Teg.output = 216 VDC Tinggi (H2) = 4 m Diameter (D2) = 4 m Luas (A2) = 16 m2 Massa (m1) = 376 kg Putaran = 155 RPM

3. Melalui proses perhitungan matematis, jumlah turbin yang harus terpasang untuk masing-masing zona adalah sebagai berikut: Zona 1 6 turbin Zona 2 6 turbin Zona 3 4 turbin Zona 4 5 turbin Zona 5 5 turbin

4. Daya yang dihasilkan oleh setiap turbin yang diasumsikan pada kecepatan rata-rata terendah pada bulan Desember tahun 2005 adalah sebesar 3.21 kW pada 8.63 m/s

5. Dengan menggunakan CFD, diketahui besarnya gaya yang terjadi pada sudu turbin sebesar 532.314 N

6. Dari proses validasi turbin, yaitu membandingkan daya nyata yang dihasilkan turbin secara perhitungan matematis dengan CFD diperoleh: Daya hasil CFD = 5.5 kW Daya hasil perhitungan = 5 kW

7. Pada analisa dan perhitungan baterai untuk cadangan listrik, diasumsikan tidak terdapat angin selama dua jam berturut-turut sehingga diperoleh jumlah baterai yang harus digunakan untuk masing-masing zona sebanyak: Zona 1 6 baterai Zona 2 6 baterai Zona 3 3 baterai Zona 4 6 baterai Zona 5 6 baterai

8. Spesifikasi baterai yang digunakan adalah:

Merk = ROLLS MARINE Tipe = 8 CH 33PM Kapasitas = 846 Ah Tegangan = 8 volt Dimensi Panjang = 718 mm Lebar = 286 mm Tinggi = 464 mm Massa = 187.8 kg

9. Dari keseluruhan proses analisa dan perhitungan dilakukan pembuatan wiring diagram yang terdapat pada bagian analisa dan pembahasan