Pembangkit Listrik Tenaga Angin HATMOD

Riptek, Vol.1 No.1, November 2007, Hal.: 19-26

*) Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Semarang Jl. Prof. Sudarto, SH, Tembalang – Semarang

Telp/fax. (024) 7460058

19

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN

UNTUK PENGGERAK PERALATAN

MESIN SEDERHANA

Hatmodjo S. , Darmanto S., Setioko B.

*)

Abstrak

Kebutuhan akan tenaga listrik tiap tahun terus meningkat seiring dengan pertambahan penduduk di perkotaan maupun diperdesaan. Kenaikan harga BBM mendorong masyarakat untuk mencari alternatif baru yang murah dan mudah didapat untuk mendapatkan tenaga mekanik menjadi tenaga listrik. Sudah banyak diupayakan untuk mendapatkan tenaga listrik dari pembangkit mikrohidro, namun masih banyak kendala seperti belum tersedianya turbin air skala mikro di pasaran, bangunan penampung/saluran air yang cukup untuk penggerak turbin air. Tenaga angin merupakan tenaga gerak yang murah dan mudah didapat namun penggunanan tenaga angin masih relatif rendah, sehingga peneliti mencoba untuk memanfaatkannya sebagai tenaga penggerak generator listrik untuk pembangkit listrik. Tenaga angin memutar poros melalui kipas vertikal dan memutar puly generator listrik sehingga menghasilkan arus listrik, maka usaha untuk meningkatkan kinerja turbin masih sangat diperlukan sehingga turbin yang dibuat dapat diterapkan di masyarakat. Salah satu caranya adalah dengan mengoptimalkan jumlah sudu pada turbin impuls, sudu Michell maupun sudu Pelton, untuk mendapatkan efisiensi terbaik system pembangkit listrik tenaga mikrohidro.

Tujuan dan manfaat dari penelitian ini adalah membuat generator pembangkit listrik tenaga angin yang mampu menghasilkan arus listrik ± 1000 Watt. Dan mengharapkan pembangkit listrik tenaga angin dapat dipakai sebagai alternatif dari pembangkit listrik yang sudah ada seperti pembangkit listrik tenaga air, tenaga diesel (minyak solar) dan ramah lingkungan (tidak menimbulkan polusi udara).

Sedangkan methoda penelitiannya adalah persiapan gambar, rangka alat hingga pada uji coba seberapa besar tenaga angin/kecepatan angin yang mampu menggerakkan kipas sehingga dapat memutar dynamo dan menghasilkan arus listrik, mengukur arus listrik maksimal yang dapat dihasilkan oleh dynamo.

Akhirnya dihasilkan arus listrik yang dihasilkan baru mampu mengerakkan peralatan selama ± 30 menit dan mesin digunakan tidak secara kontinu. Atau arus listrik yang mampu dihasilkan baru mencapai ± 1500 watt untuk waktu ± 30 menit.

Kata kunci :listrik, angin, turbin,

Abstract

The demand of electricity is getting increased caused by the increase of human population in the world.People tried to find an alternative energy source from microhydro turbine but the most important difficulties is the availability the water turbine, and water ponds to mechanize the turbine.

The wind power is the cheapest power but unfortunately this power rarely used.Many researchers used the wind as the activator of electric generator.

The goal of this research is to built an electicity generator that produses about 1000 Watt of electricity.It is found that the wind power is an alternative source for electricity genenator besides water turbine, diesel motor. The wind turbine is friendly for environment and not cause the air pollution.

In this study, we started to prepared the illustration of the turbine until examine the air velocity that could activate the propeller, and mechanize the dynamo that produce electricity and finally measuring the electricity produced by the dynamo.

The produced electricity current could mechanize a device only for 30 minuter equal to 1500 watt for 30 minutes.

Riptek, Vol. 1 No. 1, November 2007, Hal., 19-26

1

Pendahuluan

Kenaikan harga bahan bakar minyak (BBM) mendorong harga-harga bahan pokok kebutuhan sehari-hari melonjak cukup signifikan. Belum lagi ditambah kenaikan tarif transportasi, listrik dan telepon. Direncanakan pula tahun ini pemerintah akan menaikkan lagi harga BBM seperti jenis premium dari Rp. 4.500,00 menjadi Rp. 5.500,00. Kehidupan masyarakat menengah ke bawah semakin terhimpit, masyarakat di perkotaan semakin tertekan. Pada era otonomi daerah saat ini kekuatan dan kelemahan yang dimiliki tidak bisa didiamkan begitu saja, untuk menghadapi ancaman resesi ekonomi dan sosial yang belum menunjukkan perbaikan yang meyakinkan. Penciptaan peluang-peluang baru yang lebih kreatif perlu dilakukan terutama untuk menciptakan tenaga listrik yang murah. Beberapa penelitian telah dilakukan seperti system pembangkit listrik tenaga mikrohidro di beberapa daerah yang tidak terjangkau oleh jaringan listrik pemerintah dan potensi tenaga air melimpah. Untuk daerah perkotaan seperti kota Semarang yang juga merupakan kota pelabuhan berada di tepi laut Jawa, memiliki potensi yang belum tergarap dengan baik yaitu tenaga angin untuk pembangkit listrik. Bila potensi ini tergarap dengan baik,

diharapkan dapat memberikan

kontribusi terhadap pengadaan tenaga listrik yang murah dan dapat dimanfaatkan sebagai pengerak peralatan sederhana pada industri kecil. Mengingat pembangkit listrik tenaga angin ini relatif baru dan dapat dipakai dimana saja maka sudah selayaknya perlu dikaji dan dikembangkan guna mensejahterakan masyarakat.

Dengan jumlah penduduk yang mendekati 250 juta orang, dan konsumsi energi nasional dari tahin ketahun terus meningkat dan sampai saat ini sebagian besar dipenuhi oleh batu bara dan minyak bumi, selebihnya oleh energi listrik. Disamping sebagai energi utama dalam negeri, batu bara dan minyak/gas bumi sampai saat juga merupakan sumber devisa yang paling besar untuk negara. Selama ini eksploitasi yang dilakukan sering menimbulkan masalah terutama dari sisi lingkungan misalnya : rusaknya lahan, terganggunya landscape

wilayah tertentu, pencemaran air dan pencemaran udara.

Sumber energi tenaga angin dapat dimanfaatkan dengan cara mengubah energi tersebut ke dalam bentuk energi listrik melalui teknologi system pembangkit listrik yang terdiri dari komponen utama generator listrik, kipas pemutar poros, rotor, battery penyimpan arus listrik, rangka baja dan instalasi/kabel listrik. Kipas pemutar poros yang digerakkan tenaga angin merupakan penggerak mula menjadi energi mekanik berupa putaran poros menggerakkan puly digunakan untuk menggerakkan generator, sehingga menghasilkan listrik.

Kebutuhan akan tenaga listrik tiap tahun terus meningkat seiring dengan pertambahan penduduk di perkotaan maupun diperdesaan. Kenaikan harga BBM mendorong masyarakat untuk mencari alternatif baru yang murah dan mudah didapat untuk mendapatkan tenaga mekanik menjadi tenaga listrik. Sudah banyak diupayakan untuk mendapatkan tenaga listrik dari pembangkit mikrohidro, namun masih banyak kendala seperti belum tersedianya turbin air skala mikro di pasaran, bangunan penampung/saluran air yang cukup untuk penggerak turbin air.

Tenaga angin merupakan tenaga gerak yang murah dan mudah didapat namun penggunanan tenaga angin masih relatif rendah, sehingga peneliti mencoba untuk memanfaatkannya sebagai tenaga penggerak generator listrik untuk pembangkit listrik. Tenaga angin memutar poros melalui kipas vertikal dan memutar puly generator listrik sehingga menghasilkan arus listrik.

Tujuan dari penelitian ini adalah :

 Membuat generator pembangkit listrik tenaga angin yang mampu menghasilkan arus listrik ± 1000 Watt.

 Membuat petunjuk teknis pengoperasian generator pembangkit listrik tenaga angin.

 Memberikan wawasan pada masyarakat bahwa tenaga angin dapat dimanfaatkan untuk pembangkit listrik yang murah dan mudah dibuat.

System mikrohidro telah dikembangkan di beberapa Negara untuk memenuhi kebutuhan listrik di daerah pedalaman antara lain : Feltric Set di Nepal, Columbian Alternator Systemdi Kolombia, dan Pico Power Pack di Amerika. Ketiga system tersebut menggunakan turbin impuls sebagai pengerak (Maher and Smith, 2001).

Turbin impuls pertama kali dibuat oleh Alan Lester Pelton pada tahun 1830, turbin ini kemudian dikenal dengan turbin pelton. Turbin pelton terdiri dari roda jalan

(runner) yang disekelilingnya dipasang sudu berbentuk Hemispherical, dan sebuah nosel berpenampang lingkaran. Efisiensi turbin pelton bias mencapai 80 persen. Seratus tahun kemudian, Michell telah berhasil meningkatkan efisiensi turbin pelton dengan memodivikasi bentuk sudu pelton (Bellis, 2002). Bentuk sudu roda jalan turbin Pelton dan Michell dapat dilihat pada Gambar 1 dan 2.

(a) (b)

Gambar 1. (a) Bentuk sudu Michell; (b) Bentuk sudu Pelton

(a) (b)

Gambar 2. (a) Roda jalan turbin Michell; (b) Roda jalan turbin Pelton

Kinerja turbin dipengaruhi kualitas jet yang dihasilkan oleh nosel. Kualitas aliran jet akan berpengaruh terhadap karakteristik aliran selama berinteraksi dengan permukaan sudu (bucket). Penelitian tentang hal ini dilakukan oleh Kvloinsky dkk (2002), dimana analisis aliran jet pada permukaan sudu turbin dilakukan secara numeric maupun eksperimen. Nosel yang dipakai dalam penelitian tersebut berpenampang lingkaran. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kualitas aliran jet berpengaruh pada distribusi tekanan dan medan kecepatan pada permukaan sudu sehingga daya dan efisiensi turbin akan berubah.

Staubli dan Hauser (2004)

memvisualisasikan aliran jet keluar nosel

berpenampang lingkaran dalam berbagai bentuk divergen dengan cara memodifikasi dalam berbagai sudut jarum governor. Divergensi jet ternyata berpengaruh terhadap

karakteristik jet pada permukaan sudu. Hasil modifikasi menunjukkan peningkatan kinerja turbin, yang berarti modifikasi geometri nosel dapat menambah kualitas aliran jet yang dihasilkan nosel.

Riptek, Vol.1 No. 1, November 2007, Hal. 19-26

23

Modifikasi geometri nosel juga dilakukan

oleh Sahid dkk (2005) dengan mengubah bentuk penampang nosel menjadi segi empat, seperti terlihat pada Gambar 3. penampang nosel divariasikan menurut rasio panjang dan lebar segi empat (R), masing-masing adalah 0,67; 0,83; 1,0; dan 1,2. hasil uji karakteristik terhadap turbin Pelton menunjukkan nosel berpenampang segi empat R = 1,0 memberikan efek paling baik terhadap efisiensi turbin. Efisiensi turbin meningkat 18 persen jika disbanding dengan menggunakan nosel berpenampang lingkaran. Hasil uji karakteristik turbin Pelton dengan nosel berpenampang segi empat dan lingkaran dapat dilihat pada Gambar 4. berdasarkan hasil penelitian Sahid dkk tersebut, dapat dikatakan bahwa nosel berpenampang segi empat mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap kinerja turbin Pelton, oleh karenanya perlu diujikan pada type turbin lain yang sejenis (turbin impuls), dalam hal ini adalah turbin Michell.

(a)

(b)

Gambar 3. (a) Nosel berpenampang lingkaran; (b) Nosel berpenampang segi empat

Metodologi Penelitian

Rancang bangun pembangkit listrik tenaga angin untuk peralatan mesin sederhana ini menggunakan :

Bahan

a. Pipa besi Ø 4 “dipakai untuk tiang rangka b. Pipa besi Ø 3 “ dipakai untuk pembagi

dan skoor

c. Besi poros Ø 1,5” dipakai untuk as kipas pemutar

d. Pipa besi Ø 1,5 “ dipakai untuk rangka daun kipas

e. Plat strip dipakai untuk penjepit daun kipas

f. Plat besi tebal 5 mm dan 3 mm dipakai untuk dudukan generator dan dinding penutup.

g. Plat alumunium tebal 1mm dipakai untuk daun kipas

h. Laker dudukan poros dan bola baja dipakai untuk menempatkan poros i. Dynamo Ampere dipakai untuk pengisi

Accu

j. Accu 40 Ampere 12 Volt dipakai untuk pengerak awal dynamo DC

k. Dynamo DC dipakai untuk pemutar dynamo AC

l. Dynamo AC dipakai untuk pembangkit listrik

m. Rotor/reducer dipakai untuk mengubah arah putaran dan menambah kecepatan putaran

n. Pully dan vanbelt dipakai untuk memutar dynamo ampere

o. Perlengkapan instalasi listrik

Peralatan

a.

Mesin gergaji besi

b.

Mesin gerinda

c.

Mesin las

d.

Peralatan pengukur kecepatan angin

e.

Peralatan pengukur arus listrik

f.

Peralatan untuk pengecatan Jalannya Penelitian

Proses penelitian dibagi tiga tahap meliputi :

a. Tahap I perencanaan dan persiapan yaitu menyiapkan gambar kerja, menyiapkan bahan dan peralatan yang digunakan. b. Tahap II pelaksanaan yaitu membuat

rangka, membuat kipas pemutar, memasang reducer/rotor, dynamo, puly dan battery kering sebagai penyimpan/cadangan sementara arus listrik, dan instalasi listrik.

c. Tahap III uji coba seberapa besar tenaga angin/kecepatan angin yang mampu menggerakkan kipas sehingga dapat memutar dynamo dan menghasilkan arus listrik, mengukur arus listrik maksimal yang dapat dihasilkan oleh dynamo.

Data yang diperlukan dan teknik pengumpulan data

a. Data jumlah kipas

- Besarnya sudut kipas dicari yang optimum artinya dengan tekanan angin yang rendah mampu untuk memutar kipas secara konstan.

c. Data jumlah putaran kipas permenit - Jumlah putaran kipas permenit sangat

berpengaruh terhadap putaran dynamo dan arus listrik yang dihasilkan.

d. Data perbandingan putaran kipas dengan putaran dynamo

Kecepatan putaran kipas maksimal yang mampu memutar dynamo sehingga menghasilkan arus listrik yang maksimal.

Teknik pengolahan dan analisis data

Data jumlah kipas,besarnya sudut, kecepatan angin dan jumlah putaran dicatat dan ditabelkan kemudian dibuat grafiknya.

Data jumlah putaran kipas, jumlah putaran dynamo dan besar arus listrik yang dihasilkan dicatat dan ditabelkan kemudian dibuat grafiknya.

Data besarnya arus listrik yang dihasilkan tiap hari dan lama waktu pemanfaatan ditabelkan dan dibuat grafik sehingga dapat diketahui efektifitas pembangkit listrik tenaga angin dioperasionalkan, hal tersebut dapat dianalisis menggunakan metoda regresi.

Untuk menganalisis data jumlah kipas, besarnya sudut kipas, jumlah putaran kipas, kecepatan angin, jumlah putaran dynamo, besar arus yang dihasilkan dan lama waktu pemanfaatan digunakan analisis regresi dan korelasi. Analisis regresi digunakan sebagai metode untuk menyusun hubungan fungsional antara dua variabel.

Y = a0+ a1X,

dimana : Y = variabel tak bebas X = variabel bebas a0, a1= parameter regresi

Koefisien korelasi (r atau R) menunjukkan adanya korelasi kuat antar variabel. Nilai r terletak antara 0 sampai 1, jika nilai r = 0 maka tak ada korelasi dan jika r = 1 maka ada korelasi. Setiap besaran variabel bebas berubah, maka akan mempengaruhi nilai variabel tak bebasnya.

 

Rumus nilai r untuk data diskrit :

 

1

H

asil dan Pembahasan

Struktur Rangka Tiang

Rangka tiang dengan tinggi 9,00 m diharapkan pada ketinggian tersebut diperoleh tiupan angin yang cukup kencang karena sudah di atas ketinggian rumah penduduk dan pepohonan disekitarnya. Rangka berbentuk segi empat dan disekat menjadi tiga ruangan terdiri dari : ruangan atas untuk kipas, ruangan tengah untuk dynamo DC maupun AC dan accu, sedangkan ruangan bawah yang berhubungan dengan pondasi tiang rangka.

Hubungan antar tiang satu dengan yang lain dipasang pipa horizontal dan pipa diagonal agar kokoh dan tidak goyah. Bagian bawah tiang yang berhubungan dengan pondasi dipasang angkur dan dilas dengan pipa tiangnya agar bila terjadi angin kencang konstruksi tidak roboh/ambruk.

Gambar 5. Pengerjaan Konstruksi Struktur Rangka Jumlah kipas

Jumlah kipas pada kincir vertical terdiri dari empat daun dengan lebar 1,30 m dan tinggi 2,50 m, daun kipas menggunakan lembaran alumunium yang dipasang pada rangka menggunakan mur baut.

Konstruksi kipas

Hasil gambar kerja sudah diterapkan untuk pembuatan struktur rangka, demikian juga pembuatan rangka kipas/kincir vertikalnya. Terdapat beberapa penyesuaian mengingat rancang bangun ini selalu berkembang dan mencari solusi yang lebih baik agar diperoleh hasil yang optimal.

Riptek, Vol.1 No. 1, November 2007, Hal. 19-26

25

Gambar 6. Konstruksi Rangka Kipas/Kinci Vertikal

Gambar 7. Pemasangan Lembaran Alumunium pada Rangka Kipas/Kincir Vertikal Data sudut kipas

Kipas dipasang dengan lebar rangka 1,50 m dan yang diberikan daun dari lembaran alumunium selebar 1,30 m dibuat melengkung dengan selisih bagian tengah terhadap pinggir 0,20 m sedang besarnya sudut kipas menjadi 90º karena dalam satu lingkaran terdiri dari empat daun saja.

Jumlah putaran kipas permenit

Jumlah putaran kipas permenit pada waktu pengujian sangat bervariasi tergantung kecepatan angin.

Tabel 2. Jumlah Putaran Kipas/kincir Vertikal Permenit

No Waktu

Pengamatan Rata-rata JumlahPutaran/menit

1 Jam 08.00 s/d 11.00 32

2 Jam 11.01 s/d 14.00 40

3 Jam 14.01 s/d 17.00 19

Jumlah putaran yang terbesar adalah waktu antara jam 11.00 sampai dengan jam 14.00 WIB dengan jumlah 40 putaran kipas/menit.

Perbandingan putaran kipas dengan putaran dynamo ampere

Pada penelitian ini perbandingan putaran kipas dengan putaran dynamo ampere ditetapkan/diseting 1 : 20, dengan putaran kipas kemudian dipercepat 20 kali maka dapat memutar dynamo ampere dan dapat mengisi strum accu sehingga accu mampu memutar dynamo DC dan dynamo AC ikut berputar menghasilkan arus listrik.

Arus Listrik yang Dihasilkan

Arus listrik yang mampu dihasilkan baru mencapai ± 1500 watt untuk waktu ± 30 menit.

Pada kondisi tersebut karena hanya menggunakan satu buah accu (40 ampere, 12 volt) maka dapat menghasilkan arus listrik yang mampu untuk mengerakkan peralatan mesin seperti mesin ketam kayu tangan, bor tangan dan mesin amplas tangan, secara bergantian.

Arus listrik yang dihasilkan baru mampu mengerakkan peralatan selama ± 30 menit dan mesin digunakan tidak secara kontinu.

Putaran kipas belum mampu mengisi accu secara kontinu karena selalu kekurangan strum untuk memutar dynamo DC kembali sehingga untuk menghasilkan arus listrik kembali harus menunggu sampai accu kembali penuh dengan strum.

Analisa korelasi dan regresi tidak dapat dilaksanakan mengingat jumlah data pada masing-masing variabel tidak memenuhi syarat dan hampir semua variabel ditetapkan.

Kesimpulan

Dari bab pembahasan maka dapat disimpulkan antara lain :

a. Semua peralatan dapat berfungsi dengan baik mulai dari putaran kipas, pully, van belt, dynamo ampere, accu, dynamo DC, dynamo AC, dan instalasi kabel listrik. b. Jumlah putaran kipas terbesar adalah waktu

antara jam 11.00 sampai dengan jam 14.00 WIB dengan jumlah 40 putaran kipas/menit. c. Karena hanya menggunakan satu buah accu (40 ampere, 12 volt) maka dari putaran kipas tersebut dapat menghasilkan arus listrik untuk mengerakkan peralatan mesin seperti mesin ketam kayu tangan, bor tangan dan mesin amplas tangan, secara bergantian.

d. Arus listrik yang dihasilkan baru mampu mengerakkan peralatan selama ± 30 menit dan mesin digunakan tidak secara kontinu. e. Putaran kipas belum mampu mengisi accu

listrik kembali harus menunggu sampai accu kembali penuh strum terlebih dahulu f. Arus listrik yang mampu dihasilkan baru

mencapai ± 1500 watt untuk waktu ± 30 menit.

g. Analisa korelasi dan regresi tidak dilakukan mengingat data tidak memenuhi jumlah sampel.

Ucapan terima kasih

Ucapan terima kasih disampaikan kepada Bappeda Kota Semarang yang telah memberikan dana penelitian lewat Bidang Penelitian dan pengembangan di tahun 2006.

Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Bapak Walikota Semarang H. Sukawi Sutarip, SH,SE, dan bapak Ketua Bappeda Kota Semarang yang telah bersedia menjadi patner kerjasamanya dalam mendanai kegiatan penelitian ini.

Daftar Pustaka

Bellis, (2002),“Lester Allan Pelton-Water Turbines and the Beginnings of Hydroelectricity”, Inventor Journal, http://Inventor.abuot.com/gi/ dynamic/offsite.htm

Bono, Sahid, Sunarwo, (2003), “Rancang Bangun Turbin Pelton untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Kapasitas Daya 1kW”, Proseding Workshop dan Seminar Nasional Hasil-hasil Penelitian, Badan Penelitian dan Pengembangan Propinsi Jawa Tengah, Semarang.

Kvicinsky, S., J.L. Kueny, F. Avellan, E. Parkinson, (2002), Experimental and Numerical Analysis of Free Surface Flows in A Rotating Bucket”_{, Proceedings of} the XXIst_{IAHR Symposium on Hydraulic Machinery}

and Systems, Lausanne.

Maher P., and N. Smith, (2001), “Pico Hydro for Village Power”,Practical Manual for Schemes Up To 5 kW in Hilly Areas, Edition 2.

Monoshita, T., K. Takahashi, S. Ikeo, Y. Matsumoto, (2004), “Numerical Analysis of a Pelton Turbine Jet”, Proceeding of ASME/JSME Fluids Engineering Division Summer Meeting, California, htpp://asme.pinetec.com/ fedsm99/data/s-295/7832.html

Ritonga Abdulrahman, (1987), “Statistika Terapan untuk Penelitian”,Lembaga Penerbit FE – UI, Jakarta.

Sahid, Sunarwo, Bono, (2005), “Pengaruh Nosel Berpenampang Segi Empat terhadap Kinerja Turbin Pelton”, Proseding Seminar Nasional Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi (ReTII), STT Nasional, Yogyakarta.

Soewarto, (1980), “Pemakaian Batery untuk Penggerak Kendaraan dan Sebagai Salah Satu Aspek Dalam Rangka Diversifikasi Pemakaian Energi Sektor Angkutan, Lokakarya Pengembangan Energi Nonkonvensional”, Dirjen Ketenagaan, Departemen Pertambangan dan Energi, Jakarta.

Staubli, T., and H.P. Hauser, (2004), “Flow Visualization-Adiagnosis Tool for Pelton Turbines”, IGHEM2004, Lucerne.

Sunarto, M. Edy, (1994),“Turbin Pelton Mikro”,Andi Offset, Yogyakarta.

Sutisna N., (2004),“Departemen Energi Kembangkan Sistem Mikrohidro”, Tempo NewsRoom,

http://www.tempo.co.id/hg/nusa/jawamadura/.../ork, 20040417-08,id.html.

Zulkarnain, Soekarno, H., Berlian A., (2002), “Sistem Piko Hidro untuk Daerah Terpencil”,Majalah P3TEK,