1 PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN MENGGUNAKAN TURBIN ANGIN
SIEMENS SWT-2.3-108
Ditujukan untuk memenuhi tugas ke-2 mata kuliah Teknik Konversi Energi yang diampu oleh
Ir. Ratna Budiawati, M.A
Oleh :
PROGRAM STUDI D4 TEKNIK KELISTRIKAN KAPAL JURUSAN TEKNIK KELISTRIKAN KAPAL POLITEKNIK PERKAPALAN NEGERI SURABAYA
SURABAYA 2017
PUGUH UTOMO NRP. 0414040002 DANA HARTONO NRP. 0414040006 DIAN ARGA PUTRA NRP. 0414040019
2 BAB I
PENDAHULUAN
Menurut data Statistik Ketenagalistrikan tahun 2015, konsumsi energi listrik per kapita Indonesia terus mengalami kenaikan yang cukup signifikan. Kenaikan konsumsi tersebut rata-rata sebesar 4,25 % pertahun terhitung sejak tahun 2011 hingga tahun 2015. Disisi lain rasio elektrifikasi Indonesia juga terus mengalami kenaikan sebesar 3,8 % pertahun terhitung sejak tahun 2011 hingga tahun 2015. Rasionya sebesar 88,3 % pada tahun 2015 dan termasuk yang terendah kedelapan di Asia Tenggara. Guna meningkatkan rasio tersebut, pemerintah Indonesia terus melakukan pembangunan pembangkit-pembangkit listrik baru baik yang menggunakan energi primer fosil maupun energi terbarukan. Penggunaan energi fosil seperti batu bara dan gas alam masih dominan dibandingkan dengan energi terbarukan, prosentasenya mencapai 88 %. Energi fosil merupakan energi yang tidak dapat diperbarui jumlahnya, dan saat ini cadangannya terus mengalami penurunan.
Apabila konsumsi energi fosil untuk pembangkit listrik terus dilakukan suatu saat dapat dipastikan Indonesia akan mengalami krisis energi listrik. Oleh karena itu perlu adanya upaya optimalisasi pemanfaatan energi terbarukan sebagai sumber energi listrik saat ini. Salah satu energi terbarukan yang dapat dimanfaatkan adalah energi bayu atau angin. Menurut kajian Direktorat Jenderal EBTKE BPPT tahun 2016 , sumber potensi energi angin mencapai 970 MW, namun hingga tahun 2015 pemanfaatanya tidak lebih dari 0,11% atau hanya sebesar 1,12 MW saja. Seiring dengan berjalannya waktu dan kebutuhan energi listrik , pembangunan pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB) terus dilakukan, hal ini dapat terlihat dari meningkatnya kapasitas terpasang PLTB dari yang semula 0.93 MW pada 2011menjadi 1.12 MW pada 2015. Baru-baru ini pemerintah melalui Kementerian ESDM juga meresmikan pembangkit listrik tenaga bayu terbesar di Indonesia. Kapasitasnya mencapai 50MW, PLTB ini dibangun di wilayah pantai Samas Daerah Istimewa Yogyakarta. Pada dasarnya PLTB,merupakan pembangkit listrik yang sederhana setiap orang bisa membuatnya untuk kebutuhan sendiri dirumah. Hal ini dikarenakan konstruksi dan mekanisme kerjanya yang sederhana tidak seperti PLTU yang membutuhkan perangkat yang kompleks untuk menghasilkan energi listrik. Oleh sebab itu dalam tugas ini akan dijelaskan mengenai teknologi dan prinsip kerja pembangkit listrik tenaga angin, komponen-komponen yang digunakan dan perhitungan-perhitungan terkait dengan energi listrik yang dihasilkan.
3 BAB II
TEKNOLOGI KONVERSI ENERGI ANGIN MENJADI ENERGI LISTRIK 2.1 Skema dan Mekanisme Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Gambar 1 Skema Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Berdasarkan gambar skema diatas dapat diketahui bahwa pembangkit listrik tenaga angin terdiri dari beberapa komponen utama dan tambahan yaitu turbin angin, gearbox, generator AC,perangkat elektronika daya, transformator penaik tegangan (Step Up), dan sistem distribusi/transmisi energi listrik. Bagian-bagian tersebut berperan penting dalam proses pembangkitan energi listrik hingga penyaluran ke pusat-pusat beban. Secara umum proses pembangkitan energi listrik diawali dari proses konversi energi kinetik angin menjadi energi mekanik berupa putaran poros turbin. Putaran poros tersebut kemudian dilipatgandakan menggunakan gearbox, tujuannya agar putaran disisi poros generator (rotor) mampu mencapai putaran nominalnya. Putaran rotor tersebut kemudian memotong medan magnet stator dan menimbulkan ggl induksi yang menghasilkan tegangan listrik arus bolak-balik (AC) disisi statornya.
Tegangan yang dihasilkan tersebut belum sepenuhnya murni gelombang sinus (pure sine wave), oleh karena itu diperlukan suatu perangkat tambahan berupa perangkat elektronika daya untuk merekayasa gelombang tersebut. Dikatakan perangkat tambahan karena keberadaan perangkat ini tidak selalu dipasang pada turbin angin yang diproduksi.
4 Perangkat elektronika daya yang dimaksud adalah rectifier, dc link dan inverter. Rectifier berfungsi untuk mengubah tegangan AC menjadi DC. Pengubahan ini dilakukan karena tegangan DC lebih mudah untuk dikondisikan atau dimodulasi dibandingkan dengan tegangan AC. Gelombang DC yang dihasilkan kemudian dimurnikan menggunakan komponen DC Link yang terdiri dari kapasitor, fungsinya sebagai low pass filter untuk menghasilkan tegangan DC murni yang memiliki bentuk gelombang lurus. Gelombang lurus tersebut kemudian diubah kembali menjadi gelombang sinus, tujuannya untuk mengubah tegangan dari DC menjadi AC kembali. Pengubahan ini menggunakan alat yang disebut inverter dan menggunakan teknik modulasi PWM (Pulse Witdh Modulation). Hasil keluaran dari inverter ini sudah berupa tegangan AC dengan bentuk gelombang sinusoidal murni yang kemudian nilai tegangannya dinaikkan menggunakan transformator Step Up. Keluaran tegangan tersebut kemudian dikoneksikan dengan saluran distribusi dan transmisi tegangan tinggi yang terhubung dengan pusat-pusat beban. Spesifikasi dari komponen utama tersebut (Main Equipment) dapat dilihat pada bagaian 2.2.
2.2 Spesifikasi Komponen-Komponen Utama Pembangkit Listrik Tenaga Angin 1. Turbin Angin
A. Rotor
- Merk : Siemens
- Type : 3-bladed, horizontal axis
- Position : Upwind
- Diameter : 108m
- Swept area : 9144m2
- Speed range : 6-16 rpm
- Power regulation : Pitch regulation with variable speed
- Rotor tilt : 6 degress
B. Blade
- Type : Self-suporting
- Blade lenght : 53 m
- Root chord : 3.4 m
- Aerodynamic profile : NACA63.xxx,FFAxxx,SWPxxx
- Material : GRE
- Surface gloss : Semi-gloss,<30/ ISO2813 - Surface colour : Light grey, RAL 7035
5 2. Gear Box (Transmission System)
- Merk : Siemens
- Coupling hb-shaft : Flange - Coupling shaft-gearbox : Shrink disc
- Gearbox type : 3-stage planetary/helical - Gearbox ratio : 1:91
- Gearbox lubrication : Splash/forced lubrication
- Oil volume : Approx. 400 I
- Gearbox oil filtering : Inline and offline - Gearbox cooling : Separate oil cooler
- Gearbox designation : PEAB 4456 (Winergy) or EH851 (Hansen) - Coupling gear-generator : Double flexible coupling
3. Generator
- Merk : Siemens
- Type : Asynchronous
- Nominal power : 2,300 kW
- Protection : IP 54
- Cooling : Integrated heat exchanger - Insulation class : F 4. Grid Terminals (LV) - Merk : Siemens - Nominal power : 2,300kW - Voltage : 690 Kv - Frequency : 50Hz or 60Hz 5. Transformator - Merk : Schneider
- Type : Power Tranformator
- Max. rated voltage : 36 Kv - Max. rated power : 2.5 MVA
6 2.3 Dasar Teori Konversi Energi Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Energi mekanik pada turbin angin diperoleh dari suatu proses konversi energi angin. Energi angin sendiri merupakan energi yang berasal dari pergerakan massa udara yang bergerak dari suatu daerah bertekanan maksimum ke daerah bertekanan minimum. Massa udara yang bergerak ini disebut sebagai energi kinetik karena memiliki kecepatan gerak, sehingga daya yang menjadi input turbin angin tak lain berasal dari energi kinetik angin. Besarnya daya tersebut secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :
𝑃𝑡𝑜𝑡 = 𝑚 𝑉𝑖^2 2𝑔𝑐 (2-1) Sedangkan : 𝑚 = 𝜌𝐴𝑉𝑖 Maka : 𝑷 = 𝟏 𝟐𝒈𝒄𝝆𝑨𝑽𝒊^𝟑 (2-2) Keterangan: Ptot=Daya total (W) m=Laju aliran massa Kg/s Vi= Kecepatan datang angin m/s gc=faktor konversi 1.0 Kg/(N.s2) ρ= Massa jenis udara Kg/m3
A= Area sapuan turbin m2
Persamaan diatas dapat digunakan untuk menghitung jumlah daya yang menjadi masukan atau input bagi turbin angin. Hasil perhitungan daya dari rumus tersebut belum dapat dijadikan acuan dalam menetapkan kapasitas daya input turbin bagi generator, sebab belum mempertimbangkan rugi-rugi daya dan faktor lain. Oleh karena itu diperlukan suatu faktor pengali yang biasa disebut sebagai faktor efisiensi. Seorang Ilmuwan Fisika dari Jerman bernama Albert Betz pada tahun 1919 menyatakan bahwa tidak ada turbin angin yang dapat mengkonversi energi kinetik angin menjadi energi mekanik (putaran) lebih dari 16/27 (59,3%). Dikalangan peneliti dan pengembang turbin angin hal ini dikenal sebagai Batas Betz ( Betz Limits) dan membulatkan faktor tersebut menjadi 60% yang artinya tidak ada turbin angin yang dapat mengkonversi energi kinetik angin menjadi energi putaran lebih dari 60%.
7 Berbagai faktor teknis yang menyangkut masalah pembuatan turbin angin juga mempengaruhi efisiensi turbin angin, bahkan nilainya dibawah batas Betz yaitu dalam kisaran 0.35-0.45 (35%-45%). Sehingga secara matematis daya aktual atau daya nyata yang dihasilkan oleh turbin angin adalah sebagai berikut :
𝑷𝒎𝒕 = 𝝋𝒕 𝟏
𝟐𝒈𝒄𝝆𝑨𝑽𝒊^𝟑 (2-3)
Keterangan
Pmt= Daya Mekanik Turbin (W) φt :efisiensi turbin angin
Hasil konversi dari energi kinetik tersebut merupakan daya mekanik berupa putaran poros turbin angin. Guna menyesuaikan putaran turbin dengan syarat nominal putaran generator maka dibutuhkan sebuah gearbox yang berfungsi melipatgandakan putaran sehingga setiap rpm putaran turbin dapat menghasilkan beberapa kali lipat rpm pada sisi poros generator (rotor). Gearbox tersebut merupakan kumpulan dari beberapa gear yang saling kontak secara fisik sehingga muncul adanya losses yang juga mempengaruhi efisiensi sistem. Losses ini kemudian menjadi faktor efisiensi tersendiri yang disebut efisiensi transmisi (φtr) dan menghasilkan daya mekanik pada sisi transmisi gearbox sebagai berikut:
𝑷𝒈 = 𝝋𝒕𝒓 𝒙 𝑷𝒎𝒕 (2-4)
Keterangan :
φtr= efisiensi gearbox
Pg= Daya Mekanik dari gearbox (W)
Keluaran dari gearbox tersebut juga berupa putaran hanya saja frekuensi putarannya lebih tinggi dari pada dari sisi poros turbin. Sisi keluaran tersebut kemudian dihubungan dengan poros generator. Generator tidak sepenuhnya dapat menghasilkan daya keluaran sesuai spesifikasinya. Terdapat faktor losses berupa rugi-rugi panas (heat disipation) dan rugi kumparan yang juga memunculkan faktor efisiensi yang disebut efisiensi generator (φgen). Sehingga daya listrik yang dapat dihasilkan dari pembangkit listrik tenaga angin ini adalah sebagai berikut :
8 𝑷𝒆 = 𝝋𝒈𝒆𝒏 𝒙 𝑷𝒈 (2-5)
Keterangan :
Pe= Daya Listrik (W) φgen= efisiensi generator
9 BAB III
ANALISA DAN KESIMPULAN
3.1 Analisa
Analisa merupakan suatu kegiatan usaha mengamati suatu objek untuk mengetahui informasi-informasi terkait dengan objek tersebut. Hal itu pula yang dilakukan pada tugas ini, yaitu menganalisa objek berupa Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Analisa dilakukan tidak menggunakan objek nyata tetapi hanya dilakukan pada data spesifikasi turbin angin sesuai dengan standart keluaran pabrik. Turbin angin yang dimaksud adalah turbin angin merk Siemens dengan tipe SWT-2.3-108. Analisa ini bertujuan mengetahui seberapa besar efisiensi dari turbin angin tersebut pada tiap-tiap kecepatan angin. Oleh karena itu,diperlukan serangkaian perhitungan terkait dengan proses konversi energi yang dimulai dari konversi energi kinetik angin hingga menjadi energi final berupa energi listrik. Serangkaian perhitungan tersebut dapat dilihat pada bagian dibawah ini.
a. Data Perhitungan
Data-data berikut merupakan data simulasi perhitungan yang didapat dari data spesifikasi teknis turbin angin dan sumber lain yang terkait dengan proses konversi. Data tersebut sebagai berikut :
- Kecepatan angin nominal (Vi) = 12 m/s - Luas sapuan blade (A)= 9144 m2
- Massa Jenis Udara pada suhu 250C = 1,2 Kg/m3
- Power Coeficient (Efisiensi turbin) = 0.35 - Efisiensi gearbox = 0.9
- Efisiensi Generator = 0.75 b. Perhitungan Daya Turbin Angin
Perhitungan ini menggunakan persamaan 2-3 yang bertujuan mengetahui daya mekanik turbin (Pmt) berupa putaran yang dapat dihasilkan oleh turbin angin.
𝑷𝒎 = 𝝋𝒕 𝟏 𝟐𝒈𝒄𝝆𝑨𝑽𝒊^𝟑 𝑃𝑚 = 1 2𝑥1.0𝑁. 𝑠𝐾𝑔 0.35 𝑥 1,2𝐾𝑔/m3 𝑥 9144 m2 𝑥123 𝑃𝑚 = 3318174.72 W 𝑃𝑚 = 3.31817472 MW ~ 3.3 MW
10 c. Perhitungan Daya Mekanik Pada Gearbox
Perhitungan ini dimaksudkan untuk mengetahui besarnya daya keluaran mekanik dari gearbox (Pg). Besarnya nilai daya yang dapat dikonversi tergantung dari efisiensi gearbox. Pada perhitungan ini efisiensi yang digunakan diasumsikan sebesar 0.9 sehingga besarnya daya mekanik pada keluaran gearbox adalah sebagai berikut:
𝑃𝑔 = 𝜑𝑔𝑥 Pmt 𝑃𝑔 = 0.9𝑥 3.3MW
𝑃𝑔 = 2.97 𝑀𝑊 d. Perhitungan Daya Listrik (Pe)
Perhitungan daya listrik ini menggunakan persamaan 2-5. Karena tidak dituliskan efisiensi generator pada data spesifikasi generator maka diasumsikan efisiensi generator sebesar 0.75. Besarnya daya listrik tersebut adalah sebagai berikut :
𝑃𝑒 = 𝜑𝑔𝑒𝑛𝑥 Pg 𝑃𝑒 = 0.75𝑥 2.97MW
𝑃𝑒 = 2.2 MW
Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan diatas dapat diketahui bahwa generator turbin angin tersebut menghasilkan daya listrik sebesar 2.2 MW atau 4% lebih rendah dari daya yang tertulis pada data spesifikasi teknis yaitu 2.3MW (2.300 kW). Apabila dihitung efisiensinya maka besarnya efisiensi turbin angin pada kecepatan angin nominal adalah sebagai berikut :
φsistem=2.2MW/3.3MW x 100% =66%
Efisiensi sistem tersebut dihitung berdasarkan daya listrik yang dihasilkan generator yang kemudian dibandingkan dengan daya input mekanik yang terdapat pada poros turbin angin. Efisiensi tersebut dapat lebih besar atau lebih kecil dari nilai tersebut. Hal ini tergantung dari koefisien efisiensi dari masing-masing komponen seperti efisiensi gearbox dan generator.
e. Efisiensi Pada Setiap Kecepatan Angin
Guna mengetahui besarnya efisiensi turbin angin dari setiap kecepatan angin, dilakukanlah perhitungan daya mekanik dan daya listrik seperti perhitungan diatas
11 untuk setiap kecepatan angin dari kecepatan minimal (cut in wind speed: 3m/s-4m/s) hingga kecepatan nominal (Rate power 11m/s-12m/s). Perhitungan dilakukan dengan bantuan software Microsoft Excel 2007 dengan hasil perhitungan sebagai berikut:
Tabel 3.1 Daya dan Efisiensi Turbin Angin Pada Setiap Kecepatan
No Kecepatan Angin (m/s) Daya Mekanik Input Turbin (MW) Daya Mekanik Input Pada Poros (MW) Daya Listrik (MW) Rata-rata kenaikan Efisiensi 1 0 0 0 0 20% * Tiap kenaikan 1 m/s pada kecepatan angin nominal (3-12) m/s 2 1 0 0 0 3 2 0 0 0 4 3 0.148 0.052 0.035 5 4 0.351 0.123 0.083 6 5 0.686 0.240 0.162 7 6 1.185 0.415 0.280 8 7 1.882 0.659 0.445 9 8 2.809 0.983 0.664 10 9 4.000 1.400 0.945 11 10 5.486 1.920 1.296 12 11 7.302 2.556 1.725 13 12 9.480 3.318 2.240
Guna memudahkan identifikasi daya input dan output dari pembangkit listrik tenaga angin ini dapat dibuat sebuah grafik sebagai berikut :
Grafik 3.1 Pengaruh Kecepatan Angin Terhadap Daya Turbin Total, Daya Input, dan Daya Output Listrik
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Daya (MW) Kecepatan Angin (m/s) P total P input P output
12 Dari grafik diatas dapat diketahui bahwa grafik daya total (garis warna biru) memiliki nilai terbesar disetiap pertambahan kecepatan. Sedangkan daya input yang berupa putaran mekanik turbin( garis berwarna merah ) memiliki daya lebih rendah dari daya total, hal ini dikarenakan adanya pengaruh efisiensi turbin angin yang erat hubungannya dengan Betz Limitz atau Batas Betz yang bernilai maksimal 0.53 ~0.6. Pada perhitungan turbin ini digunakan batas Betz 0.35 sehingga tidak heran jika grafik antara warna hijau dan merah perbandingannya cukup besar. Daya input tersebut juga mengalami penurunan ketika dikonversi menjadi energi listrik. Hal ini terjadi karena juga terdapat faktor efisiensi pada generator dan berdasarkan perhitungan (lihat tabel 3.1) besarnya efisiensi sistem secara keseluruhan adalah sebesar 66%. Artinya daya output (daya listrik) yang dapat dihasilkan besarnya hanya 66% dari daya input yang digunakan.
3.2 Kesimpulan
Berdasarkan analisa data spesifikasi teknik dan perhitungan yang telah dilakukan pada turbin angin Siemens tipe SWT-2.3-208 dapat disimpulkan bahwa:
1. Besarnya efisiensi sistem pembangkit listrik tenaga angin tersebut sebesar 66% pada kecepatan nominal 12 m/s.
2. Besarnya kenaikan efisiensi sistem dari setiap kenaikan 1 m/s kecepatan angin nominal turbin angin adalah sebesar 20%.
13 DAFTAR PUSTAKA
BPPT.2016.Outlook energy Indonesia 2016.Jakarta : Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi
BPS.2015. Rata-rata Suhu Udara, Kelembaban, Tekanan Udara, Kecepatan Angin, Curah Hujan dan Penyinaran Matahari Melalui Stasiun Meteorologi Balikpapan.Balikpapan: Badan Pusat Statistik
El-Wakil.MM.1985.Powerplant Technology.New York: Mc-Grawhill
Ryzkian, GA__Studi Pembangkit Listrik Tenaga Angin Laut untuk Memenuhi Kebutuhan Penerangan Jembatan Suramadu.Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Syahrul.2008.Prospek Pemanfaatan Energi Angin Sebagai Energi Alternatif di Daerah Pedesaaan.Jurnal Media Elektrik .Volume 3 Nomor 2
RAE.__Wind Turbine Power Calculation.__:The Royal Academy of Engineering
Sumber Website
www.windpowerengineerig.com
www.turbinegenerator.org
