PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU: SEMESTER VI

(1)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

LAB PEMBANGKIT DAN

PENYALURAN STL SEMESTER VI

I. Tujuan Percobaan

1. Mahasiswa mengetahui cara kerja Pembangkit Listrik Tenaga Bayu.

2. Mengetahui pengaruh perubahan kecepatan angin terhadap keluaran PLTB.

3. Mengetahui pengaruh jumlah blade terhadap keluaran PLTB.

II. Dasar Teori

II.1 DefenisiTurbin Angin

Turbin angin merupakan sebuah alat yang digunakan dalam sistem konversi energi angin. Turbin angin berfungsi mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik berupa putaran poros. Putaran poros tersebut kemudian digunakan untuk beberapa hal sesuai dengan kebutuhan seperti memutar dinamo atau generator untuk menghasilkan listrik atau menggerakkan pompa untuk pengairan.

II.2 Cara Kerja Turbin Angin

Cara kerja dari pembangkitan listrik tenaga angin ini yaitu awalnya energi angin memutar turbin angin. Turbin angin bekerja berkebalikan dengan kipas angin (bukan menggunakan listrik untuk menghasilkan listrik, namun menggunakan angin untuk menghasilkan listrik). Kemudian angin akan memutar sudut turbin, lalu diteruskan untuk memutar rotor pada generator di bagian belakang turbin angin. Generator mengubah energi gerak menjadi energi listrik dengan teori medan elektromagnetik, yaitu poros pada generator dipasang dengan material ferromagnetik permanen. Setelah itu di sekeliling poros terdapat stator yang bentuk fisisnya adalah kumparan-kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros generator mulai berputar maka akan terjadi perubahan fluks pada stator yang akhirnya karena terjadi perubahan fluks ini akan dihasilkan tegangan dan arus listrik tertentu.

Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan listrik untuk akhirnya digunakan. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator ini berupa AC (alternating current) (Pratama, 2107). Sistem kerja dari turbin angin dapat dilihat pada gambar 1 berikut.

(2)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

Gambar 1. Sistem Kerja Turbin Angin

(Sumber: Pratama, 2017)

II.3 Jenis-Jenis Turbin Angin

Berdasarkan bentuk rotor, turbin angin dibagi menjadi dua tipe yaitu Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH) atau Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT).

1. TASH adalah turbin angin yang memiliki bilah seperti pesawat, sehingga arah putarnya secara ke atas dan ke bawah (horizotal). Dalam penyediaan energi skala besar, umumnya TASH lebih populer karena dalam instalasinya harus dibangun dengan menara tinggi, karena semakin ke atas tekanan udara semakin tinggi maka TASH mampu mengubah akses angin yang lebih kuat menjadi listrik. Jumlah blade pada TASH bervariasi, mulai dari satu blade, dua blade, tiga blade, dan banyak blade (multi blade) yang penggunaannya disesuaikan dengan kebutuhan dan kondisi angin. Secara umum semakin banyak jumlah blade, semakin tinggi putaran turbin.

2. TASV adalah turbin angin yang memiliki bilah seperti gasing, rotor/sumbu utama disusun secara tegak lurus sehingga arah putarnya secara menyamping (vertikal). TASV tidak harus dipasang pada daerah yang memiliki angin kencang karena mampu mendayagunakan angin yang bertiup dari berbagai arah dan tidak perlu mengubah posisinya apabila ada perubahan arah angin. Oleh karena itu TASV dapat ditempatkan dimanapun (Kahfi, 2017).

(3)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

Gambar 2. Komponen Turbin Angin

(Sumber: Mittal, 2001)

Keterangan gambar:

1) Arah Angin 8) Tower pada HAWT 2) Diameter Rotor 9) Sirip Ekor

3) HubHeight 10) Tinggi rotor

4) Rotor Blade 11) Tower pada VAWT 5) Gear Box 12) Equator Height

6) Generator 13) Fixed Pitch Rotor Blade 7) Nacella

II.4 Daya Output Turbin Angin

Daya keluaran turbin angin merupakan fungsi kecepatan angin yang dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

P_m=1

2ρA v³C_p ...(1) Keterangan:

P_m = Daya output mekanik turbin (kW) C_p = Koefisien unjuk kerja turbin

ρ = Kepadatan udara (kg/m³) A = Luas penampang turbin (m³)

(4)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

v = Kecepatan angin (m/s)

Daya dan energi maksimum yang dapat dibangkitkan oleh turbin angin dibatasi oleh rating daya turbin angin yang terpasang dan kecepatan angin yang mengenai turbin pada waktu tersebut. Hubungan daya maksimum turbin angin dan kecepatan angin dimodelkan pada persamaan berikut:

P_W₍_t₎≤ P_Wmax₍_t₎ ...(2) Keterangan:

P_W₍_t₎ = Daya turbin angin pada waktu t (kW)

P_Wmax₍_t₎ = Daya maksimum turbin angin pada waktu t (kW)

II.5 Generator Sinkron

Generator sinkron atau generator AC (alternating current) adalah suatuperalatan yang berfungsi untuk mengkonversi energi mekanik (gerak) menjadienergi listrik (elektrik) dengan perantara induksi medan magnet. Perubahan energiini terjadi karena adanya perubahan medan magnet pada kumparan jangkar (tempatterbangkitnya tegangan pada generator) (Pratama, 2017). Generator AC 3 phase yang digunakan dapat dilihat pada gambar 5.

Gambar 3. Generator AC 3 Phase

(5)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

II.5.1 Prinsip Kerja Generator Sinkron

Kumparan medan yang terdapat pada rotor dihubungkan dengan sumber eksitasi yang dispulai oleh arus searah sehingga menimbulkan fluks yang besarnya tetap terhadap waktu. Kemudian penggerak mula (prime mover) yang sudah terkopel dengan rotor segera dioperasikan sehingga rotor akan berputar pada kecepatan nominalnya sesuai dengan persamaan:

n=120.f

p ...(3) Keterangan:

n = kecepatan putar rotor (rpm) p = jumlah kutub rotor

f = frekuensi (Hz)

Perputaran rotor tersebut sekaligus akan memutar medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan medan. Medan putar yang dihasilkan pada rotor akan menginduksikan tegangan tiga fasa pada kumparan jangkar sehingga akan menimbulkan medan putar pada stator. Perputaran tersebut menghasilkan fluks magnetik yang berubah ubah besarnya terhadap waktu. Adanya perubahan fluks magnetik yang melingkupi suatu kumparan akan menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan tersebut.

GGL induksi (Ea) pada alternator akan terinduksi pada kumparan jangkar alternator bila rotor diputar disekitar stator (Pratama, 2017).

II.6 Wind Solar Hybrid Controller

Wind solar hybrid controller merupakan alat yang digunakan untuk mengubah tegangan AC 3 phasa menjadi tegangan DC yang dikeluarkan oleh generator dan tegangan keluaran panel surya yang kemudian diolah dan disimpan pada tempat penyimpanan (aki). Wind solar hybrid controller berfungsi mengatur keluaran tegangan dan arus agar selalu kostan walaupun keluaran dari generator turbin angin dan panel surya tidak konstan. Hal ini dimaksudkan untuk

(6)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

mempermudah ke proses pemakaian beban dan media penyimpanan (Kahfi, 2017).

Wind solar hybrid yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada gambar4.

Gambar 4. Wind Solar Hybrid Controller

II.7 Aki

Aki adalah sebuah sel listrik dimana didalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversible (dapat berkebalikan) dengan efisiensinya yang tinggi. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversible adalah di dalam baterai dapat berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (pengosongan) dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi tenaga kimia (pengisian kembali dengan cara regenerasi dari elektroda-elektroda yang dipakai, yaitu dengan melewatkan arus listrik dalam arah (polaritas) yang berlawanan di dalam sel) (Daryanto, 2015). Oleh karena itu, dengan menggunakan aki, diharapkan tegangan dan arus yang dihasilkan dapat disimpan sementara dan dilanjutkan menuju inverter untuk disamakan tegangannya untuk kemudian dilanjutkan ke sistem pembebanan.

Pada penyimpanan ini digunakan Aki QuickStart N70-65D31R dengan tegangan 12VDC dan kemampuan 70Ah. Berikut ini adalah gambar kondisi fisik aki yang digunakan pada penelitian yang ditunjukan pada gambar 5 berikut.

(7)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

Gambar 5. Aki

II.8 Inverter

Inverter merupakan rangkaian elektronika daya yang digunakan untuk mengkonversikan tegangan searah (DC) ke tegangan bolak- balik (AC). Teknik kendali yang digunakan agar inverter mampu menghasilkan sinyal sinusoidal, yang paling sederhana adalah dengan cara mengatur keterlambatan sudut penyalaan inverter ditiap lengannya. Cara yang paling umum digunakan adalah dengan modulasi lebar pulsa (PWM). Sinyal kontrol penyaklaran didapat dengan cara membandingkan sinyal referensi (sinusoidal) dengan sinyal carrier (digunakan sinyal segitiga). Dengan cara ini frekuensi dan tegangan fundamental mempunyai frekuensi yang sama dengan sinyal referensi sinusoidal (Kahfi, 2017). Inverter BL- 500 VA memiliki spesifikasi masukan tegangan 10.5-15 VDC, pengaman (fuse) 40A sebanyak dua, dan kemudian di-step up kan ke 220VAC dengan transformator step up. Penggunaan inverter ini biasanya digunakan di PLTB dan PLTS, berikut tampak inverter yang digunakan pada penelitian yang ditunnjukkan pada gambar 6.

Gambar 6. Inverter

(8)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

II.9 Sensor

Sensor digunakan sebagai penunjang dalam proses pengambilan data. Adapun dari beberapa rangkaian sensor yang diperlukan diantaranya sebagai berikut:

2.9.1 Sensor Arus ACS712

Sensor ini digunakan untuk mengukur arus dari baterai. Gambar 7merupakan rangkaian dari sensor arus ACS712.

Gambar 7. Rangkaian Sensor Arus ACS712

(Sumber: Muttaqin, 2017)

Pin 1 dan 2 merupakan input dari sumber (fasa), sedangkan pin 3 & 4 merupakan output (fasa) yang tersambung ke beban. Pin 5 dan 8 merupakan pin untuk VCC 5V dan ground dari sumber catu daya. Sensor ACS712 ini memiliki range deteksi arus beragam yaitu 5A, 20A dan 30A. Modul sensor ACS712 ditunjukkan pada gambar 8.

Gambar 8. Modul Sensor Arus ACS712 2.9.2 Sensor Tegangan

(9)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

Keluaran dari sensor ini tidak boleh melewati 5 VDC agar tidak merusak inputan dari mikrokontroler yang hanya bisa menerima input maksimal 5 VDC, tampilannya ditunjukkan pada gambar 9 dan gambar 10.

Gambar 9. Diagram Rangkaian Sensor Tegangan

Gambar 10. Modul Sensor Tegangan

2.9.3 Sensor Kecepatan Angin

Pengukuran kecepatan angin terdiri dari baling – baling mangkok yang dikompel dengan piringan sensor dengan 18 celah dan sensor kecepatan optocoupler. Piringan sensor adalah alat yang digunakan untuk mengindera kecepatan putar baling-baling mangkok. Titik pusat piringan sensor dan titik pusat baling-baling mangkok dihubungkan dengan sebuah poros, sehingga kecepatan putar piringan sensor sama dengan kecepatan putar baling-baling.

(10)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

Gambar 11. Bagian Sensor Anemometer

Sensor kecepatan ini akan membaca slot pada piringan sensor. Piringan sensor berfungsi untuk menghasilkan pulsa – pulsa listrik yang akan diindra oleh optocoupler (sensor kecepatan) dengan cara memberi lubang pada setiap pinggir piringan, sesuai gambar 11.

2.9.4 Sensor Putaran Generator

Sensor putaran ini dapat digunakan untuk membaca putaran suatu objek yang berputar seperti roda kendaraan, putaran motor listrik dan lainnya. Sensor putaran ini dibuat dengan optocoupler tipe “U” yang ditengahnya diletakan sebuah roda cacah.

Sensor putaran merupakan komponen optoisolator yang memiliki karakteristik penerima (photo transistor) akan mengalami perubahan logika bila terjadi perubahan intensitas cahaya yang dipancarkan oleh pemancar (LED infra merah) untuk penerima.

Kecerahan LED berbanding lurus dengan arus diodanya. Karena arus kolektor sebanding dengan tingkat kecerahan dari LED maka dapat dikatakan bahwa arus dioda mengendalikan arus kolektor seperti transistor pada umumnya yang tampilannya ditunjukkan pada gambar 12 dan gambar 13.

Keterangan :

1) Anemo meter 2) Sensor

Kecepa

(11)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

Gambar 12.Rangkaian Sensor Optocoupler

(Sumber: Santoso dkk, 2013)

Gambar 13. Modul Sensor Putaran Generator II.10 Arduino Uno

Arduino Uno merupakan salah satu variant dari keluarga Arduino. Arduino Uno adalah sebuah board mikrokontroler yang unit prosesnya berbasis pada ATmega328.

Arduino Uno ini memiliki kelebihan tersendiri dibanding board mikrokontroler yang lain, selain bersifat open source, dalam board Arduino Uno sendiri sudah terdapat loader yang berupa USB sehingga memudahkan pemrograman mikrokontroler di dalam Arduino Uno, bentuk Arduino Uno seperti pada gambar 14.

(12)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

Gambar 14. Board Arduino Uno

Pada Arduino Uno disediakan 20 pin I/O yang dapat diprogram sesuai kebutuhan, yaitu terdiri dari 6 pin input analog dan 14 pin digital input/output. Untuk 6 pin analog sendiri bisa juga difungsikan sebagai output digital jika diperlukan output digital tambahan selain 14 pin yang sudah tersedia (Kahfi, 2017). Adapun karakteristik dari Arduino Uno dapat dilihat pada tabel 1.

Tabel 1. Karakteristik Arduino Uno

Item Spesifikasi

Mikrokontroler ATmega 328

Tegangan operasi 5 V

Tegangan input yang disarankan 7-12 V

Batas tegangan 6-20 V

Jumlah pin I/O digital 14 (6 diantaranya menyediakan fitur PWM)

Jumlah pin input analog 6

Arus DC tiap pin 40 mA

Arus DC untuk pin 3.3 V 50 mA

Memori flash 32 kB, 0.5 kB digunakan oleh bootloader

SRAM 2 kB

EEPROM 1 kB

Clock speed 16 Hz

Sumber: Wardoyo dan Pramudya, 2015

(13)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

II.11 Software Arduino

Untuk pemrograman board Arduino Uno digunakan software Arduino IDE (Integrated Development Environment). Software ini menggunakan bahasa C sebagai basis programnya, sehingga memudahkan dalam mengembangkan aplikasi (Kahfi, 2017).

Mikrokontroler mulai dari menuliskan source program, kompilasi, upload hasil kompilasi, dan uji coba secara terminal serial, seperti terlihat pada gambar 15.

Gambar 15. Software Arduino Software Arduino IDE terdiri dari:

1) Editor program, sebuah window yang memungkinkan pengguna menulis dan mengedit program dalam bahasa processing.

2) Compiler, sebuah modul yang mengubah kode program (bahasa processing) menjadi kode biner. Bagaimanapun sebuah mikrokontroler tidak akan bisa memahami bahasa processing. Yang bisa dipahami oleh mikrokontroler adalah kode biner, itulah sebabnya compiler diperlukan dalam hal ini.

(14)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

3) Uploader, sebuah modul yang memuat kode biner dari komputer ke dalam memori di dalam papan Arduino Uno.

II.12 Delphi 7

Gambar16. Delphi 7

Delphi 7 adalah suatu bahasa pemrograman (development language) yang digunakan untuk merancang suatu aplikasi program. Delphi 7 termasuk dalam pemrograman bahasa tingkat tinggi (high level language). Maksud dari bahasa tingkat tinggi yaitu perintah- perintah programnya menggunakan bahasa yang mudah dipahami oleh manusia. Bahasa pemrograman Delphi 7disebut bahasa prosedural artinya mengikuti urutan tertentu. Dalam membuat aplikasi perintah-perintah, Delphi 7 menggunakan lingkungan pemrograman visual seperti terlihat pada gambar 16.

Khusus untuk pemrograman database, Delphi 7 menyediakan fasilitas objek yang sangat kuat dan lengkap serta memudahkan dalam pembuatan program untuk aplikasi database. Format database yang dimiliki Delphi 7 yaitu format database paradox, dBase, Ms Access, ODBC, syBase, Oracle dan lain-lain.

II.13 Database

Basis data (database) adalah kumpulan informasi yang disimpan di dalam komputer secara sistematik sehingga dapat diperiksa menggunakan suatu program komputer untuk

(15)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

memperoleh informasi dari basis data tersebut. Perangkat lunak yang digunakan untuk mengelola dan memanggil kueri (query) basis data disebut sistem manajemen basis data (Database Management System/DBMS) (Arrosyid, 2011).

III. Alat dan Bahan 1. Simulator PLTB

2. PC

3. Modul Beban AC 4. Modul Beban DC

IV. Prosedur Percobaan 4.1 Tanpa Beban

1. Mempersiapkan alat dan bahan percobaan.

2. Menghubungkan inputblower ke regulator AC.

3. Mengatur tegangan keluaran regulator AC menjadi 220V.

4. Meng-ON-kan blower.

5. Menguhubungkan PC dengan Arduino Uno melalui kabel USB.

6. Menyamakan port serial (COM) pada Delphi 7 dan Arduino Uno dengan mengklik gambar .

7. Mengkoneksikan sistem dengan mengklik gambar . 8. Mengukur besar intensitas cahaya.

9. Memutuskan koneksi sistem dengan mengklik gambar .

10. Mengulangi langkah percobaan 3-9 untuk tegangan keluaran regulator AC 200V- 120V.

(16)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

4.2 Berbeban

1. Mempersiapkan alat dan bahan percobaan.

2. Menghubungkan inputblowerke regulator AC.

3. Mengatur tegangan keluaran regulator AC menjadi 220V.

4. Meng-ON-kan blower.

5. Meng-ON-kan beban 1 buah lampu pijar AC.

6. Menguhubungkan PC dengan Arduino Uno melalui kabel USB.

7. Menyamakan port serial (COM) pada Delphi 7 dan Arduino Uno dengan mengklik gambar .

8. Mengkoneksikan sistem dengan mengklik gambar .

9. Mengukur besar tegangan, arus dan daya dengan menggunakan beban 1 buah lampu Pijar AC.

10. Memutuskan koneksi sistem dengan mengklik gambar .

11. Mengulangi langkah percobaan 5-9 untuk jenis beban lainnya, seperti: 2 buah lampu pijar AC, 1 buah kipas AC, 1 buah lampu pijar DC, 1 buah lampu TL DC dan 1 buah kipas DC.

V. Rangkaian Percobaan

(17)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

Gambar 17. Wiring Electrical Diagram

VI. Data Hasil Percobaan VI.1 Tanpa Beban

No. Tegangan InputBlower (V)

Suhu (⁰C)

Kecepatan Angin (m/s)

Putaran Generator (RPM)

1. 220

2. 200

3. 180

4. 160

5. 140

6. 120

VI.2 Berbeban 6.2.1 Beban AC

(18)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

No. Jenis Beban Pengukuran

Tegangan (V) Arus (A) Daya (W) 1. Lampu Pijar

2. 2 Lampu Pijar

3. Kipas

6.2.1 Beban DC

No. Jenis Beban Pengukuran

Tegangan (V) Arus (A) Daya (W) 1. Lampu Pijar

2. Lampu TL

3. Kipas

VII. Analisis

VIII. Kesimpulan IX. Daftar Pustaka

1. Afifuddin, 2012. Metodologi Penelitian Kualitatif. Bandung: Pustaka Setia.

2. Arrosyid, Moch Harun dkk. 2011. Implementasi Wireless Sensor Network Untuk Monitoring Parameter Energi Listrik Sebagai Peningkatan Layanan Bagi Penyedia Energi Listrik. Surabaya: Politeknik Negeri Surabaya.

3. Daryanto. 2015. Konsep Dasar Teknik Elektronika Kelistrikan. Bandung: Alfabeta.

4. Kahfi, Ashabul dan Rahmat Harianto. 2017. Perancangan Alat Monitoring Parameter Keluaran Generator Turbin Angin. Skripsi. Makassar: Politeknik Negeri Ujung Pandang.

5. Muttaqin, Rusdan. 2017. Analisa Performansi dan Monitoring Pembangkit Listrik Tenaga Surya di Departemen Teknik Fisika FTI-ITS. Skripsi. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh November

(19)

POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

6. Pratama, Andika Yudha. 2017. Simulasi dan Pemodelan Sistem Pembangkit Listrik Hibrida Tenaga Angin dan Tenaga Surya sebagai Energi Alternatif yang Ramah Lingkungan dan Berkelanjutan. Tugas Akhir. Semarang: Universitas Dian Nuswantoro.

7. Yuwono, Budi. 2005. Optimalisasi Panel Sel Surya dengan Menggunakan Sistem Pelacak Berbasis Mikrokontroler AT89C51. Skripsi. Surakarta: Universitas Sebelas Maret.