Makalah Implementasi Generator

BAB I

PENDAHULUAN

1.1  Latar Belakang

Secara umum kebijakan energi Nasional lebih bertumpu pada energi yang berasal dari fosil, terutama Bahan Bakar Minyak (BBM). Khusus tentang penyediaan energi listrik dari kapasitas PLN yang terpasang sebesar 72,85% energi dihasilkan dari bahan bakar fosil yang terdiri dari :28,58% berasal dari pembangkit berbahan bakar gas, 25,28% dari minyak bumi dan 18,99% berasal dari batu bara. Sedangkan tenaga listrik yang dihasilkan oleh tenaga air sebesar 11,96% dan yang dihasilkan oleh panas bumi sebesar 1,51%.

Sedangkan pada kenyataannya, terbukti bahwa masih banyak masyarakat Indonesia yang daerahnya belum dapat menikmati aliran listrik dari PLN seperti yang saya nikmati saat ini. Misalnya saja bagi pelajar sekolah yang tinggal di daerah pedesaan, masih banyak anak Indonesia yang belum dapat menikmati belajar dengan nyaman pada malam hari karena desanya masih belum teraliri listrik. Selain itu, kebutuhan energi listrik bagi setiap manusia merupakan salah satu bagian penting yang berguna untuk menunjang perekonomian di suatu daerah tertentu.

Data terakhir menunjukkan bahwa Rasio Elektrifikasi (perbandingan rumah tangga berlistrik dengan total rumah tangga) Indonesia hanya sekitar 54%, ini berarti hampir dari setengah penduduk Indonesia belum menikmati listrik. PLN bertekad untuk mencanangkan sebuah visi baru yaitu “Melistriki Nusantara” dengan Pencapaian Rasio Elektrifikasi 100% pada tahun 2020. Ini berarti di tahun-tahun kedepan PLN sebagai Pelaksana dan Pemegang Kuasa Usaha Kelistrikan di Indonesia, harus menggugah dan mengajak seluruh elemen masyarakat. Tak terkecuali mulai dari kalangan Pemerintah maupun Swasta, Lembaga Swadaya Masyarakat (LSM), masyarakat umum untuk turut berperan secara aktif, memanfaatkan segala potensi yang ada, dalam upaya membangun kelistrikan di Negara Kesatuan Republik Indonesia untuk menjadi lebih baik.

Angin adalah salah satu bentuk energi yang tersedia di alam, Pembangkit Listrik Tenaga Angin mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan kincir angin. Cara kerjanya cukup sederhana, energi angin yang memutar kincir angin, diteruskan untuk memutar rotor pada generator dibagian belakang kincir angin, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Energi listrik ini biasanya akan disimpan kedalam baterai sebulum dapat dimanfaatkan.

Pembangkit Listrik Tenaga Angin merupakan salah satu energi listrik yang paling cocok dan efisien untuk diaplikasikan di wilayah Indonesia. Dikarenakan Indonesia yang merupakan Negara Kepulauan yang 2/3 wilayahnya adalah lautan dan mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu kurang lebih 80.791,42 km, yang merupakan wilayah potensial untuk pengembangan Pembangkit Listrik Tenaga Angin.

Pembangkit Listrik Tenaga Angin mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin ataupun kincir angin. Melalui makalah ini, akan dibahas bagaimana cara kerja dan pemanfaatan kincir angin sebagai salah satu implementasi dari sebuah generator pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Berdasarkan penjelasan diatas, saya mengambil judul “Kincir Angin sebagai Pembangkit Listrik” di dalam penulisan makalah saya ini.

1.2  Tujuan Penulisan

Dengan memanfaatkan sumber daya alam yang ada di Negara Indonesia, dengan menggunakan kincir angin sebagai salah satu Pembangkit Listrik Tenaga Angin, diharapkan energi listrik bisa terjangkau sampai ke dalam pedesaan ataupun daerah-daerah yang sampai saat ini belum pernah menikmati aliran listrik dari PLN. Selain itu bertujuan juga untuk mengetahui cara kerja pada kincir angin tersebut.

1.3  Batasan Masalah

Untuk memfokuskan masalah yang ingin dibahas, maka perlu dibuat batasan masalah. Adapun batasan masalah dalam penulisan makalah ini adalah Pengembangan Energi Listrik Tenaga Angin yang ada di daerah tepatnya di Desa Kertojayan, Kecamatan Grabag, Kabupaten Purworejo, Jawa Tengah.

BAB II

INTI TULISAN

2.1 Generator Sinkron (AC)

Konstruksi Generator Sinkron

Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan konstruksi motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin sinkron. Ada dua struktur kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar kerja dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang mengalirkan penguatan DC (membangkitkan medan magnet, biasa disebut sistem eksitasi) dan sebuah kumparan (biasa disebut jangkar) tempat dibangkitkannya  GGL (Gaya Gerak Listrik) arus bolak balik.

Hampir semua mesin sinkron mempunyai belitan GGL (Gaya Gerak Listrik) berupa stator yang diam dan struktur medan magnit berputar sebagai rotor. Kumparan DC pada struktur medan yang berputar dihubungkan pada sumber DC luar melaui slipring dan sikat arang, tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat arang yaitu suatu sistem yang disebut dengan “brushless excitation”.

Gambar 1. Konstruksi Generator

Beda generator listrik DC dan AC :

Generator DC : Generator arus searah , menggunakan “Comutator”

Generator AC : Generator arus bolak balik, menggunakan “Slip Ring”

Bentuk Penguatan

Seperti materi yang telah diuraikan diatas, bahwa untuk membangkitkan fluks magnetik diperlukan penguatan DC. Penguatan DC ini bisa diperoleh dari generator DC penguatan sendiri yang seporos dengan rotor mesin sinkron. Pada mesin sinkron dengan kecepatan rendah, tetapi rating daya yang besar, seperti generator Hydroelectric (Pembangkit listrik tenaga air), maka generator DC yang digunakan tidak dengan penguatan sendiri tetapi dengan “Pilot Exciter” sebagai penguatan atau menggunakan magnet permanent (magnet tetap).

2.2 Kincir Angin

Teknologi kincir angin, memutar generator tegangan bolak-balik. Karena kecepatan angin yang berubah-ubah, maka tegangan AC yang dihasilkan oleh generator mempunyai frekuensi berubah-ubah pula. Tegangan AC yang frekuensinya berubah-ubah ini harus diubah menjadi tegangan DC yang tetap dengan menggunakan penyearah. Misalnya untuk daya yang kurang dari 100 kW, langkah selanjutnya adalah mengubah tegangan DC ini menjadi tegangan AC pada frekuensi 50 Hz dengan menggunakan inverter. Maka, keluaran yang dihasilkan dari inverter tersebut diparalel dengan jaringan listrik yang ada. Dengan menggunakan konsep ini, semua energi listrik yang dibangkitkan oleh PLTA bisa dikirim ke jaringan untuk dimanfaatkan. Pembangkit semacam ini juga tidak memerlukan baterai yang mahal dan butuh pemeliharaan yang rutin.

Teknologi kincir angin yang diperlukan dalam PLTA telah dikuasai oleh orang Indonesia dan beberapa industri lokal telah mampu membuatnya dengan baik. Generator yang bisa digunakan adalah generator induksi (yang murah dan kokoh) atau generator magnet permanen yang efisien. Kedua teknologi generator ini telah dikuasai oleh orang Indonesia dan beberapa industri yang telah mampu membuatnya. Yang menjadi masalah saat ini adalah bahan baku yang sebagian besar harus didatangkan dari luar. Teknologi inverter dan penyearah juga dikuasai oleh orang Indonesia walaupun industri yang membuatnya masih terbatas. Di Indonesia juga tidak tersedia orang yang menguasai teknologi komponen elektronika daya, apalagi industrinya. Semua komponen elektronika daya harus didatangkan dari luar. Di Indonesia juga peneliti yang mendalami teknologi elektronika daya masih sangat terbatas. Perkembangan kebutuhan akan pembangkit listrik ini sebaiknya diambil oleh pemerintah Indonesia untuk mengembangkan industri elektronika daya beserta sumber daya manusianya.

Gambar 2. Pembangkit Listrik Tenaga Angin

2.3 Bagian-Bagian yang ada pada Kincir Angin

Secara sederhana sketsa kincir angin adalah sebagai berikut :

Gambar 3. Sketsa Kincir Angin

Gambar 4. Bagian-bagian Kincir Angin

Bagian-bagian Kincir Angin :

a)  Nacelle : merupakan elemen utama karena berfungsi melindungi elemen – elemen vital seperti  gearbox dan electrical generator. Dapat dikatakan nacelle ini sebagai badan pembungkusnya. Di depan nacelle terdapat turbin, rotor blade, dan hub.

b)   Rotor Blade : merupakan elemen yang berfungsi untuk menangkap energi angin dan energi yang diperoleh akan di transfer melalui hub. Untuk kincir angin modern dengan kapasitas daya 600kW, panjang dari  rotor blade mencapai 20 meter (66 feet) dan umumnya di desain seperti desain sayap pesawat terbang.

c)   Hub : Dihubungkan dengan low speed shaft dari kincir angin itu sendiri.

d)   Low Speed Shaft : elemen ini menghubungkan antara rotor hub dengan gearbox. Pada kincir angin dengan kapasitas daya 600 kW, kecepatan dari rotor relatif rendah yaitu sekitar 19 – 30 rotasi per menit (RPM). Elemen shaft mengandung pipa yang berfungsi sebagai system hidrolik dari kincir untuk mengaktifkan pengereman aerodinamis (aerodynamic brakes).

e)   Gearbox :  memiliki low speed shaft pada saat ke arah kiri dan mengakibatkan high speed shaft berputar lebih cepat ke arah kanan dengan besar 50 kali lebih cepat.

f)   High Speed Shaft :  berputar dengan kecepatan sekitar 1500 RPM untuk kemudian membangkitkan generator. Elemen ini diperlengkapi dengan mechanical disk brake yang digunakan untuk mengatasi kegagalan pengereman aerodinamis atau pada saat turbin sedang diperbaiki.

g)   Electrical Generator : mempunyai nama lain generator induksi atau generator asinkron. Pada kincir angin yang modern daya listrik maksimum yaitu sekitar 500 – 1500 kW.

h)   Electronic Controller :  berfungsi untuk memonitor keadaan dari kincir angin guna menjaga bila terdapat kesalahan seperti gearbox ataupun rotor yang kepanasan. Secara otomatis kincir akan berhenti berputar dan segera menghubungi petugas operator melalui modem link.

i)    Cooling Unit : instrumen yang terdapat pada cooling unit yaitu kipas elektris yang berfungsi untuk mendinginkan  electrical generator. Selain kipas juga terdapat oil cooling unit yang berfungsi untuk mendinginkan gearbox. Pada beberapa jenis kincir terdapat juga instrumen water – cooled generator.

j)    Tower : merupakan bagian yang vital karena berfungsi menyangga turbin angina itu sendiri. Pada kincir angin modern tinggi tower biasanya mencapai 40 – 60 meter. Tower dapat dibedakan menjadi bentuk tubular seperti gambar di atas dan bentuk lattice. Keuntungan dari bentuk tubular yaitu aman sedang untuk lattice mempunyai biaya yang murah.

k)   Anemometer and wind vane : anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan dan arah angin, sinyal elektronis dari anemometer ditangkap oleh electronic controller yang kemudian digunakan untuk memulai memutar kincir. Kincir akan berputar jika kecepatan angin paling tidak  5 m/s atau 10 knots dan akan berhenti secara otomatis pada kecepatan 25 m/s atau 50 knots. Ini dilakukan untuk melindungi turbin dan lingkungan sekitar.

2.4 Cara Kerja pada Kincir Angin

Kincir angin merupakan sumber energi alternatif yang ramah lingkungan. Awal mulanya kincir angin digunakan pada zaman babilonia untuk penggilingan padi. Penggunaan teknologi modern dimulai sekitar tahun 1930, diperkirakan ada sekitar 600.000 buah kincir angin untuk berbagai macam keperluan. Saat ini kapasitas daya yang dihasilkan kincir angin skala industri antara 1-4 mw.

Cara kerja kincir angin sangat sederhana, yaitu :

v  Angin akan meniup bilah kincir angin sehingga bilah bergerak.

v  Bilah kincir angin akan memutar poros didalam nacelle

v  Poros di hubungkan ke gearbox, di gearbox kecepatan perputaran poros ditingkatkan dengan cara mengatur perbandingan roda gigi dalam gearbox.

v  Gearbox dihubungkan ke generator, kemudian generator merubah energi mekanik menjadi energi listrik.

v  Kemudian dari generator, energi listrik menuju transformer untuk menaikkan tegangannya kemudian baru bias didistribusikan ke konsumen.

Gambar 5. Isi Turbin atau Kincir Angin

2.5 Kondisi dan Kecepatan Angin

Angin kelas 3 adalah batas minimum dan angin kelas 8 adalah batas maksimum energi angin yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. Syarat-syarat dan kondisi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik dapat dilihat pada tabel berikut :

Gambar 6. Kondisi dan Kecepatan Angin

2.6 Kelebihan dan Kekurangan Pemanfaatan Angin

Berikut merupakan kelebihan dan kekurangan pemanfaatan angin sebagai sumber energi listrik.

Kelebihan

Ø  Ramah lingkungan (tidak polusi, bersih)

Ø  Merupakan renewable energi (energi yang tidak dapat habis)

Ø  Sering dipadukan dengan sumber energi lain terutama sumber energi yang terbarukan.

Kekurangan

Ø  Hanya bisa di tempat-tempat tertentu yang memiliki banyak angin (tidak bias disembarang tempat)

Ø  Butuh lahan yang cukup besar.

2.7 Metode Penelitian

Penelitian ini melanjutkan pengukuran data angin di Pantai Selatan Kabupaten Purworejo sebulumnya. Data primer diambil langsung dari proses pengukuran di lapangan atau di lokasi penelitian tepatnya di Desa Kertojayan, Kecamatan Grabag, Kabupaten Purworejo.

2.8 Hasil dan Pembahasan

Pengamatan awal terhadap karakteristik angin di Provinsi Jawa Tengah,

khususnya Kabupaten Purworejo menunjukkan bahwa kawasan pantai itu telah dilakukan studi potensi energi angin yang perlu dicermati.Untuk itu telah dilakukan studi potensi karakteristik angin di desa Harjobinangun, Kecamatan Grabag, Kabupaten Purworejo selama 1 (satu) tahun. Pengamatan dilakukan untuk variabel kecepatan angin, arah angin temperatur atmosfer, tekanan barometik dan kelembaban relatif dengan menggunakan sensor dan data logger merk NRG System,yang mampu mengukur sekaligus merekam data, sehingga dapat dilakukan analisa secara berkala. Dari hasil pengamatan dan analisa data menunjukkan bahwa, kecepatan angin rata-rata tahunan dikawasan tersebut adalah ,1 m/s pada ketinggian 100m dengan kecepatan angin efektif sebanyak 77,83%. Arah angin dominan dari arah tenggara dengan presentase waktu yang rata-rata 19,28 %. Dengan kecepatan angin tersebut, diperkirakanakan dapat menghasilkan rapat daya 289,4 / W/m yamg termasuk dalam katagori cukup biak dengan produksi energi angin tahunan 235,75 kWh/m, sehingga dapat lokasi peneliti ini dapat dimungkinkan untuk membangun pembangkit listrik tenaga angin dengan kapasitas besar (>100 kW per Tubin). Dalam penelitian ini uga telah dilakukan simulasi pembangkitan listrik,yang menunjukkan bahwa biaya pambangkitan adalah $0.025./kWh atau sekitar Rp 254,3 / kWh. Dalam kegiatan penelitian ini dilakukan uji coba dengan pembangunan prototype kincir angin di lokasi penelitian yang berguna untuk mendapatkan karakteristik  pola daya dari energi listrik yang dihasilkan. Sehingga dapat dianalisis mengenai kolerasinya dengan data angin yang terukur. Disamping itu hasil keluaran energi listrik dapat dimanfaatkan oleh tempat Pelelangan ikan dan juga oleh masyarakat sekitarnya.

2.9 Kesimpulan dan Saran

Kesimpulan

Berdasarkan hasil perekaman parameter-parameter data angin selama 1 tahun, didapatkan kesimpulan sebagai berikut :

1.      Kecepatan angin rata-rata tahunan di kawasan pantai Selatan Pulau Jawa, Kabupaten Purworejo. Provinsi Jawa Tengah, adalah 6,1 m/s pada ketinggian 100 m dengan kecepatan angin efektif sebanyak 77,83%. Arah angin dominan berdasarkan presentase total waktu terbesar dan total energi terbesar dari arah tenggara dengan presentase waktu rata-rata 19,28%. Arah angin ini penting untuk penentuan titik-titik turbin atau kincir angin (micrositing).

2.      Kecepatan angin tersebut diatas menghasilkan rapat daya 289,4 W/m2

yang termasuk dalam kategori cukup baik dengan produksi energi angin tahunan 2335,75 kWh / m2.

3.  Dengan kecepatan yang ada, maka di lokasi penelitian dimungkinkan untuk membangun pembangkit listrik tenaga angin dengan kapasitas besar ( >100 kWh per turbin)

4.  Simulasi dengan menggunakan asumsi pembangkit 100 MW (1 MW per turbin sejumlah 100 pembangkit), menunjukkan bahwa biaya pembangkitan adalah $0,025/kWh atau sekitar Rp.254,3/kWh. (catatan: biaya pembangkitan listrik PLN adalah US$5,3 cent per kWh untuk JAMALI dan US$7,1 cents per kWh untuk di luar JAMALI per Januari 2003).

Secara umum dapat disimpulkan bahwa didaerah Jawa Tengah tepatnya di pantai Selatan Kabupaten Purworejo mempunyai potensi angin yang layak untuk dibangun pembangkit listrik tenaga angin skala besar.

Saran

Perlu adanya kerjasama antara Pemerintah, Pihak Swasta maupun masyarakat dalam membangun pembangkit listrik dengan cara memanfaatkan segala potensi sumber daya alam yang ada, dalam upaya membangun kelistrikan di Indonesia untuk menjadi lebih baik dan energi listrik tersebut bisa dinikmati oleh semua rakyat Indonesia tanpa terkecuali.