Pembangkit Listrik Tenaga Gelombang Air Laut dengan konsep Power Buoy

Disusun Oleh:

SUPARJO (G1D006014)FAHRUL ROZI (G1D006036)

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS BENGKULU2009

Abstrak, melambungnya harga minyak bumi membuat dunia terancam krisis energi listrik. Hal ini mengingat banyaknya pembangkit yang menggunakan minyak bumi sebagai bahan bakarnya. Berbagai lembaga dunia dari berbagai Negara maupun pemerintah/swasta telah melakukan berbagai survey, dan salah satu survey itu merekomendasikan laut sebagai sumber energy terbarukan. Menurut WEC (world energy council), laut mempunyai potensi total energy sekitar 2 TH. Makalah ini akan memaparkan konversi energi laut dengan menggunakan Generator Linear. Generator Linear bekerja dengan prinsip induksi, sedikitnya penggunaan komponen seperti tidak adanya Gearbox dan Hidrolik sehingga tidak dibutuhkan tenaga yang terlalu besar untuk mengoperasikannya. Hal ini sangat cocok diterapkan sebagai generator untuk sistem pembangkit dengan Resource Gelombang air laut. Seperti kita ketahui, laut merupakan sumber energi yang belum dimanfaat secara optimal atau bahkan belum dimanfaatkan sama sekali. Semoga dengan tugas ini bisa memberi kita sedikit informasi akan besarnya energi yang bisa dimanfaatkan dari laut.

1. PendahuluanBeberapa dekade saat ini, dunia dilanda krisis energi khususnya minyak bumi yang sempat pada level $100 per barel, sehingga diperlukan sumber energi alternative. Salah satu sumber energi alternative yang belum dimanfaatkan secara optimal adalah laut. Laut mempunyai potensi sumber energi yang besar, sehingga layak untuk dikembangkan. Selain itu, energinya tersedia secara terus menerus (kontinue) dan ramah lingkungan (terbarukan). Potensi terbesar dari laut yang bisa dimanfaatkan adalah arus laut dan energi gelombangnya.

Dua bentuk utama dari arus-arus laut adalah arus-arus marine dan arus-arus pasang surut. Keduanya dipengaruhi oleh rotasi Bumi. Arus-arus pasang surut terjadi dengan cara yang sangat berbeda dibanding arus marine. Arus pasang surut berlangsung sebagai hasil gravitasi,yang tergantung pada lokasi dan geografis. Arus ini berlangsung dalam suatu siklus.

Ombak/Gelombang laut terjadi sebagai akibat perpindahan kalor dari matahari. Panas yang diterima oleh permukaan laut menyebabkan adanya perbedaan tekanan. Dengan adanya perbedaan tekanan ini akan menyebabkan terjadinya angin yang bergerak dari laut ke darat ( angin laut) atau sebaliknya (angin darat). Angin ini menyebabkan air ikut bergerak, dengan gerakan air inilah yang disebut dengan Gelombang laut.

Gambar 1. Distribusi Gelombang Laut Dunia

Ada kira-kira 8,000 -80,000 TWh/yr atau 1 -10 TW dari energi gelombang di dalam seluruh samudra, dan di rerata masing-masing gelombang menghasilkan 10 – 50 kW.

2. Energi Gelombang dan Daya

Analisis yang berikut menguraikan suatu energi gelombang yang bergerak

Tabel 1.Satuan – satuan dalam Energi Gelombang

VariabelSWL Mean seawater level

(surface)Edensity Wave energy density

(J/m2)Ewavefro

nt

Energy per meter wave front (J/m)

Pdensity Wave power density (W/m2)

Pwavefor

nt

Power per meter wave front (W/m)

h Depth below SWL (m)ω Wave frequency

(rad/sec)λ (or L)

Wavelength (m) = gT2/(2π)

ρwater Seawater density ( 1000 kg/m3)

g Gravitational constant (9,81 m/s2)

A Wave amplitude (m)H Wave height (m)T Wave priod (s)C Celerity (wave front

velocity) (m/s)

Gelombang air laut dapat dianalogikan sebagai berikut

Gambar 2. Struktur Gelombang Air Laut

3. Tenaga dan Rapat Daya

Rapat tenaga suatu gelombang ditunjukkan di dalam persamaan 1, adalah fluks tenaga rata-rata melintas suatu paralel bidang tegak pada suatu gelombang. Sedangkan Tenaga setiap waktunya adalah rapat daya gelombang seperti persamaan 2.. Gambar. 3 menggambarkan bagaimana waktu dan amplitude mempengaruhi rapat daya.

Edensity = ρwatergH2/8 = ρwatergA2/2 (1)...........................(1)

Pdensity = Edensity/T = ρwatergH2/(8T) = ρwatergA2/(2T .......(2)

Gambar 3. Grafik antara waktu, ampitudo, dan rapat daya

Suatu sumber daya gelombang pada umumnya digambarkan dalam kaitan dengan menggunakan istilah daya per meteran dari awal gelombang. Ini dapat dihitung dengan perkalian rapat tenaga oleh celeritas gelombang (percepatan awal gelombang) seperti pada persamaan 3. Gambar 4 menandai satu peningkatan di dalam amplituda dan waktu suatu gelombang meningkatkan daya per meteran dari awal gelombang.

Pwavefront = C*Edensity = ρwaterg2H2/(16ω) = ρwaterg2A2/(4ω) .....(3)

Gambar. 4 Power per meteran dari awal gelombang

Untuk setiap kedalaman laut, energi yang dihasilkan dapat dirumuskan sebagai:

E(d) = E(d=SWL) * e-2πd/λ .............................................. (4)

Dimana d : kedalaman laut (m)

Sedangkan Energi yang bisa diserap dari Gelombang yaitu sebesar:

P = ρg2TH2 / 32π................................................. (5)

4. Pembangkit Power Buoy dengan Generator linier

Pembangkit-pembangkit dengan Generator linier sama halnya seperti pembangkit-pembangkit berputar konvensional lainnya. Prinsip kerjanya mengkonversi energi mekanik menjadi energi elektris. Generator linear terdiri dari dua komponen utama yaitu Rotor yang bergerak dan stator merupakan bagian yang diam. Antara Rotor dan Stator dipisahkan oleh celah udara yang memugkinkan Rotor bisa bergerak (tidak ada gesekan).Yang membedakan antara pembangkit generator linear dengan pembangkit konvensional adalah letak Rotor yang vertikal terhadap stator. Rotor dari suatu pembangkit yang linier biasanya dikenal sebagai pengkonversi tenaga gelombang air laut menjadi energi gerak. Naik turunya permukaan gelombang laut menyebabkan Rotor ikut bergerak naik turun, dengan gerakan ini menyebabkan terjadinya induksi antara Rotor dan Stator. Kelebihan Generator sistem ini adalah sedikitnya komponen yang bergerak, tanpa adanya perantara seperti gearboxs dan hidrolik sehingga tidak dibutuhkan begitu besar tenaga untuk menggerakkannya. Sedangkan kelemahannya terletak pada bentuk kontruksi dan desain yang harus benar-benar sesuai,

tidak bisa di beli secara Built Up dan biayanya akan lebih mahal. Akan tetapi dari segi biaya dapat ditutupi dengan produksi masal.

Konsep Power Buoy atau Point Absor terdiri dari Pelampung, Lengan, dan Generator Linear. Ketika Gelombang mengenai Pelampung maka terjadi gerakan pada pelampung yang menyebabkan lengan ikut bergerak dan akan menggerakkan Rotor dari Generator Linear. Dengan bergerakknya Rotor maka akan terjadi induksi antara Rotor dan Stator.

Gambar 9. sistim The Floating Buoy dengan pembangkit yang linier

Rotor terbuat dari bahan magnet permanen yang yang ditempatkan pada pelat baja. Magnet permanennya dibuat seperti sekat-sekat yang dipisahkan oleh kutub sepatu. Magnet permanent ini akan menghasilkan medan magnet sepanjang lengan rotornya. Sedangkan Kutub sepatu ini berfungsi sebagai penghantar yang akan menyalurkan flux medan magnet. Medan magnet ini akan bergerak ke celah udara dan Stator.

Setidaknya ada dua konsep desainRotor yang bisa dibuat untuk generator Linear yaitu seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini. Yang membedakan keduanya hanya terletak pada posisi magnet yang digunakan pada rotor.

Gambar .5 Tampak samping dari rotor untuk suatu pembangkit LFM linier. Arah

fluks magnet itu ditandai dengan panah

Dari kedua konsep diatas dapat dijelaskan garis-garis fluk medan yang dihasilkan

Gambar 6. Rangkaian magnetik untuk suatu rotor dengan magnet-magnet yang dikuburkan. Fluks magnet itu ditandai oleh lengkung tertutup dan panah-panah menandai (adanya) arah fluks. Fluks bocoran melalui plat aluminium ditandai dengan suatu garis putus.

Gambar 7. Rangkaian magnetik untuk suatu rotor dengan permukaan menjulang magnet-magnet. Fluks magnet itu ditandai oleh lengkung tertutup dan panah-panah menandai (adanya) arah fluks.

Gambar 8. Penampang dari Stator dengan Lilitan Konduktornya

Stator terdiri dari Lilitan Konduktor dan Baja. Flux yang berasal dari kutub sepatu meninggalkan celah udara ke Stator terus ke gigi stator. Dan terhubung ke beban Stator dimana flux memotong dalam dua bagian dan kembali ke gigi Stator dan kembali ke celah udara di kutub yang berdekatan. Dengan cara ini, flux mgnetik memutar lilitan kawat dan disebut sirkuit magnetik.Untuk membuat sirkuit magnetik seefisien mungkin, lilitan konduktor terbuat dari material dengan permeabilitas yang rendah dan mampu membawa flux magnetik.

Ketika rotor bergerak dalam waktu yang bervariasi maka akan tercipta medan magnetik di lilitan stator. Jarak anatar kutub utara dan kutub selatan disebut luas kutub. Ketika Rotor bergerak satu kutub phasa medan magnetik pada Stator disebut Perubahan Л radian dan kembali lagi ke bentuk yang sama dari awal star Rotor. Medan magnet ini berbentuk siklus dalam satu periode dari pergerakan Rotor antara jarak dua kutub yang dapat digambarkan sebagai sebuah segitiga. Segitiga ini dihubungkan dengan baik kepada induksi elektromagnetik di Lilitan Konduktor Stator dan disebut electrical angle.

5. Tegangan yang dihasilkanBila diasumsikan bahwa medan magnet yang dihasilkan adalah sinusoidal, maka induksi megnetik dapat ditulis sebagai berikut :

B = Β' sin ( x – ωt) ...................................(6)

dimana B' adalah amplitudo maksimum, x adalah titik observasi di stator, dan ω adalah kecepatan sudut dari rotor.

Garis-garis flux dalam suatu lilitan yang terjadi dalam waktu t adalah :

Λ = w/π NlB sin ωt…… ..................................................................(7)

dengan w = luas kutub, N = jumlah putaran, l = panjang dari lilitan. Dengan demikian, induksi elektromagnetik adalah :

e = - dΛ/dt = ω w/п NlB' cos ωt = 2 fw NlB' cos 2 пft ....................(8)

E = e'/2 = 2 fw NlB'……………………………………………………(9)

dimana e' adalah elektrotromagnet maksimum yang terjadi.

6. Transimisi

Di suatu Pembangkit sejumlah WEC bersifat saling behubungan dengan suatu substasiun yang ada di dalam air (UWS) dengan suatu kabel tiga fase di dasar samudra ataupun bisa melalui kabel transmisi diatas permukaan air laut.

Gambar . 13 contoh hubungan grid dengan konverter dan satu transformator opsional ditempatkan di pantai.

Sedangkan sebuah konverter ditempatkan di pinggir pantai untuk kemudian dipasangkan Transformator. Dari transformator, tegangannya dapat dinaikkan untuk kemudian dihubungkan dengan sistem yang telah ada (interkoneksi)

7. KesimpulanLaut merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang mempunyai potensi besar untuk dikembangkan. Salah satunya adalah untuk sumber energi listrik terbarukan. Salah satu konsep generator yang digunakan adalah Power Buoy dengan Generator Linear. Konsep ini mempunyai beberapa keunggulan, diantaranya:1. Kontruksinya sederhana : Generator Linear menggunakan konsep

konversi energi gelombang air langsung menjadi energi listrik dengan sedikitnya penggunaan komponen peralatan bergerak dimana tidak adanya komponen hidrolik dan gearbox.

2. Polusi terhadap lingkungan kecil : hal ini selaras dengan konsep pengembangan dan pemanfaatan energy yang berorientasikan pada lingkungan

3. Pembangunan kontruksinya kecil : suatu pembangkit dengan Power Buoy dapat menghasilkan 10-20 kVA, bila sistem akan digunakan untuk pembangkit yang lebih besar maka dapat dibuat dengan menghubungkan keseluruh sistem menjadi satu kesatuan besar

Sedangkan kendala dari pengembangan sistem pembangkit ini, antara lain:

Membutuhkan biaya investasi yang besar : selain biaya survey untuk membangun suatu pembangkit dengan power buoy ini, masalah penggunaan bahan untuk kontruksi pembangkit ini menjadi pertimbangan besar. Sebagaimana kita ketahui bahwa alat-alat yang kita gunakan akan kontak langsung dengaan air laut sehingga bahan yang digunakan harus tahan terhadap korosi, mempunyai permeabilitas yang rendah dan bahan tidak terbuat dari magnet. Ini memerlukan survey lagi terhadap penggunaan bahan, sehingga akan membutuhkan biaya yang semakin besar.

Daftar Pustaka

1. Danielsson, Oskar. 2003. “Design of a linear Generator for wave energy plant”. Engineering physic programme Uppsala University School of Engineering

2. T W Thorpe.2000. “ The wave energy program in the Uk and European wave energy network”.Proceeding of the fouth european wave conference, Aalborg, Denmark.

3. P Lorrain and D R Corson.1990.””Electromagnetism principle and applications. W H Freeman and Company, New York.

4. Polinder H, et al. agustus 2000.” Linear PM Generator for wave energy Conversion in AWS. ICEM 2000, Finlandia.

5. Venning, Jennifer and Dr. annette muetze.2005.”Wave Energy Conversion”.Electrical and Computer Engineering Department University of Wisconsin, Madison.

6. SzabÒ, lorànd; Claudiu Oprea, Loan-andrian Viorel, Kàroly Ágoston Birò. 2007.”Novel Permanent Maget Tubular Linear Generator for Wave Energy Converters”.Deparetment of electric Machines, Technical University of Cluj, Rumania.

7. Baker N.J and M A Mauller.2001.”Direct Drive Wave Energy Converters”. School of Engineering, University of Durham, South Road Durham, DHI3LE, UK.

8. Brooking, P.R.M. 2002. “Power conversion in a low speed reciprocating electrical generator,” conference record of the International conference on electrical machines (ICEM 2002), brugge, Belgia.

9. Danielsson, O., Thorburn, K., Eriksson, and M., Leijon, M. 2004.”Permanent magnet fixation concepts for linear generator”.Proceeding of the 5TH European wave energy conference. Cork, Irlandia.

10.Baker, N.J.2003.”liner generator for direct drive marine renewable energy converter”. Ph.D Thesis, School of Engineering, University of durham, UK.

11.Zuhal.2000.”Dasar teknik tenaga listrik dan lektromagnetik daya”.PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, Indonesia.