Energi Angin

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN

           

A.    Kondisi Cuaca dan Iklim di Indonesia

            Letak Indonesia yang sangat strategis, yaitu diantara Benua Asia dan Australia serta diantara Samudra Hindia dan Samudra Pasifik memiliki pengaruh yang kuat terhadap iklim dan cuaca di Indonesia. Adapun tiga jenis iklim yang mempengaruhi  iklim di Indonesia yaitu :

1.       Iklim Musim ( Iklim Muson )

            Iklim Muson adalah jenis iklim yang dipengaruhi oleh perubahan angin yang berubah- ubah secara periodik, yaitu enam bulan sekali. Iklim muson ini terdiri atas dua jenis, Iklim Muson Timur dan Iklim Muson Barat. Iklim muson barat terjadi pada bulan Oktober hingga April dan terjadi musim penghujan pada bulan-bulan ini. Angin musim barat daya  bertiup dengan membawa udara lembab dan menjadikan terciptanya musim penghujan. Sedangkan iklim muson timur ( Angin musim timur laut ) bertiup dari bulan April hingga bulan Oktober dengan membawa angin kering dan mengakibatkan terjadinya musim kemarau.

2.       Iklim Tropis

            Indonesia terletak disekitar garis khatulistiwa atau ekuator, sehingga Indonesia termasuk daerah panas atau tropika. Indonesia hanya memiliki dua musim, yaitu musim penghujan dan kemarau. Keadaan cuaca di Indonesia rata-rata panas. Karakter dari iklim tropis ini yang mengandung banyak curah hujan dan biasa disebut hujan naik tropika.

3.       Iklim Laut

            Indonesia memiliki iklim laut karena merupakan negara maritim atau negara perairan yang terdiri atas banyak pulau-pulau besar dan ribuan pulau kecil. Hal ini berakibat sering terjadinya penguapan air laut sehingga udara menjadi panas dan curah hujan meninggi. Sebagian besar wilaya daratan Indonesia di kelilingi oleh laut atau lautan (samudra) yang menyebabkan terdapat iklim laut di Indonesia.

B.     Pola Angin di Indonesia

            Angin terjadi karena adanya perbedaan tekanan udara. Tekanan udara terjadi akibat pemanasan matahari terhadap atmosfir dan permukaan bumi. Terjadinya perbedaan tekanan udara ini menyebabkan sirkulasi udara di atmosfir. Jenis angin yang ada di Indonesia adalah  sebagai berikut:

Angin musim

Angin musim ada dua yaitu angin musim barat dan angin musim timur. Angin musim barat bergerak dari Asia menuju Australia yang melewati samudra Hindia. Angin musim barat banyak membawa uap air sehingga menyebabkan musim hujan. Angin ini bertiup antara bulan September sampai Maret. Adapun angin musim timur adalah angin yang bergerak dari benua Australia menuju samudra Hindia. Angin ini bersifat kering sehingga menyebabkaan musim kemarau di Indonesia. Angin ini betiup dari bulan Maret sampai dengan bulan September.

Angin Lokal

Angin lokal merupakan angin yang terjadi pada lokasi tertentu saja. Macam-macam angin lokal adalah:

• Angin laut, yaitu angin yang bertiup dari laut menuju ke darat. Angin ini terjadi pada siang hari.
• Angin darat, yaitu angin yang bertiup dari darat menuju ke laut. Angin ini terjadi pada malam hari.
• Angin gunung, yaitu angin yang bertiup dari puncak gunung menuju kelembah. Angin ini terjadi pada malam hari.
• Angin lebah, yaitu angin yang bertiup dari lembah menuju ke puncak gunung. Angin ini terjadi pada siang hari.

Angin Fohn

Angin fohn adalah angin yang turun dari lereng pegunungan. Sifat angin ini kering dan panas. Berbagai jenis angin fohn, antara lain sebagai berikut:

• Angin kumbang, terjadi di Tegal dan Cirebon.
• Angin gending, terjadi di Pasuruan dan Probolinggo, Jawa Timur.
• Angin putting beliung dan bahorok, terjadi di Medan, Sumatra Utara.
• Angin brubu, terjadi di Makassar, Sulawesi Selatan
• Angin wambrau, terjadi di Biak, Papua.

            Indonesia angin bertiup hampir sepanjang tahun. Meskipun kecepatan angin rata-rata di seluruh Indonesia tidak terlalu besar yaitu antara 3 – 5 m/s, namun keadaan tersebut cukup potensial untuk dimanfaatkan karena energi angin akan dapat dimanfaatkan apabila kecepatan anginya lebih besar dari 3 m/s . Bahkan di beberapa kawasan seperti di Indonesia bagian timur,  kecepatan angin rata-rata bisa mencapai lebih dari 5 m/s.

C.    Teknologi untuk Tenaga Angin

            Listrik memegang peranan yang vital dalam kehidupan. Salah satu energi alternatif untuk menghasilkan listrik adalah energi angin. Energi angin tidak polutif dan renewable. Dengan energi aliran angin ini, diharapkan supply energi listrik dapat terjaga. Pembangkit Listrik Tenaga Angin merupakan salah satu pilihan pembangkit listrik yang tidak memerlukan bahan bakar, sehingga bebas polusi. Di akhir tahun 2007, pembangkitan listrik dengan cara ini di dunia mencapai 94,1 gigawatt. Secara global, dari tahun 2000 hingga 2007 peningkatan energi listrik yang dibangkitkan mencapai lima kali lipat. Jerman, Amerika Serikat, dan Spanyol merupakan tiga negara yang menghasilkan energi listrik terbesar dari PLT Angin di dunia.

Potensi Energi Listrik dari Angin

Berdasarkan data dari GWEC, potensi sumber angin dunia diperkirakan sebesar 50,000 TWh/tahun. Total potensial ini dihitung pada daratan dengan kecepatan angin rata-rata diatas 5,1 m/s dan pada ketinggian 10 m. Data ini setelah direduksi sebesar 10% sebagai toleransi yang dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti kepadatan penduduk, dan lain-lain.

            Indonesia termasuk tertinggal dalam memanfaatkan energi angin sebagai sumber energi listrik. Indonesia yang terletak di jalur khatulistiwa mempunyai potensi angin dengan peringkat kecil hingga sedang dengan kecepatan rata-rata 3-5m/s. Perubahan iklim akibat pemanasan global ternyata meningkatkan potensi angin di Indonesia terutama di daerah-daerah tertentu seperti di Nusa Tenggara, pantai selatan Jawa Sumatera dan Sulawasi Selatan. Peta potensi angin di Indonesia.

Energi Angin

Energi kinetik angin yang dapat masuk ke dalam area efektif turbin angin dapat dihitung berdasarkan persamaan 1.1 berikut :

                                                                    (1.1)

dimana pada persamaan tersebut dapat kita lihat bahwa energi angin (P ; Watt) bergantung terhadap faktor-faktor seperti aliran massa angin (m ; kg/s), kecepatan angin (v ; m/s), densitas udara (ρ ; kg/m³),  luas permukaan area efektif turbin (A ; m³ ). Di akhir persamaan, secara jelas dapat disimpulkan bahwa energi angin akan meningkat 8 kali lipat apabila kecepatan angin meningkat 2 kali lipatnya, atau dengan kata lain apabila kecepatan angin yang masuk ke dalam daerah efektif turbin memiliki perbedaan sebesar 10% maka energi kinetik angin akan meningkat sebesar 30%. Apabila kecepatan kerja PLTB adalah Vrated, maka daya keluaran PLTB dapat diperoleh dari persamaan 1.1 dengan menuliskan kembali ke persamaan sebagai berikut.

                        (1.2)

Gambar 2 merupakan kurva intensitas energi kinetik angin berdasarkan fungsi dari kecepatan angin.

Gambar  Intensitas Energi Angin

            Kecepatan angin sangat dipengaruhi oleh ketinggiannya dari permukaan tanah. Semakin mendekati permukaan tanah, kecepatan angin semakin rendah karena adanya gaya gesek antara permukaan tanah dan angin. Untuk alasan ini, PLTB biasanya dibangun dengan menggunakan tower yang tinggi atau dipasang diatas bangunan. Tabel di bawah ini menunjukan besarnya nilai n sebagai faktor perbedaan jenis permukaan tanah yang mempengaruhi kecepatan angin.

Tabel  Nilai n berdasarkan jenis permukaan tanah

 Prinsip Kerja

            Energi kinetik angin mendorong baling-baling untuk berputar. Putaran baling-baling menghasilkan gerak mekanik pada poros baling-baling. Gerak mekanis poros baling-baling ditransmisikan ke poros generator. generator mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Energi listrik dari generator dimasukan ke baterai/aki yang mengubah sekaligus menyimpan energi listrik tesebut menjadi energi potensial listrik. Jika energi potensial listrik tersebut hendak digunakan beban dihubungkan dengan kedua kutub aki. Beban akan mengubah energi potensial listrik dari aki sesuai dengan fungsi beban tersebut. 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 oleh masyarakat. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator ini berupa AC (alternating current) yang memiliki bentuk gelombang kurang lebih sinusoidal. Energi Listrik ini biasanya akan disimpan kedalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan.

Untuk lebih jelasnya perhatikan bagian-bagian pembangkit listrik tenaga angin pada gambar berikut;

            Sudu baling-baling memindahkan geseran angin ke pusat hub yang menghasilkan putaran pada poros utama. Gear-Box transmisi mengubah kecepatan putaran berkecepatan lambat dari poros utama menjadi putaran berkecepatan tinggi. Putaran tinggi tersebut dihubungkan langsung ke poros generator yang menyerap dan mengubah putaran tersebut menjadi energi listrik.

Perangkat dalam Pembangkit Listrik Tenaga Angin

·         Jenis turbin angin

Turbin angin modern terbagi dalam dua kelompok dasar: kisaran sumbu horisontal, seperti yang terlihat pada foto dan desain sumbu vertikal, sebagai model untuk Darrieus-gaya pengocok telur, diberi nama setelah perusahaan penemu Prancis. turbin angin sumbu horisontal biasanya baik memiliki dua atau tiga modul. Turbin ini berbilah tiga dioperasikan "melawan angin," dengan modul menghadap ke angin.

·         Ukuran turbin angin

Turbin skala Utility berbagai ukuran dari 100 kilowatt sama besar dengan beberapa megawatt. turbin besar dikelompokkan bersama-sama ke arah angin,yang memberikan kekuatan massal ke jaringan listrik.turbin kecil tunggal, di bawah 100 kilowatt, digunakan pada rumah, telekomunikasi, atau pemompaan air. turbin kecil kadang-kadang digunakan dalam kaitannya dengan generator diesel, baterai dan sistem fotovoltaik. Sistem ini disebut sistem angin hibrid dan sering digunakan di lokasi terpencil di luar jaringan, di mana tidak tersedia koneksi ke jaringan utilitas.

·         Bagian dalam turbin angin

Anemometer:
Mengukur kecepatan angin dan mengirimkan data kecepatan angin ke pengontrol.
Blades:
Kebanyakan turbin baik dua atau tiga pisau. Angin bertiup di atas menyebabkan pisau pisau untuk "mengangkat" dan berputar.

Brake:
Sebuah cakram rem, yang dapat diterapkan dalam mekanik, listrik, hidrolik atau untuk menghentikan rotor dalam keadaan darurat.

Controller:
pengontrol mesin mulai dengan kecepatan angin sekitar 8-16 mil per jam (mph) dan menutup mesin turbin sekitar 55 mph. tidak beroperasi pada kecepatan angin sekitar 55 mph di atas, karena dapat rusak karena angin yang kencang.

Gear box:

Gears menghubungkan poros kecepatan tinggi di poros kecepatan rendah dan meningkatkan kecepatan sekitar 30-60 rotasi per menit (rpm), sekitar 1000-1800 rpm, kecepatan rotasi yang diperlukan oleh sebagian besar generator untuk menghasilkan listrik. gearbox adalah bagian mahal (dan berat) dari turbin angin dan insinyur generator mengeksplorasi "direct-drive" yang beroperasi pada kecepatan rotasi yang lebih rendah dan tidak perlu kotak gigi.
Generator:
Biasanya standar induksi generator yang menghasilkan listrik dari 60 siklus listrik AC.

High-speed shaft:

drive generator

Low-speed shaft:

Mengubah poros rotor kecepatan rendah sekitar 30-60 rotasi per menit.
Nacelle:

nacelle berada di atas menara dan berisi gear box, poros kecepatan rendah dan tinggi, generator, kontrol, dan rem.

Pitch:
Blades yang berbalik, atau nada, dari angin untuk mengontrol kecepatan rotor dan menjaga rotor berputar dalam angin yang terlalu tinggi atau terlalu rendah untuk menghasilkan listrik.
Rotor:
pisau dan terhubung bersama-sama disebut rotor.

Tower:
Menara yang terbuat dari baja tabung (yang ditampilkan di sini), beton atau kisi baja. Karena kecepatan angin meningkat dengan tinggi, menara tinggi memungkinkan turbin untuk menangkap lebih banyak energi dan menghasilkan listrik lebih banyak.
Wind direction:

Ini adalah turbin "pertama",yang disebut karena beroperasi melawan angin. turbin lainnya dirancang untuk menjalankan "melawan arah angin," menghadap jauh dari angin.
Wind vane:
Tindakan arah angin dan berkomunikasi dengan yaw drive untuk menggerakkan turbin dengan koneksi yang benar dengan angin.

Yaw drive:

yaw drive yang digunakan untuk menjaga rotor menghadap ke arah angin sebagai perubahan arah angin.
Yaw motor:

kekuatan drive yaw

D.    Efisiensi

                     

             Efisiensi dari pembangkit listrik tenaga angin sesuai dengan the Betz Law tidak lebih dari 59 %, oleh karena itu perlu dilakukan optimasi. Sehingga efisiensi dari pembangkit listrik tenaga angin mampu mendekati 59 %. Banyak metode untuk mengoptimalkan daya output dari turbin angin. Bisa dengan mengukur kecepatan putar rotor generator, kemudian output yang optimal dihitung lalu dibandingkan dengan output nyatanya. Bisa juga dengan mengukur kcepatan angin, kemudian kita mendapatkan kecepatan rotor yang optimal sehingga bisa didapatkan daya yang optimal. Pada tugas akhir ini digunakan metode gradient approximation yaitu mengukur tegangan dan arus pada beban, kemudian merubah duty cycle pada converter dengan membandingkan daya output sekarang dengan daya output sebelumnya. Dengan metode tersebut beban optimal mampu dicapai.

E.     Dampak Terhadap Lingkungan

Tenaga angin merupakan sumber energi yang ramah terhadap lingkungan dimana penggunannya tidak mengakibatkan emisi gas atau polusi lingkungan. Penggunaan tiang yang tinggi untuk turbin angin menyebabkan terganggunya cahaya matahari masuk ke rumah-rumah. Perputaran sudu turbin menyeabkan cahaya matahari berkelip dan menggangggu pandangan penduduk setempat. Efek lain penggunaan turbin angin adalah derau frekuensi. Putaran dari sudu turbin dengan frekuensi konstan lebih mengganggu daripada suara ranting pohon. Selain itu, dalam keadaan tertentu turbin juga menyebabkan gangguan elektromagnetik seperti gangguan sinyal komunikasi. Beberapa ilmuwan berpendapat bahwa penggunaan skala besar dari pembangkit listrik tenaga angin dapat menyebabkan perubahan iklim lokal maupun global karena menggunakan energi kinetik angin dan mengubah turbulensi udara pada atmosfer.