Pemanfaatan Energi Angin

Oleh : Ahmad Amiruddin

Pendahuluan

Energi angin telah dimanfaatkan selama ribuan tahun untuk menggerakkan mesin seperti penggilingan gandum, pompa air dan aplikasi mekanik lainnya. Penggunaan energi angin sebagai Pembangkit Tenaga Listrik semakin menarik dalam dekade terakhir karena sifatnya yang terbarukan. Di Indonesia Pembangkit Listrik dari energi angin disebut Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB).

Menurut sejarahnya, upaya untuk membangkitkan energi listrik dari angin telah dilakukan sejak abad ke-19, yang dimulai oleh Professor James Blyth dari the Royal College of Science and Technology Inggris. Seiring perjalanan waktu, teknologi energi angin berkembang dengan pesat. Pada era 1980-an, perkembangan energi angin dianggap telah matang. Dari tahun 1980 s.d 2000an, biaya pembangunan PLTB menurun secara linear dan kapasitas pembangkitan meningkat secara signifikan. Saat ini, dibeberapa Negara Eropa, PLTB dianggap jenis pembangkitan listrik dengan biaya yang paling efektif. Dengan adanya perbaikan pada desain , biaya, dan reliability maka diharapkan dalam beberapa dekade ke depan perkembangan PLTB akan lebih meningkat.

Perkembangan PLTB juga semakin menarik dengan penempatan lokasinya di lepas pantai, yang secara teknis memiliki keunggulan dibanding dengan penempatan PLTB di daratan. Pada tahun 2010, total kapasitas pembangkitan PLTB diseluruh dunia telah mencapai 194 GW, 36 GW diantaranya baru dibangun pada tahun tersebut yang berarti 11 kali lipat kapasitas dibanding yang dipasang pada tahun 2000. Secara rata-rata, pertumbungan PLTB diseluruh dunia mencapai 22% setiap tahun. (Boyle and Open University., 2012)

Turbin Angin (Wind Turbine)

Secara garis besar turbin angin terbagi atas dua konfigurasi. Horizontal Axis dan Vertikal Axis. Horizonal axis, sumbu putarnya sejajar dengan arah angin. Sementara Vertikal Axis, sumbu putarnya tegak lurus terhadap arah angin.

Horizontal Axis Wind Turbines (HAWT) secara umum memiliki 2 atau 3 blade atau bisa lebih. Turbin angin dengan banyak blade digunakan sejak abad ke-19 untuk pompa air di lahan pertanian.

Solidity digunakan untuk menggambarkan area sapuan turbin angin yang solid. Karenanya, turbin angin dengan jumlah blade yang banyak memiliki solidity tinggi (high solidity). Turbin angin yang memiliki area solid yang lebih kecil (area kosong lebih banyak) disebut low solidity. Turbin angin untuk pompa air memiliki turbin high solidity dan turbin untuk pembangkit listrik memiliki low solidity.

Turbin low solidity bekerja efektif bekerja efektif pada kecepatan putaran yang lebih tinggi dibandingkan dengan high solidity.

Vertical Axis wind Turbine (VAWT) atau turbin angin sumbu vertikal, dapat mengekstrak tenaga angin dari semua arah tanpa perlu mengubah posisi rotor jika terjadi perubahan arah angin. Namun demikian, kekurangan dari jenis turbin ini adalah masalah power quality, siklus beban dan system tower yang lebih rumit dibanding HAWT, disampinng itu VAWT memiliki efisiensi lebih rendah dibandingkan dengan HAWT. Saat ini, secara komersial lebih banyak digunakan HAWT dibandingkan dengan VAWT.

Aerodinamic pada Turbin Angin

Gaya yang bekerja pada pemanfaatan energi angin terdiri atas dua jenis gaya : gaya dorong (drag force) dan gaya angkat (lift force). Gaya dorong adalah komponen gaya yang sejajar dengan arah angin. Gaya angkat adalah gaya yang tegak lurus terhadap arah angin. Untuk energi angin, gaya angkat lebih banyak digunakan dibandingkan dengan gaya dorong.

Energi angin

Energi yang terkandung dalam angin adalah energi kinetik. Energi kinetic pada benda yang bergerak (angin) sebanding dengan setengah dari massa (m), dikali dengan kuadrat kecepatan angin (V)

Kinetic energi = setengah massa x kuadrat kecepatan =   0.5 mV² (1)

dimana m dalam kilogram dan V dalam meter per second

massa udara sendiri tergantung dari kerapatan massa udara  (pada ketinggian 0 diatas permukaan laut = 1.2256 kg/m³ dan  debit  udara (Q) yang melewati (volume/second). Volume udara dapat pula disubtitusikan sebagai perkalian antara luas bidang yang dilewati angin (A) dikalikan dengan kecepatan V.

sehingga: m = ρAV (2)

persamaan diatas dapat disubstitusikan ke persamaan (1), sehingga didapatkan

P = 0.5 ρAV³ (Joule/second) atau (Watt)

Sehingga bisa disimpulkan bahwa daya pada angin sebanding dengan:

• Kerapatan massa dari udara
• Luas bidang yang dilewati angin
• Kecepatan angin

Nilai daya diatas adalah daya yang dapat dihantarkan oleh angin. Namun dalam aplikasinya, tidak ada peralatan mekanis yang dapat mengekstrak semua energi angin yang melewatinya. Persentase kemampuan ekstraksi ini disebut power coeeficient (Cp). Sehingga persamaan daya untuk energi angin menjadi.

Nilai Cp maksimum berdasarkan persamaan Bernoulli adalah 0.59

Performance Turbin

Dalam normal operasi, performance turbin angin digambarkan dengan Kurva Power dalam 4 zona operasi :

Zona 1 : Sebelum kecepatan cut-in, P = 0

Zona 2 : Diatas kecepatan cut-in dan dibawah kecepatan ratingnya, nilai P mengikuti polynomial

Zona 3 : Diatas kecepatan rating dan dibawah kecepatan cut-out, nilai daya tetap sesuai dengan rating

Zona 4 : diatas kecepatan cut-out, turbin shut down, P = 0

 

Kesimpulan:

• PLTB merupakan salah satu jenis pembangkit listrik dari energy terbarukan yang perkembangannya sangat pesat dan teknologinya telah dianggap mapan.
• Gaya yang lebih mempengaruhi dalam ekstraksi energy angin untuk pembangkit listrik adalah gaya angkat.
• Energi angin yang dapat diekstrak sangat tergantung kepada kerapatan massa udara, luas bidang cakupan angin, kecepatan angin dan peralatan mekanis yang digunakan.
• Performance turbin angin dapat dianalisa dari 4 zona yang dibatasi oleh kecepatan pada saat cut in, kecepatan rating dan kecepatan saat cut-out.

Reference:

BOYLE, G. & OPEN UNIVERSITY. 2012. Renewable energy : power for a sustainable future, Oxford, Oxford University Press in association with the Open University.

HARRISON, G. 2013. Wind Power : Lecture Technologies for Sustainable Energy. University of Edinburgh.

“Vertical Axis Wind Turbines.” ConserveEnergyFuture. N.p., n.d. Web. 26 Dec. 2013.