Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga AnginKadek Fendy Sutrisna 21 Mei 2011 Dukung Fendy Sutrisna untuk tetap berbagi dalam artikel ketenagalistrikan I ndonesia dengan klik link LI KE, COMMENT & SHARE di halaman facebook ini ->Catatan Fendy Sutrisna PembangkitListrikTenagaAnginatauseringjugadisebutdenganPembangkitListrikTenaga Bayu (PLTB) adalah salah satu pembangkit listrik energi terbarukan yang ramah lingkungan dan memilikiefisiensikerjayangbaikjikadibandingkandenganpembangkitlistrikenergi terbarukan lainnya. Prinsip kerja PLTB adalah dengan memanfaatkan energi kinetik anginyang masukkedalamareaefektifturbinuntukmemutarbaling-baling/kincirangin,kemudianenergi putar ini diteruskan ke generator untuk membangkitkan energi listrik. BerdasarkandatadariGWEC,jumlahPLTByangadadiduniasaatiniadalahsebesar157.900 MWatt (sampai dengan akhir tahun 2009), dan pembangkit jenis ini setiap tahunnya mengalami peningkatan dalam pembangunannya sebesar 20-30%. Teknologi PLTB saat ini dapat mengubah energigerakanginmenjadienergilistrikdenganefisiensirata-ratasebesar40%.Efisiensi40% ini disebabkan karena akan selalu ada energi kinetikyang tersisa pada angin karena anginyang keluar dari turbin tidak mungkin mempunyai kecepatan sama dengan nol. Gambar 1 merupakan laju pertumbuhan dan daya elektrik total PLTB di dunia yang ada sampai saat ini. Gambar 1 Laju Pertumbuhan PLTB di Dunia 1. Energi Angin 1.1 Energi Kinetik Angin Sebagai Fungsi dari Kecepatan Angin Energi kinetik angin yang dapat masuk ke dalam area efektif turbin angin dapat dihitung berdasarkan persamaan 1.1 berikut : (1.1) dimanapadapersamaantersebutdapatkitalihatbahwaenergiangin(P;Watt)bergantung terhadapfaktor-faktorsepertialiranmassaangin(m;kg/s),kecepatanangin(v;m/s),densitas udara ( ; kg/m3),luas permukaan area efektif turbin (A ; m3 ). Di akhir persamaan, secara jelas dapatdisimpulkanbahwaenergianginakanmeningkat8kalilipatapabilakecepatanangin meningkat 2 kali lipatnya, atau dengan kata lainapabila kecepatananginyang masuk ke dalam daerah efektif turbin memiliki perbedaan sebesar 10% maka energi kinetik angin akan meningkat sebesar30%.ApabilakecepatankerjaPLTBadalahVrated,makadayakeluaranPLTBdapat diperoleh dari persamaan 1.1 dengan menuliskan kembali ke persamaan sebagai berikut. (1.2) (1.3) Gambar2merupakankurvaintensitasenergikinetikanginberdasarkanfungsidarikecepatan angin. Gambar 2 Intensitas Energi Angin 1.2 Kecepatan Angin Berdasarkan Fungsi dari Ketinggiannya dari Permukaan Tanah Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa 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. Berikut adalah rumus bagaimana cara mengukur kecepatan angin berdasarkan ketinggiannya dan jenis permukaan tanah sekitarnya. Tabel1menunjukanbesarnyanilainsebagaifaktorperbedaanjenispermukaantanahyang mempengaruhi kecepatan angin. Tabel 1 Nilai n berdasarkan jenis permukaan tanah Gambar3menunjukanhasilperhitungankecepatananginberdasarkanketinggian,dengangaris putus-putus menggunakan asumsi n = 7, sedangkan garis lurus dengan asumsi n =5. Gambar 3 Kecepatan angin berdasarkan ketinggiannya dari permukaan tanah 2. Jenis-jenis Angin Angintimbulakibatsirkulasidiatmosferyangdipengaruhiolehaktivitasmataharidalam menyinaribumiyangberotasi.Dengandemikian,daerahkhatulistiwaakanmenerimaenergi radiasimataharilebihbanyakdaripadadidaerahkutub,ataudengankatalain,udaradidaerah khatulistiwa akan lebih tinggi dibandingkan dengan udara di daerah kutub. Perbedaan berat jenis dantekananudarainilahyangakanmenimbulkanadanyapergerakanudara.Pergerakanudara inilahyangdidefinisikansebagaiangin.Gambar4merupakanpolasirkulasipergerakanudara akibar aktivitas matahari dalam menyinari bumi yang berotasi. Gambar 4 Pola sirkulasi udara akibat rotasi bumi (Sumber : Blog Konversi ITB, Energi Angin dan Potensinya) Berdasarkan prinsip dari terjadinya, angin dapat dibedakan sebagai berikut : 2.1 Angin Laut dan Angin Darat Anginlautadalahanginyangtimbulakibatadanyaperbedaansuhuantaradaratandanlautan. Sepertiyangkitaketahuibahwasifatairdalammelepaskanpanasdariradiasisinarmatahari lebihlambatdaripadadaratan,sehingga suhudilautpadamalamhariakanlebihtinggi dibandingkan dengan suhu di daratan. Semakin tinggi suhu, tekanan udara akan semakin rendah. Akibat adanya perbedaan suhu ini akan menyebabkan terjadinya perbedaan tekanan udara di atas daratan dan lautan. Hal inilah yang menyebabkan angin akan bertiup dari arah darat ke arah laut. Sebaliknya, pada siang hari dari pukul 09.00 sampai dengan pukul 16.00 angin akan berhembus dari laut ke darat akibat sifat air yang lebih lambat menyerap panas matahari. 2.2 Angin Lembah Anginlembahadalahanginyangbertiupdariarahlembahkearahpuncakgunungyangbiasa terjadi pada siang hari. Prinsip terjadinya hampirsama dengan terjadinyaangin darat danangin laut yaitu akibat adanya perbedaan suhu antara lembah dan puncak gunung. 2.3 Angin MusimAnginmusimdibedakanmenjadi2,yaituanginmusimbaratdananginmusimtimur. Angin MusimBarat/AnginMusonBaratadalahanginyangmengalirdariBenuaAsia(musimdingin) keBenuaAustralia(musimpanas).Apabilaanginmelewatitempatyangluas,sepertiperairan dansamudra,makaangininiakan mengandungcurahhujanyangtinggi.AnginMusimBarat menyebabkanIndonesiamengalamimusimhujan. AngininiterjadipadabulanDesember, januari dan Februari, dan maksimal pada bulan Januari dengan kecepatan minimum 3 m/s. AnginMusimTimur/AnginMusonTimuradalahanginyangmengalirdariBenuaAustralia (musimdingin)keBenuaAsia(musimpanas).AngininimenyebabkanIndonesiamengalami musimkemarau,karena anginmelewaticelah-celahsempitdanberbagaigurun(Gibson, AustraliaBesar,danVictoria).MusimkemaraudiIndonesiaterjadipadabulanJuni,Julidan Agustus, dan maksimal pada bulan Juli. 2.4 Angin Permukaan Kecepatandanarahangininidipengaruhiolehperbedaanyangdiakibatkanolehmaterial permukaanBumidanketinggiannya.Secaraumum,suatutempatdenganperbedaantekanan udarayangtinggiakanmemilikipotensianginyangkuat. Ketinggianmengakibatkanpusat tekanan menjadi lebih intensif. Selainperbedaantekananudara,materialpermukaanbumijugamempengaruhikuatlemahnya kekuatananginkarenaadanyagayagesekantaraangindanmaterialpermukaanbumiini. Disampingitu,materialpermukaanbumijugamempengaruhikemampuannyadalammenyerap danmelepaskanpanasyangditerimadarisinarmatahari.Sebagaicontoh,belahanBumiutara didominasi oleh daratan, sedangkan selatan sebaliknya lebih di dominasi oleh lautan. Hal ini saja sudah mengakibatkan angin di belahan Bumi utara dan selatan menjadi tidak seragam. Gambar 5 menunjukkantekananudaradanarahanginbulananpadapermukaanBumidaritahun1959-1997.Perbedaantekananterlihatdariperbedaanwarna.Birumenyatakantekananrendah, sedangkankuninghinggaoranyemenyatakansebaliknya.Arahdanbesaranginditunjukkan dengan arah panah dan panjangnya. Gambar 5. Arah angin permukaan dan pusat tekanan atmosfer rata-rata pada bulan Januari, 1959-1997. Garis merah merupakan zona konvergen intertropik (ITCZ). 2.5 Angin Topan Angin topan adalah pusaran angin kencang dengan kecepatan angin 120 km/jam atau lebih yang seringterjadidiwilayahtropisdiantaragarisbalikutaradanselatan.Angintopandisebabkan oleh perbedaan tekanan dalam suatu sistem cuaca. Di Indonesia dan daerah lainnyayang sangat berdekatan dengan khatulistiwa, jarang sekali dilewati oleh angin ini. Angin paling kencang yang terjadi di daerah tropis ini umumnya berpusar dengan radius ratusan kilometer di sekitar daerah sistem tekanan rendah yang ekstrem dengan kecepatan sekitar 20 Km/jam. 3. Potensi Energi 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. Tabel 2 Sebaran potensi energi angin. (TWh/tahun) DaerahGrubb and Meyer [4]Wijk and Coelingh [5] Afrika10 600- Australia3 0001 638 Amerika Utara14 0003 762 America Latin5 400- Eropa Barat 500520 Europe Timur 10 600- Asia4 900- Perkiraan Total50 00020 000 (+area lain) 3.1 Potensi Energi Angin Di Indonesia Berikut ini adalah peta potensi energi angin di Indonesia yang dapat digunakan sebagai referensi dalam mengembangkan pembangkit listrik tenaga angin di Indonesia. Perbedaan kecepatan udara terlihatdariperbedaanwarnanya.Birumenyatakankecepatanudararendah,sedangkanhijau, kuning, merah dan sekitarnya menyatakan semakin besarnya kecepatan angin. Gambar 6 Peta persebaran kecepatan angin di Indonesia 5.Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin/Bayu (PLTB) 5.1 Kincir Angin Secaraumumkincirangindapatdibagimenjadi2,yaitukinciranginyangberputardengan sumbuhorizontal,danyangberputardengansumbuvertikal.Gambar7menunjukanjenis-jenis kinciranginberdasarkanbentuknya.Sedangkangambar8menunjunkankarakteristiksetiap kinciranginsebagaifungsidarikemampuannyauntukmengubahenergikinetikanginmenjadi energiputarturbinuntuksetiapkondisikecepatanangin.Darigambar8dapatdisimpulkan bahwakinciranginjenismulti-bladedanSavoniuscocokdigunakanuntukaplikasiPLTB kecepatan rendah. Sedangkan kincir angin tipePropeller, paling umum digunakan karena dapat bekerja dengan lingkup kecepatan angin yang luas. Gambar 7 Jenis-jenis kincir angin Gambar 8 Karakterisrik kincir angin 5.2.Gearbox Alat ini berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadi putaran tinggi. Biasanya Gearbox yang digunakan sekitar 1:60. 5.3.BrakeSystem Alatinidiperlukansaatanginberhembusterlalukencangyangdapatmenimbulkanputaran berlebih padagenerator.Dampak dari kerusakan akibat putaran berlebih diantaranya : overheat, rotor breakdown, terjadi arus lebih pada generator. 5.4.Generator Adaberbagaijenisgeneratoryangdapatdigunakandalamsistemturbinangin,antaralain generatorserempak(synchronousgenerator),generatortak-serempak(unsynchronous generator), rotor sangkar maupun rotor belitan ataupun generator magnet permanen. Penggunaangeneratorserempakmemudahkankitauntukmengaturtegangandanfrekuensi keluarangeneratordengancaramengatur-aturarusmedandarigenerator.Sayangnya penggunaangeneratorserempakjarangdiaplikasikankarenabiayanyayangmahal, membutuhkan arus penguat dan membutuhkan sistem kontrol yang rumit. Generator tak-serempak sering digunakan untuk sistem turbin angin dan sistem mikrohidro, baik untuk sistem fixed-speed maupun sistem variable speed. 5.5. Penyimpan energi Pada sistem stand alone, dibutuhkan baterei untuk menyimpan energi listrik berlebih yang dihasilkan turbin angin.Contoh sederhana yang dapat dijadikan referensi sebagai alat penyimpan energi listrik adalah aki mobil. Aki 12 volt, 65 Ah dapat dipakai untuk mencatu rumah tangga selama 0.5 jam pada daya 780 watt. 5.6 Tower Tower PLTB dapat dibedakan menjadi 3 jenis seperti gambar 9 dibawah ini. Setiap jenis tower memiliki karakteristik masing-masing dalam hal biaya, perawatan, efisiensinya, ataupun dari segi kesusahan dalam pembuatannya. Sedangkan gambar 10 menunjukan diagram skematik PLTB secara umum umum. Gambar 9 Tower PLTB (kiri) Guyed (Tengah) Lattice (kanan) Mono-structure Gambar 10 Diagram skematik dari turbin angin 6. Karakteristik Kerja Turbin Angin Gambar11menunjukanpembagiandaerahkerjadariturbinangin.Berdasarkangambar11ini, daerah kerja angin dapat dibagi menjadi 3, yaitu (a) cut-in speed (b) kecepatan kerja angin rata-rata(kecepatannominal)(c)cut-outspeed.Secaraideal,turbinangindirancangdengan kecepatan cut-in yang seminimal mungkin, kecepatan nominal yang sesuai dengan potensi angin lokal, dan kecepatan cut-out yang semaksimal mungkin. Namun secara mekanik kondisi ini sulit diwujudkan karena kompensasi dari perancangan turbin angin dengan nilai kecepatan maksimal (Vcutoff) yang besar adalah Vcut dan Vrated yang relatif akan besar pula. Gambar 11 Karakteristik kerja turbin angin Selain dari data yang ditunjukan gambar 6 sebelumnya, penentuan kecepatan angin suatu daerah dapatjugadilakukandengan menggunakanmetodeprobalistikdistribusiWeibulldalam mengolah kumpulan data hasil survey seperti yang diperlihatkan pada gambar 12. Gambar 12 Penentuan kecepatan angin rata-rata suatu daerah 7. Sistem Mekanik PLTB Gambar 13 Komponen Turbin Angin(sumber : BP, going with the wind) 8. Sistem Elektrik PLTB SecaraumumsistemkelistrikandariPLTBdapatdibagimenjadi2yaitu(i)kecepatankonstan (ii)kecepatanberubah. Keuntungandarisistemkecepatankonstan(fixed-speed) adalahmurah, sistemnya sederhana dan kokoh (robast). Sistem ini beroperasi pada kecepatan putar turbin yang konstan dan menghasilkan daya maksimum pada satu nilai kecepatan angin. Sistem ini biasanya menggunakangeneratortak-serempak(unsynchronousgenerator),dancocokditerapkanpada daerahyangmemilikipotensikecepatananginyangbesar.Kelemahandarisisteminiadalah generatormemerlukandayareaktifuntukbisamenghasilkanlistriksehinggaharusdipasang kapasitorbankataudihubungkandengan grid.Sisteminirentanterhadappulsatingpower menuju grid dan rentan terhadap perubahan mekanis secara tiba-tiba. Gambar 14 (a) menunjukan diagram skematik dari sistem ini. Gambar 14(a) Sistem PLTB kecepatan konstan (fixed-speed) Selainkecepatankonstan,adajugasistemturbinanginyangmenggunakansistemkecepatan berubah (variable speed), artinya sistem didesain agar dapat mengekstrak daya maksimum pada berbagaimacamkecepatan.Sistem variablespeed dapatmenghilangkan pulsatingtorque yang umumnya timbul pada sistem fixed speed. Secaraumumsistem variablespeedmengaplikasikan elektronikadayauntukmengkondisikan daya,sepertipenyearah(rectifier),KonverterDC-DC,ataupunInverter.Gambar14(b)sampai dengan 14(e) adalah jenis-jenis sistem PLTB kecepatan berubah. Pada sistem variable speed (b) menggunakan generator induksi rotor belitan. Karakteristik kerja generator induksi diaturdengan mengubah-ubahnilai resistansi rotor, sehingga torsi maksimum selaludidapatkanpadakecepatanputarturbinberapapun.Sisteminilebihamanterhadap perubahanbebanmekanissecaratiba-tiba,terjadireduksipulsatingpowermenujugriddan memungkinkanmemperolehdayamaksimumpadabeberapakecepatananginyangberbeda. Sayangnya jangkauan kecepatan yang bisa dikendalikan masih terbatas. (b) Sistem PLTB kecepatan berubah (variable-speed) (rotor belitan) Padasistemvariablespeed(c)menggunakanrangkaianelektronikadayauntukmengaturnilai resistansirotor.Sisteminimemungkinkanmemperbaikijangkauankecepatanyangbisa dikendalikan sistem pertama. (c) Sistem PLTB kecepatan berubah (variable-speed back to back conventer)Sistemvariablespeed(d)dan(e)adalahsistemPLTByangdibedakanberdasarkanjenis generator yang digunakan. (d) Sistem PLTB kecepatan berubah (variable-speed)(rotor sangkar) (e) Sistem PLTB kecepatan berubah (variable-speed) (rotor permanen magnet)