energi angin dan pemmanfaatannya

ENERGI ANGIN DAN PEMANFAATANNYA
Sejarah Pemanfaatan
Manusia telah menggunakan energi angin selama setidaknya 5.500 tahun.
Para nelayan menggunakan angin untuk menggerakkan kapalnya untuk mencari
ikan ke tengah laut. Pedagang, penjajah dan bahkan misionaris menggunakan
angin untuk menggerakkan kapal yang membawa mereka ke seluruh belahan
dunia demi Glory, Gold, and Gospel. Arsitek pada masa dahulu menggunakan
angin alami sebagai sirkulasi udara dalam suatu bangunan. Hammurabi, Raja
Babilonia menggunakan energy angin untuk sistem irigasi pada abad ke-17
sebelum Masehi. Suku asli Sri Lanka, Sinhala, menggunakan angin muson dalam
peleburan logam. Kincir angin pertama kali didirikan di Sistan, Afghanistan sejak
abad ke-7. Kincir ini digunakan untuk menggiling jagung, biji-bijian, mengalirkan
air, dan pada industri tebu. Kincir angin yang digunakan merupakan kincir angin
dengan poros vertikal, dan tiap-tiap kipas berbentuk segi-empat yang dilapisi
dengan bahan kain. Kincir angin dengan poros horizontal pertama kali ditemukan
di Eropa untuk menggiling gandum.
Ganbar 1 Pemanfaatan Energi Angin
Energi angin dapat dikonversikan menjadi energi mekanik, seperti pada
penggilingan biji, ataupun untuk memompa air. Pada perkembangannya, energi
angin dikonversikan menjadi energi mekanik, dan dikonversikan kembali menjadi
energi listrik. Dalam bentuknya sebagai energi listrik, maka energi dapat
ditransmisikan dan dapat digunakan untuk mencatu peralatan-peralatan elektronik.
Proses Terjadinya Angin
Penyebab timbulnya angin adalah matahari. Bumi menerima radiasi sinar
matahari secara tidak merata. Dengan demikian, daerah khatulistiwa akan
menerima energi radiasi matahari lebih banyak daripada di daerah kutub, atau
dengan kata lain, udara di daerah khatulistiwa akan lebih tinggi dibandingkan
dengan udara di daerah kutub. Pertukaran panas pada atmosfer akan terjadi secara
konveksi. Berat jenis dan tekanan udara yang disinari cahaya matahari akan lebih
kecil dibandingkan jika tidak disinari. Perbedaan berat jenis dan tekanan inilah
yang akan menimbulkan adanya pergerakan udara. Pergerakan udara ini
merupakan prinsip dari terjadinya angin. Secara ilmiah, pada abad ke-17, seorang
fisikawan Itali, Evangelista Torricelli, mendeskripsikan bahwa angin dihasilkan
karena adanya perbedaan suhu udara, dan juga perbedaan kepadatan (akibat
perbedaan suhu udara), di antara dua daerah.
Apabila kita asumsikan bahwa Bumi tidak berotasi, permukaan yang datar,
dan udara yang lebih hangat terjadi pada daerah khatulistiwa dibandingkan pada
kutub, maka sirkulasi udara pada Bumi dapat diperkirakan pada Gambar 1.
Gambar 2. Pola sirkulasi udara sederhana.
Udara pada permukaan bumi di kutub memiliki tekanan yang lebih tinggi
daripada di khatulistiwa, sehingga udara akan mengalir dari kutub menuju
khatulistiwa pada permukaan bumi. Udara pada permukaan bumi di khatulistiwa
memiliki berat jenis yang rendah, sehingga udara akan terangkat hingga lapisan
troposfir. Karena tekanan udara pada lapisan troposfir di khatulistiwa lebih tinggi
daripada tekanan udara di bagian atas kutub, maka udara akan bergerak secara
horizontal pada lapisan troposfir dari khatulistiwa menuju kutub. Dan karena berat
jenis di udara pada kutub lebih tinggi, maka udara akan bergerak turun menuju
permukaan bumi.
Apabila kita menghilangkan asumsi bahwa bumi tidak berotasi, maka pola
aliran udara pada Gambar 1 akan berubah menjadi seperti pada Gambar 2.
Gerakan rotasi akan mengakibatkan timbulnya tiga sel sirkulasi pada setiap
belahan bumi. Sel sirkulasi ini dikenal sebagai sel Hadley, sel Ferrel, dan sel Polar
(Kutub).
Gambar 3. Pola sirkulasi udara tiga sel
Pada model baru, daerah khatulistiwa tetap menjadi lokasi yang terhangat
di Bumi. Area yang terhangat merupakan zona tekanan rendah dan dikenal dengan
zona konvergen intertropikal (ITCZ). Zona ini saling bertukar udara dengan udara
dari subtropik. Ketika udara pada permukaan bumi subtropik mencapai
khatulistiwa, udara akan terangkat, mencapai ketinggian 14 km (troposfir) dan
mulai bergerak secara horizontal menuju arah kutub utara dan kutub selatan.
Gaya Koriolis menyebabkan penyimpangan pergerakan udara pada bagian
atas atmosfer, dan pada posisi lintang 30°, udara akan mengalir secara zonal dari
barat ke timur. Aliran zonal ini dikenal sebagai aliran jet subtropical. Aliran zonal
juga mengakibatkan akumulasi udara pada bagian atas atmosfer bergerak tidak
lagi membujur. Untuk mengompensasi akumulasi ini, sebagian udara pada bagian
atas atmosfer turun kembali ke permukaan, dan mengakibatkan zona tekanan
tinggi subtropik. Dari zona ini, udara permukaan akan bergerak menuju dua arah.
Sebagian kembali ke khatulistiwa menyempurnakan sistem sirkulasi yang disebut
Sel Hadley. Udara yang bergerak inipun mengalami penyimpangan akibat efek
Koriolis, yang menyebabkan Northeast Trades (penyimpangan ke kanan pada
belahan utara) dan Southeast Trades (penyimpangan ke kiri pada belahan selatan).
Efek Koriolis adalah pembelokan yang terlihat pada suatu obyek ketika dilihat
dari referensi yang berputar, dimana sebenarnya obyek tersebut bergerak secara
lurus.
Udara permukaan yang bergerak menuju kutub dari zona subtropik (30°)
terangkat pada lintang 60°. Pergerakan udara ini juga mengalami penyimpangan
menghasilkan Westerlies. Gaya Coriolis menyimpangkan angin ini dan
mengakibatkan mengalir dari barat ke timur membentuk aliran jet kutub pada
lintang 60° utara dan selatan. Pada permukaan bumi tersebut, Westerlies subtropik
bertubrukan dengan udara dingin dari kutub. Tubrukan ini mengakibatkan udara
bergerak ke atas dan mengakibatkan siklon mid-latitude. Sebagian besar dari
udarayang terangkat akan mengarah ke kutub dan turun kembali ke permukaan.
Gambar 3 menggambarkan tekanan udara yang sebenarnya pada Bumi,
dari pengamatan selama 39 tahun. Pola sirkulasi yang diperlihatkan tampak
berbeda dengan Gambar 2. Perbedaan ini diakibatkan oleh material permukaan
Bumi dan ketinggiannya. Daratan bersifat lebih mudah panas dan lebih mudah
dingin kembali, sedangkan air sulit menjadi panas dan sulit menjadi dingin
kembali. Hal ini mengakibatkan belahan Bumi utara dan selatan menjadi tidak
seragam. Belahan Bumi utara didominasi oleh daratan, sedangkan selatan
sebaliknya. Ketinggian mengakibatkan pusat tekanan menjadi lebih intensif ketika
ketinggian meningkat.
Gambar 4 Arah angin permukaan dan pusat tekanan atmosfer rata-rata pada bulan
Januari, 1959-1997. Garis merah merupakan zona konvergen intertropik (ITCZ).
Gambar 3 menunjukkan tekanan udara dan arah angin bulanan pada
permukaan Bumi dari tahun 1959-1997. Perbedaan tekanan terlihat dari perbedaan
warna. Biru menyatakan tekanan rendah, sedangkan kuning hingga oranye
menyatakan sebaliknya. Arah dan besar angin ditunjukkan dengan arah panah dan
panjangnya.
Potensi Pemanfaatan Energi Angin
Untuk mencari tahu berapa besar energi angin di Bumi ini, titik mulanya
adalah memperkirakan total energi kinetik di atmosfer. Lorenz memberikan 1.5 x
106Joules/m2 sebagai energi kinetik yang tersedia di atmosfer[1]. Smil
menyatakan bahwa pergerakan udara di atmosfer merupakan 2% dari energi dari
matahari ke Bumi[2]. Dimana radiasi Matahari yang mencapai Bumi tahunan
adalah 5.8 x 1024Joules, atau 1.84 X 1017W, dan 360W/m2. Dan yang terserap
oleh permukaan Bumi (daratan dan air) adalah 2.9 x 1024Joules, atau 9.19 X
1016W, dan 180W/m2[3]. Jika jumlah energi matahari yang terserap secara
langsung oleh atmosfer lebih sedikit digunakan, perkiraan besaran tertinggi dari
energi kinetik dapat dijabarkan. Smilmemberi gambaran, 3.8 x 1022 J, untuk
energi angin tahunan pada atmosfer di bawah ketinggian 1 km. Dia menyatakan
nilai maksimum yang dapat dikonversikan adalah 3.8 x 1021 Joule, 1.20 x 1014W
atau 1.1 x 106 TWh.
Menurut Komisi Eropa, sumber angin dunia diperkirakan 50,000
TWh/tahun[4]. Total potensial dihitung pada daratan dengan kecepatan angin ratarata diatas 5,1 m/s pada ketinggian 10 m. Kemudian direduksi 90% sebagai
penggunaan lain, kepadatan penduduk, dan lain-lain. Perhitungan ini tidak
melingkupi Greenland, Antarctic atau area lepas pantai. Perhitungan lain oleh
Wijk dan Coelingh yang memberikan nilai 20.000 TWh/tahun dianggap lebih
konservatif[5].
Gambar 5 Hybrid Power System
Sumber lain menyatakan total potensial yang lebih tinggi, yaitu 106.458
TWh/tahun[6]. Potensi ini termasuk Selandia Baru dan Jepang. Namun studystudy tersebut belum memasukkan potensial lepas pantai, yang diperkirakan
mencapai 3000 TWh/tahun untuk di Eropa saja dengan jarak 30 km dari pantai
dan kedalaman kurang dari 40 m[7]. Membandingkan antara penggambaran dari
Smil, 100.000 TWh, dan dari Wind Energy-The Facts report, 50.000 TWh, Smil
menggambarkan untuk seluruh daratan dan air, sedangkan Wind Energy-The
Facts report menggambarkan jumlah yang dapat dihasilkan oleh turbin angin pada
120 m pertama dari 1 km, dan memperhitungkan rugi-rugi dan faktor
reduksi[2][3]. Hingga saat ini, 100GW turbin angin telah terpasang dan dapat
memproduksi 2,2 x 102 TWh, dengan asumsi 25% faktor pembebanan. Konsumsi
listrik dunia adalah 18.000 TWh/tahun pada tahun 2005[8]. Dengan demikian,
total sumber energi angin yang tersedia dapat memenuhi permintaan listrik dunia,
apalagi angin dapat ditemukan di segala penjuru dunia.
Konversi Energi Angin
Alat utamanya adalah generator, dengan generator tersebut maka dapat
dihasilkan arus listrik dari gerekan blade / baling-baling yang bergerak karena
hembusan angin. Pembangkit ini lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga
surya didalam menghasilkan listriknya. Untuk menggerakan blade / baling-baling
agar bisa berputar saja harus memiliki kecepatan angin 2 meter/detik dan untuk
menghasilkan listrik yang stabil sesuai kapasitas generatornya rata-rata 6 s/d 10
meter/detik. Daerah yang cocok digunakan pembangkit ini adalah daerah pantai,
pesisir, pegunungan.
Turbin angin
Turbin Angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan
tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi
kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll.
Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan negara-negara
Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill.
Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin
dengan diameter kipas r adalah :
dimana ρ adalah kerapatan angin pada waktu tertentu dan v adalah kecepatan
angin pada waktu tertentu.
Umumnya daya efektif yang dapat dipanen oleh sebuah turbin angin hanya
sebesar 20%-30%. Jadi rumus diatas dapat dikalikan dengan 0,2 atau 0,3 untuk
mendapatkan hasil yang cukup eksak. Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah
mengubah energi mekanis dari angin menjadi energi putar pada kincir, lalu
putaran kincir digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan
menghasilkan listrik.
Sebenarnya prosesnya tidak semudah itu, karena terdapat berbagai macam subsistem yang dapat meningkatkan safety dan efisiensi dari turbin angin, yaitu :
1. Gearbox
Alat ini berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadi
putaran tinggi. Biasanya Gearbox yang digunakan sekitar 1:60.
2. Brake System
Digunakan untuk menjaga putaran pada poros setelah gearbox agar bekerja
pada titik aman saat terdapat angin yang besar. Alat ini perlu dipasang karena
generator memiliki titik kerja aman dalam pengoperasiannya. Generator ini akan
menghasilkan energi listrik maksimal pada saat bekerja pada titik kerja yang telah
ditentukan. Kehadiran angin diluar diguaan akan menyebabkan putaran yang
cukup cepat pada poros generator, sehingga jika tidak diatasi maka putaran ini
dapat merusak generator. Rem cepat : biasanya berada di poros cepat dekat
generator, dapat difungsikan untuk membatasi laju putar yang kelewat tinggi yang
dapat merusak sistem generator. Rem lambat : biasanya berada di depan gearbox
dan dioperasikan secara manual, untuk menghentikan baling-baling pada saat
dilakukan maintenace.
3. Rotor turbin
Berupa baling-baling yang lazimnya terdiri atas 3 sirip, berfungsi untuk
menangkap energi angin menjadi energi mekanik putarannya. Permasalahan di
bagian ini adalah disain aerodinamis yang seefisien mungkin, serta ketahanan dan
berat bahan sirip baling-balingnya
4. Generator
Generator dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Prinsip
kerjanya dapat dipelajari dengan menggunakan teori medan elektromagnetik.
Singkatnya, (mengacu pada salah satu cara kerja generator) poros pada generator
dipasang dengan material ferromagnetik permanen. Setelah itu disekeliling 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.
5. Penyimpan energi
Karena keterbatasan ketersediaan akan energi angin (tidak sepanjang hari
angin akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik pun tidak menentu. Oleh
karena itu digunakan alat penyimpan energi yang berfungsi sebagai back-up
energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik masyarakat meningkat atau
ketika kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, maka kebutuhan
permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi.
6. Rectifier-Inverter
Rectifier berarti penyearah. Rectifier dapat menyearahkan gelombang
sinusodal(AC) yang dihasilkan oleh generator menjadi gelombang DC. Inverter
berarti pembalik.
Gambar 6 Bagian-bagian Turbin Angin
7. Yaw system
Sistem yang mengatur posisi baling-baling agar tetap menghadap angin
secara frontal, sehingga baling-baling dapat menangkap energi angina seefisien
mungkin.
8. Tower penyangga
Menumpu seluruh berat komponen inti dan penunjang cukup jauh di atas
permukaan tanah.
Gambar 7 Prinsip kerja turbin angin
Baling-baling menyongsong datangnya angin sehingga ia berputar pada
porosnya. Putarannya tidak terlalu cepat karena massanya yang besar, diteruskan
oleh poros laju rendah ke belakang melalui gearbox. Gearbox mengubah laju
putar menjadi lebih cepat, konsekuensinya dengan momen gaya yang lebih kecil,
sesuai dengan kebutuhan generator yang ada di belakangnya. Generator kemudian
mengubah energi kinetik putar menjadi energi listrik. Ekstraksi energi angin oleh
turbin ditentukan oleh koefisien Cp (maksimum 59%, 35% untuk disain bagus),
efisiensi transmisi gearbox dan bearings (Nb, bisa mencapai 95%), dan efisiensi
generator (Ng, ~ 80%).
Gambar 8 Diagram Perbadingan
Terdapat sebuah kecepatan angin minimum, disebut cut-in speed, agar
turbin mulai menghasilkan listrik. Kecepatan angin yang terlalu besar juga harus
dibatasi agar tidak merusak turbin dan generator, kecepatan maksimum yang
diijinkan ini disebut cut-out speed. Pada grafik di atas ditunjukkan hubungan
antara laju angin dengan daya yang. Turbin yang dipakai diharapkan bekerja pada
laju angin 29 mil/jam (47 km/jam = 13 m/s) sehingga menghasilkan daya yang
sesuai dengan disainnya (rated power).
Ilmu-ilmu yang diperlukan adalah :
1. Aerodinamika : untuk memahami perilaku udara bergerak, dan disain balingbaling yang efisien, serta sistem yaw yang diperlukan.
2. Bahan engineering : untuk membuat bahan sirip baling-baling yang kuat dan
ringan.
3.
Power electronics : untuk mendisain generator yang sesuai, serta teknik
penyimpanan energi listrik sebagai output sistem. Atau penyesuaian output
terhadap jaringan listrik PLN jika harus dilakukan transmisi keluar lokasi.
4. Teknik kontrol : untuk mendisain sistem kontrol terhadap kecepatan turbin,
atau kontrol terhadap daya generator.
5. Teknik manufaktur : untuk mencetak baling-baling, membuat rumah
(nacelle) seluruh komponen peralatannya.
6. Ilmu-ilmu MIPA : Fisika (aerodinamika, mekanika), Statistika (sifat random
angin), Matematika.
7. Komputer : untuk kontrol saat operasi, dan simulasi eksperimen disain baru.
8.
Meteorologi : untuk mempelajari watak angin.
9. Teknik sipil : untuk membangun tower yang tangguh dan mampu menyangga
sistem secara fisik.
10. Elektrokimia : untuk teknologi penyimpanan energi listrik dalam baterei.
Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal (TASH) memiliki poros rotor utama dan
generator listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah
baling-baling angin (baling-baling cuaca) yang sederhana, sedangkan turbin
berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang
digandengkan ke sebuah servo motor. Sebagian besar memiliki sebuah gearbox
yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat berputar.
Gambar 9 Turbin Angin Sumbu Horisontal
Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur menara, dan
realibilitas begitu penting, sebagian besar TASH merupakan mesin upwind
(melawan arah angin). Meski memiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind
(menurut jurusan angin) dibuat karena tidak memerlukan mekanisme tambahan
agar mereka tetap sejalan dengan angin, dan karena di saat angin berhembus
sangat kencang, bilah-bilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi wilayah tiupan
mereka dan dengan demikian juga mengurangi resintensi angin dari bilah-bilah
itu.
Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin sumbu vertikal/tegak (atau TASV) memiliki poros/sumbu
rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin
tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna
di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. VAWT mampu
mendayagunakan angin dari berbagai arah.
Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu tegak sering dipasang
lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah
bangunan. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga
yang tersedia adalah energi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan
obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa
menyebabkan berbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya
kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau
mempersingkat umur turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara
turbin kira-kira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik optimal bagi energi
angin yang maksimal dan turbulensi angin yang minimal.
Gambar 10 Turbin Angin Sumbu Vertikal
Referensi
Energi Angin dan Potensinya oleh Kus Adi Nugroho
Lorenz, Edward N., The nature and theory of the general circulation of the
atmosphere., p110 WMO No. 218 TP.115. World Meteorological
Organization
Smil, Vaclav. Inherent limits of renewable energies. 2004
Smil, Vaclav. Energy at the crossroads. MIT 2003.
http://www.windpower.org
http://www.nrel.gov
http://www.windustry.com (link cara mengetahui kekuatan angin)