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.
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.
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).
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.
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 rata-rata 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].
Sumber lain menyatakan total
potensial yang lebih tinggi, yaitu 106.458 TWh/tahun[6]. Potensi ini termasuk
Selandia Baru dan Jepang. Namun study-study 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 sub-sistem 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.
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.
Ilmu-ilmu yang diperlukan adalah :
Aerodinamika : untuk memahami
perilaku udara bergerak, dan disain baling-baling yang efisien, serta sistem
yaw yang diperlukan.
Bahan engineering : untuk membuat
bahan sirip baling-baling yang kuat dan ringan.
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.
Teknik kontrol : untuk mendisain
sistem kontrol terhadap kecepatan turbin, atau kontrol terhadap daya generator.
Teknik manufaktur : untuk mencetak
baling-baling, membuat rumah (nacelle) seluruh komponen peralatannya.
my referensi:
http://sainthanz.wordpress.com/2010/04/19/energi-angin-dan-pemanfaatannya/