BAB II
TEORI DASAR
Pada bab ini dibahas tentang mekatronika,gambaran umum pengenalan turbin , Perkembangan turbin ,beberapa komponen turbin,
Gambaran Umum
Sering kita mendengar istilah tubin angin, turbin air, turbin gas, dll yang penggeraknya menggunakan metode energi kinetik. Turbin kinetik adalah turbin yang digerakan dengan memanfaatkan energi alam sebagai penggerak turbin dan diproses menjadi energi yang dibutuhkan sehari-hari oleh manusia. Diantanranya turbin angin yang digerakan oleh angin yang cukup kencang biasanya dibangun dipesisir pantai yang banyak angin agar dapat memutar kincir sebagai kinetic putar nya, Turbin air yang digerakan oleh air yang tekanan air nya cukup kuat biasanya dibangun yang banyak volume air nya yang bisa dibendung seperti didanau, laut, sungai dll tekanan air yang menggerakan turbin berputar, turbin gas yang digerakan oleh gas alam biasanya turbin ini jarang kita jumpai dan kita tidak tahu cara prosesnya.
2.2 Perkembangan PLT Angin Di Beberapa Negara Maju
Selain turbin angin yang dipasang di darat (land-based), sudah banyak pula ladang turbin angin lepas pantai (tipe terpancang di dasar laut) yang dibangun di perairan dangkal seperti di wilayah negara-negara Eropa (Henderson et al., 2002a, Zaaijer & Henderson, 2004). Dalam dekade ini, di USA dan Kanada juga dikembangkan beberapa pembangkit energi tenaga angin lepas pantai di perairan Massachusetts (Manwell et al., 2001). Di Jepang, kapasitas kumulatif turbin angin di darat mengalami peningkatan cukup tajam; hingga akhir tahun 2002, kapasitas kumulatifnya mencapai 350 MW. Pemerintah Jepang mematok target nasional pengembangan pembangkit energi angin sebesar 3.000 MW pada tahun 2010 hanya untuk turbin angin darat saja (Kogaki et al., 2003).
Selain itu banyak hasil studi menunjukkan bahwa sumber-sumber angin potensial yang signifikan kebanyakan berada di daerah perairan cukup dalam sehingga teknologi yang saat ini dikembangkan untuk proyek-proyek di Eropa kurang relevan. Sehingga diprediksikan pengembangan turbin angin lepas-pantai di Jepang bakal membutuhkan waktu relatif lebih panjang (Kogaki et al., 2001). Untuk Jepang, karena sebagian besar wilayah perairan lepas pantainya berupa laut dalam, maka diperlukan konsep lain untuk pengembangan turbin angin lepas pantai ini (Henderson et al., 2002b, Kogaki et al., 2003). Dari sinilah kemudian berbagai konsep pengembangan ladang turbin angin lepas-pantai dan terapung untuk perairan dalam bermunculan. Kunci dari teknologi turbin angin terapung ini terletak pada performansi kekuatan struktur dan kehandalan sistim penjaga posisinya (station-keeping system). Sistim tambat catenary konvensional menjadi tidak efektif lagi bila dipakai untuk struktur terapung yang sangat panjang (dalam order kilometer) yang beroperasi di perairan dengan kedalaman ratusan meter. Kogaki et al. (2003) merumuskan tiga konsep turbin angin lepas-pantai:
1) Jenis tepancang di dasar laut untuk daerah dekat pantai (bottom-fixed type for
near-shore wind plants).
2) Jenis terapung untuk area lepas-pantai (floating type for offshore wind plants). 3) jenis turbin angin mampu-layar untuk area lepas-pantai lebih jauh (sailing
type for far-shore wind plants).
Sementara itu, khusus untuk jenis turbin angin terapung, Henderson et al. (2002b) menawarkan empat jenis konsep struktur penopangnya:
1) Jenis Semi-Submersible.
2) Jenis struktur Tension Leg Platforms (TLPs) atau Tensioned Buoyant
Platforms (TBPs).
4) Jenis struktur Spaceframe.
Semua jenis struktur ini tidak lain diadopsi dari konsep teknologi anjungan lepas-pantai yang sudah lebih dulu diaplikasikan dalam bidang migas. Di sini akan dijelaskan secara singkat satu konsep turbin angin terapung jenis "Hexa-float" dan satu konsep turbin angin lainnya dari jenis terapung mampu-layar.
Bulan Nopember 2002, sebuah prototype jenis Hexa-float sudah dibuat di perairan Teluk Okinawa. Sebuah komponen struktur pengapungnya berbentuk hexagonal datar dengan panjang sisinya masing-masing 10 meter, massa 480 ton, volume 650 m3 dengan daya apung 170 ton. Satu unit turbin angin jenis ini tersusun dari 7 buah hexa-float serta dirancang agar tidak tenggelam meskipun sebagian pengapungnya rusak dan direncanakan mampu untuk menopang sebuah turbin angin berkapasitas 10 kW. Antar unit "hexa-float" dapat dirangkai dengan mudah dan fleksibel dengan fender karet dan kabel, sehingga memungkinkan dibangun suatu gugusan besar hingga membentuk sebuah "mega-float".
Gambar 2.1 Ladang pembangkit listrik tenaga angin terapung (floating wind farm) dengan sistim Hexa-float
Sementara itu untuk turbin angin jenis terapung mampu-layar, (Inoue et al. 2005) menggagas konsep baru struktur terapung dengan bentuk yang unik. Struktur ini tersusun dari kolom-kolom berpenampang sayap (wing shaped struts) dan elemen lambung bawah yang ramping (slender shaped lower hulls) yang diperkirakan
akan sangat menjanjikan di masa depan sebagai sebuah ladang turbin angin jenis terapung mampu-layar. Struktur apung ini memiliki kemampuan bergerak mandiri (self-mobile capability) dengan kemampuan manuver yang efektif di wilayah lepas pantai karena adanya gaya angkat yang ditimbulkan oleh elemen-elemen struktur struts-nya.
Gambar 2.2 Ladang pembangkit listrik tenaga angin terapung mampu-layar (sailing type floating wind farm) dengan sistim tanpa tali tambat
(mooring-less system)
Pada prinsipnya, jenis terapung mampu-layar ini diintroduksikan untuk dapat menjangkau daerah lebih-kaya-angin di kawasan lepas-pantai yang lebih jauh, serta mampu memproduksi sumber energi sekunder seperti hidrogen. Sistim ini beroperasi tanpa sistim tali tambat, sehingga diperlukan teknologi baru yang harus dikembangkan yang mana diprediksikan sistim komersialnya baru bisa direalisasikan dalam kurun waktu 10-15 tahun mendatang.
2.2.1 Turbin Angin di Masyarakat Amerika Serikat
Masyarakat Amerika Serikat mempunyai sumber-sumber angin banyak dijumpai di sebagian besar wilayahnya, baik dengan potensi sedang hingga besar. Hal ini menyebabkan tenaga angin menjadi sebuah pemasok tenaga listrik potensial dan layak untuk berbagai keperluan. Bahkan turbin angin kecil misalnya, yang berkapasitas di bawah 100 kW, sudah dapat digunakan untuk keperluan skala rumah tangga, ladang-ladang dan kebun, peternakan, perusahaan kecil dan juga untuk telekomunikasi. Sistim turbin angin kecil ini bisa
dipergunakan secara mandiri di luar sistim jaringan listrik, dan ini biasa dikenal dengan sebutan aplikasi mandiri (stand-alone) atau luar-jaringan (off-grid). Contohnya, sistim pembangkit kombinasi angin-disel luar-jaringan di daerah terpencil seperti Alaska, terbukti mampu meningkatkan kehandalan sistim dan sekaligus menurunkan ongkos bahan bakar.
Gambar 2.3 Contoh sebuah turbin angin kecil yang bisa dipergunakan secara mandiri di luar sistim jaringan untuk keperluan skala rumah tangga
Sementara itu, kategori turbin angin besar (utility-scale) memiliki rentang kapasitas antara 100 kW hingga 1~2 MW. Gabungan dari puluhan hingga ratusan turbin besar ini dapat dihubungkan dengan sistim jaringan listrik untuk membentuk suatu ladang turbin angin yang mampu mensuplai energi listrik untuk sebuah komunitas/daerah yang lebih besar/luas. Banyak perusahaan penyedia sumber energi melihat bahwa ladang turbin angin ini telah menjelma menjadi sebuah pembangkit energi bersih (clean power) yang ramah lingkungan. Sehingga tidak mengherankan bila saat ini jumlah ladang angin di USA makin bertambah dengan cepatnya.
Dengan demikian, selain tenaga angin telah mampu berkontribusi dalam menciptakan lingkungan yang lebih baik dengan menghasilkan jenis energi-bersih, juga potensial untuk turut memperkuat ekonomi dengan menciptakan lapangan kerja baru dalam lingkup bidang energi angin ini. Di samping itu
keberadaannya akan makin memperkuat ketahanan energi dengan menyediakan sumber energi domestik yang handal dan mandiri.
Indonesia
Lain di Amerika, lain pula di Indonesia. Sebuah pilot project sederhana bertemakan renewable energy telah dimulai oleh kolega penulis di ITS, Ridho Hantoro ST., MT., hingga memenangkan Brits Award for Poverty Alleviation 2006. Proyek ini adalah pembuatan turbin angin pembangkit listrik di Pulau Sapeken, Kabupaten Sumenep, Jawa Timur. Turbin angin berdiameter rotor 4 meter dengan 6 buah daun aluminium ini mampu menghasilkan daya hingga 1 kW dengan tiang penopang setinggi 8 meter.
Latar belakang sosial dan teknis pembuatan turbin angin ini antara lain: 1) Pulau Sapeken sangat kecil, bahkan lebih kecil dari kampus ITS (luas areal
ITS 180 hektar), namun penduduknya cukup padat. Keberadaan listrik disana sangat memprihatinkan. Listrik hanya dinyalakan dari jam 17.00 hingga 06.00. Kalau kena black out, tidak ada listrik sama sekali disana. 2) Sapeken termasuk pulau terpencil, untuk mencapainya harus menggunakan
kapal perintis yang hanya beroperasi sepuluh hari sekali. Hal ini menyebabkan pasokan bahan bakar termasuk solar pun langka sehingga harganya menjadi sangat mahal. Keberadaan diesel yang dimiliki beberapa penduduknya juga tak banyak membantu karena harga solar yang mahal. 3) Karena posisinya yang berbatasan dengan laut, kecepatan angin di pulau ini sangat kencang yakni sekitar 4-5 meter per detik.
Uji coba terhadap Turbin angin dengan komponen local content ini mencatat tegangan keluaran sebesar 70 Volt, dengan daya yang dihasilkan berkisar 0,7 hingga 1 kW. Energi listrik dari turbin ini sudah dapat dipakai untuk penerangan jalan di sekitar Kecamatan. Permintaan pemasangan turbin angin serupa sudah mulai muncul dari masyarakat sekitar.
Menurut Indonesian Naval Hydro-Oceanographic Office, Indonesia memiliki sekitar 17.508 pulau dan pada kenyataannya operasional PLN tidak sanggup untuk membiayai pemasangan listrik hingga ke pulau-pulau terpencil seperti ini, maka teknologi sederhana seperti ini tentu sangat relevan untuk dikembangkan dan digalakkan. Edukasi pada masyarakat tentang pemahaman bahwa angin juga bisa menghasilkan energi listrik perlu dipahami sebagai suatu kebutuhan urgen yang harus segera direalisasikan secara intensif, bertahap dan berkelanjutan.
2.2.2. Keuntungan PLT Angin
Keuntungan utama dari penggunaan pembangkit listrik tenaga angin secara prinsipnya adalah disebabkan karena sifatnya yang terbarukan. Hal ini berarti eksploitasi sumber energi ini tidak akan membuat sumber daya angin yang berkurang seperti halnya penggunaan bahan bakar fosil. Oleh karenanya tenaga angin dapat berkontribusi dalam ketahanan energi dunia di masa depan. Tenaga angin juga merupakan sumber energi yang ramah lingkungan, dimana penggunaannya tidak mengakibatkan emisi gas buang atau polusi yang berarti ke lingkungan.
Penetapan sumber daya angin dan persetujuan untuk pengadaan ladang angin merupakan proses yang paling lama untuk pengembangan proyek energi angin. Hal ini dapat memakan waktu hingga 4 tahun dalam kasus ladang angin yang besar yang membutuhkan studi dampak lingkungan yang luas.
Emisi karbon ke lingkungan dalam sumber listrik tenaga angin diperoleh dari proses manufaktur komponen serta proses pengerjaannya di tempat yang akan didirikan pembangkit listrik tenaga angin. Namun dalam operasinya membangkitkan listrik, secara praktis pembangkit listrik tenaga angin ini tidak menghasilkan emisi yang berarti. Jika dibandingkan dengan pembangkit listrik dengan batubara, emisi karbon dioksida pembangkit listrik tenaga angin ini hanya seperseratusnya saja. Disamping karbon dioksida, pembangkit listrik tenaga angin menghasilkan sulfur dioksida, nitrogen oksida, polutan atmosfir yang lebih sedikit
jika dibandingkan dengan pembangkit listrik dengan menggunakan batubara ataupun gas.
2.2.3. Kerugian PLT Angin
Pembangkit listrik tenaga angin ini tidak sepenuhnya ramah lingkungan, terdapat beberapa masalah yang terjadi akibat penggunaan sumber energi angin sebagai pembangkit listrik, diantaranya adalah dampak visual, derau suara, beberapa masalah ekologi, dan keindahan.
Dampak visual biasanya merupakan hal yang paling serius dikritik. Penggunaan ladang angin sebagai pembangkit listrik membutuhkan luas lahan yang tidak sedikit dan tidak mungkin untuk disembunyikan. Penempatan ladang angin pada lahan yang masih dapat digunakan untuk keperluan yang lain dapat menjadi persoalan tersendiri bagi penduduk setempat. Selain mengganggu pandangan akibat pemasangan barisan pembangkit angin, penggunaan lahan untuk pembangkit angin dapat mengurangi lahan pertanian serta pemukiman. Hal ini yang membuat pembangkitan tenaga angin di daratan menjadi terbatas. Beberapa aturan mengenai tinggi bangunan juga telah membuat pembangunan pembangkit listrik tenaga angin dapat terhambat. Penggunaan tiang yang tinggi untuk turbin angin juga dapat menyebabkan terganggunya cahaya matahari yang masuk ke rumah-rumah penduduk. Perputaran sudu-sudu menyebabkan cahaya matahari yang berkelap-kelip dan dapat mengganggu pandangan penduduk setempat.
Efek lain akibat penggunaan turbin angin adalah terjadinya derau frekuensi rendah. Putaran dari sudu-sudu turbin angin dengan frekuensi konstan lebih mengganggu daripada suara angin pada ranting pohon. Selain derau dari sudu-sudu turbin, penggunaan gearbox serta generator dapat menyebabkan derau suara mekanis dan juga derau suara listrik. Derau mekanik yang terjadi disebabkan oleh operasi mekanis elemen-elemen yang berada dalam nacelle atau rumah pembangkit listrik tenaga angin. Dalam keadaan tertentu turbin angin dapat juga menyebabkan interferensi elektromagnetik, mengganggu penerimaan sinyal televisi atau transmisi gelombang mikro untuk perkomunikasian.
2.3 KINERJA 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.
Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensonal (Co: PLTD,PLTU,dll), turbin angin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui(Co : batubara, minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik.
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 yangcukup 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 :
2.3.1. .GearBox
Gearbox Alat ini berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadi putaran tinggi. Biasanya Gearbox yang digunakan sekitar 1:60.
2.3.2. Brake System
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. Dampak dari kerusakan akibat putaran berlebih diantaranya : overheat, rotor breakdown, kawat pada generator putus, karena tidak dapat menahan arus yang cukup besar.
2.3.3. Generator
Generator Ini adalah salah satu komponen terpenting dalam pembuatan sistem turbin angin. Generator ini 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.
2.3.4. Penyimpan Energy ( Accu )
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. Oleh karena itu kita perlu menyimpan sebagian energi yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang atau saat penggunaan daya pada masyarakat menurun. Penyimpanan energi ini diakomodasi dengan menggunakan alat penyimpan energi. Contoh sederhana yang dapat dijadikan referensi sebagai alat penyimpan energi listrik adalah aki mobil. Aki mobil memiliki kapasitas penyimpanan energi yang cukup besar. Aki 12 volt, 65 Ah dapat dipakai untuk mencatu rumah tangga (kurang lebih) selama 0.5 jam pada daya 780 watt.
Kendala dalam menggunakan alat ini adalah alat ini memerlukan catu daya DC(Direct Current) untuk meng-charge/mengisi energi, sedangkan dari generator dihasilkan catu daya AC(Alternating Current). Oleh karena itu diperlukan rectifier-inverter untuk mengakomodasi keperluan ini. Rectifier-inverter akan dijelaskan berikut.
2.4.5. Rectifier-Inverter
Rectifier-inverter Rectifier berarti penyearah. Rectifier dapat menyearahkan gelombang sinusodal(AC) yang dihasilkan oleh generator menjadi gelombang DC. Inverter berarti pembalik. Ketika dibutuhkan daya dari penyimpan energi(aki/lainnya) maka catu yang dihasilkan oleh aki akan berbentuk gelombang DC. Karena kebanyakan kebutuhan rumah tangga menggunakan catu daya AC , maka diperlukan inverter untuk mengubah gelombang DC yang dikeluarkan oleh aki menjadi gelombang AC, agar dapat digunakan oleh rumah tangga.
2.4.6. Transformator ( Trafo)
Transformator atau sering juga disebut trafo adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk mengubah ( menaikkan / menurunkan ) tegangangan listrik bolak-balik ( AC ) Bentuk dasar transformator adalah
sepasang ujung pada bagian primer dan sepasang ujung pada bagian sekunder. Bagian primer dan skunder adalah merupakan lilitan kawat email yang tidak berhubungan secara elektris. Kedua lilitan kawat ini dililitkan pada sebuah inti yang dinamakan inti trafo. Untuk trafo yang digunakan pada tegangan AC frekuensi rendah biasanya inti trafo terbuat dari lempengan2 besi yang disusun menjadi satu membentuk teras besi. Sedangkan untuk trafo frekuensi tinggi (digunakan pada rangkaian2 Radio Frequency/RF) menggunakan inti ferit (serbuk besi yang dipadatkan).
