Pembangkit Listrik Tenaga Angin A. Sejarah Energi Angin
Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia. Sejak zaman dahulu, orang telah memanfaatkan energi angin. Lebih dari 5.000 tahun yang lalu, orang Mesir kuno menggunakan angin untuk berlayar kapal di Sungai Nil. Kemudian, orang-orang membangun kincir angin untuk menggiling gandum dan biji-bijian lainnya. Naskah tertua tentang kincir angin terdapat dalam tulisan Arab dari abad ke-9 Masehi yang menjelaskan bahwa kincir angin yang dioperasikan di perbatasan Iran dan Afganistan sudah ada sejak beberapa abad sebelumnya, kadang disebut Persian windmill. Kincir angin dikenal paling awal adalah di Persia (Iran). Awal kincir angin ini tampak seperti roda dayung besar. Berabad-abad kemudian, orang-orang Belanda meningkatkan desain dasar kincir angin mereka. Kualitas kreatifitas masyarakat Belanda akan aplikasi kincir angin, membuat Belanda menjadi terkenal dengan kincir anginnya. Sedangkan koloni Amerika menggunakan kincir angin untuk menggiling gandum dan jagung, untuk memompa air, dan memotong kayu di penggergajian. Pada akhir tahun 1920-an, Amerika menggunakan kincir angin kecil untuk menghasilkan listrik di daerah pedesaan yang hidup tanpa layanan listrik. Ketika kabel listrik mulai digunakan untuk transportasi listrik di daerah pedesaan di tahun 1930-an, kincir angin lokal menjadi semakin jarang digunakan. Meskipun demikian, kincir angin tersebut masih dapat dilihat pada beberapa peternakan di daerah barat. Kekurangan minyak pada 1970-an mengubah gambaran mengenai energi untuk negara dan dunia. Ini menciptakan suatu kepentingan sumber energi alternatife baru, membuka jalan bagi masuknya kembali kincir
Angin untuk menghasilkan listrik. Pada awal 1980an energi angin menjadi sangat luar biasa di California, sebagian besar karena kebijakan negara yang mendorong sumber energi terbarukan. Dukungan untuk pembangunan angin telah menyebar ke negara lain, tapi pada saat itu California masih dapat memproduksi sebanyak lebih dari dua kali energi angin apapun di negara lain. Kincir angin jenis Persian windmill juga digunakan di Cina untuk menguapkan air laut dalam memproduksi garam. Terakhir masih digunakan di Crimea, Eropa dan Amerika Serikat. Selanjutnya sejarah berkembang menjadi manipulasi fungsi. Kincir angin yang pertama kali digunakan untuk membangkitkan listrik, dibangun oleh P.La Cour dari Denmark diakhir abad ke19. Setelah perang dunia I, kincir angin diterapkan pada layar dengan penampang melintang menyerupai sudut propeler pesawat yang pada masa ini disebut type propeler atau turbin. Eksperimen kincir angin sudut kembar dilakukan di Amerika Serikat tahun 1940, berukuran sangat besar. Mesin raksasa ini disebut mesin Smith-Putman, karena salah satu perancangnya bernama Palmer Putman, kapasitasnya 1,25 MW yang dibuat oleh Morgen Smith Company dari York Pensylvania. Diameter propelernya 175 ft (55m) beratnya 16 ton dan menaranya setinggi 100 ft (34m). Tapi dikemudian hari salah satu batang propelernya patah pada tahun 1945. B. 2.2 Pengertian Angin
Secara singkat dapat dijelaskan bahwa angin adalah udara yang bergerak. Menurut Buys Ballot, ahli ilmu cuaca dari Perancis, angin adalah massa udara yang bergerak dari daerah bertekanan maksimum ke daerah bertekanan minimum. Gerakan massa udara yang arahnya horizontal dikenal dengan istilah angin. Anemometer mangkok adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Satuan yang biasa digunakan dalam menentukan kecepatan angin adalah km/jam atau knot (1 knot = 0,5148 m/det = 1,854 km/jam). Sisteman penamaan angin biasanya dihubungkan dengan arah datangnya massa udara tersebut.
Ladang Angin atau wind farm adalah serangkaian tiang turbin angin yang di desain untuk menyuplai listrik dari kekuatan angin bagi penduduknya dan sebagai bentuk dalam upaya menyelamatkan bumi dari kerusakan alam akibat eksplorasi sumber bahan bakar secara besar-besaran di lepas pantai atau daratan.
C. 2.3 Sumber Energi Angin
dari tekanan lebih tinggi ketekanan yang lebih rendah. Arah gaya gradien tekanan di atmosfer tegak lurus permukaan isobar. Beberapa karakteristik angin :
1. Angin Darat-Laut
Wilayah Indonesia merupakan daerah kepulauan dengan luas lautan lebih besar dari daratan. Angin darat-laut disebabkan karena daya serap panas yang berbeda antara daratan dan lautan. Perbedaan karakteristik laut dan darat tersebut menyebabkan angin di pantai akan bertiup secara kontinyu.
2. Angin Orografi
Angin orografi merupakan angin yang dipengaruhi oleh perbedaan tekanan antara permukaan tinggi dengan permukaan rendah (angin gunung dan angin lembah). Pada pagi sampai menjelang siang hari, bagian lereng atau punggung pegunungan lebih dahulu disinari matahari bila dibandingkan dengan wilayah lembah. Akibatnya, wilayah lereng lebih cepat panas dan mempunyai tekanan udara yang rendah, sedangkan suhu udara di daerah lembah masih relatif dingin sehingga mempunyai tekanan udara yang tinggi. Maka massa udara bergerak dari lembah ke lereng atau ke bagian punggung gunung. Massa udara yang bergerak ini disebut sebagai angin lembah.
Pada malam hari, suhu udara di wilayah gunung sudah sedemikian rendah sehingga terjadi pengendapan massa udara padat dari wilayah gunung ke lembah yang masih relatif lebih hangat. Gerakan udara inilah yang disebut angin gunung.
D. Turbin Angin
Turbin angin adalah suatu kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Sistem kerjanya adalah mengkonversikan tenaga angin menjadi tenaga listrik. Berikut pada gambar dibawah ini akan dijelaskan mengenai bagian–bagian penyusun dari turbin angin :
Gambar 2.1 Bagian Dalam Turbin Angin
Sesuai susunan dan fungsi dari beberapa komponen penting dalam turbin pembangkit listrik tersebut, maka dapat diuraikan tugas dan fungsinya masing-masing. 1. Blades (Bilah Kipas): Kebanyakan turbin angin mempunyai 2 atau 3 bilah kipas angin
yang menghembus menyebabkan turbin tersebut berputar.
2. Rotor: Bilah kipas bersama porosnya dinamakan rotor Tower (Menara): Menara bisa dibuat dari pipa baja, beton, ataupun rangka besi. Karena kencangnya angin bertambah dengan seiring dengan bertambahnya ketinggian, maka makin tinggi menara makin besar tenaga angin yang didapat.
3. Pitch (Sudut Bilah Kipas): Bilah kipas dapat diatur sudutnya sesuai dengan kecepatan rotor yang dikehendaki. Tergantung kondisi angin yang terlalu rendah atau terlalu kencang.
4. Brake (Rem): Suatu rem cakram yang dapat digerakkan secara mekanis dengan bantuan tenaga listrik atau hidrolik untuk menghentikan rotor atau saat keadaan darurat.
6. Gear box (Roda Gigi): Roda gigi menaikkan putaran dari 30-60 rpm menjadi sekitar 1000-1800 rpm. Ini merupakan tingkat putaran standar yang disyaratkan untuk memutar generator listrik.
7. Generator: Generator pembangkit listrik, biasanya sekarang disebut alternator arus bolak-balik.
8. Controller (Alat Pengontrol): Alat Pengontrol ini men-start turbin pada kecepatan angin kira-kira 12-25 km/jam, dan kemudian mematikannya pada kecepatan 90 km/jam. Turbin tidak beroperasi di atas 90 km/jam. Hal ini dikarenakan tiupan angin yang terlalu kencang dapat merusakkannya.
9. Anemometer: Mengukur kecepatan angin dan mengirim data angin ke alat pengontrol. 10.Wind vane (Tebeng Angin): Mengukur arah angin, berhubungan dengan penggerak
arah yang memutar arah turbin disesuaikan dengan arah angin.
11.Nacelle (Rumah Mesin): Rumah mesin ini terletak di atas menara . Di dalamnya berisi gearbox, poros putaran tinggi/rendah, generator, alat pengontrol, dan alat pengereman.
12.High-speed shaft (Poros Putaran Tinggi): Berfungsi untuk menggerakkan generator. 13.Yaw drive (Penggerak Arah): Penggerak arah memutar turbin ke arah angin untuk
desain turbin yang menghadap angin. Untuk desain turbin yang mendapat hembusan angin dari belakang tak memerlukan alat ini.
14.Yaw motor (Motor Penggerak Arah): Motor listrik yang menggerakkan Yaw drive. 15.Tower (Menara).
E. Jenis Turbin Angin
Turbin angin memanfaatkan energi kinetik dari angin dan mengkonversinya menjadi energi listrik. Ada dua jenis turbin angin yang utama:
Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH) / Horizontal Axis Wind Turbin (HAWT) Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) / Vertical Axis Wind Turbin (VAWT)
1. Turbin Angin Sumbu Horizontal
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 gear box yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat berputar. Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, turbin biasanya diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat kaku agar mereka tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi. Turbin angin sumbu horizontal dapat dilihat pada gambar 2.2 berikut.
Gambar 2.2 Turbin Angin Sumbu Horizontal a. Kelebihan TASH
angin antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfer bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%.
b. Kelemahan TASH
Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkut. Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan turbin angin.
TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang trampil.
Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator.
TASH yang tinggi bisa memengaruhi radar airport.
Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu penampilan landscape/Pemandangan.
TASH membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan kincir ke arah angin.
2. Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin sumbu vertikal memiliki bilah yang memanjang dari atas ke bawah. Turbin angin jenis ini yang paling umum adalah turbin angin Darrieus, dinamai sesuai dengan nama insinyur Perancis Georges Darrieus yang desainnya dipatenkan pada tahun 1931. Jenis turbin angin vertikal biasanya berdiri setinggi 100 meter dengan lebar 50 kaki. Turbin angin sumbu vertikal dapat dilihat pada gambar 2.3 berikut.
Gambar 2.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal
a. Kelebihan TASV
Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.
Karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhkan mekanisme yaw. Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan
bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.
TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi. Desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak
atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya TASH. TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH.
Biasanya TASV mulai menghasilkan listrik pada 10km/jam (6 m.p.h.)
TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi dilarang dibangun.
TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin (seperti gunung atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit),
TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah. Kincir pada TASV mudah dilihat dan dihindari burung. b. Kekurangan TASV
Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.
TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi.
Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.
Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup.
F. Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Angin adalah salah satu bentuk energi yang tersedia di alam, Pembangkit Listrik Tenaga Angin mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Cara kerjanya cukup sederhana, energi angin yang memutar turbin angin, diteruskan untuk memutar rotor pada generator dibagian belakang turbin angin, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Energi Listrik ini biasanya akan disimpan kedalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan.
Turbin angin adalah bagian dari sistem yang lebih besar. Komponen lainnya dinamakan komponen penyeimbang sistem/ balance of system (BOS) dan ada beberapa jenis tergantung kepada jenis sistem yang diinstalasi. Tiga jenis sistem energi angin yang utama bisa dibedakan yaitu :
1. Sistem yang Terhubung ke jaringan PLN,
Jika jaringan PLN sudah ada di daerah tersebut, maka sistem energi angin bisa dihubungkan ke jaringan tersebut. Rangkaian Sistem yang Terhubung ke jaringan PLN dapat dilihat pada gambar 2.4 berikut.
Gambar 2.4 Sistem yang Terhubung ke Jaringan PLN 2. Off grid atau sistem berdiri sendiri
Gambar 2.5 Sistem Off Grid 3. Sistem Listrik Hybrid Turbin Angin
Sistem Listrik Hybrid Turbin Angin sebaiknya digunakan dengan sumber-sumber energi lainnya (PV, generator diesel). Ini bisa meningkatkan produksi energi listrik dari sistem ini dan menurunkan resiko kekurangan energi. Rangkain sistem hybrid dapat dilihat pada Gambar 2.6 berikut.
Gambar 2.6 Sistem Listrik Hybrid G. Keuntungan dan Kerugian dari Energi Angin
1. 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.
2. Tenaga angin juga merupakan sumber energi yang ramah lingkungan, dimana penggunaannya tidak mengakibatkan emisi gas buang ataupolusi yang berarti ke lingkungan.
3. 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.
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.
5. Pengaruh ekologi yang terjadi dari penggunaan pembangkit tenaga angin adalah terhadap populasi burung dan kelelawar. Burung dan kelelawar dapat terluka atau bahkan mati akibat terbang melewati sudu-sudu yang sedang berputar. Namun dampak ini masih lebih kecil jika dibandingkan dengan kematian burung-burung akibat kendaraan, saluran transmisi listrik dan aktivitas manusia lainnya yang melibatkan pembakaran bahan bakar fosil. Dalam beberapa studi yang telah dilakukan, adanya pembangkit listrik tenaga angin ini dapat mengganggu migrasi populasi burung dan kelelawar. Pembangunan pembangkit angin pada lahan yang bertanah kurang bagus juga dapat menyebabkan rusaknya lahan di daerah tersebut. 6. Ladang angin lepas pantai memiliki masalah tersendiri yang dapat mengganggu
pelaut dan kapal-kapal yang berlayar. Konstruksi tiang pembangkit listrik tenaga angin dapat mengganggu permukaan dasar laut. Hal lain yang terjadi dengan konstruksi di lepas pantai adalah terganggunya kehidupan bawah laut. Efek negatifnya dapat terjadi seperti di Irlandia, dimana terjadinya polusi yang bertanggung jawab atas berkurangnya stok ikan di daerah pemasangan turbin angin. Studi baru-baru ini menemukan bahwa ladang pembangkit listrik tenaga angin lepas pantai menambah 80 – 110 dB kepada noise frekuensi rendah yang dapat mengganggu komunikasi ikan paus dan kemungkinan distribusi predator laut. Namun begitu, ladang angin lepas pantai diharapkan dapat menjadi tempat pertumbuhan bibit-bibit ikan yang baru. Karena memancing dan berlayar di daerah sekitar ladang angin dilarang, maka spesies ikan dapat terjaga akibat adanya pemancingan berlebih di laut.
Dalam operasinya, pembangkit listrik tenaga angin bukan tanpa kegagalan dan kecelakaan. Kegagalan operasi sudu-sudu dan juga jatuhnya es akibat perputaran telah menyebabkan beberapa kecalakaan dan kematian. Kematian juga terjadi kepada beberapa penerjun dan pesawat terbang kecil yang melewati turbin angin. Reruntuhan puing-puing berat yang dapat terjadi merupakan bahaya yang perlu diwaspadai, terutama di daerah padat penduduk dan jalan raya. Kebakaran pada turbin angin dapat terjadi dan akan sangat sulit untuk dipadamkan akibat tingginya posisi api sehingga dibiarkan begitu saja hingga terbakar habis. Hal ini dapat menyebarkan asap beracun dan juga dapat menyebabkan kebakaran berantai yang membakar habis ratusan acre lahan pertanian. Hal ini pernah terjadi pada Taman Nasional Australia dimana 800 km2 tanah terbakar. Kebocoran minyak pelumas juga dapat teradi dan dapat
menyebabkan terjadinya polusi daerah setempat, dalam beberapa kasus dapat mengkontaminasi air minum. Salah satu contoh kerusakan pada turbin pembangkit listrik tenaga angin,dapat dlihat pada gambar 2.7 berikut.
Gambar 2.7 Kerusakan Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin
fosil, dampaknya masih jauh lebih kecil. Selain itu penggunaan energi angin dalam kelistrikan telah turut serta dalam mengurangi emisi gas buang.
Penggunaan inovasi dalam teknologi, bagaimanapun selalu memunculkan permasalahan baru yang memerlukan pemecahan dengan terknologi baru lagi. Oleh karena itu kita sebagai orang-orang yang bergerak di bidang science dan teknologi haruslah dapat terus mengembangkan teknologi yang lebih ramah lingkungan yang memiliki efek negatif sekecil mungkin.
H. Perkembangan Pembangkit Listrik Tenaga Angin di Indonesia dan Dunia
Pada saat ini, sistem pembangkit listrik tenaga angin mendapat perhatian yang cukup besar sebagai sumber energi alernatif yang bersih, aman, serta ramah lingkungan serta kelebihan-kelebihan lain yang telah disebutkan sebelumnya di atas. Turbin angin skala kecil mempunyai peranan penting terutama bagi daerah-daerah yang belum terjangkau oleh jaringan listrik. Pemanfaatan energi angin merupakan pemanfaatan energi terbaru yang paling berkembang saat ini.
Berdasarkan laporan tengah tahun 2012 The World Wind Energy Association (WWEA), total kapasitas pembangkit listrik tenaga angin diseluruh dunia telah mencapai 254.000 MW atau 254 GW. Jumlah tersebut sudah merupakan penambahan 16.546 MW selama enam bulan pertama tahun 2012. Hal ini menunjukkan 10 % lebih sedikit jika dibandingkan dengan periode yang sama tahun 2011, yaitu terdapat penambahan 18.405 MW.
Total Kapasitas Terpasang 2010-2012(MW)
Kapasitas global tumbuh sekitar 7 % dalam 6 bulan (2 % lebih sedikit dibandingkan dengan tahun 2011 untuk periode yang sama) dan 16,4 % dari basis tahunan (mid-2012 dibandingkan dengan mid-2011). Perbandingannya, pertumbuhan tahunan tahun 2011 adalah 20,3 %.
Berdasarkan laporan akhir tahun 2011 The World Wind Energy Association (WWEA), Indonesia menempati urutan ke 84 dalam kaitan total kapasitas pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB) serta penambahan kapasitas ditahun 2011. Peringkat ini merosot dari yang pada akhir tahun 2010 menempati peringkat 74. Di akhir tahun 2011, total kapasitas pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB) yang dimiliki oleh Indonesia hanya 1,4 MW dan hal tersebut tidak ada penambahan kapasitas jika dibandingkan dengan tahun 2010.
Pada akhir tahun 2007 telah dibangun kincir angin pembangkit dengan kapasitas kurang dari 800 watt dibangun di empat lokasi, masing-masing di Pulau Selayar tiga unit, Sulawesi Utara dua unit, dan Nusa Penida, Bali, serta Bangka Belitung, masing-masing satu unit. Kemudian, di seluruh Indonesia, lima unit kincir angin pembangkit berkapasitas masing-masing 80 kilowatt (kW) mulai dibangun. Mengacu pada kebijakan energi nasional, maka pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB) ditargetkan mencapai 250 megawatt (MW) pada tahun 2025.
Gambar 2.8 Ladang Turbin Angin London Aray Di Lepas Pantai
