MAKALAH TUGAS MATA KULIAH TEKNOLOGI ENERGI TERBARUKAN BLADELESS WIND TURBINE
Disusun Oleh:
Dina Lutfiana Safitri 21030121410012
MAGISTER TEKNIK KIMIA
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO
2023
A. Bladeless Wind Turbine
Dalam era transisi menuju energi terbarukan, bladeless wind turbine muncul sebagai inovasi revolusioner dalam memanfaatkan potensi energi angin. Konsep ini mengguncang paradigma tradisional turbin angin dengan baling-baling, membuka jalan menuju sumber daya energi yang lebih bersih dan berkelanjutan. Dalam pandangan ini, makalah ini akan menyelidiki latar belakang, prinsip kerja, serta potensi dan tantangan bladeless wind turbine.
Sejak beberapa dekade, turbin angin konvensional dengan baling-baling telah menjadi pilihan utama untuk menghasilkan energi terbarukan. Namun, keberhasilan mereka turut diiringi oleh sejumlah tantangan, seperti risiko tabrakan burung, dampak visual yang signifikan, dan batasan efisiensi. Bladeless wind turbine muncul sebagai respons terhadap hambatan tersebut, menghadirkan pendekatan yang inovatif dan lebih ramah lingkungan.
Gambar 1. Bladeless Wind Turbine
Prinsip utama bladeless wind turbine terletak pada penggunaan getaran dan resonansi sebagai pengganti baling-baling tradisional. Turbin ini dirancang untuk merespon aliran udara dengan bergetar atau berayun, yang kemudian menghasilkan energi yang dapat diubah menjadi listrik. Melalui konsep efek Magnus, vortex shedding, dan kontrol elektronik canggih, bladeless wind turbine membuka pintu menuju efisiensi yang lebih tinggi dan dampak lingkungan yang lebih rendah. Pendekatan ini juga membawa perubahan pada tampilan fisik turbin angin. Dengan desain yang lebih sederhana dan estetis, bladeless wind turbine berpotensi meminimalkan resistensi sosial dan mempercepat penerimaan masyarakat terhadap teknologi energi terbarukan.
Meskipun potensinya menarik, bladeless wind turbine masih menghadapi sejumlah tantangan, seperti pengembangan material yang lebih baik, peningkatan efisiensi pada skala besar, dan penyesuaian regulasi. Makalah ini akan merinci perkembangan teknologi ini, mengeksplorasi prinsip-prinsip operasinya, serta menyelidiki dampaknya terhadap transformasi global menuju energi yang lebih ramah lingkungan dan berkelanjutan.
Dengan melihat latar belakang dan evolusi bladeless wind turbine, kita dapat lebih memahami bagaimana teknologi ini menjadi pilar penting dalam mencapai masa depan yang lebih hijau dan berkelanjutan.
B. Prinsip kerja Bladeless Wind Turbine
Bladeless wind turbine, atau turbin angin tanpa bilah, merepresentasikan revolusi dalam teknologi energi terbarukan dengan pendekatan desain yang berbeda dari turbin
angin konvensional. Prinsip kerja bladeless wind turbine bergantung pada konsep getaran atau resonansi, yang memungkinkan turbin untuk menangkap energi angin tanpa memerlukan baling-baling seperti pada desain konvensional.
Prinsip dasar pembangkit listrik tenaga angin tanpa bilah adalah transformasi gerak linier tiang menjadi gerak rotasi. Saat tiang terkena angin, tiang berosilasi karena terbentuknya pusaran di sekitar tiang, yang kemudian diubah menjadi gaya rotasi untuk menghasilkan listrik. Pada tenaga angin tanpa bilah, tiang dipasang ke tanah dan struktur rusuk dipasang di bagian atas tiang yang memiliki susunan benang. Energi dapat diperoleh melalui osilasi tiang yang terus-menerus. Benang ditarik oleh tiang dengan memanfaatkan tenaga angin beserta rantai yang dijepit pada sproket penggerak poros, yang selanjutnya memutar alternator untuk menghasilkan tenaga.
Tergantung pada arah angin, tiang berosilasi ke segala arah. Struktur rusuk di bagian atas tiang umumnya diikatkan pada lima atau enam benang untuk menangkap energi dari angin. Benang tersebut disusun sedemikian rupa sehingga daya dihasilkan pada segala arah osilasi. Setelah amplitudo osilasi maksimum pada kedua sisi tercapai, tiang kembali ke posisi awal dan berosilasi ke sisi lainnya. Saat angin menerpa tiang, ia bergetar akibat pusaran yang terbentuk dan juga akibat pegas yang menempel di bagian bawah tiang.
Energi yang diserap meningkatkan amplitudo selama osilasi. Pada saat tiang bergerak maju mundur, satu benang ditarik dari rusuk tiang berdasarkan arah angin. Benang yang tertarik akibat getaran tiang, dihubungkan dengan rantai, menggerakkan sproket pada poros yang berputar terus menerus. Sebagai tenaga yang dihasilkan akibat setengah osilasi tukang batu yang mengembalikan keadaan semula dan ketika berosilasi di ujung yang lain, dimana susunan ulir dan sproket menyuplai tenaga akibat putaran poros yang menghasilkan gerakan terus-menerus. Daya yang dihasilkan adalah arus bolak-balik dan dapat diubah menjadi tegangan DC (Risabh,2017).
Gambar 2. Aliran Angin dan Osilasi Bladeless Wind Turbine
Tergantung pada arah angin, tiang berosilasi ke segala arah. Struktur rusuk di bagian atas tiang umumnya diikatkan pada lima atau enam benang untuk menangkap energi dari angin. Benang tersebut disusun sedemikian rupa sehingga daya dihasilkan pada segala arah osilasi. Setelah amplitudo osilasi maksimum pada kedua sisi tercapai, tiang kembali ke posisi awal dan berosilasi ke sisi lainnya.
Gambar 3. Alternator Bladeless Wind Turbine
Perangkat ini menghasilkan listrik melalui sistem alternator yang terdiri dari kumparan dan magnet yang terintegrasi sedemikian rupa sehingga tidak memerlukan roda gigi, poros, atau bagian yang berputar. Ia bahkan dapat dianggap sebagai “turbin angin kecil”. Cara penggunaan turbin Vortex Bladeless ini sangat inovatif karena memungkinkan pengurangan perawatan dan kebutuhan pelumasan. Berikut merupakan prinsip dasar Bladeless wind turbine:
a. Getaran dan Resonansi
Prinsip utama di balik bladeless wind turbine adalah pemanfaatan getaran dan resonansi. Turbin ini memiliki struktur atau tiang pusat yang dapat bergetar atau berayun saat terkena arus udara. Getaran ini dihasilkan karena aliran udara menciptakan tekanan dan menginduksi gerakan struktural pada turbin. Ketika getaran mencapai tingkat tertentu, resonansi terjadi, dan energi kinetik dari getaran ini dapat diubah menjadi energi listrik.
b. Efek Magnus
Bladeless wind turbine juga memanfaatkan efek Magnus, yaitu fenomena di mana bola atau silinder yang berputar dalam aliran udara menghasilkan gaya angkat. Dalam desain bladeless wind turbine, efek Magnus diperkuat dengan mengintegrasikan elemen-elemen tertentu yang merangsang putaran turbin.
Dengan cara ini, turbin dapat merespon terhadap arus udara dan menghasilkan gerakan yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi.
c. Konsep Vortex Shedding
Bladeless wind turbine juga memanfaatkan konsep vortex shedding, yaitu pembentukan pusaran udara di sekitar objek yang terkena aliran. Struktur turbin didesain sedemikirupa sehingga dapat menciptakan pusaran udara yang bergantian atau teratur. Pusaran ini kemudian menyebabkan getaran yang dapat dikonversi menjadi energi listrik melalui mekanisme yang sesuai.
d. Turbulensi Kontrol
Sebagai bagian dari prinsip kerjanya, bladeless wind turbine mampu mengontrol turbulensi yang dihasilkan oleh desainnya sendiri. Kontrol ini memungkinkan turbin untuk beroperasi lebih stabil dan efisien, mengurangi gangguan yang mungkin terjadi pada struktur dan kinerja turbin.
e. Pemilihan Material yang Tepat
Material yang digunakan dalam konstruksi bladeless wind turbine sangat penting untuk memastikan kekuatan dan ketahanan terhadap tekanan dan getaran yang berulang. Pemilihan material yang ringan dan kuat dapat meningkatkan respons turbin terhadap arus udara dan memastikan keberlanjutan operasional dalam jangka panjang.
f. Sistem Pembangkit Listrik
Setelah getaran dihasilkan, energi tersebut perlu dikonversi menjadi listrik.
Sistem generator elektromagnetik umumnya digunakan untuk mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Ketika turbin bergetar atau berayun, gerakan ini diterjemahkan menjadi perputaran magnet di sekitar kumparan kawat, menghasilkan arus listrik.
g. Kontrol Elektronik
Prinsip kerja bladeless wind turbine juga melibatkan penggunaan kontrol elektronik untuk mengoptimalkan kinerja turbin. Sistem kontrol dapat menyesuaikan respons terhadap perubahan kondisi angin dan memastikan operasi turbin dalam kisaran parameter yang aman dan efisien.
Dengan memahami prinsip-prinsip dasar ini, bladeless wind turbine menunjukkan pendekatan yang inovatif dalam menangkap energi angin. Meskipun masih dalam tahap pengembangan, potensinya untuk menjadi alternatif yang efisien dan ramah lingkungan terus menjadi fokus riset dan pengembangan dalam mendukung transisi ke energi terbarukan
C. Tantangan dalam implementasi
Meskipun bladeless wind turbine menjanjikan inovasi yang signifikan dalam bidang energi terbarukan, implementasinya tidaklah tanpa tantangan. Sejumlah aspek teknis, ekonomi, dan sosial perlu diperhatikan untuk memastikan keberhasilan dan penerimaan masyarakat terhadap teknologi ini. Dalam penjelasan berikut, akan diuraikan beberapa tantangan kunci yang perlu diatasi dalam implementasi bladeless wind turbine.
a. Efisiensi pada Skala Besar.
Salah satu tantangan utama dalam implementasi bladeless wind turbine adalah meningkatkan efisiensi pada skala besar yang diperlukan untuk pembangkit listrik komersial. Meskipun desain tanpa bilah menawarkan potensi untuk mengurangi kehilangan energi yang disebabkan oleh gesekan antara bilah dan udara, tantangan muncul saat memperbesar skala turbin ini. Pertanyaan terkait dengan penangkapan energi angin secara maksimal pada skala besar dan optimalisasi desain untuk efisiensi tinggi perlu mendapatkan perhatian khusus.
b. Ketahanan Terhadap Angin Kuat
Turbin angin secara alamiah beroperasi di lingkungan yang sering kali didominasi oleh angin, dan ketahanan terhadap angin kuat menjadi kritis. Bladeless
wind turbine harus dapat bertahan dan beroperasi secara efektif dalam kondisi cuaca ekstrem, termasuk angin kencang. Desain yang kuat dan tahan lama harus menjadi fokus untuk menghadapi tantangan ini.
c. Peraturan dan Izin
Implementasi teknologi baru seperti bladeless wind turbine memerlukan perubahan dalam peraturan dan persetujuan izin. Sistem perizinan yang telah ada mungkin tidak sepenuhnya mengakomodasi karakteristik dan manfaat bladeless wind turbine. Oleh karena itu, diperlukan upaya untuk menghasilkan regulasi yang mendukung dan memfasilitasi penerapan teknologi ini, sambil tetap memastikan keamanan dan kepatuhan lingkungan.
d. Dukungan Masyarakat
Penerimaan masyarakat terhadap teknologi bladeless wind turbine juga menjadi faktor kunci. Dalam beberapa kasus, turbin angin konvensional dengan bilah telah menghadapi resistensi dari masyarakat lokal karena aspek visual dan suara yang dihasilkan. Bladeless wind turbine dapat menawarkan solusi untuk beberapa masalah ini, namun, diperlukan pendekatan yang hati-hati untuk mendapatkan dukungan masyarakat. Kampanye informasi dan dialog terbuka dengan masyarakat setempat dapat membantu mengatasi kekhawatiran dan meningkatkan tingkat penerimaan.
e. Biaya Produksi dan Perawatan
Meskipun bladeless wind turbine memiliki potensi untuk biaya produksi yang lebih rendah dalam jangka panjang karena kebutuhan perawatan yang lebih sedikit, biaya awal implementasi mungkin masih menjadi hambatan. Pemangku kepentingan harus mempertimbangkan investasi awal yang diperlukan dan mengembangkan strategi untuk membuat teknologi ini lebih terjangkau dan dapat bersaing dengan solusi energi terbarukan lainnya.
D. Penelitian Tentang Bladeless Wind Turbine
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengkaji secara numerik dinamika turbin angin tanpa bilah pusaran 3-DOF dengan mekanisme tunable. Mekanismenya didasarkan pada pegas laju progresif yang ditempatkan di antara magnet permanen yang berosilasi dan tiang badan turbin. Ide utama dari pekerjaan ini adalah untuk menyetel frekuensi dasar turbin agar sesuai dengan frekuensi pelepasan pusaran dalam rentang kecepatan angin dengan menyesuaikan kekakuan pegas. Sebuah model matematika dibuat untuk
menggambarkan dinamika nonlinier turbin tunable. Telah diamati bahwa faktor kopling elektromekanis sangat mengubah dinamika turbin sehingga hanya memiliki satu frekuensi dasar pada kecepatan angin tinggi.
Gambar skema turbin angin tanpa bilah pusaran dengan mekanisme penyetelan turbin Turbin terdiri dari tiga komponen utama: balok kantilever, badan tiang silinder, dan unit pemanen. Konsep yang mendasari VBWT adalah menangkap getaran yang disebabkan oleh pusaran dari tiang badan yang dipasang pada balok kantilever fleksibel vertikal menggunakan magnet permanen (PM) yang berosilasi di dalam kumparan multi-lapis.
Antara lain, metode ini telah terbukti memberikan efisiensi konversi energi elektromekanis yang tinggi, kepadatan energi, dan tegangan tinggi (Gautama, 2020) Unit pemanen elektromagnetik ditempatkan di dalam turbin untuk memanfaatkan energi mekanik tiang yang bergetar menjadi energi listrik berdasarkan hukum induksi Faraday. Getaran mekanis tiang dimanfaatkan menjadi energi listrik karena gerakan relatif antara magnet dan kumparan. Untuk menyediakan mekanisme pemanenan yang efisien, kumparan dipasang pada badan turbin yang diam, dan magnet dipasang pada tiang badan yang bergetar. Dengan menggunakan konfigurasi ini, magnet permanen akan mempunyai gerak busur lingkaran (2D) relatif terhadap kumparan. Selain itu, dalam desain unik ini, magnet dihubungkan ke pegas, yang memungkinkannya meluncur ke arah memanjang dari tiang bodi dan kumparan. Batang pemandu yang kaku digunakan untuk membatasi gerakan lateral dan putar magnet agar tidak menimbulkan ketidakstabilan selama pengoperasian turbin.
Gambar Model massa gabungan yang setara dari turbin angin tunable yang diusulkan
Magnet permanen (PM) pemanen, yang bergerak dan berayun secara bersamaan, dianggap sebagai massa titik (M2) berosilasi pada pendulum terbalik yang dipasang pada gerobak. Gerobak bermassa (M1), sebaliknya, mewakili gerak osilasi ekuivalen dari ujung bebas balok kantilever.k1Dank2melambangkan kekakuan ekuivalen balok dan kekakuan pegas yang dapat disetel. Turbin digerakkan oleh gaya yang disebabkan oleh pusaran yang diwakili oleh F. Kumparan elektromagnetik diperkenalkan untuk memanfaatkan gerakan PM menjadi tenaga listrik. Resistor (RL) yang dihubungkan ke kumparan meniru beban eksternal atau rangkaian ekivalen yang dipasang pada turbin.
Pada bagian ini, penyelidikan dinamik turbin dibahas. Berdasarkan distribusi angin global, kecepatan angin tahunan rata-rata diperkirakan kurang dari 6,9 m/s pada ketinggian 80 m±20 m di atas tanah. Jadi, dalam karya ini, persamaan gerak diselesaikan secara numerik untuk kecepatan angin kurang dari 10 m/s. Parameter nominal yang digunakan dalam simulasi kami tercantum dalam Tabel1. Parameternya biasanya mewakili turbin tanpa bilah pusaran sepanjang 2 m. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk menyelidiki pengaruh penempatan pegas tunable antara magnet dan badan tiang terhadap kinerja turbin secara keseluruhan dalam hal daya keluaran dan bandwidth. Pada analisis berikut, persamaan gerak disimulasikan secara numerik menggunakan ode45 di MATLAB®.
Hasil penyelidikan ini menunjukkan bahwa turbin hanya dapat dioperasikan secara efektif melebihi ambang batas kecepatan angin. Ekspresi analitis dikembangkan untuk menghitung kecepatan ambang batas. Hasil analisis sesuai dengan analisis numerik.
Penelitian juga menunjukkan bahwa, pada kecepatan angin yang lebih besar dari kecepatan ambang batas, terdapat nilai kekakuan pegas optimal yang akan memaksimalkan daya keluaran turbin. Dengan meningkatnya kecepatan angin, kekakuan pegas optimal yang dibutuhkan meningkat secara kuadrat. Turbin tunable mengungguli VBWT konvensional.
Tenaga yang dihasilkan oleh turbin tunable beberapa puluh kali lebih besar dibandingkan turbin konvensional. Misalnya dengan menggunakan parameter nominal pada kecepatan angin 8,0 m/s, daya rms keluaran turbin tunable sepanjang 2 m dapat mencapai 2120 mW dengan kekakuan pegas optimum sebesar 11,210 N/m. Daya keluaran dapat dimaksimalkan pada beban eksternal yang optimal.
Secara umum, turbin tunable berkinerja rendah pada kecepatan angin di bawah kecepatan ambang batas, namun keterbatasan ini dapat diatasi dengan optimasi desain yang tepat. Kecepatan angin ambang batas adalah fungsi dari parameter modal yang dapat dirancang untuk menjaga ambang batas sekecil mungkin. Penelitian lebih lanjut perlu dilakukan untuk memasukkan dinamika fenomena lock-in ke dalam model matematika turbin yang dikembangkan. Pita daya yang luas dapat diwujudkan dengan wilayah lock-in.
Kesimpulannya, penelitian ini menunjukkan kelayakan penggunaan turbin tunable pada kecepatan angin tinggi.
DAFTAR PUSTAKA
Bhardwaj, V.; Teja, AR Konfigurasi Medan Elektromagnetik untuk Turbin Angin Tanpa Bilah. Dalam Prosiding Simposium Internasional ke-30 IEEE tentang Elektronika Industri (ISIE) 2021, Anchorage, AK, AS, 20–23 Juni 2021; hal.1–5
Pemanah, CL; Jacobson, MZ Evaluasi tenaga angin global. Jurnal Penelitian Geofisika.Suasana2005,110, D12110. [Referensi Silang]
Rao, SS; Ya, FFGetaran Mekanis; Addison-Wesley: New York, NY, AS, 1995; Jilid 4, hlm.75–848.
Fransiskus, S.; Umesh, V.; Shivakumar, S. Desain dan Analisis Turbin Angin Vortex Bladeless.Materi. Hari ini Proc.2021,47, 5584–5588. [ Referensi Silang]
Gautama, A.; Srinivas, SS; Teja, Sistem Konversi Elektro-Mekanis Efisien AR pada Turbin Angin Tanpa Bilah. Dalam Prosiding Simposium Internasional ke-29 IEEE tentang Elektronika Industri (ISIE) IEEE 2020, Delft, Belanda, 17–19 Juni 2020; hal.1009–
1014. 14.
Rishabh, B. Shubhankar, SK Vishal, Pembangkit listrik tenaga angin tanpa bilah, Int.
J.Ilmu. bahasa Inggris Dev. Res. 2 (4) (2017) 163–167 https://vortexbladeless.com/
