ENERGI ANGIN DAN PEMANFAATANNYA

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.

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.

Gambar 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).

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 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.

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]. 

Gambar 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 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.

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.

Gambar 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%). 

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 :

• 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.
• Ilmu-ilmu MIPA : Fisika (aerodinamika, mekanika), Statistika (sifat random angin), Matematika.
• Komputer : untuk kontrol saat operasi, dan simulasi eksperimen disain baru.
• Meteorologi : untuk mempelajari watak angin.
• Teknik sipil : untuk membangun tower yang tangguh dan mampu menyangga sistem secara fisik.
• 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.

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.

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)