Energi Angin: Mengubah Gerakan Udara menjadi Listrik Bersih

Energi Angin

Angin adalah bentuk energi surya. Terjadi karena pemanasan tidak merata atmosfer oleh matahari, ketidakteraturan permukaan bumi, serta rotasi bumi. Pola aliran angin dimodifikasi oleh tekstur bumi, tubuh air, dan tutupan vegetasi. Energi angin adalah energi kinetik udara yang bergerak. Energi ini dapat dipanen. Energi angin adalah konversi energi gerakan udara menjadi bentuk energi yang berguna, seperti listrik menggunakan turbin angin, energi mekanis menggunakan giling angin, pemompaan atau drainase air menggunakan pompa angin, dan sebagai lay untuk mendorong kapal. Energi angin adalah sumber energi terbarukan atau non-konvensional. Ini adalah sumber energi bersih dan tidak mencemari. Tersedia dalam jumlah besar di banyak bagian dunia. Tidak menghasilkan gas rumah kaca selama produksi listrik.

Jumlah total energi angin yang dapat diekstrak secara ekonomis sangat tinggi. Axel Kleidon dari Institut Max Planck di Jerman melakukan perhitungan 'top down' mengenai sejumlah energi angin yang tersedia, mulai dari radiasi surya masuk yang mendorong angin dengan menciptakan perbedaan suhu di atmosfer. Ia menyimpulkan bahwa di antara 18 TW dan 68 TW (Terawatt yang sama dengan satu triliun watt) dapat diekstrak. Cristina Archer dan Mark Z. Jacobson menyajikan estimasi 'bottom-up' berdasarkan pengukuran aktual kecepatan angin. Menurut estimasi ini, terdapat 1700 TW energi angin yang tersedia pada ketinggian 100 meter di atas daratan dan laut. Dari daya yang tersedia ini, antara 72 dan 170 TW dapat diekstrak secara praktis dan kompetitif biaya. Mereka kemudian mengestimasi angkanya menjadi 80 TW. Namun, penelitian di Harvard University mengestimasi rata-rata 1 Watt per meter persegi dan kapasitas 2 hingga 10 MW per kilometer persegi untuk pembangkit angin skala besar, yang mengindikasikan bahwa estimasi total sumber daya angin global ini terlalu tinggi sekitar empat kali lipat.

Pembangkitan listrik dari energi angin dilakukan dengan bantuan turbin angin. Setiap turbin angin dipasangkan dengan generator (alternator). Secara sederhana, turbin angin adalah kebalikan dari kipas angin. Alih-alih menggunakan listrik untuk membuat angin seperti kipas angin, turbin angin menggunakan angin untuk membuat listrik. Angin memutar palang, yang memutar poros yang terhubung ke generator untuk menghasilkan sejumlah listrik. Sejumlah turbin dihubungkan bersama untuk mendapatkan output yang diinginkan. Susunan sejumlah besar turbin angin ini disebut pembangkit angin. Pembangkit angin biasanya dibangun di tempat di mana kecepatan angin cukup untuk memutar palang turbin.

Daya dari energi angin

Penggunaan energi angin untuk pembangkit daya tumbuh dengan sangat cepat. Energi angin menggunakan turbin angin untuk memanen energi udara yang bergerak dan mengubah energi tersebut menjadi listrik. Prinsip pembangkit daya angin dari energi angin adalah sebagai berikut.

Total energi angin yang mengalir melalui area imajiner A selama waktu t diberikan oleh persamaan berikut

Di mana ? adalah densitas udara, v adalah kecepatan angin, Avt adalah volume udara yang melewati A (yang dianggap tegak lurus terhadap arah angin), Avt? adalah massa m yang melewati per satuan waktu. Perhatikan bahwa ½ ?v² adalah energi kinetik udara yang bergerak per satuan volume.

Daya adalah energi per satuan waktu, jadi daya angin yang jatuh pada A (misalnya sama dengan area rotor turbin angin) adalah:

Dari persamaan di atas dapat disimpulkan hal berikut.

• Daya sebanding langsung dengan densitas udara ?. Semakin meningkatnya densitas udara, semakin meningkatnya daya turbin.
• Daya sebanding langsung dengan luas area sapuan palang turbin. Jika panjang palang ditambah, radius area sapuan meningkat sesuai sehingga daya turbin meningkat.
• Daya angin juga bervariasi dengan kecepatan dan dalam aliran udara terbuka sebanding dengan pangkat ketiga kecepatan angin (v). Daya yang tersedia meningkat delapan kali lipat saat kecepatan angin digandakan. Karena itu, turbin angin untuk listrik jaringan perlu sangat efisien pada kecepatan angin tinggi.

Turbin angin

Di pembangkit tenaga angin, turbin angin menggunakan energi kinetik yang ada dalam angin untuk memutar primer gerak alternator (generator) untuk menghasilkan listrik. Ketika angin cukup memantul palang turbin, mereka berputar. Palang dipasangkan dengan rotor. Jadi saat palang bergerak, rotor juga bergerak. Di turbin angin, sistem pitch mengontrol kecepatan rotor. Rotor terhubung ke poros kecepatan rendah. Poros kecepatan rendah ini terhubung ke poros kecepatan tinggi generator melalui sistem gigi. Sistem gigi meningkatkan kecepatan rotasi poros generator ke kecepatan normal generator umum. Generator kecepatan tinggi ini menghasilkan listrik.

Turbin angin juga terdiri dari pengontrol untuk memulai atau menghentikan mesin. Biasanya turbin angin dioperasikan dalam rentang kecepatan angin tertentu. Ketika kecepatan angin melampaui batas bawah, turbin dimulai dan turbin secara otomatis dihentikan saat kecepatan angin mencapai batas atas yang juga dikenal sebagai kecepatan angin selamat. Semua turbin angin dirancang untuk kecepatan angin maksimum ini (kecepatan angin selamat).

Turbin angin memiliki anemometer yang menentukan kecepatan angin dan mengirim informasi teratur ke pengontrol apakah kecepatan angin tinggi atau tidak. Rem bekerja dalam keadaan darurat untuk menghentikan rotor secara mekanis, listrik, atau hidrolik. Turbin angin juga berisi wind vane, yaw drive, dan yaw motor. Fungsi mereka adalah mengukur arah angin dan menyesuaikan turbin angin upstream untuk tetap di depan angin saat arah angin berubah.

Secara umum ada dua jenis turbin angin. Turbin angin sumbu horizontal (HAWT) dan turbin angin sumbu vertikal (VAWT). Sumbu horizontal dibagi menjadi upstream dan downstream sedangkan sumbu vertikal dibagi menjadi berbasis geser dan berbasis angkat.

Di turbin angin upstream HAWT, poros turbin dan alternator kedua selaras secara horizontal dan palang turbin ditempatkan di depan turbin yang berarti udara memantul palang turbin sebelum menara. Dalam kasus turbin angin downstream HAWT, poros rotor dan generator juga ditempatkan secara horizontal tetapi palang turbin ditempatkan setelah turbin yang berarti angin memantul menara sebelum palang.

Jika kita amati turbin angin VAWT berbasis geser, poros generator terletak secara vertikal dengan palang ditempatkan di atas dan turbin biasanya dipasang di tanah atau di menara kecil. Dalam kasus turbin angin VAWT berbasis angkat, poros generator ditempatkan secara vertikal dengan posisi palang di atas. Sebagian besar turbin angin modern besar adalah turbin sumbu horizontal karena efisiensi tinggi mereka. Karena palang selalu bergerak tegak lurus terhadap angin dan menerima daya selama seluruh rotasi. Turbin memiliki komponen utama berikut.

• Palang atau rotor yang mengubah energi dalam angin menjadi energi poros berputar
• Sistem penggerak termasuk gearbox dan generator
• Menara yang mendukung rotor dan sistem penggerak
• Peralatan pendukung termasuk kontrol, kabel listrik, peralatan dukungan tanah, dan peralatan interkoneksi.

Komponen turbin angin ditunjukkan dalam Gambar 1

Gambar 1 Komponen turbin angin

Pembangkit angin adalah sekelompok turbin angin di lokasi yang sama yang digunakan untuk produksi listrik. Pembangkit angin besar dapat terdiri dari ratusan turbin angin individu yang tersebar di area luas, tetapi tanah di antara turbin dapat digunakan untuk pertanian atau tujuan lain. Pembangkit angin juga dapat berada di darat laut.

Hampir semua turbin angin besar biasanya memiliki desain yang sama yang terdiri dari turbin angin sumbu horizontal dengan rotor upstream yang memiliki tiga palang, terpasang di nacelle di atas menara tabung tinggi. Di pembangkit angin, turbin individu saling terhubung dengan sistem pemungutan daya tegangan sedang (sekitar 33 kV) dan jaringan komunikasi. Di substasi, arus listrik tegangan sedang ini ditingkatkan tegangannya dengan trafo untuk koneksi ke sistem transmisi listrik tegangan tinggi.

Spesifikasi desain untuk turbin angin biasanya didasarkan pada kurva daya dan ketersediaan terjamin. Rentang suhu operasi tipikal adalah ?20 hingga 40 derajat C. Di area dengan iklim ekstrem dan versi cuaca panas diperlukan. Turbin angin dapat dirancang dan divalidasi sesuai standar IEC 61400.

Aerodinamika HAWT agak rumit. Aliran udara di palang tidak sama dengan aliran udara jauh dari turbin. Aerodinamika di permukaan rotor menunjukkan fenomena yang jarang ditemukan di bidang aerodinamika lainnya. Pada tahun 1919, fisikawan Albert Betz menunjukkan bahwa untuk mesin ekstraksi energi angin yang ideal, hukum dasar pelestarian massa dan energi tidak memungkinkan lebih dari 59,3 % energi kinetik angin untuk ditangkap. Turbin modern mendekati batas hukum Betz ini dan dapat mencapai 60 % hingga 70 % dari batas teoretis ini.

Turbin angin biasanya dirancang untuk menghasilkan daya maksimum pada rentang kecepatan angin yang luas. Semua turbin angin biasanya dirancang untuk kecepatan angin maksimum. Turbin angin memiliki tiga mode operasi berikut.

• operasi di bawah kecepatan angin rated
• operasi di sekitar kecepatan angin rated (biasanya pada kapasitas nameplate)
• operasi di atas kecepatan angin rated

Jika kecepatan angin rated terlewati, daya harus dibatasi. Hal ini dilakukan dengan berbagai cara. Sistem kontrol melibatkan tiga elemen dasar yang terdiri dari sensor untuk mengukur variabel proses, aktuator untuk memanipulasi penangkapan energi dan beban komponen, dan algoritma kontrol untuk menkoordinasi aktuator berdasarkan informasi yang terkumpul oleh sensor.

Masalah lain terkait energi angin

• Karena kecepatan angin tidak konstan, produksi energi tahunan pembangkit angin tidak pernah sebesar jumlah rating generator nameplate dikalikan dengan total jam dalam setahun. Rasio produktivitas aktual dalam setahun terhadap maksimum teoretis ini disebut faktor beban pembangkit (PLF). Nilai PLF tipikal yang dicapai adalah 15 % hingga 40 %. Nilai PLF yang lebih tinggi di ujung atas rentang dicapai di lokasi yang menguntungkan dan disebabkan oleh perbaikan desain turbin angin.
• Energi angin hampir tidak pernah mengalami kegagalan teknis besar, karena kegagalan turbin angin individu hampir tidak memiliki efek pada daya keseluruhan, sehingga energi angin yang terdistribusi sangat andal dan dapat diprediksi.
• Meskipun pembangkit angin memiliki dampak lingkungan yang relatif kecil dibandingkan pembangkit bahan bakar fosil, ada beberapa kekhawatiran atas kebisingan yang dihasilkan oleh palang rotor, dampak estetika (visual), dan burung yang terbunuh karena terbang ke rotor.
• Tantangan utama dalam menggunakan angin sebagai sumber daya adalah sifat intermiten karena angin tidak selalu bertiup ketika listrik dibutuhkan. Angin tidak dapat disimpan (meskipun listrik yang dihasilkan angin dapat disimpan jika baterai digunakan), dan tidak semua angin dapat dimanfaatkan untuk memenuhi jadwal permintaan listrik. Selain itu, lokasi angin yang baik sering berada di lokasi terpencil jauh dari area permintaan daya listrik.
• Pengembangan sumber daya angin harus bersaing dengan penggunaan lahan lainnya, dan penggunaan alternatif tersebut mungkin lebih dihargai dibandingkan pembangkit listrik. Namun, turbin angin dapat ditempatkan di lahan yang juga digunakan untuk pejantan atau bahkan pertanian.