Tenaga angin

Daya Angin

Angin adalah salah satu bentuk energi matahari. Angin disebabkan oleh pemanasan atmosfer yang tidak merata oleh matahari, ketidakteraturan permukaan bumi, dan rotasi bumi. Pola aliran angin dimodifikasi oleh medan bumi, badan air, dan tutupan vegetasi. Energi angin adalah energi kinetik dari udara yang bergerak. Energi angin ini bisa dipanen. Tenaga angin adalah konversi energi angin ini menjadi bentuk energi yang berguna, seperti tenaga listrik dengan menggunakan turbin angin, tenaga mekanik dengan menggunakan kincir angin, pemompaan atau drainase air dengan pompa angin dan sebagai layar untuk menggerakkan kapal. Energi angin merupakan sumber energi terbarukan atau non-konvensional. Ini adalah sumber energi yang bersih dan tidak menimbulkan polusi. Ini tersedia dalam jumlah besar di banyak bagian dunia. Itu tidak menghasilkan gas rumah kaca selama produksi listrik.

Jumlah total daya yang dapat diekstraksi secara ekonomis yang tersedia dari angin sangat tinggi. Axel Kleidon dari Max Planck Institute di Jerman melakukan perhitungan 'top down' tentang berapa banyak energi angin yang ada, dimulai dengan radiasi matahari yang masuk yang menggerakkan angin dengan menciptakan perbedaan suhu di atmosfer. Dia menyimpulkan bahwa antara 18 TW dan 68 TW (Terawatt yang merupakan satu triliun watt) dapat diekstraksi. Cristina Archer dan Mark Z. Jacobson menyajikan perkiraan 'bottom-up' berdasarkan pengukuran aktual kecepatan angin. Sesuai perkiraan ini ada 1700 TW tenaga angin yang tersedia di ketinggian 100 meter di atas darat dan laut. Dari daya yang tersedia ini, antara 72 dan 170 TW dapat diekstraksi dengan cara yang praktis dan hemat biaya. Mereka kemudian memperkirakannya menjadi 80 TW. Namun penelitian di universitas Harvard memperkirakan rata-rata 1 Watt/Sq m dan kapasitas 2 hingga10 MW/Km persegi untuk ladang angin skala besar, menunjukkan bahwa perkiraan total sumber daya angin global ini terlalu tinggi dengan faktor sekitar 4.

Pembangkitan tenaga listrik dari energi angin berlangsung dengan bantuan turbin angin. Setiap turbin angin dikopel dengan generator (alternator). Secara sederhana, turbin angin adalah kebalikan dari kipas angin. Alih-alih menggunakan listrik untuk menghasilkan angin, seperti kipas angin, turbin angin menggunakan angin untuk menghasilkan listrik. Angin memutar baling-baling, yang memutar poros yang terhubung ke generator untuk menghasilkan listrik. Sejumlah turbin dihubungkan bersama untuk mendapatkan keluaran yang diinginkan. Perakitan sejumlah besar turbin angin ini disebut ladang angin. Ladang angin biasanya dibangun di mana kecepatan angin cukup untuk menggerakkan bilah turbin.

Daya dari energi angin

Penggunaan energi angin untuk pembangkit listrik tumbuh pada tingkat yang sangat cepat. Tenaga angin menggunakan turbin angin untuk memanen energi dari udara yang bergerak dan mengubah energi itu menjadi listrik. Prinsip pembangkitan tenaga angin dari energi angin adalah sebagai berikut.

Energi angin total yang mengalir melalui area imajiner A selama waktu t diberikan dengan persamaan berikut

Di mana ? adalah kerapatan udara, v adalah kecepatan angin, Avt adalah volume udara yang melewati A (yang dianggap tegak lurus arah angin), Avt? oleh karena itu massanya m lewat per satuan waktu. Perhatikan bahwa  ?v ² adalah energi kinetik dari udara yang bergerak per satuan volume.

Daya adalah energi per satuan waktu, jadi insiden tenaga angin pada A (misalnya sama dengan luas rotor turbin angin) adalah:

Dari persamaan di atas disimpulkan sebagai berikut.

• Daya berbanding lurus dengan kerapatan udara ?. Saat kepadatan udara meningkat, kekuatan turbin meningkat.
• Daya berbanding lurus dengan luas sapuan bilah turbin. Jika panjang sudu bertambah, radius area sapuan akan meningkat sehingga daya turbin meningkat.
• Daya angin juga bervariasi dengan kecepatan dan dalam aliran udara terbuka sebanding dengan kekuatan ketiga kecepatan angin (v). Daya yang tersedia meningkat delapan kali lipat ketika kecepatan angin digandakan. Oleh karena itu, turbin angin untuk jaringan listrik harus sangat efisien pada kecepatan angin yang lebih tinggi.

Turbin angin

Di pembangkit listrik tenaga angin turbin angin menggunakan energi kinetik, hadir dalam angin untuk memutar penggerak utama alternator (generator) untuk menghasilkan listrik. Ketika angin yang cukup mengenai bilah turbin, mereka berputar. Baling-baling digabungkan dengan rotor. Jadi saat sudu bergerak, rotor juga ikut bergerak. Dalam turbin angin, sistem pitch mengontrol kecepatan rotor. Rotor terhubung ke poros kecepatan rendah. Poros kecepatan rendah ini dihubungkan ke poros generator kecepatan tinggi melalui sistem roda gigi. Sistem roda gigi menaikkan kecepatan putaran poros generator ke kecepatan normal generator umum. Generator berkecepatan tinggi ini menghasilkan listrik.

Turbin angin juga terdiri dari pengontrol kapan harus memulai atau menghentikan mesin. Biasanya turbin angin dioperasikan dalam kisaran kecepatan angin. Ketika kecepatan angin melewati batas bawah, turbin dihidupkan dan turbin secara otomatis berhenti ketika kecepatan angin mencapai batas atas juga dikenal sebagai kecepatan angin bertahan hidup. Semua turbin angin dirancang untuk kecepatan angin maksimum ini (kecepatan angin bertahan hidup)

Turbin angin memiliki anemometer yang menentukan kecepatan angin dan mengirimkan informasi reguler ke pengontrol apakah kecepatan angin tinggi atau tidak. Rem bekerja dalam keadaan darurat untuk menghentikan rotor secara mekanis, elektrik, atau hidrolik. Turbin angin juga mengandung baling-baling angin, penggerak yaw dan motor yaw. Fungsinya adalah untuk mengukur arah angin, dan untuk mengatur turbin angin agar tetap berada 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 sebagai upwind dan downwind sedangkan sumbu vertikal dibagi sebagai drag based dan lift based.

Pada turbin HAWT upwind, poros turbin dan alternator keduanya disejajarkan secara horizontal dan bilah turbin ditempatkan di bagian depan turbin yang berarti udara mengenai bilah turbin sebelum menara. Dalam kasus turbin angin HAWT poros rotor dan generator juga ditempatkan secara horizontal tetapi bilah turbin ditempatkan setelah turbin yang berarti angin menyerang menara sebelum bilah.

Jika kita mengamati turbin berbasis drag VAWT, poros generator terletak vertikal dengan posisi baling-baling dan turbin biasanya dipasang di tanah atau di menara kecil. Dalam kasus turbin berbasis lift VAWT, poros generator ditempatkan secara vertikal dengan posisi sudu di atas. Sebagian besar turbin angin modern yang besar adalah turbin sumbu horizontal karena efisiensinya yang tinggi. Karena baling-baling selalu bergerak tegak lurus terhadap angin, dan menerima daya melalui seluruh putaran. Turbin memiliki komponen utama sebagai berikut.

• Pisau atau rotor yang mengubah energi angin menjadi energi poros rotasi
• Kereta penggerak termasuk kotak roda gigi dan generator
• Menara yang mendukung rotor dan drive train
• Peralatan keseimbangan mencakup kontrol, kabel listrik, peralatan pendukung ground, dan peralatan interkoneksi.

Komponen turbin angin ditunjukkan pada Gambar 1

 Gbr 1 Komponen turbin angin

Ladang angin adalah sekelompok turbin angin di lokasi yang sama yang digunakan untuk produksi listrik. Sebuah ladang angin besar dapat terdiri dari beberapa ratus turbin angin individu yang tersebar di area yang luas, tetapi tanah di antara turbin dapat digunakan untuk pertanian atau tujuan lain. Ladang angin mungkin juga berlokasi di lepas pantai.

Hampir semua turbin angin besar biasanya memiliki desain yang sama yang terdiri dari turbin angin sumbu horizontal yang memiliki rotor melawan angin dengan tiga bilah, yang dipasang pada nacelle di atas menara tubular yang tinggi. Di ladang angin, masing-masing turbin saling terhubung dengan tegangan menengah (sekitar 33 kV), sistem pengumpulan daya, dan jaringan komunikasi. Di gardu induk, arus listrik tegangan menengah ini dinaikkan tegangannya dengan trafo untuk koneksi ke sistem transmisi tenaga listrik tegangan tinggi.

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

Aerodinamika HAWT agak rumit. Aliran udara pada sudu-sudu tidak sama dengan aliran udara yang jauh dari turbin. Aerodinamika di permukaan rotor menunjukkan fenomena yang jarang terlihat di bidang aerodinamis lainnya. Pada tahun 1919 fisikawan Albert Betz menunjukkan bahwa untuk mesin ekstraksi energi angin yang ideal, hukum dasar kekekalan massa dan energi tidak boleh menangkap lebih dari 59,3% energi kinetik angin. 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 berbagai kecepatan angin. Semua turbin angin biasanya dirancang untuk kecepatan angin maksimum. Turbin angin memiliki tiga mode operasi berikut.

• operasi kecepatan angin di bawah nilai
• di sekitar operasi kecepatan angin terukur (biasanya pada kapasitas papan nama)
• operasi kecepatan angin yang dinilai di atas

Jika kecepatan angin pengenal angin terlampaui, daya harus dibatasi. Ini dilakukan dengan cara yang berbeda. Sistem kontrol melibatkan tiga elemen dasar yang terdiri dari sensor untuk mengukur variabel proses, aktuator untuk memanipulasi penangkapan energi dan pemuatan komponen, dan algoritme kontrol untuk mengoordinasikan aktuator berdasarkan informasi yang dikumpulkan oleh sensor.

Masalah lain dari tenaga angin

• Karena kecepatan angin tidak konstan, produksi energi tahunan ladang angin tidak pernah sebanyak jumlah peringkat papan nama generator dikalikan dengan total jam dalam setahun. Rasio produktivitas aktual dalam satu tahun dengan maksimum teoretis ini disebut faktor beban pabrik (PLF). Khas PLF dicapai adalah 15% sampai 40%. Nilai PLF yang lebih tinggi di ujung atas kisaran dicapai di lokasi yang menguntungkan dan disebabkan oleh peningkatan desain turbin angin.
• Tenaga angin hampir tidak pernah mengalami kegagalan teknis besar, karena kegagalan turbin angin individu hampir tidak berpengaruh pada daya keseluruhan, sehingga tenaga angin yang didistribusikan sangat andal dan dapat diprediksi.
• Meskipun pembangkit listrik tenaga angin memiliki dampak yang relatif kecil terhadap lingkungan dibandingkan dengan pembangkit listrik berbahan bakar fosil, ada beberapa kekhawatiran atas kebisingan yang dihasilkan oleh baling-baling, dampak estetika (visual), dan burung mati karena terbang ke dalam rotor .
• Tantangan utama dalam menggunakan angin sebagai sumber tenaga adalah angin tidak selalu bertiup karena angin tidak selalu bertiup saat listrik dibutuhkan. Angin tidak dapat disimpan (walaupun listrik yang dihasilkan angin dapat disimpan, jika baterai digunakan), dan tidak semua angin dapat dimanfaatkan untuk memenuhi waktu permintaan listrik. Selain itu, lokasi angin yang baik sering kali berlokasi di lokasi terpencil jauh dari daerah yang membutuhkan tenaga listrik.
• Pengembangan sumber daya angin harus bersaing dengan penggunaan lain untuk lahan, dan penggunaan alternatif tersebut mungkin lebih bernilai daripada pembangkit listrik. Namun, turbin angin dapat ditempatkan di lahan yang juga digunakan untuk penggembalaan atau bahkan pertanian.






Aspek Metalurgi Galvanisasi Baja Tenaga Surya Fotovoltaik