1. pengertian
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.
2.
Jenis jenis turbin angin
Turbin angin dibagi menjadi dua
kelompok utama berdasarkan arah sumbu:
A. 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
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. Sebagai tambahan,
bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan sedikit
dimiringkan.
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
arah 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.
Kelebihan Turbin Angin Horisontal
- Towernya yang tinggi memunkikan
untuk mendapatkan angin dengan kekuatan yang lebih besar. Pada beberapa
area, setiap 10 meter ada kenaikan tambahan kekuatan angin 20% dan
peningkatan daya 34%.
- Efisiensi lebih tinggi, karena
blades selalu bergerak tegak lurus terhadap arah angin, menerima daya
sepanjag putaran. Sebaliknya pada turbin vertikal, melibatkan gaya timbal balik yang membutuhkan permukaan
airfoil untuk mundur melawan angin sebagian bagian dari siklus .
Backtracking melawan angin menyebabkan efisiensi lebih rendah.
Kekurangan Turbin Angin Horisontal
- Dibutuhkan konstruksi tower yang besar
untuk mensupport beban blade, gear box dan generator.
- Komponen-komponen dari turbin angin
horisontal (blade, gear box dan generator) harus diangkat ke posisinya
pada saat pemasangan.
- Karena tinggi, maka turbin ini bisa
terlihat pada jarak yang jauh, banyak penduduk lokal yang menolak adanya
pemandangan ini.
- Membutuhkan kontrol ya sebagai mekanisme
untuk mengarahkan blade ke arah angin
- Pada umumnya membutuhkan sistem pengereman
atau peralatan yaw pada angin yang kencang untuk mencegah turbin mengalami
kerusahakan.
B.
Turbin Angin Vertikal
Turbin angin vertikal memiliki shaft rotor vertikal. Kegunan
utama dari penempatan rotor ini adalah turbin angin tidak perlu diarahkan ke
arah angin bertiup. Hal ini sangat berguna pada daerah dimana arah angin sangat
variatif atau memiliki turbulensi.
Dengan sumbu vertikal, generator dan komponen primer lainnya
dapat ditempatkan dekat dengan permukaan tanah, sehingga tower tidak perlu support
dan hal ini menyebabkan maintenance lebih mudah. Kekurangan utama dari turbin
angin vertikal adalah menciptakan dorongan saat berputar.
Sangat sulit untuk memasang turbin angin di tower, sehingga
jenis tower ini biasanya di install dekat dengan permukaan. Kecepatan angin
lebih lambat pada altitude yang rendah, sehingga energi angin yang tersedia
lebih rendah.
Kelebihan Turbin
Vertikal :
- Tidak diperlukan mekanisme yaw
- Sebuah turbin angin bisa terletak dekat
tanah, sehingga lebih mudah untuk menjaga bagian yang bergerak.
- turbin vertikal memiliki kecepatan
startup angin rendah dibandingkan turbin horisontal
- turbin vertikal dapat dibangun di lokasi
di mana struktur yang tinggi dilarang.
Kekurangan Turbin Vertikal:
- Kebanyakan turbin vertikal memiliki penurunan
efisiensi dibanding turbin horisontal, terutama karena hambatan tambahan
yang mereka miliki sebagai pisau mereka memutar ke angin. Versi yang
mengurangi drag menghasilkan lebih banyak energi, terutama yang
menyalurkan angin ke daerah kolektor.
- Memiliki rotor terletak dekat dengan
tanah di mana kecepatan angin lebih rendah dan tidak mengambil keuntungan
dari kecepatan angin tinggi di atas.
- Karena tidak umum digunakan terutama
karena kerugian serius yang disebutkan di atas, mereka muncul baru untuk mereka
yang tidak akrab dengan industri angin. Hal ini sering membuat mereka
subjek klaim liar dan penipuan investasi selama 50 tahun terakhir.
3. Indikator
kerja mesin
A. Bagian
bagian turbin angin
01. Sudu
(Blade /Baling-baling)
Rotor trubin angin yang terdiri
dari baling-baling/ sudu dan hub merupakan bagian dari turbin angin yang
berfungsi menerima energi kinetik dari angin dan merubahnya menjadi energi
gerak (mekanik) putar pada poros penggerak. Pada sebuah turbin angin,
baling-baling rotor dapat berjumlah 1, 2, 3 atau lebih.
02.
Rotor Hub
Hub merupakan bagian dari rotor
yang berfungsi menghubungkan sudu denga shaft (poros) utama.
03.
Kontrol Pitch Sudu
Salah satu tipe rotor adalah
dengan sudu terpasang variable yang dapat dirubah sudut serangnya dengan
mengatur posisi sudut serang sudu terhadap arah angin bertiup. Rotor dengan
mekanisme demikian disebut dengan rotor dengan pitch sudu variable. Tidak semua
turbin angin menggunakan tipe rotor dengan sudut sudu variabel.
04. Rem
dan Kopling
Rem berfungsi untuk menghentikan
putaran poros rotor yang bertujuan untuk keamanan atau pada saat dilakukan
perbaikan. Sedangkan kopling berfungsi untuk memindahkan daya poros ke
transmisi gearboks atau langsung ke generator, dengan meredam getaran dari
poros rotor serta sebagai salah satu sarana meluruskan sambungan (alignment).
05. Poros
Rotor putaran rendah
Poros rotor berfungsi untuk
memindahkan daya dari rotor ke generator , dapat secara langsung maupun melalui
mekanisme transmisi gearboks.
06. Transmisi
Pada umumnya transmisi di
turbin angin berfungsi untuk memindahkan daya dari rotor ke generator dengan
dipercepat putaranya. Hal ini diperlukan karena umumnya putaran rotor berotasi
pada putara rendah , sementara generatornya bekerja pda putara tinggi.
07. Generator
Generator merupakan komponen
terpenting dalam sistem turbin angin, dimana fungsinya adalah merubah energi
gerak (mekanik) putar pada poros penggerak menjadi energi listrik. Tegangan dan
arus listrik yang dihasilkan oleh generator dapat berupa alternating current
(AC) maupun direct current (DC) dan tegangan out putnya dapat dari tegangan
rendah ( 12 volt) atau sampai tegangan 680 volt atau lebih.
08.
Kontrol Yawing
Pada turbin angin yang relative
besar, umumnya sudah menggunakan system geleng aktif (active yawing system),
yang digerakkan oleh motor servo. Kontrol yawing disini berfungsi menerima
input dari sensor anemometer (mendeteksi kecepatan angin) dan wind direction (
mendeteksi perubahan arah angin), dan memberikan komando kepada motor servo
untuk membelokkan arah shaft turbin angin dan juga memberikan unputan kepada
kontrol pitch.
09.
Anemomater Sensor
Anemometer berfungsi untuk
mendeteksi/mengukur kecepatan angin, sebagai inputan kepada system control
untuk mengendalikan operasional pada kondisi optimum.
10.
Wind Direction Sensor
Wind direction er berfungsi
untuk mendeteksi perubahan arah angin angin, sebagai inputan kepada
system control untuk mengendalikan operasional pada kondisi optimum.
11.
Nasel (Nacelle)
Fungsi nasel adalah untuk
menempatkan dan melindungi komponen-komponen turbin angin, yaitu : generator,
gearbox, kopling, rem , kontrol , system geleng (yawing system).
12.
Poros Rotor putaran tinggi
Poros rotor putaran tinggi
berfungsi untuk memindahkan daya dari gearboks ke generator.
13.
Roda gigi sistem geleng (Yaw drive)
Fungsi yaw drive adalah untuk
menempatkan komponen turbin angin yang berada diatas menara menghadap optimal
terhadap arah angin bertiup mengikuti perubahan arah angin.
14.
Motor servo (Yaw motor)
Fungsi motor yaw adalah untuk
menggerakan yaw drive untuk menempatkan komponen turbin angin yang berada
diatas menara menghadap optimal terhadap arah angin bertiup mengikuti perubahan
arah angin.
15.
Menara / Tower
Menara merupakan tiang
penyangga yang fungsi utamanya adalah untuk menopang rotor , nasel dan semua
komponen turbin angin yang berada di atasnya. Menara dapat berupa tipe latis
(lattice) atau pipa (tubular) , baik yang dibantu dengan penopang tali pancang
maupun yang self supporting.
16.
Ekor Pengarah (Tail Vane)
Salah satu sistem orientasi
yang pasif (passive yawing) adalah menggunakan ekor pengarah. Fungsi dari ekor
pengarah (tail vane) adalah untuk membelokan posisi rotor terhadap arah
datangnya angin, untuk mengoptimalkan operasional dan mengamankan dari putaran
lebih apabila kecepatan angin telah melebihi kecepatan cut-out dari turbin
angin tersebut.
B. Cara
kerja mesin
Energi angin memutar
turbin angin. Turbin angin bekerja berkebalikan dengan kipas angin (bukan
menggunakan listrik untuk menghasilkan listrik, namun menggunakan angin untuk menghasilkan
listrik). Kemudian angin akan memutar
sudut turbin, lalu diteruskan untuk memutar rotor pada generator di bagian
belakang turbin angin. Generator mengubah energi gerak menjadi energi listrik
dengan teori medan elektromagnetik, yaitu poros pada generator dipasang dengan
material ferromagnetik permanen. Setelah itu di sekeliling 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. Energi Listrik ini biasanya akan disimpan kedalam baterai sebelum
dapat dimanfaatkan.
4.
Prestasi kerja mesin
Prestasi atau energy yang
dihasilkan turbin angina dalam setahun dipengaruhi berbagai faktor, kecepatan
angin, ketinggian dan kekerasan permukaan. Dan didasarkan pada persamaan
berikut.
Model matematik kecepatan
angin
V(z) = kecepatan angina
pada ketinggian z(m/s)u89
Z= kekasaran permukaan.
Koefisien turbin
Keterangan
Cfi : koefisien energy
E0 : prestasi
Ew : energy angin yang melewati rotor
P0 : keluaran daya system (W)
A : luas sapuan rotor (m2)
Pw : densitas daya angin (W/m2)
Table
prestasi kerja turbin angina
Ketinggian (m)
|
Kec. Angina
(m/s)
|
Prestasi (kWh /
tahun)
|
18
|
4.8
|
11000
|
24
|
5.0
|
12200
|
30
|
5.2
|
13300
|
37
|
5.3
|
14300
|
43
|
5.4
|
15000
|
49
|
5.5
|
15700
|