Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Seiring dengan perkembangan teknologi yang semakin canggih.Sekarang telah dikembangkan teknologi pemanfaatan sumber energi alternatif untuk menghasilkan listrik, salah satunya yaitu Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). PLTS merupakan sistem pembangkit yang tergolong mudah, murah, ramah lingkungan dan terbarukan. Pada sistem pembangkit ini, terjadi suatu proses penyimpanan energi listrik yang dihasilkan oleh modul solar cells atau Photovoltaic. Biasanya energi listrik ini disimpan pada baterai dalam bentuk energi elektrokimia. Pada proses penyimpanan energi tersebut, diperlukan suatu alat yang berfungsi mengatur proses tadi agar tidak terjadi pengisian berlebih pada baterai (over charge) yang dapat menyebabkan kerusakan pada baterai.

                            Prinsip Kerja Alat Pada Sistem PLTS

Prinsip kerja alat secara keseluruhan pada sistem PLTS. Pada dasarnya, baterai dan modul photovoltaic bekerja sama dalam memberikan energi listrik kepada beban. Energi listrik dapat dihasilkan langsung dari modul photovoltaic pada siang hari, dan dari baterai pada malam hari. Bisa juga dari keduanya pada saat cuaca mendung. Semua itu tidak terlepas dari fungsi BCU sebagai alat pengatur.

Pada siang hari, matahari bersinar dengan mengeluarkan energi radiasi melalui gelombang cahaya. Dengan menggunakan modul photovoltaic energi ini dikonversikan menjadi energi listrik. Apabila tegangan pada modul lebih besar dari tegangan baterai, maka terjadi arus pengisian ke baterai. Tegangan baterai akan terus meningkat sejalan dengan makin lamanya waktu pengisian. Dan apabila tegangan baterai telah mencapai batas ambang tegangan kerja atas (titik mati tegangan atas).yang ditetapkan pada BCU yaitu 12 volt, maka BCU akan memutuskan hubungan antara modul dengan baterai yang ditandai dengan adanya arus hubungan singkat pada modul photovoltaic.

Pada malam hari, tidak ada energi yang dihasilkan oleh modul photovoltaic dan pada saat itu secara otomatis yang mensuplai energi ke beban adalah baterai. Jika penggunaan energi baterai terlalu banyak, maka tegangan baterai akan turun sejalan dengan berkurangnya energi baterai. Jika tegangan baterai turun  melewati batas ambang bawah (titik mati tegangan bawah) yang ditatapkan oleh BCU yaitu 11,5 volt, maka secara otomatis beban akan mati yang ditandai dengan terputusnya hubungan antara baterai dengan beban (hubungan terbuka).

Battery Control Unit (BCU) yang berfungsi sebagai proteksi over charge, juga sebagai proteksi pengosongan baterai berlebih (over discharge), proteksi beban lebih, hubung singkat, tegangan kejut halilintar, arus balik dari baterai ke sumber (pembangkit), dan proteksi polaritas terbalik baterai dan sumber (pembangkit).

                                        Gambar 1. diagram blok Solar Home System (SHS)

Pada gambar diagram blok diatas diperlihatkan bahwa pada rancangan alat Battery Control Unit (BCU) ini menggunakan sebuah sumber yaitu dari sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) dengan menggunakan modul photovoltaic (PV) sebesar 50 Wp. Sehingga pada alat BCU ini dibuat pada kapasitas 100-120 VA.

                              Blok Rangkaian

1.Unit HVD Swiching

HVD merupakan titik tegangan atas baterai maksimum yang pada titik ini aliran arus pengisian dari modul photovoltaic ke baterai terputus. Mengacu pada standard UL, titik HVD untuk baterai jenis asam timbal direkomendasikan pada tegangan 14.2–14.7 volt, maka ditentukan pada rancangan spesifik untuk titik HVD pada tegangan 14.6 volt. Dan terhubung kembali pada tegangan 13,0 volt.

Bagi BCU tipe shunt (gambar 3) keadaan HVD terjadi ketika arus dari modul photovoltaic tidak mengalir ke baterai tapi ke mosfet T_1. arus yang mengalir pada kondisi ini merupakan arus hubung singkat modul, sehingga dapat menimbulkan panas yang tinggi akibat rugi–rugi energi (I^2*R) pada mosfet T₁. untuk itu, diperlukan pendingin yang baik agar tidak merusak komponen ini. Terjadinya HVD agar tidak over charge dikendalkan oleh mosfet T₁. kerja dari komponen ini dipengaruhi oleh perbedaan tegangan baterai dengan tegangan referensi yang ada.

                                            Gambar 2. Rangkaian dasar BCU tipe shunt

                      Gambar 3. diagram skematik unit HVD swiching mode on-off

Pada gambar 3 terlihat bahwa tegangan baterai V+ dibandingkan dengan tegangan referensi dari dioda zener (DZ) yaitu sebesar 8,2 volt. IC_1b merupakan komparator biasa dengan hysteresis dengan membandingkan tegangan yang ada pada kaki masukan inverting dan non inverting. Jika tegangan baterai yang diwakili oleh tegangan pada pin 5 lebih besar dari tegangan referensi yang diwakili tegangan pada pin 6, maka keluaran pada pin 7 terdapat tegangan yang ditandai dengan menyalanya lampu LED hijau. Tegangan pada pin 7 berarti pula terdapat tegangan antara kaki gate dan source, yang mengaktifkan mosfet T₂. dan sebaliknya, jika tegangan baterai lebih kecil dari tegangan referensi maka keluaran dari IC_1b adalah 0 volt,sehingga lampu LED hijau mati, mosfet tidak bekerja, dan terjadi pengisian baterai oleh modul PV.

Potensiometer atau single tune (VR1) digunakan untuk mengatur besarnya tegangan referensi pada kaki masukan inverting, yang berarti pula untuk menseting tegangan HVD pada 14.6 volt. Resistor pariabel lainnya yaitu VR0 digunakan untuk mengatur besarnya histeresis, yang berarti untuk mengeset tegangan reconnect pada 13.0 volt.

2. Unit LVD Swiching

LVD merupakan titik tegangan mati bawah dari baterai. Pada tegangan ini arus yang mengalir dari baterai ke beban harus diputuskan, karena untuk menjaga baterai tetap aman dari kerusakan. Menurut standard UL dan rekomendasi dari THE WORLD BANK Assosiation, titik LVD untuk baterai jenis asam timbal berkisar 1.8–1.9 volt per sel baterai, atau 10.8 – 11.6 volt baterai dan reconnect pada >11.6. pada rancangan spesifikasi alat ditentukan titik LVD di 11,5 volt.

Ketika tegangan baterai normal dan diberikan bahan maka keadaan mosfet T₁ aktif (short circuit) beban menyala. Tetapi ketika baterai telah mencapai titik tegangan mati bawah (LVD) maka mosfet T₁ tidak bekerja, sehingga sirkuit terbuka dan mati. Kerja dari komponen T₁ ini dipengaruhi oleh perbedaan tegangan baterai dari tegangan referensi.

Pada gambar 3.4 ditunjukan skematik rangkaian untuk unit pembatas pengosongan baterai berlebih (over discharge). Rangkaiannya berbeda dengan rangkaian LVD, meskipun prinsipnya sama yaitu komparator dengan hysteresis. Pada rangkaian tersebut kaki inverting (pin 2) IC_1a merupakan tegangan masukan dari baterai, dan tegangan referensi atau set point pada kaki non inverting (pin 3). Control on-off ini bekerja sebagai inverse acting, artinya keluaran dari IC_1a berlawanan dengan masukan pada kaki inverting yang mewakili tegangan baterai. Berbeda dengan control pada HVD yang bekerja sebagai direct acting, unit LVD switching berfungsi ditandai dengan menyalanya lampu LED merah dan terputusnya arus beban.

                     Gambar 4. diagram skematik unit LVD swiching mode on-off

3. Unit Fuse Elektronik

Gambar 5 menunjukan rangkaian pembatas arus pada sistem negatif switching. Resistor paralel ditambahkan untuk mengukur besarnya arus beban. Tegangan pada resistor tersebut dibandingkan dengan tegangan referensi dari dioda zener (DZ) pada op-amp IC_1d .normalnya, keluaran dari pin 14 sama dengan keluaran pin 8 yaitu 0 volt. Kapasitor polar C₃ discharge melalui TR1 / R_19, karena T₁ sedang bekerja. Jika arus beban melebihi batas, keluaran pin 14 menjadi 12 volt, sedangkan pin 8 masih tetap 0 volt dan tegangan pin 10 kira–kira menjadi 4 volt.keluaran IC_1c dari pin 14 meningkat menjadi 12 volt. sekarang T₁ tidak bekerja akibat TR2 on. Tidak ada arus beban yang mengalir di R-shunt, sehingga keluaran dari pin 14 kembali menjadi 0 volt. pin 10 akan memiliki tegangan 0.98 v. keluaran pin 8 perlahan mengisi kapasitor C_3, dan memerlukan waktu kira–kira 10 detik untuk mendapatkan tegangan 0.98 volt. inilah tiik ketika keluaran dari pin 8 menjadi 0 v kembali. T₁ menjadi aktif, C₃ mengalami discharge, dan sistem kembali ke keadaan semula. Jika masih terdapat arus pada R-shunt yang melebihi batas (over current), siklus akan berulang kembali.

                      Gambar 5. diagram rangkaian pembatas arus dengan fuse elektronik

Bagaimanapun, interval waktu yang terjadi akan ditentukan oleh waktu pengosongan kapasitor C₃, yaitu kira–kira 1 detik. Kapasitor C₄ dan R₁₆ harus ditambahkan untuk menahan gelombang on-off switching. Sebaliknya pembatas arus akan direspon setiap waktu oleh beban ketika dihidupkan. Ketika controller ini dihubungkan pertama kali, pin 12 merespon masukan lebih lambat dibandingkan pada pin 13 karena adanya C₄. untuk itu, pembatas arus dalam keadaan off setelah pemasangan pertama kali. Sistem kembali dalam keadaan seimbang.

4. Unit Indikator 

Indicator yang digunakan pada rangkaian terdiri dari 3 buah lampu LED dan masing–masing warna memiliki arti yang berbeda, yaitu :

1.      LED warna hijau, sebagai indikator baterai sudah penuh. Jika lampu ini menyala, maka menunjukan unit HVD switching bekerja. Sehingga tidak ada lagi arus yang mengalir ke baterai.

2.      LED warna merah, sebagai indikator baterai kosong (pada tegangan rendah). Jika lampu ini menyala, maka menunjukan unit LVD switching berfungsi. Sehingga arus ke beban terputus.

3.      LED warna kuning, sebagai indikator pembatas arus dan proteksi beban berlebih. Jika lampu ini menyala, unit pembatas arus bekerja. Berfungsinya pembatas arus dengan fuse elektronik, ditandai dengan mati–nyala pada beban (waktu mati sekitar 10 detik) dan menyebabkan terjadinya proses pengisian pada baterai (charging).

5.  Unit Proteksi

5.1  Proteksi Arus Balik

Pada malam hari, tegangan listrik di modul photovoltaic adalah nol, tapi baterai terisi penuh hasil pengisian pada siang hari. Untuk menghindari terjadinya arus balik dari baterai ke modul photovoltaic akibat beda tegangan, maka dipasang dioda penghambat atau blocking dioda pada BCU. Dioda schottky B1645 (D1) dipasang untuk melakukan fungsi tersebut. Biasanya pada modul photovoltaic yang standard juga sudah terpasang dioda penghambat tersebut.

5.2  Proteksi Polaritas Terbalik

Berdasarkan standard dari UL, sebuah BCU atau BCR harus memiliki proteksi terhadap pemasangan polaritas yang terbalik. Pemasangan polaritas kabel yang terbalik dapat terjadi pada modul, baterai, dan beban. Jika terjadi kesalahan polaritas pada modul, maka akan menimbulkan arus hubung singkat yang melewati mosfet T₂. sebab didalam komponen tersebut terdapat juga internal freewalk diode yang bisa mengalirkan arus dari kaki sumber ke cerat. Akibat dari arus hubung singkat ini diperlukan pendingin yang bagus untuk mosfet T₂, karena terdapat rugi energi berupa panas yang tinggi akibat drop tegangan dan arus yang besar. Sehingga pendingin yang baik bisa mengatasi masalah ini.

Polaritas terbalik dari baterai, juga akan mengakibatkan arus short circuit pada baterai. Arus ini mengalir dari polaritas positif ke terminal negatif baterai melalui 2 dioda yaitu schottky dan dioda internal pada mosfet T₂. keadaan ini bisa diatasi dengan adanya fuse.

5.3  Proteksi Hubung Singkat Dan Beban Lebih

Hubung singkat pada beban dapat menimbulkan arus yang besar. Hal ini terjadi mungkin dikarenakan rusaknya beban atau sambungan kabel + dan – karena terkelupas,dsb. Begitu juga pada saat beban lebih, arus yang disuplai ke beban melewati batas maks dari sesifikasi alat. Untuk mengatasi adanya arus yang besar ini rangkaian dilengkapi fuse elektronik dan fuse biasa (kawat termal).

Cara kerja fuse elektronik sudah dijelaskan pada sub bab unit fuse elektronik bab II.fuse kawat dipasang sebagai pendukung (back up) dari fuse elektronik. Ketika fuse elektronik tidak berfungsi masih terdapat fuse kawat untuk melindungi alat. Tujuan dari fuse elektronik adalah untuk menghindari seringnya mengganti fuse kawat setiap kali terjadi arus beban yang melebihi arus maks dan adanya arus hubung singkat.

5.4 Proteksi Tegangan Kejut dari Halilintar

Sesuai dengan standard dunia bahwa perlindungan tegangan kejut dari halilintar pada BCU sangat diperlukan, sebab dibeberapa daerah sering terjadi halilintar. Halilintar yang mengenai modul photovoltaic pada sistem PLTS dapat merusak komponen lain yang terhubung dengan modul. Tegangan induksi pada kabel dari modul photovoltaic yang sangat tinggi dapat menyebabkan kerusakan. Komponen yang dapat meredam tegangan kejut dari halilintar salah satunya adalah metal-oxide varistor (MOV).

Sesuai dengan hasil pengujian yang dilakukan AT&T dan IEC, jika digunakan visitor dengan tegangan stand off 30 volt maka maksimum tegangan puncak yang terjadi tidak 30 volt tapi lebih yaitu sekitar 60 volt. ini berarti jika modul photovoltaic terkena halilintar, tegangan keluaran menjadi 60 volt. sehingga tegangan ini juga ditanggung oleh mosfet dan pada dioda schottky terjadi beda tegangan sebesar 48 volt (gambar 6). ini merupakan kelemahan dari sistem regulator shunt.

              Gambar 6. jatuh tegangan akibat tegangan kejut halilintar

 

 

 

 

Pembangkit Listrik Tenaga Angin

ASAL ENERGI ANGIN

Semua energi yang dapat diperbaharui dan bahkan energi pada bahan bakar fosil-kecuali energi pasang surut dan panas bumi-berasal dari Matahari. Matahari meradiasi 1,74 x 1.014 kilowatt jam energi ke Bumi setiap jam. Dengan kata lain, Bumi menerima 1,74 x 1.017 watt daya.

Sekitar 1-2 persen dari energi tersebut diubah menjadi energi angin. Jadi, energi angin berjumlah 50-100 kali lebih banyak daripada energi yang diubah menjadi biomassa oleh seluruh tumbuhan yang ada di muka Bumi.

Sebagaimana diketahui, pada dasarnya angin terjadi karena ada perbedaan temperatur antara udara panas dan udara dingin. Daerah sekitar khatulistiwa, yaitu pada busur 0°, adalah daerah yang mengalami pemanasan lebih banyak dari Matahari dibanding daerah lainnya di Bumi.

Daerah panas ditunjukkan dengan warna merah, oranye, dan kuning pada gambar inframerah dari temperatur permukaan laut yang diambil dari satelit NOAA-7 pada Juli 1984. Udara panas lebih ringan daripada udara dingin dan akan naik ke atas sampai mencapai ketinggian sekitar 10 kilometer dan akan tersebar ke arah utara dan selatan.

Jika Bumi tidak berotasi pada sumbunya, maka udara akan tiba di kutub utara dan kutub selatan, turun ke permukaan lalu kembali ke khatulistiwa. Udara yang bergerak inilah yang merupakan energi yang dapat diperbaharui, yang dapat digunakan untuk memutar turbin dan akhirnya dapat menghasilkan listrik.

Energi kinetik dari angin dapat digunakan untuk menjalankan turbin angin, beberapa mampu memproduksi tenaga 5 MW. Tenaga keluaran adalah fungsi kubus dari kecepatan angin, maka turbin tersebut paling tidak membutuhkan angin dalam kisaran 5,5 m/d (20 km/j), dan dalam praktek sangat sedikit wilayah yang memiliki angin yang bertiup terus menerus. Namun begitu di daerah pesisir atau daerah di ketinggian, tersedia angin yang cukup konstan.

Pada tahun 2005 telah ada ribuan turbin angin yang beroperasi di beberapa bagian dunia, dengan perusahaan "utility" memiliki kapasitas total lebih dari 47.317MW. Kapasitas merupakan output maksimum yang memungkinkan dan tidak menghitung "load factor".

Ladang angin baru dan taman angin lepas pantai telah direncanakan dan dibuat di seluruh dunia. Ini merupakan cara penyediaan listrik yang tumbuh dengan cepat di abad ke-21 dan menyediakan tambahan bagi stasiun pembangkit listrik utama. Kebanyakan turbin yang digunakan menghasilkan listrik sekitar 25% dari waktu (load factor 25%), tetapi beberapa mencapai 35%. Load factor biasanya lebih tinggi pada musim dingin. Ini berarti bahwa turbin 5MW dapat memiliki output rata-rata 1,7MW dalam kasus terbaik.

TENAGA ANGIN

Tenaga angin dapat dimanfaatkan, misalnya untuk mendorong kapal layar, menggerakkan mesin atau untuk menghasilkan energi listrik (misalnya, kincir angin). Untuk menggerakkan kincir angin diperlukan kecepatan angin rata-rata 4 m/s dalam setahun. Di Indonesia kondisi ini dapat ditemukan di beberapa tempat di NusaTenggara.

Tenaga angin masih berada ditingkat bawah dari konsumsi energi energi di dunia. Tetapi karena bahan bakar utama (minyak bumi, batu bara, gas alam) sedikit demi sedikit akan habis, maka tenaga angin harus lebih banyak digunakan. Tenaga angin akan sangat penting artinya untuk negara-negara miskin karena kayu bakar pun menjadi semakin langka.

Di antara energi terbarui, tenaga angin dan tenaga air saat ini merupakan energi yang paling hemat biaya. 

 Kincir  dan turbin angin

 

MEKANISME TURBIN ANGIN

Sebuah pembangkit listrik tenaga angin dapat dibuat dengan menggabungkan beberapa turbin angin sehingga menghasilkan listrik ke unit penyalur listrik. Listrik dialirkan melalui kabel transmisi dan didistribusikan ke rumah-rumah, kantor, sekolah, dan sebagainya.

Turbin angin dapat memiliki tiga buah bilah turbin. Jenis lain yang umum adalah jenis turbin dua bilah.

Jadi, bagaimana turbin angin menghasilkan listrik? Turbin angin bekerja sebagai kebalikan dari kipas angin. Bukannya menggunakan listrik untuk membuat angin, seperti pada kipas angin, turbin angin menggunakan angin untuk membuat listrik.

Angin akan memutar sudut turbin, kemudian memutar sebuah poros yang dihubungkan dengan generator, lalu menghasilkan listrik. Turbin untuk pemakaian umum berukuran 50-750 kilowatt. Sebuah turbin kecil, kapasitas 50 kilowatt, digunakan untuk perumahan, piringan parabola, atau pemompaan air.

 

JENIS TURBIN ANGIN

Dalam perkembangannya, turbin angin dibagi menjadi jenis turbin angin propeler dan turbin angin Darrieus. Kedua jenis turbin inilah yang kini memperoleh perhatian besar untuk dikembangkan.

Turbin angin propeler adalah jenis turbin angin dengan poros horizontal seperti baling- baling pesawat terbang pada umumnya. Turbin angin ini harus diarahkan sesuai dengan arah angin yang paling tinggi kecepatannya.

Gambar Turbin Angin Propeler

Kecepatan angin diukur dengan alat yang disebut anemometer. Anemometer jenis mangkok adalah yang paling banyak digunakan. Anemometer mangkok mempunyai sumbu vertikal dan tiga buah mangkok yang berfungsi menangkap angin.

Jumlah putaran per menit dari poros anemometer dihitung secara elektronik. Biasanya, anemometer dilengkapi dengan sudut angin untuk mendeteksi arah angin. Jenis anemometer lain adalah anemometer ultrasonik atau jenis laser yang mendeteksi perbedaan fase dari suara atau cahaya koheren yang dipantulkan dari molekul-molekul udara.

 

 Gambar Turbin Angin Darrieus

Turbin angin Darrieus merupakan suatu sistem konversi energi angin yang digolongkan dalam jenis turbin angin berporos tegak. Turbin angin ini pertama kali ditemukan oleh GJM Darrieus tahun 1920.

Keuntungan dari turbin angin jenis Darrieus adalah tidak memerlukan mekanisme orientasi pada arah angin (tidak perlu mendeteksi arah angin yang paling tinggi kecepatannya) seperti pada turbin angin propeler.

Di Indonesia telah mulai dikembangkan proyek percontohan baik oleh lembaga penelitian maupun oleh pusat studi beberapa perguruan tinggi. Proyek ini perlu memperoleh perhatian dari pihak yang terkait untuk dikembangkan karena membutuhkan riset yang cukup intensif mengenai kecepatan angin, lokasi penempatan turbin angin, serta cara untuk mengatur pembebanan turbin yang tidak merata. Misalnya pada malam hari angin cukup kencang, sedangkan pada pagi dan siang hari kecepatan angin turun sehingga harus ada mekanisme penyimpanan energi serta mekanisme untuk menstabilkan fluktuasi tegangan listrik yang dihasilkan.

 

DATA NYATA 

Diagram dibawah  memperlihatkan adalah sumber tenaga yang berubah-ubah. Diagram memperlihatkan hasil sebuah turbin dengan kapasitas pembangkit dari dua ratus kilowatt selama sebulan.

Hasilnya berbeda-beda, dalam minggu terbaik hanya dapat menghasilkan delapan puluh kilowatt.

Meskipun demikian dibeberapa bagian dunia ada angin yang berhembus pada waktu-waktu yang tetap dalam setahun dan turbin angin memang memanfaatkan angin tersebut.

Walaupun tenaga angin berubah-ubah dan kelebihan angina sukar disimpan, tetapi penggunaannya tetap bermanfaat karena setiap kali kita menggunakan tenaga angin, kita menghemat bahan bakar fosil (minyak bumi, gas alam, batu bara) yang berharga.

            Amerika Serikat telah menjadi salah satu produsen energi angin terkemuka beberapa pemerintah Negara bagian memberikan keringanan pajak pada orang-orang yang membangun turbin angin atau menenemkan modal dalam kumpulan turbin angin. 

            Inggris mempunyai turbin angin yang besar yang ditempatkan di kepulauan Orkney, salah satu tempat didunia dengan angin terbanyak. Para insinyur inggris juga tertarik untuk membangun kumpulan turbin angin di laut.

            Swedia mempunyai beberapa turbin angin. Dua jenis turbin besar sejenis 2 s telah dibangun sebagai suatu eksperimen, turbin-turbin itu sedang dalam penelitian untuk mementukan yang mana yang terbaik.

            Jerman Barat mempunyai turbin angin terbesar di eropa. Jenis Growian mempunyai daun rotor yang berdiameter 100 meter. Growian berarti proyek angin besar.

           Jepang membangun turbin-turbin angin kecil dalam jumlah yang banyak untuk membangkitkan listrik dan untuk pemanasan di daerah-daerah yang terpencil. Menggunakan turbin-turbin kecil jauh lebih murah daripada mengalirkan listrik dari jaringan utama ke daerah semacam itu.

          Republic Rakyat Cina (RRC) telah banyak mendirikan turbin angin kecil, sedangkan tetangganya Mongolia menggunakan turbin-turbin yang dapat dibawa ke mana-mana. Turbin-turbin ini memberikan tenaga untuk penerangan, pagar listrik dan bahkan dipakai untuk minuman panas oleh para pengembala yang berpindah-pindah.

Bagian - Bagian Turbin Angin

a)      Nacelle : merupakan elemen utama karena berfungsi melindungi elemen – elemen vital seperti  gearbox dan electrical generator. Dapat dikatakan nacelle ini sebagai badan pembungkusnya. Di depan nacelle terdapat turbin, rotor blade, dan hub.

b)      Rotor Blade : merupakan elemen yang berfungsi untuk menangkap energi angin dan energi yang diperoleh akan di transfer melalui hub. Untuk kincir angin modern dengan kapasitas daya 600kW, panjang dari  rotor blade mencapai 20 meter (66 feet) dan umumnya di desain seperti desain sayap pesawat terbang.

c)      Hub : Dihubungkan dengan low speed shaft dari kincir angin itu sendiri.

d)      Low Speed Shaft : elemen ini menghubungkan antara rotor hub dengan gearbox. Pada kincir angin dengan kapasitas daya 600 kW, kecepatan dari rotor relatif rendah yaitu sekitar 19 – 30 rotasi per menit (RPM). Elemen shaft mengandung pipa yang berfungsi sebagai system hidrolik dari kincir untuk mengaktifkan pengereman aerodinamis (aerodynamic brakes).

e)      Gearbox :  memiliki low speed shaft pada saat ke arah kiri dan mengakibatkan high speed shaft berputar lebih cepat ke arah kanan dengan besar 50 kali lebih cepat.

f)        High Speed Shaft :  berputar dengan kecepatan sekitar 1500 RPM untuk kemudian membangkitkan generator. Elemen ini diperlengkapi dengan mechanical disk brake yang digunakan untuk mengatasi kegagalan pengereman aerodinamis atau pada saat turbin sedang diperbaiki.

g)      Electrical Generator : mempunyai nama lain generator induksi atau generator asinkron. Pada kincir angin yang modern daya listrik maksimum yaitu sekitar 500 – 1500 kW.

h)      Electronic Controller :  berfungsi untuk memonitor keadaan dari kincir angin guna menjaga bila terdapat kesalahan seperti gearbox ataupun rotor yang kepanasan. Secara otomatis kincir akan berhenti berputar dan segera menghubungi petugas operator melalui modem link.

i)        Cooling Unit : instrumen yang terdapat pada cooling unit yaitu kipas elektris yang berfungsi untuk mendinginkan  electrical generator. Selain kipas juga terdapat oil cooling unit yang berfungsi untuk mendinginkan gearbox. Pada beberapa jenis kincir terdapat juga instrumen water – cooled generator.

j)        Tower : merupakan bagian yang vital karena berfungsi menyangga turbin angina itu sendiri. Pada kincir angin modern tinggi tower biasanya mencapai 40 – 60 meter. Tower dapat dibedakan menjadi bentuk tubular seperti gambar di atas dan bentuk lattice. Keuntungan dari bentuk tubular yaitu aman sedang untuk lattice mempunyai biaya yang murah.

k)      Anemometer and wind vane : anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan dan arah angin, sinyal elektronis dari anemometer ditangkap oleh electronic controller yang kemudian digunakan untuk memulai memutar kincir. Kincir akan berputar jika kecepatan angin paling tidak  5 m/s atau 10 knots dan akan berhenti secara otomatis pada kecepatan 25 m/s atau 50 knots. Ini dilakukan untuk melindungi turbin dan lingkungan sekitar.

 

Untuk Gambar Lebih Dekatnya

Referensi

Cross, Mike. Energi Masa Kini “Tenaga Angin”. PT Pradnya Paramita : Jakarta. 1987.
www. ewea. org
Safarudin, Mochamad. Artikel Koran Kompas. “Turbin Angin sebagai Alternatif Pembangkit Listrik”.

PRINSIP ENERGI ANGIN

Penyerapan energi panas matahari dimanfaatkan oleh atmosfer bumi sebagai suatu penyimpanan energi thermal. Energi angin timbul sebagai gerak konveksi dari atmosfer yang timbul ke energi kinetik meskipun jumlahnya tidak terlalu besar.
Kemudian, Hubbert melakukan perkiraan bahwa konveksi arus yang ditimbulkan oleh lautan dan atmosfer bergabung membentuk suatu energi, yang bila dimanfaatkan dapat memenuhi 3% kebutuhan energi dunia pada tahun 1972.

Tenaga Total
Tenaga total aliran angin adalah sama dengan laju energi kinetik aliran yang datang, K Ei
P_(tot )=m KE_i=m (V_i^2)/(2g_c )
Dimana, Ptot = Tenaga total (watt atau ft-lbf)
m = Laju aliran massa (Kg/s atau lbm/jam)
Vi = Kecepatan aliran (m/det atau ft/jam)
gc = faktor konversi = 1,9 Kg/N.s2
atau 4,17 x 108 lbm- ft/lbf-jam
laju aliran massa diberikan oleh persamaan kontinuitas
m= ρ A V_i
Dimana, ρ = massa jenis angin (Kg/m3 atau lbm/ft3 )
A =Luas penampang melintang aliran (m2 atau ft2)
Sehingga,
P_(tot )= 1/(2g_c ) ρ A〖 V〗_i^2


Tenaga maksimum
Dari persamaan tenaga total, asumsikan massa jenis udara konstan, tidak ada perubahan energi potensial, dan tidak ada kerja dan panas yang ditambahkan atau dibuang. Maka akan diperoleh tenaga maksimum,
P_maks= 8⁄27 g_c ρ A V_i^3
Efisiensi teoritis ideal, atau maksimum (juga disebut power coefficient) dari turbin angin adalah perbandingan tenaga maksimum yang diperoleh dari angin terhadap tenaga total angin:
η_maks= P_maks⁄(P_tot= 16⁄27=0.5926)
Tenaga Aktual
Karena roda turbin angin tidak dapat tertutup sempurna, dan karena sebab lain, dalam praktiknya turbin hanya dapat mencapai 50 – 70% dari effisiensi idealnya.
Efisiensi aktual (η) adalah perkaliannya dengan ηmaks dan adalah perbandingan tenaga aktual terhadap tenaga total;
P= η P_tot= η 1/(2g_c ) ρ A〖 V〗_i^3
Gaya pada Sudu
Gaya pada sudu jenis propeler ada dua macam, yaitu gaya keliling (circumferencial force) arahnya adalah rotasi roda yang mengakibatkan torsi, dan gaya aksial ke arah angin yang menyebabkan gaya aksial (axial thrust).
Gaya, keliling, atau torsi T, diperoleh dari:
T= P/ω=P/πDN
Dimana: T = Torsi (N atau lbf)
 = kecepatan anguler roda turbin (rpm)
D = diameter roda turbin = (4A/π)0.5 (m atau ft)
N = putaran roda tiap satuan waktu (S-1)

Untuk turbin yang beroperasi pada P, torsi diberikan oleh:
T= η 1/(8g_c ) (ρDV_i^3)/N
Untuk turbin yang beroperasi pada ηmaks = 16/27,torsi diberikan oleh:
T_maks= 2/(27g_c ) (PDV_i^2)/N
Gaya aksial diberikan oleh:
F_x=2/(2g_c ) ρA(V_i^2-V_e^2 )=π/(8g_c ) ρD^2 (V_i^2-V_e^2 )
Gaya aksial pada roda turbin yang beroperasi pada efisiensi maksimum dimana Ve=1/3 Vi diberikan oleh:
F_(x,maks)=4/(9g_c ) ρAV_i^2=π/(9g_c ) ρD^2 V_i^2

Konversi Energi dari Limbah Industri Kertas Tanggulangi Masalah Lingkungan

LIMBAH industri yang tidak termanfaatkan menjadi potensi penumpukan limbah yang cukup besar. Jika tidak segera ditanggulangi dpat menjadi masalah lingkungan.
Limbah industri tersebut seperti serbuk gergaji pada industri pengolahan kayu dan Lumpur pada indistri pembuatan kertas. Juga limbah organic dari tumbuh – tumbuhan seperti sekam padi dan sayur – sayuran, “ kata Ir M Affendi, Peneliti energi dari pusat Penelitian Fisika, LIPI Bandung. Limbah – limbah itu disebut bio massa padat yang dapat dikonversi menjadi energi lain, bio massa padat berfungsi sebagai bahan baker alternative yang diubah menjadi energi uap. Konversi energi ini menggunakan alat Fluidized Bed Combustion atau tungku apung dan Fluidized Bed Boiler.
Sebenarnya pengolahan limbah ini tidak menguntungkan secara ekonomi, tetapi lebh ditujukan sebagai penanggulangan terhadap masalah lingkungan. Cukup biaya yang tinggi untuk membuat alat ini daripada memusnahkan tanpa mengambil manfaatnya maka dipergunakan sistem pemusnahan dengan alay ini.
Dengan alat ini limbah Lumpur dari industri pembuatan kertas dapat dimanfaatkan dan dikonversi menjadi energi lain. Karena masih memiliki kandungan serat yang cukup tinggi, Lumpur kertas ini dipisahkan terlebih dahulu airnya,dengan cara disedot dan dikurangi kadar airnya hingga 75 % lalu endapannya ini yang dimanfaatkan.
Sedangkan limbah sayuran kurang efisien untuk dimanfaatkan karena banyak sekali mengandung air dan sangat sulit sekali untuk dibakar.
PENGOLAHAN limbah padat lumpur kertas untuk diubah menjadi tenaga uap panas menggunakan alat Fluidized Bed Combustion ( FBC ) atau tungku unggun fluidisasi karena bahan baker yaitu Lumpur kertas yang berasala dari IPAL ( Instalasi Pengolahan Air Limbah ) terus mengalir ke tungku. Disebut tungku apung karena limbah yang dibakar dibakar di dalam tungku apung berkisar antara 400 – 5000C, apabila suhu dibawah 3000C dapat menyebabkan api padam.
Sebelum terjadi pembakaran dengan sendirinya didalam tungku, dilakukan pembakaran awal. Setelah pembakaran didalam tungku berjalan konstan, pembakaran awal tersebut dimatikan. Limbah padat Lumpur kertas ini setelah melalui pembakaran akan menghasilkan zat terbang dan arang. Zat terbang ini terbakar dan menyala dalam waktu singkat dan terlihat sebagai lidah api. Sedangkan pembakaran arang relative lebih lambat. Selanjutnya hasil pembakaran melalui alat penukar kalor atau panas ( heat exchanger ). Hasil pembakaran dan udara diubah menjadi uap yang lebih panas, uap ini yang dimanfaatkan untuk pembangkit listrik ( turbin uap ) atau proses pemasakan diindustri. Proses pemasakan seperti proses digester ( pencerna ) dan heater ( pemanas ) atau dryer ( pengering ). Sedangkan asap hasil pembakaran dibuang melalui cerobong. Nilai kalor proses fluidisasi ini bias mencapai sekitar 3000 kkal / kg