pembangkit listrik

KAJIAN POTENSI ANGIN

Untuk

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

Oleh :

Nama                   : Punta H. I.

Nomor        : 30

Jurusan       : IPA

SMA Negeri 15

Surabaya

KAJIAN POTENSI ANGIN

Untuk

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA BAYU

Diajukan untuk memenuhi salah satu tugas mata pelajaran Fisika

Oleh :

Nama                   : Punta H. I.

Nomor        : 30

Jurusan       : IPA

SMA Negeri 15

Surabaya

KATA PENGANTAR

Dengan memanjatkan segala puji dan syukur kehadirat Allah SWT. Atas segala limpahan rahmat, anugerah dan hidayah-Nya yang telah diberikan sehingga kami dapat menyelesaikan laporan pada mata pelajaran fisika ini.

Laporan fisika ini merupakan salah satu syarat bagi siswa sehubungan dengan adanya nilai tugas. Dalam laporan ini terdapat sebuah hasil pengamatan yang telah kami lakukan.

Dalam penulisan laporan ini, tentunya masih banyak sekali kekurangan di sana-sini. Oleh karena itu, kami mengharapkan adanya saran dan kritik yang membangun .

Akhir kata, semoga laporan ini dapat berguna bagi siapa saja yang membacanya. Terima kasih.

Surabaya, 02 Desember 2008

Penulis    

Latar Belakang

Kebutuhan energi di Indonesia khususnya dan di dunia pada umumnya terus meningkat karena pertambahan penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pola konsumsi energi itu sendiri yang senantiasa meningkat. Sedangkan energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi utama—seperti yang diperlihatkan Gambar 1.1—ketersediaannya sangat terbatas dan terus mengalami deplesi (depletion: kehabisan, menipis). Proses alam memerlukan waktu yang sangat lama untuk dapat kembali menyediakan energi fosil ini.

Menurut Blueprint Pengelolaan Energi Nasional yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral (DESDM) pada tahun 2005, cadangan minyak bumi di Indonesia pada tahun 2004 diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 18 tahun dengan rasio cadangan/produksi pada tahun tersebut. Sedangkan gas diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 61 tahun dan batubara 147 tahun, seperti yang diperlihatkan Tabel 0.1 di bawah ini.

Rasio antara cadangan dan produksi untuk energi fosil di dunia diperlihatkan juga dalam tabel tersebut sebagai bahan rujukan. Perkiraan rasio ini dihitung berdasarkan jumlah penduduk dan pola konsumsi energi pada saat itu. Apabila mempertimbangkan laju pertambahan penduduk yang eksponensial dan konsumsi energi yang terus meningkat, tentunya kurun waktu tersebut dapat diperkirakan akan jauh lebih cepat lagi. Upaya-upaya pencarian sumber energi alternatif selain fosil menyemangati para peneliti di berbagai negara untuk mencari energi lain yang kita kenal sekarang dengan istilah energi terbarukan. Energi terbarukan dapat didefinisikan sebagai energi yang secara cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Energi terbarukan meliputi energi air, panas bumi, matahari, angin, biogas, bio mass serta gelombang laut. Beberapa kelebihan energi terbarukan antara lain: Sumbernya relatif mudah didapat; dapat diperoleh dengan gratis; minim limbah, tidak mempengaruhi suhu bumi secara global, dan tidak terpengaruh oleh kenaikkan harga bahan bakar (Jarass, 1980).

Definisi Energi Terbarukan

Menurut Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral (DESDM): Energi terbarukan adalah energi yang dapat diperbaharui dan apabila dikelola dengan baik, sumber daya itu tidak akan habis. Menurut World Council for Renewable Energy (WCRE): Renewable energy includes solar, wind, hydro, oceanic, geothermal, biomass, and other sources of energy that are derived from “sun energy”, and are thus renewed indefinitely as a course of nature. Forms of useable energy include electricity, hydrogen, fuels, thermal energy and mechanical force. More broadly speaking, renewable energy is derived from non-fossil and non-nuclear sources in ways that can be replenished, are sustainable and have no harmful side effects. The ability of an energy source to be renewed also implies that its harvesting, conversion and use occur in a sustainable manner, i.e. avoiding negative impacts on the viability and rights of local communities and natural ecosystems.

Pertimbangan konservasi energi dan lingkungan hidup memang menuntut kita untuk segera dapat memanfaatkan energi terbarukan—yang tersedia dengan mudah dan lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan energi fosil. Tetapi seperti kita ketahui, khususnya di Indonesia, pemanfaatan potensi energi terbarukan seperti air, angin, biomasa, panas bumi, surya dan samudera, sampai saat ini masih belum optimal (lihat Tabel 0.2). Misalnya, untuk kasus energi angin, sampai dengan tahun 2004, kapasitas terpasang dari pemanfaatan tenaga angin hanya mencapai 0.5 MW dari 9.29 GW potensi yang ada.

Hal ini terutama karena beberapa kendala seperti di bawah ini:

1. Sering dianggap belum kompetitif dibandingkan dengan energi fosil, karena:

Ø  Kemampuan SDM yang masih rendah.

Ø  Rekayasa dan teknologi pembuatan sebagian besar komponen utamanya belum dapat dilakukan di dalam negeri, jadi masih harus impor.

Ø  Iklim investasi belum kondusif. Biaya investasi pembangunan yang tinggi menimbulkan masalah finansial pada penyediaan modal awal.

Ø  Belum tersedianya data potensi sumber daya yang lengkap, karena masih terbatasnya kajian/studi yang dilakukan.

2. Akses masyarakat terhadap energi masih rendah (DESDM, 2005).
3. Peran Pemerintah yang kurang:

Ø  Belum terlihat adanya sense of urgency

Ø  Antar lembaga pemerintah kurang sinergis

Ø  Masih kurang dapat menyediakan insentif-insentif

Beberapa strategi yang mungkin dilakukan untuk mengatasi kendala-kendala tersebut di atas, antara lain:

1. Meningkatkan kegiatan studi dan penelitian yang berkaitan dengan:

a.             Identifikasi setiap jenis potensi sumber daya energi terbarukan secara lengkap di setiap wilayah;

b.            Upaya perumusan spesifikasi dasar dan standar rekayasa sistem konversi energinya yang sesuai dengan kondisi di Indonesia;

c.             Pembuatan prototype yang sesuai dengan spesifikasi dasar dan standar rekayasanya;

d.            Pengumpulan pendapat dan tanggapan masyarakat tentang pemanfaatan energi terbarukan tersebut.

2. Memasyarakatkan pemanfaatan energi terbarukan sekaligus mengadakan analisis dan evaluasi lebih mendalam tentang kelayakan operasi sistem di lapangan dengan pembangunan beberapa proyek percontohan.
3. Memberikan prioritas pembangunan pada daerah yang memiliki potensi sangat tinggi, baik teknis maupun sosio-ekonominya.

1.      Energi Angin

Salah satu energi terbarukan yang berkembang pesat di dunia saat ini adalah energi angin. Energi angin merupakan energi terbarukan yang sangat fleksibel. Energi angin dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya pemompaan air untuk irigasi, pembangkit listrik, pengering atau pencacah hasil panen, aerasi tambak ikan/udang, pendingin ikan pada perahu-perahu nelayan dan lain-lain. Selain itu, pemanfaatan energi angin dapat dilakukan di mana-mana, baik di daerah landai maupun dataran tinggi, bahkan dapat di terapkan di laut, berbeda halnya dengan energi air. Pemanfaatan energi angin ini, selain dapat mengurangi ketergantungan terhadap energi fosil, diharapkan juga dapat meningkatkan efektifitas dan efisiensi sistem pertanian, yang pada gilirannya akan meningkatkan produktifitas masyarakat pertanian. Walaupun pemanfaatan energi angin dapat dilakukan di mana saja, daerah-daerah yang memiliki potensi energi angin yang tinggi tetap perlu diidentifikasi agar pemanfaatan energi angin ini lebih kompetitif dibandingkan dengan energi alternatif lainnya. Oleh karena itu studi potensi pemanfaatan energi angin ini sangat tepat dilakukan guna mengidentifikasi daerah-daerah berpotensi. Angin selama ini dipandang sebagai proses alam biasa yang kurang memiliki nilai ekonomis bagi kegiatan produktif masyarakat. Secara umum, pemanfaatan tenaga angin di Indonesia memang kurang mendapat perhatian. Sampai tahun 2004, kapasitas terpasang dari pemanfaatan tenaga angin hanya mencapai 0.5 MW dari 9.29 GW potensi yang ada (DESDM, 2005). Padahal kapasitas pembangkitan listrik tenaga angin di dunia telah berkembang pesat dengan laju pertumbuhan kumulatif sampai dengan tahun 2004 melebihi 20 persen per tahun. Dari kapasitas terpasang 5 GW pada tahun 1995 menjadi hampir 48 GW pada akhir tahun 2004 tersebar dalam 74,400 turbin angin di sekitar 60 negara (BTM Consults ApS, 2005). Untuk mendukung program diversifikasi energi dan Kebijakan Energi Hijau Nasional (Pengembangan Energi Terbarukan dan Konservasi Energi), sudah semestinya kajian-kajian pengembangan sumber-sumber energi alternatif khususnya energi terbarukan  lebih disemarakkan untuk berbagai kepentingan. Studi potensi pemanfaatan tenaga angin ini merupakan satu tahapan penting dalam pengembangan dan pemasyarakatan penggunaan energi terbarukan untuk berbagai kegiatan produktif masyarakat di daerahdaerah di wilayah Indonesia.

2.      Potensi energi angin.

Pengukuran Data Angin

Studi potensi pemanfaatan tenaga angin dilakukan dengan kerangka kegiatan seperti terlihat pada Gambar 1.3 Kajian data sekunder akan memulai studi ini diikuti dengan observasi melalui survey lapangan untuk mendapatkan data primer. Data sekunder dan hasil observasi dianalisis untuk dijadikan dasar rancangan umum sistem konversi energi angin (SKEA). Untuk memperoleh data yang dapat dipercaya dan konsisten di lokasi, juga harus diperhatikan letak aktual anemometer, jarak dan tinggi bangunan-bangunan yang terdekat, vegetasi, pohon-pohonan dan bukit-bukit atau gundukan-gundukan terdekat yang dapat menjadi rintangan sehingga menimbulkan aliran berolak Kecepatan angin pada ketinggian di mana turbin angin dipasang akan diekstrapolasi dari data yang didapat dengan mempertimbangkan kekasaran permukaan setempat dan lapisan batas atmosfir.

Pengukuran data angin ini dilakukan bukan untuk dasar perancangan tetapi lebih ditujukan untuk keperluan sebagai berikut :

1. Mengetahui karakteristik angin lokal.

2. Mengumpulkan informasi yang dapat dijadikan dasar untuk menentukan peruntukkan dan kesesuaian rancangan.

3. Bahan komparasi terhadap data sekunder.

Analisis Potensi Angin

Analisa potensi angin dapat memberikan informasi mengenai:

• Pola angin berkala dalam periode tertentu,

• Durasi kecepatan angin rendah dan kecepatan angin tinggi,

• Kecepatan angin di daerah yang tidak jauh dengan lokasi pengukuran,

• Berapa banyak energi yang dapat tersedia pertahunnya.

Distribusi Waktu

Plot data bulanan dengan rata-rata perhari dalam bentuk histogram memperlihatkan fluktuasi angin perharinya. Dari grafik ini kecepatan angin rata-rata perbulan dan pertahun dapat dihitung. Jika resolusi sampling pengambilan data rata-rata semakin kecil, misalkan 10 menit, informasi tambahan yang sangat berguna seperti kecepatan angin gust dapat juga dikumpulkan. Informasi lain yang didapat dari distribusi waktu adalah informasi mengenai perioda angin rendah di bawah suatu kecepatan angin rujukan. Untuk SKEA mekanikal informasi ini berguna dalam menentukan ukuran volume bak penampungan. Sedangkan untuk yang elektrikal, informasi ini berguna untuk mengetahui perioda di mana turbin angin tidak beroperasi.

Distribusi Frekwensi

Dalam kajian sumber daya angin, selain informasi mengenai distribusi kecepatan angin dalam kurun waktu tertentu, informasi mengenai jumlah jam perbulan atau pertahun untuk setiap nilai kecepatan angin diperlukan juga. Informasi ini disebut dengan distribusi frekwensi kecepatan angin. Distribusi frekwensi kecepatan angin disajikan dalam bentuk histogram dengan ordinat jam dan aksis interval kecepatan angin. Histogram yang paling tinggi menunjukkan kecepatan angin yang paling sering terjadi tetapi bukan kecepatan angin rata-rata. Untuk daerah dengan kecepatan angin tidak terlalu bervariasi, bisa jadi kecepatan angin rata-rata adalah kecepatan angin yang paling sering terjadi. Tetapi di daerah dengan kecepatan angin yang sangat berfluktuatif pada umumnya kecepatan angin rata-rata lebih tinggi dibanding dengan kecepatan angin yang paling sering terjadi. Jika diberikan suatu distribusi frekwernsi, kecepatan angin rata-rata dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut,

Di sini, V adalah kecepatan angin dan t adalah waktu. Selain untuk mengetahui kecepatan angin rata-rata dengan cepat, distribusi frekwensi juga dipakai untuk menghitung keluaran energi turbin angin.

Distribusi Durasi dan Distribusi Kumulatif

Penyajian data angin dalam bentuk distribusi durasi berguna untuk mengetahui jumlah jam di mana kincir/turbin angin akan bekerja dan jumlah jam di mana kincir/turbin angin akan menghasilkan daya yang berlebihan. Jika kurva yang didapat lebih horisontal maka daerah kecepatan angin tertentu akan lebih konstan. Sebaliknya semakin curam kurva distribusi durasi maka pola angin di berbagai daerah aliran semakin fluktuatif. Kebalikan dari distribusi durasi adalah distribusi kumulatif. Distribusi kumulatif akan memberikan informasi mengenai jumlah jam di mana kincir/turbin angin tidak dapat beroperasi pada angin rendah atau berapa jam turbin angin beroperasi di bawah daya nominalnya. Data angin sering juga disajikan dalam bentuk distribusi waktu untuk angin-angin berkecepatan rendah saja (Duration of Calms), misalkan di bawah 2, 3 atau 4 m/s. Sumbu Vertikal dari histogram ini adalah persentasi waktu total sedangkan sumbu horisontal disajikan dalam kelipatan logaritma pangkat 2n. Total Duration of Calms yang merupakan distribusi durasi untuk kecepatan-kecepatan angin rendah saja bermanfaat untuk melihat jumlah jam di mana turbin angin tidak dapat beroperasi.

Distribusi Weibull

Data angin ini juga akan didekati dengan suatu fungsi kintinyu berupa distribusi Weibull untuk mendapatkan prediksi yang akurat mengenai keluaran turbin angin dan juga untuk mengetahui karakteristik pola angin. Dengan melihat berbagai bentuk histogram penyajian data, dapat dicari informasiinformasi yang dibutuhkan mengenai karakteristik pola angin di suatu lokasi. Dengan mendekati data dengan menggunakan fungsi distribusi tertentu akan lebih berguna untuk meramalkan keluaran turbin angin dengan lebih akurat dan juga untuk mengetahui berbagai informasi mengenai pola angin. Fungsi distribusi yang sangat mendekati dengan data angin seperti ini adalah fungsi Weibull. Fungsi Weibull yang digunakan di sini adalah Fungsi Distribusi Kumulatif dan Fungsi Densitas Probabilitas. Fungsi Distribusi Kumulatif F(V) menunjukkan fraksi atau kemungkinan di mana keceptan angin tertentu lebih kecil atau sama dengan suatu kecepatan angin referensi dan didefinisikan dengan formulasi berikut,

Sedangkan Fungsi Densitas Probabilitas f(V) dan Fungsi Distribusi Durasi S(V) masing-masing didefinisikan sebagai,

dan

Di mana k dan c masing-masing disebut sebagai parameter bentuk dan parameter skala yang harus dicari dari data hasil pengukuran.

3.      Sumber Daya Energi Angin

Energi Angin

Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari. Karena bergerak angin memiliki energi kinetik. Energi angin dapat dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Oleh karena itu, kincir atau turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Daya adalah energi per satuan waktu. Daya angin berbanding lurus dengan kerapatan udara, dan kubik kecepatan angin, seperti diungkapkan dengan persamaan berikut:

Persamaan mengenai daya angin ini dapat dijabarkan sebagai berikut. Karena perbedaan kerapatan udara di dataran rendah dan di daerah yang tinggi, energi angin yang dapat diekstrak di daerah pantai akan lebih besar dibandingkan dengan yang di pegunungan. Kemudian, apabila suatu tempat memiliki kecepatan angin 2 kali lebih cepat dari tempat lain, tempat pertama tersebut memiliki energi angin 8 kali lebih besar. Oleh karena itu, pemilihan lokasi sangat menentukan besarnya penyerapan energi angin. Daya angin maksimum yang dapat diekstrak oleh turbin angin dengan luas sapuan rotor A adalah,

Angka 16/27 (=59.3%) ini disebut batas Betz (Betz limit, diambil dari ilmuwan Jerman Albert Betz). Angka ini secara teori menunjukkan efisiensi maksimum yang dapat dicapai oleh rotor turbin angin tipe sumbu horisontal. Pada kenyataannya karena ada rugi-rugi gesekan dan kerugian di ujung sudu, efisiensi aerodinamik dari rotor, çrotor ini akan lebih kecil lagi yaitu berkisar pada harga maksimum 0.45 saja untuk sudu yang dirancang dengan sangat baik. Maka daya yang dapat diserap oleh turbin angin menjadi

Untuk beberapa turbin angin yang dipakai pada pemompaan air mekanikal dapat digunakan formula yang sudah biasa dipakai yaitu :

di mana V adalah kecepatan rata-rata pada lokasi tersebut.

Faktor Pola Energi

Faktor pola energi kE didefinisikan sebagai,

Potensi energi angin di suatu lokasi adalah merupakan daya angin yang tersedia di lokasi tersebut dan dikoreksi dengan menggunakan faktor pola energi kE,

Profil Geseran Angin (Wind Shear Profile) Angin seperti fluida yang lain pada umumnya mempunyai profil geseran atau profil kecepatan ketika mengalir melewati benda padat, misalnya permukaan bumi. Pada tepat di permukaan bumi, kecepatan relatif angin terhadap permukaan bumi sama dengan nol. Kemudian kecepatan ini menjadi semakin tinggi sebanding ketinggian dari permukaan bumi. Ada dua jenis profil geseran angin yang biasa digunakan untuk menghitung energi: profil geseran angin eksponensial (exponential wind shear profile) dan profil geseran angin kekasaran permukaan (surface roughness wind shear stress). Gambar 1.5 menunjukkan profil geseran fluida eksponensial yang diungkapkan dengan rumus berikut:

Di mana, v adalah kecepatan pada ketinggian h, vref dan href masing-masing adalah kecepatan dan ketinggian di mana pengukuran dilakukan. Profil ini tergantung pada kekasaran permukaan. Untuk fluida secara umum á mempunyai nilai 1/7. Profil angin pada daerah yang memiliki banyak pepohonan seperti perkebunan atau hutan, nilai a dapat mencapai 0.3, sedangkan untuk laut atau daerah-daerah yang terbuka, a mempunyai nilai 0.1.

Pemilihan Tempat Pemasangan

Secara umum tempat-tempat yang baik untuk pemasangan turbin angin antara lain:

1. Celah di antara gunung. Tempat ini dapat berfungsi sebagai nozzle, yang mempercepat aliran angin.

2. Dataran terbuka. Karena tidak ada penghalang yang dapat memperlambat angin, dataran terbuka yang sangat luas memiliki potensi energi angin yang besar.

3. Pesisir pantai. Perbedaan suhu udara di laut dan di daratan menyebabkan angin bertiup secara terus menerus.

Pada prakteknya, penentuan tempat pemasangan sistem konversi energi angin dapat ditentukan dengan cara:

Ø  Pilih Tempat. Tempat ditentukan sesuai kebutuhan, kemudian potensi energi angin dikaji dari data yang didapat. Cara ini mempertimbangkan:

-          aksesibilitas baik untuk pekerjaan konstruksi maupun perawatan,

-          kondisi sosial budaya setempat,

-          kepentingan lain

Ø  Pilih Potensi. Pemilihan tempat berdasarkan besarnya potensi energi angin yang tersedia. Semakin besar kecepatan angin rata-rata di suatu tempat akan semakin baik. Semakin tinggi potensi energi yang tersedia akan memberikan keuntungan berupa ukuran sistem konversi energi angin yang semakin kecil dan tidak perlu terlalu efisien sehingga pembuatannya akan lebih mudah dan murah.

Hal-hal lain yang harus diperhatikan dalam pemasangan sistem konversi energi angin, antara lain:

Ø  Untuk kegunaan elektrikal jarak tempat pemasangan harus cukup dekat dengan beban pengguna agar tidak ada kerugian yang berlebih. Pengurangan tegangan lebih dari 5% sudah dianggap sangat besar untuk sistem tegangan 12 VDC dan 24 VDC. Jarak lebih dari 300 m harus dihindari kecuali jika digunakan tegangan tinggi 220 VAC.

Ø  Tempat pemasangan harus dilindungi atau dipagari agar terhindar dari aksi perusakan. Sebaiknya lokasi pemasangan harus dapat dipantau dengan mudah dari jalan atau tempat beban pengguna. Tempat-tempat di mana terdapat kecepatan angin yang sangat kencang dan dapat merusak pada waktu-waktu tertentu tidak direkomendasikan.

Ø  Aliran angin di dekat permukaan bumi akan semakin mengecil dan mencapai harga nol di permukaan tanah. Profil kecepatan angin ini disebut dengan lapisan batas atmosfir. Permukaan bumi memiliki tingkat kekasaran yang berbeda-beda. Semakin kasar permukaan bumi akan semakin tebal lapisan batas atmosfir. Dengan semakin besarnya lapisan batas atmosfer maka kecepatan angin pada ketinggian tertentu akan semakin kecil. Dengan demikian tempat pemasangan harus diarahkan pada tempat dengan tingkat

Ø  kekasaran yang rendah seperti daerah lepas pantai, daerah pantai, padang rumput, dan tempat-tempat dengan tumbuh-tumbuhan dan bangunan yang tidak terlalu tinggi.

Ø  Turbin angin yang digunakan untuk keperluan pengisian batere biasanya ditempatkan di perahu, bangunan atau rumah. Lokasi pemasangan harus diperhatikan agar aliran yang datang pada sistem konversi energi angin ini tidak turbulen atau tidak berbalik arah di bagian belakang. Untuk hal ini ada aturan atau konvensi bahwa turbin angin harus lebih tinggi sekitar 10 m dari pohon atau bangunan tertinggi di tempat tersebut. Lokasi pemasangan juga setidaknya harus berjarak minimal sekitar 10 kali dari diameter rotor terhadap hambatan atau rintangan terdekat.

4.      Teknologi Turbin Angin

Jenis Turbin Angin

Turbin angin dibagi menjadi dua kelompok utama berdasarkan arah sumbu:

1. Horizontal.

Turbin angin dengan sumbu horizontal mempunyai sudu yang berputar dalam bidang vertikal seperti halnya propeler pesawat terbang. Gambar 1.6 memperlihatkan berbagai jenis turbin angin horizontal. Turbin angin biasanya mempunyai sudu dengan bentuk irisan melintang khusus di mana aliran udara pada salah satu sisinya dapat bergerak lebih cepat dari aliran udara di sisi yang lain ketika angin melewatinya. Fenomena ini menimbulkan daerah tekanan rendah pada belakang sudu dan daerah tekanan tinggi di depan sudu. Perbedaan tekanan ini membentuk gaya yang menyebabkan sudu berputar.

2. Vertikal.

Turbin angin dengan sumbu vertikal bekerja dengan prinsip yang sama seperti halnya kelompok horizontal. Namun, sudunya berputar dalam bidang yang paralel dengan tanah, seperti mixer kocokan telur. Setiap jenis turbin angin memiliki ukuran dan efisiensi yang berbeda. Untuk memilih jenis turbin angin yang tepat untuk suatu kegunaan diperlukan tidak hanya sekedar pengetahuan tetapi juga pengalaman. Pada umumnya turbin angin yang mempunyai jumlah sudu banyak (soliditas tinggi) akan mempunyai torsi yang besar. Turbin angin jenis ini banyak digunakan untuk keperluan mekanikal seperti pemompaan air, pengolahan hasil pertanian dan aerasi tambak. Sedangkan turbin angin dengan jumlah sudu sedikit, misalnya dua atau tiga, digunakan untuk keperluan pembangkitan listrik. Turbin angin jenis ini mempunyai torsi rendah tetapi putaran rotor yang tinggi. Gambar 1.7 memperlihatkan korelasi antara efisiensi ( ë, TSR=Tip Speed Ratio) dengan torsi (CQ). Gambar ini menjelaskan bahwa rotor dengan jumlah sudu banyak akan mempunyai torsi yang besar tetapi efisiensi tidak terlalu tinggi atau sebaliknya.

Jika dikaitkan dengan sumber daya angin, turbin angin dengan jumlah sudu banyak lebih cocok digunakan pada daerah dengan potensi energi angin yang rendah karena rated wind speed-nya tercapai pada putaran rotor dan kecepatan angin yang tidak terlalu tinggi. Sedangkan turbin angin dengan sudu sedikit (untuk pembangkitan listrik) tidak akan beroperasi secara effisien pada daerah dengan kecepatan angin rata-rata kurang dari 4 m/s. Dengan demikian daerah-daerah dengan potensi energi angin rendah, yaitu kecepatan angin rata-rata kurang dari 4 m/s, lebih cocok untuk dikembangkan turbin angin keperluan mekanikal. Jenis turbin angin yang cocok untuk keperluan ini antara lain american tipe multi blade, cretan sail dan savonius.

Efisiensi Rotor

Efisiensi rotor ditentukan oleh jenis turbin angin dan kesempurnaan teknologi aerodinamik yang digunakan. Rotor dengan soliditas tinggi mempunyai efisiensi yang lebih kecil dibandingkan dengan rotor yang mempunyai soliditas rendah ( Gambar 1.8 ).

Gambar 1.9 menunjukkan efisiensi rotor berbagai jenis turbin angin. Di sini terlihat bahwa turbin angin kelompok sumbu horizontal pada umumnya memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan turbin angin sumbu vertikal. Dari gambar ini juga terlihat bahwa pada umumnya turbin angin dengan soliditas tinggi mempunyai torsi yang besar, efisiensi rendah serta rated wind speed yang tidak terlalu tinggi. Sehingga terlihat jelas di sini bahwa di daerah-daerah berpotensi energi angin rendah cocok diterapkan teknologi turbin angin multi blade yang dapat digunakan untuk keperluan-keperluan mekanikal, seperti pemompaan air.

Diameter Rotor

Diameter rotor ditentukan berdasarkan pemenuhan kebutuhan energi oleh energi angin yang tersedia, baik itu untuk kegunaan mekanikal maupun elektrikal, dengan mempertimbangkan efisiensi rotor dan juga efisiensi sistem mekanik. Perkiraan diameter rotor ini tidak terlalu eksak. Kompromi dapat dilakukan dalam rangka optimisasi dengan kekuatan struktur sudu dan juga biaya pembuatan. Dengan efisiensi rotor dan kondisi angin yang sama, semakin besar diameter rotor semakin besar pula energi angin yang dapat diekstrak. Oleh karena itu ukuran rotor menggambarkan berapa besar kapasitas suatu sistem konversi energi angin.

Pertimbangan Aerodinamik

Rancangan aerodinamik yang sangat baik akan meningkatkan efisiensi sudu dan efisiensi rotor. Hal yang harus diperhatikan di sini adalah bahwa optimisasi antara biaya perancangan aerodinamik dengan peningkatan daya yang dihasilkan harus cukup rasional. Perhitungan efisiensi rotor kadang kala membutuhkan komputasi dengan biaya tinggi dan waktu yang lama. Hal ini tentu tidak perlu dilakukan jika peningkatan efisiensinya tidak sebanding. Sudu yang dirancang dengan pertimbangan aerodinamik yang sangat baik biasanya menghasilkan geometri sudu yang kompleks. Bentuk geometri yang kompleks tentu akan mempertinggi tingkat kesulitan dan juga biaya pembuatan.

Dengan demikian pertimbangan aerodinamik yang tepat diharapkan dapat memberikan rekomendasi bentuk sudu dan rotor yang tepat yang memiliki efisiensi cukup untuk suatu kegunaan tertentu (baik mekanikal maupun elektrikal), sehingga tidak menghabiskan biaya tinggi untuk desain dan pembuatan.

Secara teknis rancangan aerodinamik yang baik akan memberikan keluaran berupa distribusi sudut pasang dan distribusi panjang chord sudu yang tepat. Perancangan aerodinamik lebih lanjut akan menyarankan modifikasi airfoil (bentuk irisan melintang sudu) menjadi bentuk yang tidak konvensional. Bahkan pada tahap desain lanjut dapat juga diciptakan bentuk-bentuk airfoil baru yang tidak sama distribusinya dari pangkal hingga ke ujung sudu.

Secara ideal bentuk airfoil sudu harus mempunyai efisiensi aerodinamik yang paling tinggi. Tetapi pembuatannya secara teknis cukup sulit dan membutuhkan biaya yang tinggi. Untuk penerapan yang praktis ekonomis, biasanya dipilih rancangan aerodinamik yang optimal.

Efisiensi aerodinamik yang dimaksud di sini adalah perbandingan antara gaya angkat dan gaya hambat dari profil airfoil sudu. Contoh dari efisiensi aerodinamik untuk pelat datar dan airfoil NACA series (44xx dan 230xx), pada bilangan Reynold 105 dan 1.5x105 diperlihatkan masing-masing pada Gambar 1.10-Gambar 1.12 di bawah ini.

 

Pertimbangan Struktur

Rancangan struktur yang baik dan komprehensif sangat menentukan usia dan kekuatan konstruksi terhadap beban-beban yang bekerja. Struktur juga harus dirancang untuk dapat menahan beban dari kejutan angin (gust wind load). Perhitungan struktur dapat dilakukan dengan mempertimbangkan semua gaya maksimum yang bekerja lalu menganalisisnya untuk setiap bagian atau komponen struktur. Dari analisis struktur kemudian dirancang dimensi sudu, rotor dan sistem pendukung seperti turn mechanism, ekor pengarah dan tiang. Selain analisis struktur, aspek lingkungan yang dapat merugikan khususnya sifat karat bahan juga harus diperhatikan. Untuk menghindari karat, konstruksi harus dilakukan di tempat yang tidak terlalu lembab.

5. Teknologi Energi Terbarukan untuk Pemompaan

Sumber energi terbarukan yang paling umum digunakan untuk pemompaan adalah angin. Tenaga angin dapat dimanfaatkan secara mekanik atau elektrik untuk sistem pemompaan. Sejak lama energi angin telah dimanfaatkan untuk menggerakkan perahu. Sejak awal abad ke 13 energi angin mulai digunakan untuk menguras air dari lahan pertanian di Belanda. Di Eropa, pompa air tenaga angin skala kecil yang terbuat dari kayu telah lama juga digunakan untuk memompa air laut dalam pembuatan garam. Kemudian yang menjadi sangat populer hingga saat ini adalah pompa air tenaga angin mekanik—yang sekarang kita kenal dengan american type—yang terbuat dari besi dengan jumlah sudu banyak. Effisiensi konversi pompa air tenaga angin mekanik biasanya berkisar antara 7-27% dan Salah satu masalah pada penerapan pompa angin mekanik ini adalah lokasi instalasi.

Gambar 1.13 Diagram skematik pompa air tenaga angin mekanik.

Pompa Air Tenaga Angin Elektrik (Electrical Wind Pumps)

Pemompaan air dengan turbin angin secara elektrikal menawarkan teknologi yang lebih menjanjikan. Turbin angin dapat mengahasilkan listrik baik AC maupun DC, dan pompa dapat langsung dihubungkan dengan langsung dengan motor AC atau DC. Pompa sentrifugal dapat digunakan karena turbin angin listrik dirancang untuk rotor dengan soliditas rendah (lihat Gambar 1.14).

Dengan cara ini beberapa keuntungan yang dapat diambil adalah sebagai berikut:

Ø  Tidak memerlukan batere atau inverter, karena pompa dapat langsung dihubungkan dengan motor.

Ø  Lebih mudah untuk menyelaraskan turbin angin dengan pompa air dengan mengatur beban secara elektrikal bukan mekanikal.

Ø  Memberikan kemudahan dalam penentuan tempat instalasi, karena turbin angina dapat dipasang di mana saja yang anginnya kuat, sementara pompa sendiri dapat dipasang di mana sumber air berada. Kemudahan ini tidak akan didapatkan apabila kita menggunakan pompa angin mekanik, karena terkadang sumber daya air dan angin tidak berada ditempat yang sama.

Ø  Karena bagian yang bergerak/berputar lebih sedikit dibandingkan dengan kincir angin tradisional, turbin angin seperti ini juga menjanjikan biaya pemeliharaan yang lebih murah.

Kesimpulan :

            Dalam melakukan berbagai kegiatan kita harus memperhatikan energi yang kita gunakan apakah kita melakukan kegiatan dengan banyak energi atau tidak, karena itu semua yang dapat mengukur hanya kita. Seperti yang telah kita ketahui bahwasannya minyak di bumi ini akan segera habis apabila kita tidak memanfaatkan energi dengan sebaik – baiknya maka energi akan terbuang percuma. Kita mengetahui bahwa benda – benda disekitar kita dapat kita manfaatkan dengan sebaik – baiknya maka cobalah membuat sebuah alat yang dapat menghemat energi bumi. Sebagai contoh kita dapat memanfaatkan angina untuk dapat membuat energi yang dapat menghasilkan listrik, kincir air untuk menghasilkan listrik, dll

DAFTAR PUSTAKA

1. Argaw, N., R. Foster, R. and A. Ellis (2003), Renewable Energy for
2. Water Pumping Applications in Rural Villages, NREL (National Renewable Energy Laboratory), Colorado.
3. Brown, L. A. (2004), Europe Leading World Into Age of Wind Energy, Earth Institute Policy.
4. BTM Consults ApS (2005), International Wind Energy Development World Market Update 2004 Forecast 2005-2009, Press Release March 31, 2005.
5. Chikkoba, T. B. (2004), Wind Energy Developments in India, Centre for Wind Energy Technology, Chennai, India.
6. DESDM (2003), Kebijakan Pengembangan Energi Terbarukan dan Konservasi Energi (Energi Hijau), Jakarta.
7. DESDM (2005), Blueprint Pengelolaan Energi Nasional 2005-2025, Jakarta.
8. Internasional Energy Agency - IEA (2004), World Energy Outlook 25 2004.
9. Jarass (1980), Strom aus Wind - Integration einer regenerativen EnergieQuelle, Springer-Verlag, Berlin.
10. Jansen, W. A. M. (1976), Horizontal Axis Fast Running Wind Turbines for Developing Countries, Steering Committee Wind Energy
11. Developing Countries, The Netherlands. Lieshout, v. P. (2004), “Time Dependent Energy Calculations,” Wind flow and Trees Workshop, British Wind Energy Association, Glasgow.
12. Morring, F. (2005), “In Orbit,” Aviation Week & Space Technology, Oct. 17.
13. Omara, A. I., H. Sourell, H. Irps and C. Sommer (2004), “Lowpressure irrigation system powered by wind energy,” J. App.
14. Irrigation Sci., 39, 83-91. Reeves, A. (2003), Wind Energy for Electric Power - A REPP Issue
15. Brief, REPP (Renewable Energy Policy Project), Washington. Simmons, M. R. (2005), The Status of Future Energy Sources, Office of Coal & Power Systems, U.S. Dept. Energy, Queenstown, MD.
16. Tong, C.W. (1997), The Design and Testing of a Wind Turbine for Malaysian Wind Condition, Thesis, UTM.
17. Websites for AWEA, Wind Web Tutorial, Wind Energy Basics, <www.awea.org>.
18. Websites for CREST (Center for Renewable Energy and Sustainable Technology) <www.crest.org>.
19. Website for Iowa University, <www.energy.iastate.edu>.
20. Website for Denmark Wind Power Organization, <www.windpower.org>.
21. World Energy Council, WEC (2004), Survey of Energy Resources 2004.