Pembangkit Listrik Tenaga Bayu Angin
Karakteristik & Profil Angin
Kebanyakan kecepatan angin yang diukur sta
pengamatan hanya pada ketinggian standard WMO
yaitu 10 meter di atas permukaan tanah.
Sistem konversi energi angin (SKEA) membutuhkan
kecepatan angin yang tinggi agar menghasilkan
energi yang optimum.
Semakin tinggi suatu ketinggian maka akan semakin
tinggi pula kecepatannya, oleh karena itu diperlukan
data kecepatan angin yang lebih tinggi dari 10 meter
di atas permukaan tanah.
Untuk mengetahui kecepatan angin di beberapa
ketinggian tanpa melakukan pengukuran di beberapa
ketinggian tersebut secara langsung dapat
menggunakan profil angin.
Faktor terjadinya angin, yaitu:
1. Gradien Barometris Bilangan yang menunjukka
n perbedaan tekananudara dari 2 isobar yang jara
knya 111 km. Makin besar gradien barometrisnya,
makin cepat tiupan angin.
2. Letak tempatKecepatan angin di dekat khatulist
iwa lebih cepat dari yang jauh dari garis khatulisti
wa.
3. Tinggi tempatSemakin tinggi tempat, semakin k
encang pula angin yang bertiup, hal ini disebabka
n oleh pengaruh gaya gesekan yang menghambat
laju udara. Di permukaan bumi, gunung, pohon, d
an topografi yang tidak rata lainnya memberikan
gaya gesekan yang besar. Semakin tinggi suatu te
mpat, gaya gesekan ini semakin kecil.
4. WaktuDi siang hari angin bergerak lebih cepat
daripada di malam hari.
Bagaimana
Angin
Terbentuk?
4
Apa yang menyebabkan angin?
• Angin terjadi karena perbedaan
temperatur dari sisi dingin ke sisi
panas.
5
Angin Darat dan Angin
Laut
• Angin terjadi karena perbedaan
pemanasan permukaan bumi oleh
matahari.
• Daratan dan lautan mempunyai
perbedaan kemampuan menyerap panas.
6
KINCIR ANGIN Vs. TURBIN
ANGIN
7
• Turbin pertama
untuk pembangkit
listrik tenaga
angin berasal dari
“Turbin Kakek” di
Castleton,
Vermont, Amerika
Serikat
8
Altamount Pass, Ca., USA
• Dibangun di tahun 1981.
• Ada sekitar 4000an turbin angin
berbagai jenis.
http://xahlee.org/Whirlwheel_dir/livermore.html
9
Komponen Turbin
Angin
http://www1.eere.energy.gov/windandhydro/
10
a.
Anemometer mengukur kecepatan angin dan mengirimkan data kecepatan angin ke pengontrol.
b.
BladesKebanyakan turbin baik dua atau tiga pisau. Angin bertiup di atas menyebabkan pisau pisau
untuk mengangkat dan berputar
c.
Brake Digunakan untuk menjaga putaran pada poros setelah gearbox agar bekerja pada titik aman
saat terdapat angin yang besar. Alat ini perlu dipasang karena generator memiliki titik kerja aman dalam
pengoperasiannya. Generator ini akan menghasilkan energi listrik maksimal pada saat bekerja pada titik
kerja yang telah ditentukan. Kehadiran angin diluar diguaan akan menyebabkan putaran yang cukup cepat
pada poros generator, sehingga jika tidak diatasi maka putaran ini dapat merusak generator. Dampak dari
kerusakan akibat putaran berlebih diantaranya overheat, rotor breakdown, kawat pada generator putus
karena tidak dapat menahan arus yang cukup besar.Komponen pembangkit listrik tenaga angin
d.
ControllerPengontrol mesin mulai dengan kecepatan angin sekitar 8-16 mil per jam (mph) dan
menutup mesin turbin sekitar 55 mph. tidak beroperasi pada kecepatan angin sekitar 55 mph di atas,
karena dapat rusak karena angin yang kencang.
e.
Gear box Gears menghubungkan poros kecepatan tinggi di poros kecepatan rendah dan
meningkatkan kecepatan sekitar 30-60 rotasi per menit (rpm), sekitar 1000-1800 rpm, kecepatan rotasi
yang diperlukan oleh sebagian besar generator untuk menghasilkan listrik. gearbox adalah bagian mahal
(dan berat) dari turbin angin dan insinyur generator mengeksplorasi direct-drive yang beroperasi pada
kecepatan rotasi yang lebih rendah dan tidak perlu kotak
g.
High-speed shaft Drive generator.
h.
Low-speed shaftMengubah poros rotor kecepatan rendah sekitar 30-60 rotasi per menit.
i.
NacelleNacelle berada di atas menara dan berisi gear box, poros kecepatan rendah dan tinggi,
generator, kontrol, dan rem.
j.
PitchBlades yang berbalik, atau nada, dari angin untuk mengontrol kecepatan rotor dan menjaga
rotor berputar dalam angin yang terlalu tinggi atau terlalu rendah untuk menghasilkan listrik.
ME4132 - Energi Angin & Matahari
K.
Rotor pisau dan terhubung bersama-sama disebut rotor.
L.
TowerMenara yang terbuat dari baja tabung beton atau kisi baja. Karena kecepatan angin
meningkat dengan tinggi, menara tinggi memungkinkan turbin untuk menangkap lebih banyak energi dan
menghasilkan listrik lebih banyak.
M.
Wind direction adalah turbin pertama”yang disebut karena beroperasi melawan angin. turbin
lainnya dirancang untuk menjalankan “melawan arah angin,” menghadap jauh dari angin.
N.
Wind vane Tindakan arah angin dan berkomunikasi dengan yaw drive untuk menggerakkan
turbin dengan koneksi yang benar dengan angin.
o.
Yaw drive yang digunakan untuk menjaga rotor menghadap ke arah angin sebagai perubahan
arah angin.
p.
Yaw motorKekuatan dari drive yaw.
q.
Penyimpan energi (Battery)Karena keterbatasan ketersediaan akan energi angin (tidak sepanjang
hari angin akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik pun tidak menentu. Oleh karena itu digunakan alat
penyimpan energi yang berfungsi sebagai back-up energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik
masyarakat meningkat atau ketika kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, maka kebutuhan
permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi. Oleh karena itu kita perlu menyimpan sebagian energi
yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang atau saat penggunaan
daya pada masyarakat menurun.
ME4132 - Energi Angin & Matahari
Rintangan Angin
Sumber: Eldridge, 1980
•
•
Rintangan
menyebabkan
kecepatan angin
menurun.
Rintangan juga
menyebabkan
terbentuknya ulakan
angin di belakang
rintangan.
Sumber: Hau, 2005
13
Profil Angin
14
Jenis Turbin Angin Berdasarkan Posisi
Sumbu
• Sumbu Vertikal
15
Turbin Angin Vertikal
Keuntungan
• Tidak memerlukan
yaw mechanism
• Pendek.
• Mudah dirawat karena
generator, transmisi
dekat permukaan
tanah.
• Mudah ditransportasi
(untuk ukuran kecil).
• Tidak memerlukan
menara.
Kerugian
• Efisiensi rendah.
• Ketinggian terbatas.
• Perlu permukaan yang
datar.
www.wikipedia.org/windturbine
16
• Sumbu Horizontal
1-blade Wind
Turbine
2-blade Wind Turbine
3-blade Wind
Turbine
www.wikipedia.org/HAWT
17
Turbin Angin Horizontal
Keuntungan
• Pitch sudu turbin dapat
diubah-ubah.
• Menara yang tinggi dapat
memperileh angin yang lebih
kencang.
• Penggunaan menara
menyebabkan turbin dapat
ditempatkan di dataran yang
tidak rata, atau bahkan di atas
laut.
• Dapat ditempatkan di atas
garis pepohonan di hutan.
Kerugian
• Sulit beroperasi di dekat
permukaan tanah.
• Sulit mentransportasikan
bilah sudu yang
panjang.
• Pemasangan sulit.
• Mengganggu sinyal
radar.
• Bila dipasang di laut,
sebaiknya di laut yang
dangkal.
www.wikipedia.org/windturbine
18
Wind Power Classifications and
utilization
Class
Windspeed
( m/s)
Small Scale 2.5 – 4.0
Power
Density
(W/m^2)
Capacity
( kW )
< 75
Up to 10
Medium
Scale
4.0 – 5.0
75 – 150
10-100
Large
Scale
> 5.0
> 150
>100
19
Profil Angin Logaritmik
Profil angin logaritmik umumnya
digunakan pada lapisan batas
atmosfer (boundary layer) pada
ketinggian hingga puluhan meter.
Dengan asumsi: shear stress/tegangan
geser konstan terhadap ketinggian.
Profil Angin Logaritmik /
Adiabatik
Vz 1 z
ln
V* k z0
untuk Z ≥ Zo
Dimana:
Vz : Kecepatan angin pada ketinggian Z (m/s)
0
V* : Kecepatan
gesekan (friction velocity) (m/s)
k
Zo
o
Z
: Konstanta Von Karman (k = 0,4)
: Parameter kekasaran permukaan (m)
: Tegangan geser pada permukaan
: Densitas udara (kg/m3)
: Tinggi pengukuran kecepatan angin (m)
ME4132 - Energi Angin & Matahari
Asumsi untuk Profil Angin Logaritmik /
Adiabatik
• Davenport (1965)
Tegangan geser o (shear stress)
permukaan dianggap konstan terhadap
ketinggian
0
V*
Davenport menemukan bahwa pada daerah dengan
parameter Zo rendah, memiliki ketelitian yang tinggi.
ME4132 - Energi Angin & Matahari
ME4132 - Energi Angin & Matahari
Profil Angin melalui Hk.
Pangkat
vH H
v ref H ref
Dimana:
H : Kecepatan angin rata-rata pada suatu ketinggian (m/s)
ref : Kecepatan angin rata-rata pada suatu ketinggian referensi (m/s)
1
:H
Hellmann’s exponent (konstanta yang bergantung pada
ln
parameter
Zo dan kestabilan atmosfer)
Z0
Href : Tinggi pengukuran suatu referensi (m)
H : Ketinggian yang hendak diukur kecepatan anginnya (m)
ME4132 - Energi Angin & Matahari
Koefisien Hambatan Permukaan
(K)
V*
K
V
2
Dimana:
K : Koefisien hambatan permukaan (the surface drag coefficient)
:Kecepatan
gesekan (friction velocity)
0
V*
V
: Kecepatan angin rata-rata pada ketinggian Z
ME4132 - Energi Angin & Matahari
Kebanyakan kecepatan angin yang diukur sta
pengamatan hanya pada ketinggian standard WMO
yaitu 10 meter di atas permukaan tanah.
Sistem konversi energi angin (SKEA) membutuhkan
kecepatan angin yang tinggi agar menghasilkan
energi yang optimum.
Semakin tinggi suatu ketinggian maka akan semakin
tinggi pula kecepatannya, oleh karena itu diperlukan
data kecepatan angin yang lebih tinggi dari 10 meter
di atas permukaan tanah.
Untuk mengetahui kecepatan angin di beberapa
ketinggian tanpa melakukan pengukuran di beberapa
ketinggian tersebut secara langsung dapat
menggunakan profil angin.
Faktor terjadinya angin, yaitu:
1. Gradien Barometris Bilangan yang menunjukka
n perbedaan tekananudara dari 2 isobar yang jara
knya 111 km. Makin besar gradien barometrisnya,
makin cepat tiupan angin.
2. Letak tempatKecepatan angin di dekat khatulist
iwa lebih cepat dari yang jauh dari garis khatulisti
wa.
3. Tinggi tempatSemakin tinggi tempat, semakin k
encang pula angin yang bertiup, hal ini disebabka
n oleh pengaruh gaya gesekan yang menghambat
laju udara. Di permukaan bumi, gunung, pohon, d
an topografi yang tidak rata lainnya memberikan
gaya gesekan yang besar. Semakin tinggi suatu te
mpat, gaya gesekan ini semakin kecil.
4. WaktuDi siang hari angin bergerak lebih cepat
daripada di malam hari.
Bagaimana
Angin
Terbentuk?
4
Apa yang menyebabkan angin?
• Angin terjadi karena perbedaan
temperatur dari sisi dingin ke sisi
panas.
5
Angin Darat dan Angin
Laut
• Angin terjadi karena perbedaan
pemanasan permukaan bumi oleh
matahari.
• Daratan dan lautan mempunyai
perbedaan kemampuan menyerap panas.
6
KINCIR ANGIN Vs. TURBIN
ANGIN
7
• Turbin pertama
untuk pembangkit
listrik tenaga
angin berasal dari
“Turbin Kakek” di
Castleton,
Vermont, Amerika
Serikat
8
Altamount Pass, Ca., USA
• Dibangun di tahun 1981.
• Ada sekitar 4000an turbin angin
berbagai jenis.
http://xahlee.org/Whirlwheel_dir/livermore.html
9
Komponen Turbin
Angin
http://www1.eere.energy.gov/windandhydro/
10
a.
Anemometer mengukur kecepatan angin dan mengirimkan data kecepatan angin ke pengontrol.
b.
BladesKebanyakan turbin baik dua atau tiga pisau. Angin bertiup di atas menyebabkan pisau pisau
untuk mengangkat dan berputar
c.
Brake Digunakan untuk menjaga putaran pada poros setelah gearbox agar bekerja pada titik aman
saat terdapat angin yang besar. Alat ini perlu dipasang karena generator memiliki titik kerja aman dalam
pengoperasiannya. Generator ini akan menghasilkan energi listrik maksimal pada saat bekerja pada titik
kerja yang telah ditentukan. Kehadiran angin diluar diguaan akan menyebabkan putaran yang cukup cepat
pada poros generator, sehingga jika tidak diatasi maka putaran ini dapat merusak generator. Dampak dari
kerusakan akibat putaran berlebih diantaranya overheat, rotor breakdown, kawat pada generator putus
karena tidak dapat menahan arus yang cukup besar.Komponen pembangkit listrik tenaga angin
d.
ControllerPengontrol mesin mulai dengan kecepatan angin sekitar 8-16 mil per jam (mph) dan
menutup mesin turbin sekitar 55 mph. tidak beroperasi pada kecepatan angin sekitar 55 mph di atas,
karena dapat rusak karena angin yang kencang.
e.
Gear box Gears menghubungkan poros kecepatan tinggi di poros kecepatan rendah dan
meningkatkan kecepatan sekitar 30-60 rotasi per menit (rpm), sekitar 1000-1800 rpm, kecepatan rotasi
yang diperlukan oleh sebagian besar generator untuk menghasilkan listrik. gearbox adalah bagian mahal
(dan berat) dari turbin angin dan insinyur generator mengeksplorasi direct-drive yang beroperasi pada
kecepatan rotasi yang lebih rendah dan tidak perlu kotak
g.
High-speed shaft Drive generator.
h.
Low-speed shaftMengubah poros rotor kecepatan rendah sekitar 30-60 rotasi per menit.
i.
NacelleNacelle berada di atas menara dan berisi gear box, poros kecepatan rendah dan tinggi,
generator, kontrol, dan rem.
j.
PitchBlades yang berbalik, atau nada, dari angin untuk mengontrol kecepatan rotor dan menjaga
rotor berputar dalam angin yang terlalu tinggi atau terlalu rendah untuk menghasilkan listrik.
ME4132 - Energi Angin & Matahari
K.
Rotor pisau dan terhubung bersama-sama disebut rotor.
L.
TowerMenara yang terbuat dari baja tabung beton atau kisi baja. Karena kecepatan angin
meningkat dengan tinggi, menara tinggi memungkinkan turbin untuk menangkap lebih banyak energi dan
menghasilkan listrik lebih banyak.
M.
Wind direction adalah turbin pertama”yang disebut karena beroperasi melawan angin. turbin
lainnya dirancang untuk menjalankan “melawan arah angin,” menghadap jauh dari angin.
N.
Wind vane Tindakan arah angin dan berkomunikasi dengan yaw drive untuk menggerakkan
turbin dengan koneksi yang benar dengan angin.
o.
Yaw drive yang digunakan untuk menjaga rotor menghadap ke arah angin sebagai perubahan
arah angin.
p.
Yaw motorKekuatan dari drive yaw.
q.
Penyimpan energi (Battery)Karena keterbatasan ketersediaan akan energi angin (tidak sepanjang
hari angin akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik pun tidak menentu. Oleh karena itu digunakan alat
penyimpan energi yang berfungsi sebagai back-up energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik
masyarakat meningkat atau ketika kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, maka kebutuhan
permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi. Oleh karena itu kita perlu menyimpan sebagian energi
yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang atau saat penggunaan
daya pada masyarakat menurun.
ME4132 - Energi Angin & Matahari
Rintangan Angin
Sumber: Eldridge, 1980
•
•
Rintangan
menyebabkan
kecepatan angin
menurun.
Rintangan juga
menyebabkan
terbentuknya ulakan
angin di belakang
rintangan.
Sumber: Hau, 2005
13
Profil Angin
14
Jenis Turbin Angin Berdasarkan Posisi
Sumbu
• Sumbu Vertikal
15
Turbin Angin Vertikal
Keuntungan
• Tidak memerlukan
yaw mechanism
• Pendek.
• Mudah dirawat karena
generator, transmisi
dekat permukaan
tanah.
• Mudah ditransportasi
(untuk ukuran kecil).
• Tidak memerlukan
menara.
Kerugian
• Efisiensi rendah.
• Ketinggian terbatas.
• Perlu permukaan yang
datar.
www.wikipedia.org/windturbine
16
• Sumbu Horizontal
1-blade Wind
Turbine
2-blade Wind Turbine
3-blade Wind
Turbine
www.wikipedia.org/HAWT
17
Turbin Angin Horizontal
Keuntungan
• Pitch sudu turbin dapat
diubah-ubah.
• Menara yang tinggi dapat
memperileh angin yang lebih
kencang.
• Penggunaan menara
menyebabkan turbin dapat
ditempatkan di dataran yang
tidak rata, atau bahkan di atas
laut.
• Dapat ditempatkan di atas
garis pepohonan di hutan.
Kerugian
• Sulit beroperasi di dekat
permukaan tanah.
• Sulit mentransportasikan
bilah sudu yang
panjang.
• Pemasangan sulit.
• Mengganggu sinyal
radar.
• Bila dipasang di laut,
sebaiknya di laut yang
dangkal.
www.wikipedia.org/windturbine
18
Wind Power Classifications and
utilization
Class
Windspeed
( m/s)
Small Scale 2.5 – 4.0
Power
Density
(W/m^2)
Capacity
( kW )
< 75
Up to 10
Medium
Scale
4.0 – 5.0
75 – 150
10-100
Large
Scale
> 5.0
> 150
>100
19
Profil Angin Logaritmik
Profil angin logaritmik umumnya
digunakan pada lapisan batas
atmosfer (boundary layer) pada
ketinggian hingga puluhan meter.
Dengan asumsi: shear stress/tegangan
geser konstan terhadap ketinggian.
Profil Angin Logaritmik /
Adiabatik
Vz 1 z
ln
V* k z0
untuk Z ≥ Zo
Dimana:
Vz : Kecepatan angin pada ketinggian Z (m/s)
0
V* : Kecepatan
gesekan (friction velocity) (m/s)
k
Zo
o
Z
: Konstanta Von Karman (k = 0,4)
: Parameter kekasaran permukaan (m)
: Tegangan geser pada permukaan
: Densitas udara (kg/m3)
: Tinggi pengukuran kecepatan angin (m)
ME4132 - Energi Angin & Matahari
Asumsi untuk Profil Angin Logaritmik /
Adiabatik
• Davenport (1965)
Tegangan geser o (shear stress)
permukaan dianggap konstan terhadap
ketinggian
0
V*
Davenport menemukan bahwa pada daerah dengan
parameter Zo rendah, memiliki ketelitian yang tinggi.
ME4132 - Energi Angin & Matahari
ME4132 - Energi Angin & Matahari
Profil Angin melalui Hk.
Pangkat
vH H
v ref H ref
Dimana:
H : Kecepatan angin rata-rata pada suatu ketinggian (m/s)
ref : Kecepatan angin rata-rata pada suatu ketinggian referensi (m/s)
1
:H
Hellmann’s exponent (konstanta yang bergantung pada
ln
parameter
Zo dan kestabilan atmosfer)
Z0
Href : Tinggi pengukuran suatu referensi (m)
H : Ketinggian yang hendak diukur kecepatan anginnya (m)
ME4132 - Energi Angin & Matahari
Koefisien Hambatan Permukaan
(K)
V*
K
V
2
Dimana:
K : Koefisien hambatan permukaan (the surface drag coefficient)
:Kecepatan
gesekan (friction velocity)
0
V*
V
: Kecepatan angin rata-rata pada ketinggian Z
ME4132 - Energi Angin & Matahari