BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka Semakin menipisnya sumber energi fosil yang tersedia, menuntut para cendikiawan memikirkan sumber energi alternatif yang ramah lingkungan. Sebelumnya telah banyak para cendikiawan yang melakukan Penelitian tentang pembangkit listrik alternatif. Purwanto Eko Nugroho melakukan penelitian tentang “rancang bangun turbin angin sumbu vertikal mikro wind energy skala rumah tangga” Pada pengujian turbin angin Mikro Wind Energy didapatkan sudut optimal sudu turbin angin adalah 10º. Turbin angin mampu berputar pada kecepatan range angin >0,8 m/s. Turbin angin tanpa pembebanan mampu berputar dengan kecepatan 238 rpm, dan dengan pembebanan sebesar 226 rpm pada kecepatan angin 3,8 m/s. Turbin angin dengan penghasil listrik Alternator mampu mengeluarkan arus sebesar 3,4 ampere dengan voltase 12 Volt DC, saat kecepatan angin >3m/s. Kalitbang Prof. Jateng bekerja sama dengan PT Karsa Halyamulya melakukan penelitian tentang “ Pengembangan energi listrik tenaga angin di Jawa Tengah”. Dalam penelitiannya di dapat kecepatan rata rata angin tahunan di kawasan pantai Selatan Pulau Jawa Kabupaten Purworejo Provinsi Jawa Tengah adalah 6,1 m/s pada ketinggian 100 m dengan kecepatan angin efektif sebanyak 77,83%. Kecepatan angin tersebut dapat menghasilkan daya 289,4 W/m2, dengan produksi energi angin tahunan 2335,75 Kwh/m2. Dengan kecepatan yang ada maka dilokasi penelitian dimungkinkan untuk membangun pembangkit listrik tenaga angin dengan kapasitas besar ( >100 Kwh/turbin). Wasana Saputra melakukan penelitian tentang “rancang bangun solar tracking system untuk mengoptimalkan penyerapan energi matahari pada solar cell”. Dalam penelitiannya, dia berhasil membuat prototype solar tracking system yang terdiri dari solar tracker yang berfungsi untuk
8
9
mengoptimalkan penerimaan energi matahari oleh solar cell. Meskipun hasil pengujian belum berfungsi dengan baik, karena belum menemukan posisi peletakan LDR yang benar. Selain itu Puloeng Raharjo, juga melakukan penelitian yang berhubungan dengan pembangkit listrik, yaitu tentang “ perancangan sistem hibrid solar cell-baterai-pln menggunakan programmable logic controllers”. Dengan menggunakan sistem hibrid yang terdiri dari 2 buah sumber pembangkitan dari solar cell dan dari PLN, pemakaian ini bertujuan untuk saling bantu antar pembangkit. Dengan menggunakan solar cell sebesar 100wp dan mengalami beban puncak pada pukul 13.00 dengan menghasilkan tegangan 20,03v, arus 4,52v dan daya sebesar 90,52W. Keadaan baterai 100% ketika tegangan mencapai 12,7v dan dilakukan pengisian ketika keadaan baterai 30%-40% dengan tegangan sebesar 11,8V. Semua sistem dikontrol dengan PLC menggunakan bahasa ladder diagram. 2.2 Landasan Teori 2.2.1 Hybrid Power Sistem Hybrid power sistem adalah suatu sistem pembangkit tenaga listrik yang menggunakan dua atau lebih pembangkit dengan sumber energi berbeda sehingga dapat saling menutupi kelemahan masing-masing dan dapat dicapai keandalan supply dan efisiensi ekonomis pada beban tertentu.. Tujuan utama dari sistem ini adalah untuk memaksimalkan energi dengan harga murah, bebas polusi, kualitas daya yang bagus, dan Dengan adanya kombinasi dari sumber-sumber energi tersebut, diharapkan dapat menyediakan catu daya listrik yang kontinyu dengan efisiensi yang paling optimal. Hybrid power system ini memiliki beberapa kelebihan dari konfigurasinya yaitu (Juwito, 2012): a. Dapat menjadi solusi untuk mengatasi krisis bahan bakar fosil. b. Dapat memenuhi beban listrik secara optimal terutama pada daerah-daerah yang tidak tersentuh oleh jaringan listrik PLN. c. Meningkatkan efisiensi ekonomi pembangkit.
10
d. Meningkatkan keandalan (reliability) sistem pembangkit. e. Meningkatkan waktu layanan listrik secara ekonomis. f. Meningkatkan umur operasi sistem. g. Tidak menimbulkan polusi dan limbah (ramah lingkungan). h. Biaya pengoperasian dan pemeliharaannya relatif murah. i. Biaya produksi energi listrik atau Cost of Energy (Rp/kWh) per tahun relatif murah. Di samping kelebihan-kelebihan di atas konfigurasi sistem Pembangkit Listrik Tenaga Hibrid tersebut juga mempunyai beberapa kekurangan, diantaranya (Juwito, 2012): a. Produksi energi baru dan terbarukan sangat tergantung pada siklus alam. b. Biaya investasi awal sistem ini lebih mahal. c. Tidak dapat menangani beban puncak dengan baik tanpa penyimpanan energi. 2.2.2 Sel Surya Sel surya adalah sebuah komponen elektronik yang dapat mengubah energi cahaya gelombang pendek menjadi energi listrik, perubahan energi ini disebabkan sebuah proses yang di sebut efek photovoltaic. Efek photovoltaic sendiri adalah pelepasan muatan positif dan negatif dalam material padat melalui cahaya. Jadi secara tidak langsung output berupa arus dan tegangan dipengaruhi oleh besarnya intensitas cahaya. Pada sel surya terdapat sambungan (junction) antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masing-masing diketahui sebagai semikonduktor jenis “P” (positif) dan semikonduktor jenis “N” (Negatif). Silikon jenis P merupakan lapisan permukaan yang dibuat sangat tipis supaya cahaya matahari dapat menembus langsung mencapai junction. Bagian P ini diberi lapisan nikel yang berbentuk cincin, sebagai terminal keluaran positif. Dibawah bagian P terdapat bagian jenis N yang dilapisi dengan nikel juga sebagai terminal keluaran negatif. Ketika cahaya
11
mengenai permukaan sel surya, beberapa fhoton dari cahaya diserap oleh atom semikonduktor untuk membebaskan electron dari ikatan atomnya, sehingga menjadi electron yang bebas bergerak. Adanya perpindahan electron inilah yang menyebabkan terjadinya arus listrik. (Quaschning, 2005)
Gambar 2.1 Hubungan Sel Surya, Panel Surya (Quaschning, 2005 ) Array adalah Gabungan dari beberapa sel surya disebut panel surya. Sebuah panel surya umumnya terdiri dari 32-40 sel surya, tergantung ukuran panel (Quaschning, 2005). Gabungan dari panel-panel ini akan membentuk suatu “Array”.
Gambar 2.2 Susunan pembuatan panel surya, dari sel surya, modul dan panel (array) (Tutun dan Didik Sunardi, 2012.)
12
2.2.3
Keuntungan dan Kelebihan Sel Surya a. Keuntungan Sel surya dapat memberikan keuntungan dibandingkan dengan sumber-sumber tenaga lainnya, seperti generator diesel, fosil dan lainlain. Berikut adalah keuntungannya: 1. Tidak membutuhkan bahan bakar untuk beroperasi. Hal ini menguntungkan karena tidak menyebabkan gangguan pada lingkungan karena tidak menyebabkan polusi akibat proses pemakaian bahan bakar, dan tidak mengeluarkan suara mesin yang bergerak sehingga tidak mengganggu lingkungan. 2. Sel surya memiliki ketahanan dan kestabilan yang sudah teruji waktu operasinya cukup lama. 3. Sel surya dapat dengan mudah di bangun di daerah terpencil dan dapat di pindahkan peletakannya. b. Kerugian Di samping memiliki keuntungan sel surya juga memiliki beberapa kerugian, yaitu 1. Terlalu bergantung pada matahari, sehingga sangat terpengaruh oleh keadaan cuaca dalam produksi listriknya. 2. Biaya pembangunannya cukup mahal. 3. Membutuhkan komponen tambahan untuk mengonversi dan memperbesar output listriknya.
2.2.4
Jenis Sel Surya a. Monokristal
Sel surya yang terdiri atas p-n Junction monokristal silicon atau yang disebut juga monocrystalline PV, mempunyai kemurnian yang tinggi yaitu 99,999%. Efisiensi sel fotovoltaik jenis silicon monokristal mempunyai efisiensi konversi yang cukup tinggi yaitu
13
sekitar 16 sampai 17%. Berikut contoh modul fotovoltaik (PV) jenis monokristal seperti yang terlihat pada gambar 2.3
(a) Sel fotovoltaik
(b) Modul fotovoltaik
(Sumber: Laporan Kerja Praktek Ega dan Pandu di PT Surya Utama Putra)
Gambar 2.3 Sel dan Modul fotofoltaik (PV) Jenis Monokristal b. Polikristal
Polikristal PV atau sel surya yang bermateri polokristal dikembangkan atas alasan mahalnya materi monokristal per kilogram. Efisiensi konversi sel surya jenis silicon polikristal berkisar antara 12% hingga 15%. Berikut contoh modul fotovoltaik jenis polikristal seperti yang terlihat pada gambar 2.4
(a) Sel Fotovoltaik
(b) Modul Fotovoltaik
(Sumber : Laporan Kerja Praktek Ega dan Pandu di PT Surya Utama Putra)
Gambar 2.4 Sel dan Modul Sel Surya Jenis Polikristal
14
c. Amorfous Sel surya bermateri Amorphous Silicon merupakan teknologi fotovoltaik dengan lapisan tipis atau thin film. Ketebalannya sekitar 10µm (micron) dalam bentuk modul surya. Efisiensi sel dengan silicon amorfous berkisar 6% sampai dengan 9%. Berikut contoh fotovoltaik jenis amorfous seperti yang terlihat pada gambar 2.5
(Sumber Laporan Kerja Praktek Ega dan Pandu di PT Surya Utama Putra)
Gambar 2.5 Modul Fotovoltaik Jenis Amorfous 2.2.5
Karakteristik Sel Surya Sel Surya diproduksi dari bahan semikonduktor berupa silikon yang berperan sebagai insulator pada temperatur rendah dan sebagai konduktor bila ada energi dan panas. Sebuah Sel Surya dalam menghasilkan energi listrik (energi sinar matahari menjadi photon) tidak tergantung pada besaran luas bidang Silikon, dan secara konstan akan menghasilkan energi berkisar ± 0.5 volt — max. 600 mV pada 2 amp , dengan kekuatan radiasi solar matahari 1000 W/m2 = ”1 Sun” akan menghasilkan arus listrik (I) sekitar 30 mA/cm2 per sel surya. Sel Surya akan menghasilkan energi maximum jika nilai Vm dan Im juga maximum. Sedangkan Isc adalah arus listrik maximum pada nilai volt = nol, Isc berbanding langsung dengan tersedianya sinar matahari. Voc adalah volt maximum pada nilai arus nol, Voc naik secara logaritma dengan peningkatan sinar matahari, karakter ini yang memungkinkan Sel Surya untuk mengisi accu.
15
Gambar 2.6 Kurva arus dan tegangan (Wulandari Triyas Ika,2010) Keterangan: Isc = Short-circuit current Vsc = Open-circuit voltage Vm = Voltage maximum power Im = Current maximum power Pm = Power maximum-output dari PV array (watt)
Sebuah Sel surya dapat beroperasi secara maximum jika temperatur sel tetap normal (pada 25 derajat celsius), kenaikan temperatur lebih tinggi dari temperatur normal pada sel surya akan melemahkan voltage (Voc). Setiap kenaikan temperatur sel surya 1 derajat celsius (dari 25 derajat) akan berkurang sekitar 0.4 % pada total tenaga yang dihasilkan 8 atau akan melemah 2x lipat untuk kenaikan temperatur sel per 10 derajat C. Gambar 2.8 merupakan grafik pengaruh temperatur pada solar cell dalam °C.
16
Gambar 2.7 Grafik Arus Terhadap Temperatur (Wulandari Triyas Ika, 2010)
Radiasi solar matahari di bumi dan berbagai lokasi bervariable, dan sangat tergantung keadaan spektrum solar ke bumi. Intensitas matahari akan banyak berpengaruh pada current (I) sedikit pada volt. Semakin rendah intensitas cahaya yang diterima oleh sel surya, maka arus akan semakin rendah. Hal ini membuat titik Maximum Power Point berada pada titik yang semakin rendah. Gambar 2.8 merupakan grafik pengaruh temperatur pada solar cell dalam W/m2.
Gambar 2.8 Grafik Arus Terhadap Insolation (Wulandari Triyas Ika, 2010)
17
Efisiensi dari konversi energi surya dari sel surya di deskripsikan melalui persamaan: 𝑫𝒂𝒚𝒂 𝒌𝒆𝒍𝒖𝒂𝒓𝒂𝒏
η = 𝑫𝒂𝒚𝒂 𝒎𝒂𝒔𝒖𝒌𝒂𝒏 x 100%.........................(2.1) Dimana:
η = efisiensi Tentunya dengan semakin tingginya nilai efisiensi maka semakin tinggi pula daya keluaran sel surya yang di dapatkan. 2.2.6 Parameter Sel Surya Pengoperasian maximum Sel Surya sangat tergantung pada : a. Ambient air temperature Sebuah Sel Surya dapat beroperasi secara maximum jika temperatur sel tetap normal (pada 25 derajat Celsius), kenaikan temperatur lebih tinggi dari temperature normal pada sel surya akan melemahkan voltage (Voc). Setiap kenaikan temperatur Sel Surya1 derajat celsius (dari 25 derajat) akan berkurang sekitar 0.4 % pada total tenaga yang dihasilkan atau akan melemah 2x lipat untuk kenaikan temperatur Sel per 10 derajat C. b. Radiasi solar matahari (insolation) Radiasi solar matahari di bumi dan berbagai lokasi bervariable, dan sangat tergantung keadaan spektrum solar ke bumi. Insolation solar matahari akan banyak berpengaruh pada current (I) sedikit pada volt. c. Kecepatan angin bertiup Kecepatan tiup angin di sekitar lokasi sel surya (array) dapat membantu mendinginkan permukaan temperatur kaca-kaca sel surya (array). d. Keadaan atmosfer bumi Keadaan atmosfer bumi—berawan, mendung, jenis partikel debu udara, asap, uap air udara(Rh), kabut dan polusi sangat menentukan hasil maximum arus listrik dari deretan sel surya (array).
18
e. Orientasi panel atau sel surya (array) Kecepatan tiup angin di sekitar lokasi sel surya (array) dapat membantu mendinginkan permukaan temperatur kaca-kaca sel surya (array). Keadaan atmosfer bumi—berawan, mendung, jenis partikel debu udara, asap, uap air udara (Rh), kabut dan polusi sangat menentukan hasil maximum arus listrik dari deretan sel surya. Orientasi dari rangkaian sel surya (array) ke arah matahari secara optimum adalah penting agar panel/deretan sel surya dapat menghasilkan energi maximum. Kalau tidak dapat mempertahankan ketegak lurusan antara sinar matahari dengan bidang sel surya, maka penambahan luas bidang panel sel surya dibutuhkan (bidang panel sel surya terhadap sun altitude yang berubah setiap jam dalam sehari). 2.2.7 Sistem Penyimpanan Energi Sistem penyimpanan energi yang biasanya di pakai pada sel surya adalah baterai, dari segi penggunaannya baterai dapat diklasifikasikan menjadi 2 jenis yaitu: a. Baterai Primer Baterai primer adalah baterai yang hanya digunakan atau di pakai sekali saja. Pada waktu baterai dipakai, material dari salah satu elektroda
menjadi
larut
dalam
elektrolit
dan
tidak
dapat
dikembalikan dalam keadaan semula.
b. Baterai Sekunder Baterai sekunder adalah jenis baterai yang dapat digunakan dan di diisi ulang beberapa kali, komposisi awal elektroda dapat dikembalikan dengan arus berkebalikan.
19
Baterai berperan sangat penting dalam sistem sel surya karena baterai di gunakan untuk membantu agar sel surya dapat memenuhi kestabilan suplai daya ke beban. Baterai pada sel surya mengalami proses siklus mengisi (Charging) dan mengosongkan (Discharging), tergantung pada ada tidaknya sinar matahari. Selama ada sinar matahari, panel surya akan menghasilkan listrik. Apabila energi listrik yang dihasilkan tersebut melebihi kebutuhan bebannya, maka energy listrik tersebut akan segera dipergunakan untuk mengisi baterai. Sebaliknya, selama matahari tidak ada maka permintaan energi listrik akan di suplai oleh baterai. Proses pengisian dan pengosongan ini disebut satu siklus baterai. Karakteristik daya keluaran sel surya sendiri tidak stabil, daya keluaran akan terus naik turun sesuai dengan intensitas cahaya matahari yang jatuh pada permukaan sel surya. Berikut adalah beberapa hal yang harus di perhatikan dalam baterai: a. Tegangan baterai Tegangan baterai adalah karakteristik dasar dari baterai, yang di tentukan oleh reaksi kimia dalam baterai. b. Kapasitas baterai Kapasitas baterai adalah ukuran muatan yang disimpan pada suatu baterai. Kapasitas menggambarkan sejumlah energi maksimum yang di keluarkan dari sebuah baterai dengan kondisi tertentu. Kapasitas baterai umumnya dinyatakan dalam Ampere Hour (Ah). Nilai Ah pada baterai menunjukkan nilai arus yang dapat dilepaskan, dikalikan dengan nilai waktu untuk pelepasan tersebut. Berdasarkan hal tersebut maka secara teoritis, baterai 12 V, 200 Ah harus dapat memberikan baik 200 A selama satu jam, 50 A selama 4 jam, 4 A untuk 50 jam, atau 1 A untuk 200 jam. Pada saat mendesain kapasitas baterai yang akan dipergunakan dalam system PLTS, penting juga untuk menentukan ukuran hari-hari otonomi (days of autonomy). (Polarpowerinc, 2011).
20
c. Parameter charging dan discharging baterai Nilai charging dan discharging berpengaruh terhadap nilai kapasitas baterai. Jika baterai di discharging dengan cepat(arus discharging tinggi), maka sejumlah energi yang dapat digunakan oleh baterai menjadi berkurang sehingga kapasitas baterai menjadi lebih rendah. Hal ini dikarenakan kebutuhan suatu material/komponen untuk reaksi yang terjadi tidak mempunyai waktu yang cukup untuk bergerak ke posisi yang seharusnya. Jadi seharusnya arus discharging yang di gunakan sekecil mungkin, sehingga energi yang di gunakan kecil dan kapasitas baterai menjadi lebih tinggi.
2.2.8. Inverter Inverter adalah peralatan elektronika yang berfungsi untuk mengubah arus searah (DC) dari panel surya atau baterai menjadi arus bolak-balik (AC). Tegangan keluaran dapat bernilai tetap atau berubahubah sesuai kebutuhan. Bentuk gelombang keluaran dari inverter idealnya gelombang sinus. Tetapi pada kenyataannya tidak demikian karena adanya harmonisa. Inverter di bagi menjadi 2 macam yaitu, inverter satu fase dan inverter tiga fase. Dan menurut jenis gelombangnya ada tiga jenis inverter yang ada di pasaran yakni; inverter gelombang sinus, gelombang sinus termodifikasi, dan inverter gelombang kotak. Berikut formula untuk menghitung kapasitas inverter (rashid. 1993): P inverter = P max x 125%...................................(2.2) Keterangan: P inverter = Daya inverter (Watt) P max = Beban puncak (Watt) 125% = Kompensasi
21
2.2.9
Energi Angin Angin merupakan energi alternatif yang murah dan dapat berpotensi untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi bagi kebutuhan masyarakat. Energi tersebut dapat di konversikan menjadi beberapa energi kinetik yang nantinya dapat mempermudah pekerjaan manusia. Hal ini sudah diterapkan dalam pemanfaatan angin menjadi penggerak utama pompa air untuk pengairan sawah.
Gambar 2.9 Skema terjadinya angin (Eri prasetyo, 2002)
Pada dasarnya angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di daerah khatulistiwa, udaranya menjadi panas mengembang dan menjadi ringan, naik ke atas dan bergerak 300 hingga 600 ke daerah yang lebih dingin misalnya daerah Kutub. Sebaliknya di daerah Kutub yang dingin, udaranya menjadi dingin dan turun ke bawah dengan demikian terjadi suatu perputaran udara berupa perpindahan udara dari Kutub Utara ke Garis Khatulistiwa menyusuri permukaan bumi, dan sebaliknya suatu perpindahan udara dari Garis Khatulistiwa kembali ke Kutub Utara, melalui lapisan udara yang lebih tinggi. Proses pemanfaatan energi angin juga dilakukan sejak lama untuk pemanfaatan energi listrik. Dengan bantuan energi angin ini proses
22
pengubahan energi dilakukan melalui dua tahapan konversi energi, pertama aliran angin akan menggerakkan rotor (baling-baling) yang menyebabkan rotor berputar selaras dengan angin yang bertiup, kemudian putaran dari rotor dihubungkan dengan generator, dari generator inilah dihasilkan arus listrik. 2.2.10 Jenis-Jenis Angin Jenis-jenis angin adalah antara lain: 1. Angin tetap a. Angin Barat, bertiup dari daerah subtropik ke daerah kutub. b. Angin Timur, bertiup dari daerah kutub. c. Angin pasat, bertiup dari daerah subtropik selatan dan utara menuju ke daerah khatulistiwa. d. Angin anti pasat, bertiup berlawanan dengan angin pasat. 2. Angin periodik a. Angin muson, bertiup setiap setengah tahun sekali dan selalu berganti arah. b. Angin darat, bertiup dari darat ke laut dan terjadi pada malam hari. c. Angin laut, bertiup dari laut ke darat dan terjadi pada siang hari. d. Angin gunung, bertiup dari lereng gunung ke lembah dan terjadi pada malam hari. e. Angin lembah, bertiup dari lembah ke puncak gunung dan terjadi pada siang hari. 3. Angin lokal a. Angin siklon, bertiup di daerah depresi yang memiliki barometri minimum dan dikelilingi barometri maksimum. b. Angin antisiklon, bertiup di daerah yang memiliki barometri maksimum dan dikelilingi oleh barometri minimum. Contohnya : angin taifun di Asia Timur dan Tornado di USA.
23
c. Angin fohn, bertiup dari daerah pegunungan yang bersifat panas dan kering. Contohnya : angin kumbang di Cirebon, angin bahorok di Deli, angin gending di Pasuruan, angin brubu di Makasar dan angin wambrau di Biak, Papua. 2.2.11 Syarat Kecepatan Angin Syarat dan kondisi angin yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan kincir angin dan jari-jari 1 meter dapat dilihat pada tabel 2.1 berikut: Tabel 2.1 Tingkatan kecepatan angin 10 meter di atas permukaan tanah (Sumber: www.kincirangin.info) Kelas
Kecepatan
Kondisi Alam di Daratan
1
0.00 – 0.02
Angin tenang
2
0.3 – 1.5
Angin tenang, asap lurus ke atas
3
1.6 – 3.3
Asap bergerak mengikuti arah angin
4
3.4 – 5.4
Wajah terasa ada angin, daun-daun bergoyang pelan, petunjuk arah angin bergerak
5
5.5 – 7.9
Debu jalan, kertas beterbangan, ranting pohon Bergoyang
6
8.0 – 10.7
Ranting pohon bergoyang, bendera berkibar
7
10.8 – 13.8
Ranting pohon besar bergoyang, air kolam berombak kecil
8
13.9 – 17.1
Ujung pohon melengkung, hembusan angin terasa di telinga
9
17.2 – 20.7
Dapat mematahkan ranting pohon, jalan berat melawan arah angin
10
20.8 – 24.4
Dapat mematahkan ranting pohon, rumah rubu
11
24.5 – 28.4
Dapat merubuhkan pohon, menimbulkan kerusakan
12
28.5 – 32.6
Menimbulkan kerusakan parah
24
2.2.12 Pembangkit Listrik Tenaga Angin Pembangkit listrik tenaga angin adalah suatu pembangkit listrik yang menggunakan angin sebagai sumber energi
untuk menghasilkan
energi listrik. Pembangkit ini dapat mengonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Sistem pembangkitan listrik menggunakan angin sebagai sumber energi merupakan sistem alternatif yang sangat berkembang pesat, mengingat angin merupakan salah satu energi yang tidak terbatas di alam. 2.2.13 Turbin Angin (Wind Turbine) Turbin angin atau wind turbine adalah kincir angin yang digunakan untuk memutar generator listrik dan menghasilkan energi listrik. Prinsip kerja dari turbin angin ini menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang terbarukan yaitu angin. Energi angin bisa ditangkap dengan dua atau tiga buah bilah sudu yang didesain seperti sayap pesawat terbang. Bilah sudu yang digunakan berfungsi seperti sayap pesawat udara. Ketika angin bertiup melalui bilah tersebut, maka akan timbul udara bertekanan rendah di bagian bawah dari sudu, Tekanan udara yang rendah akan menarik sudu bergerak ke area tersebut. Gaya yang ditimbulkan dinamakan gaya angkat. Besarnya gaya angkat biasanya lebih kuat dari tekanan pada sisi depan bilah, atau yang biasa disebut tarik. Kombinasi antara gaya angkat dan tarik menyebabkan rotor berputar seperti propeler dan memutar generator. Turbin angin terbagi dalam dua kelompok, yaitu:
1. Turbin sumbu horizontal Turbin ini biasanya memiliki dua atau tiga blade dalam penggunaannya. Turbin sumbu horizontal memiliki poros utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin yang sederhana. Sebuah menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, sehingga turbin harus
25
diarahkan melawan arah angin. Bilah-bilah dibuat kaku agar tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi.
2. Turbin sumbu vertikal Turbin ini merupakan turbin yang dapat menerima angin dari segala arah selain itu juga mampu bekerja pada angin dalam kecepatan yang rendah. Turbin ini memiliki efisiensi yang lebih kecil dibandingkan dengan turbin angin sumbu horizontal. Komponen turbin angin terdiri dari rotor dengan sudu sebagai penggerak utama, generator sebagai pengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dan sayap/ekor yang berfungsi sebagai pengubah arah dan perangkat sistem kontrol elektrik.
Turbin
angin
mengambil
energi
angin
dengan
menurunkan
kecepatannya. Untuk bisa mencapai 100% efisien, maka sebuah turbin angin harus menahan 100% kecepatan angin yang ada, dan rotor harus terbuat dari piringan solid dan tidak berputar sama sekali, yang artinya tidak ada energi kinetik yang akan dikonversi. Besarnya energi angin yang dapat dikonversi menjadi daya dapat dicari dengan menggunakan persamaan: P = ½ Aρηv3 ………………………(2.3) Dimana: P = daya yang dapat dihasilkan oleh wind turbine A = swept area wind turbine ρ = massa jenis udara η = efisiensi wind turbine V = kecepatan angin
Secara teori, efisiensi maksimum yang bisa dicapai setiap desain turbin angin adalah 59%, artinya energi angin yang bisa diserap hanyalah
26
59%. Jika faktor-faktor seperti kekuatan dan durabilitas diperhitungkan, maka efisiensi sebenarnya hanya 35 - 45%, bahkan untuk desain terbaik. Terlebih lagi jika ditambah inefisiensi sistem wind turbine lengkap, termasuk generator, bearing, transmisi daya dan sebagainya, hanya 10 30% energi angin yang bisa di konversikan ke listrik. 2.2.14 Komponen Utama Wind Turbine Dalam mengonversi energi kinetik menjadi energi mekanik suatu wind
turbine
memerlukan
beberapa
komponen-komponen
yang
mempunyai fungsi masing-masing. Khusus untuk turbin dengan kapasitas kecil di hindarkan dari pemakaian gearbox karena gearbox bisa menyebabkan bertambah beratnya turbin sehingga untuk mengubah arah turbin di butuhkan angin yang kencang untuk menerpa ekor yang berfungsi untuk mengarahkan arah turbin ke angin. Selain itu brake juga di hindari karena untuk turbin kapasitas kecil rata-rata di gunakan untuk kecepatan angin yang rendah, jadi ketika di tambah dengan komponen brake yang memiliki gaya gesekan di brake meskipun dalam keadaan tidak mengerem gaya gesekan tersebut tetap ada, hal ini mengakibatkan putaran turbin semakin berat. Komponen-komponen tersebut antara lain adalah:
Gambar 2.10 Komponen turbin kecil (mit.ilearning.me)
27
1. Sudu Sudu adalah bagian rotor dari turbin angin. Rotor ini menerima energi kinetik dari angin dan dirubah ke dalam energi gerak putar. menggunakan prinsip-prinsip aerodinamika seperti halnya pesawat.
Gambar 2.11 Gaya –gaya angin pada sudu (Eri prasetyo, 2002)
Pada prinsipnya gaya-gaya angin yang bekerja pada sudu-sudu kincir sumbu horizontal terdiri atas tiga komponen yaitu: a. Gaya aksial(a), yang mempunyai arah sama dengan angin, gaya ini harus ditampung oleh poros dan bantalan. b. Gaya sentrifugal (s), yang meninggalkan titik tengah. Bila kipas bentuknya simetris, semua gaya sentrifugal s akan saling meniadakan atau resultannya sama dengan nol. c. Gaya tangensial( t), yang menghasilkan momen, bekerja tegak lurus pada radius dan yang merupakan gaya produktif.
Energi kinetik angin diperoleh berdasarkan energi kinetik sebuah benda dengan massa m, kecepatan v, maka rumus energi angin dapat dirumuskan sebagai berikut:
28
E = 0.5 m v2…………………….(2.4) Dimana: E = Energi Angin m= Massa benda v = kecepatan
sementara efisiensi turbin dapat di hitung dengan persamaan berikut
.………………………(2.5)
Dimana: A = swept area wind turbine ρ = massa jenis udara η = efisiensi wind turbine V = kecepatan angin
2. Tower Tower atau tiang penyangga adalah bagian struktur dari turbin angin horizontal yang memiliki fungsi sebagai struktur utama penopang dari komponen sistem terangkai sudu, poros, dan generator.
3. Ekor Ekor pada wind turbin berguna untuk mengubah posisi generator dan turbin agar sesuai dengan arah datangnya angin, ekor juga bisa berfungsi untuk melakukan furling atau penggulungan yang berfungsi untuk melambatkan putaran turbin saat terjadi angin yang memiliki batas kecepatan putaran dengan cara menekuk ekor agar arah angin tidak mendarat pada bagian samping turbin hal ini
29
menyebabkan turbin berputar pelan kalena arah angin tidak pas di tengah turbin.
4. Generator Ini adalah salah satu komponen terpenting dalam pembuatan sistem turbin angin. Generator ini dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Prinsip kerjanya dapat dipelajari dengan menggunakan teori medan elektromagnetik. Singkatnya, (mengacu pada salah satu cara kerja generator) poros pada generator dipasang dengan material ferromagnetic permanen. Setelah itu di sekeliling poros terdapat stator yang bentuk fisis nya adalah kumparankumparan 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.
5. Baterai 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. Penyimpanan energi ini di
30
akomodasi dengan menggunakan alat penyimpan energi. Contoh sederhana yang dapat dijadikan referensi sebagai alat penyimpan energi listrik adalah aki mobil. Aki mobil memiliki kapasitas penyimpanan energi yang cukup besar. Aki 12 volt, 65 Ah dapat dipakai untuk mencatu rumah tangga (kurang lebih) selama 0.5 jam pada daya 780 watt. Kendala dalam menggunakan alat ini adalah alat ini memerlukan catu daya DC (Direct Current) untuk mengcharge/mengisi energi, sedangkan dari generator dihasilkan catu daya AC (Alternating Current). Oleh karena itu diperlukan rectifierinverter untuk mengakomodasi keperluan ini.
2.2.15 HOMER Homer adalah singkatan dari the hybrid optimization model for electric renewables, merupakan perangkat lunak yang digunakan untuk membantu pemodelan dari sebuah sistem tenaga listrik dengan menggunakan berbagai pilihan sumber daya terbahrukan dan salah satu tool popular untuk desain system PLH (Pembangkit Listrik Hybrid) menggunakan energi terbarukan dan energi yang sudah ada. HOMER mensimulasikan dan mengoptimalkan system pembangkit listrik baik stand-alone maupun grid connected yang dapat terdiri dari kombinasi turbin
angin,
(diesel/bensin),
photovoltaic, microturbine,
mikrohidro, fuel-cell,
biomassa,
baterai,
dan
generator penyimpanan
hidrogen, melayani beban listrik maupun termal. Dengan HOMER, dapat diperoleh spisifikasi paling optimal dari sumber-sumber energy yang mungkin diterapkan. a) Tutorial HOMER Tampilan perangkat lunak HOMER bisa dilihat di Gambar 2.12 dibawah ini. Perancang dapat menyususn system pembangkit dari berbagai jenis sumber daya, baik sumber daya konvensional maupun yang
31
terbarukan. Proses simulasi pada HOMER dilakukan untuk mengetahui karakteristik atau performansi dari suatu system pembangkit.
Gambar 2.12 Tampilan utama Homer Setelah kita membuat program Homer, maka yang harus kita lakukan adalah memberikan atau menambahkan masukan device pada system hybrid yang akan kita buat. Disini, yang harus kita masukan adalah jenis beban yang akan ditopang dari system kita. Homer memberikan pilihan berbagai jenis beban sesuai dengan kebutuhan pengguna. Begitu juga pada pilihan komponen yang akan kita buat. Komponen pembangkit energi yang disediakan HOMER yaitu: PV, Wind Turbine, Hydro, Converter, Electrolyzer, Hydrogen Tank, Reforme, Generator, dan system batteray.
Gambar 2.13 Pemilihan tipe beban dan komponen Setelah menentukan tipe beban dan komponen pembangkit, maka hal yang selanjutnya dilakukan adalah memasukkan data beban tiap jamnya.
32
Disini ada pilihan beban yang kita buat, tipe DC dan AC. Selanjutnya simulasi dari variasi beban tiap waktunya dapat kita simulasikan dengan memasukkan presentase pada random variable.
Gambar 2.14 Proses input data beban Data beban yang telah kita inputkan secara otomatis akan langsung dihitung oleh Homer dan menghasilkan data rata-rata pemakaian, dan beban puncak dan load factor beban. b) Konfigurasi HOMER Saat melakukan simulasi, HOMER menentukan semua konfigurasi system yang mungkin, kemudian ditampilkan berurutan menurut net presents costs-NPC (atau disebut juga life cycle costs). Jika analisa sensitivitas diperlukan, HOMER akan mengulangi proses simulasi untuk setiap variable sensitivitas yang ditetapkan.
Gambar 2.15 Bagian Utama Arsitektur HOMER
