ENERGI ANGIN ( WIND ENERGY)Disusun oleh : WITA AGRIANI (03111002018) PANTUN ROMA PARULIAN SIAGIAN (03111002048) AYU NOVITASARI (03111002017) MUHAMMAD ICHSAN (03111002100) RICO WANARDIJAYA (03111002056) RONI EFLIZAR (O3111002010) SIGIT ALIK BAYU S (03111002115) ARI SETIAWAN (03111002027) AHMAR (03111002053)FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK PERTAMBANGAN UNIVERSITAS SRIWIJAYA 2012KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT karena atas karunia-Nya lah penulis dapat menyelesaikan makalah energy angin ini tepat pada waktunya. Adapun tujuan dari pembuatan makalah pengantar energi ini adalah sebagai syarat mengikuti ujian mata kuliah Pengantar Energi pada Jurusan Teknik Pertambangan Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya. Pada kesempatan ini, Penulis tak lupa mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Ir. A. Taufik Arief, MS selaku dosen pembimbing pada pembuatan tugas pembuatan makalah dan presentasi mata kuliah pengantar energi ini sekaligus sebagai dosen pengajar mata kuliah Pengantar Energi, dan tidak lupa penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Ir. A. Taufik Arief, MS, sebagai Dosen Pengajar mata kuliah Pengantar Energi. 2. Kedua orang tua yang telah memberikan dukungan moral serta material. 3. Teman teman seperjuangan yang telah memberikan banyak masukkan kepada penulis Penulis menyadari bahwa masih banyak terdapat kekurangan baik isi maupun metode yang digunakan dalam penulisan tugas ini. Untuk itu Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi perbaikan tugas ini. Semoga tugas ini dapat menambah pengetahuan serta dapat menunjang perkembangan ilmu pengetahuan dan bermanfaat bagi kita semua, amin.Indralaya,Oktober 2012Penulis,DAFTAR ISIHalaman KATA PENGANTAR...........................................................................................1 DAFTAR ISI.........................................................................................................2 BAB I PENDAHULUAN.....................................................................................3 I.1 I.2 I.3 II II.1 II.2 Latar Belakang.................................................................................3 Tujuan Pembahasan .........................................................................3 Permasalahan....................................................................................4 Proses Terjadinya Angin..................................................................5 Pemanfaatan Energi Angin..............................................................7PEMBAHASAN .......................................................................................5II.3 Konversi Energi Angin.....................................................................10 II.4 Kinerja Kincir Angin........................................................................13 III PENUTUP.................................................................................................16 III.1 Kesimpulan......................................................................................16 III.2 Saran................................................................................................17 DAFTAR PUSTAKABAB I PENDAHULUAN3I.1 Latar Belakang Pada zaman ini , kebutuhan manusia akan energi berbanding lurus dengan jumlah kebutuhan dan kuantitas manusia. Energi yang digunakan saat ini berasal dari minyak bumi. Namun, pemanfaatan minyak bumi yang berlebihan mengakibat .persediaan semakin menipis, mengingat bahwa minyak bumi merupakan energy yang tak terbarukan. Kondisi sekarang ini, manusia kurang memanfaatkan energi yang dapat diperbaharui, malah cenderung beralih pada energy yang tidak dapat terbarukan, dimana pemnafaatan ini tidak diimbangi dengan pembaharuan energy fosil, sehingga kesediaan energy tak terbarukan semakin menipis tiap tahunnya. Mengetahui kondisi tersebut, maka sesegera mungkin harus terjadi peralihan konsumsi sumber energy. Dari jenis energy yang tak terbarukan beralih menjadi pemanfaatan sumber energy yang terbarukan. Terdapat banyak jenis energy terbarukan yang dapat dimanfaatkan oleh manusia antara lain yang berasal dari; biomassa, panas bumi (geothermal), cahaya surya, ataupun angin. Masing masing sumber energi terbarukan tersebut memiliki tingkat keefisienan yang berbeda beda. Penulis memilih tema energy angin dalam pembahasan makalah ini, mengingat angin merupakan suatu energi alam yang berlimpah adanya di bumi yang juga merupakan energi yang murah serta tak pernah habis. keberadaannya yang tidak terbatas ini, membuatnya dapat dimanfaatkan dalam skala besar dan terus menerus. Angin juga merupakan salah satu jenis sumber energy yang dalam proses konversi ke energy listrik memiliki dampak negative jauh lebih kecil dibandingkan dengan pemakaian energy fosil. Selain itu, penulis merasa prihatin dengan penggunaan pembangkit listrik yang masih di dominasi oleh pembangkit listrik yang berbahan bakar fosil. Padahal di negara ini banyak terdapat sumber energi yang terbarukan yang belum di manfaatkan secara optimal, yaitu energi angin. I.2 Rumusan Permasalahan Adapun permasalahan yang akan dibahas pada makalah ini yaitu : 1. Bagaimana Proses terjadinya angin 2. Bagaimana pemanfaatan energy angin 3. Bagaimana konversi energi angin menjadi energy kinetik dan listrik 4. Bagaimana proses kerja kincir angin I.3 Tujuan Pembahasan Adapun tujuan dari pembuatan makalah ini yaitu : 1. Mengetahui Proses terjadinya angin 2. Mengetahui pemanfaatan energy angin3. Mengetahui proses konversi energy angin menjadi energy kinetic dan energy listrik. 4. Mengetahui kinerja kincir anginBAB II PEMBAHASAN II.1 Proses Terjadinya Angin5Angin terbentuk karena matahari memanaskan permukaan bumi secara tidak merata, maka terbentuklah angin. Pada dasarnya angin terjadi karena ada perbedaan temperatur antara udara panas dan udara dingin. Bumi menerima radiasi sinar matahari secara tidak merata. Dengan demikian, daerah khatulistiwa akan menerima energi radiasi matahari lebih banyak daripada di daerah kutub, atau dengan kata lain, udara di daerah khatulistiwa akan lebih tinggi dibandingkan dengan udara di daerah kutub. Pertukaran panas pada atmosfer akan terjadi secara konveksi. Berat jenis dan tekanan udara yang disinari cahaya matahari akan lebih kecil dibandingkan jika tidak disinari. Perbedaan berat jenis dan tekanan inilah yang akan menimbulkan adanya pergerakan udara. Pergerakan udara ini merupakan prinsip dari terjadinya angin. Secara ilmiah, pada abad ke-17, seorang fisikawan Itali, Evangelista Torricelli, mendeskripsikan bahwa angin dihasilkan karena adanya perbedaan suhu udara, dan juga perbedaan kepadatan (akibat perbedaan suhu udara), di antara dua daerah.Energi kinetik dari angin dapat digunakan untuk menjalankan turbin angin, beberapa mampu memproduksi tenaga 5 mw. keluaran tenaga kubus adalah fungsi 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, angin yang cukup tersedia konstan. Apabila kita asumsikan bahwa Bumi tidak berotasi, permukaan yang datar, dan udara yang lebih hangat terjadi pada daerah khatulistiwa dibandingkan pada kutub.Gambar 2. Pola sirkulasi udara sederhana. Udara pada permukaan bumi di kutub memiliki tekanan yang lebih tinggi dari pada di khatulistiwa, sehingga udara akan mengalir dari kutub menuju khatulistiwa pada permukaan bumi. Udara pada permukaan bumi di khatulistiwa memiliki berat jenis yang rendah, sehingga udara akan terangkat hingga lapisan troposfir. Karena tekanan udara pada lapisan troposfir di khatulistiwa lebih tinggi daripada tekanan udara di bagian atas kutub, maka udara akan bergerak secara horizontal pada lapisan troposfir dari khatulistiwa menuju kutub. Dan karena berat jenis di udara pada kutub lebih tinggi, maka udara akan bergerak turun menuju permukaan bumi. Apabila kita menghilangkan asumsi bahwa bumi tidak berotasi, maka pola aliran udara pada Gambar 1 akan berubah menjadi seperti pada Gambar 2. Gerakan rotasi akan mengakibatkan timbulnya tiga sel sirkulasi pada setiap belahan bumi. Sel sirkulasi ini dikenal sebagai sel Hadley, sel Ferrel, dan sel Polar (Kutub).Gambar 3. Pola sirkulasi udara tiga sel Udara permukaan yang bergerak menuju kutub dari zona subtropik (30) terangkat pada lintang 60. Pergerakan udara ini juga mengalami penyimpangan7menghasilkanWesterlies.GayaCoriolismenyimpangkanangininidanmengakibatkan mengalir dari barat ke timur membentuk aliran jet kutub pada lintang 60 utara dan selatan. Pada permukaan bumi tersebut, Westerlies subtropik bertubrukan dengan udara dingin dari kutub. Tubrukan ini mengakibatkan udara bergerak ke atas dan mengakibatkan siklon mid-latitude. Sebagian besar dari udara yang terangkat akan mengarah ke kutub dan turun kembali ke permukaan. Gambar 3 menggambarkan tekanan udara yang sebenarnya pada Bumi, dari pengamatan selama 39 tahun. Pola sirkulasi yang diperlihatkan tampak berbeda dengan Gambar 2. Perbedaan ini diakibatkan oleh material permukaan Bumi dan ketinggiannya. Daratan bersifat lebih mudah panas dan lebih mudah dingin kembali, sedangkan air sulit menjadi panas dan sulit menjadi dingin kembali. Hal ini mengakibatkan belahan Bumi utara dan selatan menjadi tidak seragam. Belahan Bumi utara didominasi oleh daratan, sedangkan selatan sebaliknya. Ketinggian mengakibatkan pusat tekanan menjadi lebih intensif ketika ketinggian meningkat.Gambar permukaan tekanan atmosfer rata-rata pada bulan Januari,4Arah danangin pusatPerbedaan tekanan terlihat dari perbedaan warna. Biru menyatakan tekanan rendah, sedangkan kuning hingga oranye menyatakan sebaliknya. Arah dan besar angin ditunjukkan dengan arah panah dan panjangnya. II.2 Pemanfaatan Energi Angin Pemanfaatan energi angin sebenarnya bukan barang baru bagi umat manusia. Semenjak 2000 tahun lalu teknologi pemanfaatan sumber daya angin sudah dikenal manusia dalam bentuk kincir angin (wind mills). Selain ramah lingkungan, sumber energi ini juga selalu tersedia setiap waktu dan memiliki masa depan bisnis yang menguntungkan. Kini sebagian besar negara maju di Eropa dan Amerika Serikat telah memanfaatkan sumber energi ini. Sekitar 1-2 persen dari energi tersebut diubah menjadi energi angin. Jadi, energi anginberjumlah 50-100 kali lebih banyak daripada energi yang diubah menjadi biomassa oleh seluruh tumbuhan yang ada di muka Bumi. 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. 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. 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. Pemanfaatannya yang umum sekarang sudah digunakan adalah untuk memompa air dan pembangkit tenaga listrik. 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. 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. Pada saat ini, penggunaan pembangkit listrik masih di dominasi oleh pembangkit listrik yang berbahan bakar fosil. Padahal di negara ini banyak terdapat sumber energi9yang terbarukan yang belum di manfaatkan secara optimal yaitu energy angin. Namun kekayaan sumberdaya alam ini tidak di dukung secara optimal dengan SDM ( Sumber Daya Manusia ) yang memadai sehingga masih bergantung kepada pihak asing. Indonesia merupakan negara kepulauan dengan garis pantai yang terpanjang di dunia yaitu sekitar 8.0791 km. Potensi ini tentunya jika dimanfaatkan secara optimal maka akan menghasilkan sesuatu yang luar biasa, misalnya jika kita manfaatkan untuk pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLTA), mengingat Indonesia memiliki ribuan pulau dengan pesisr pantai yang belum di manfaatkan energi ainginnya. PLTA adalah alat yang dapat merubah energi angin menjadi energi listrik dengan memanfaatkan perputaran blade/baling-baling kincir angin sehingga menggerakkan generator yang ada di dalamnya. Energi listrik yang di hasilkan tersebut tidak langsung di manfaatkan atau didistribusikan ke rumah penduduk tetapi terlebih dahulu di simpan di dalam baterai. Jika ditinjau dari syarat-syarat yang di perlukan untuk mendirikan PLT Angin dari segi kecepatan angin, maka kecepatan angin rata-rata di seluruh Indonesia kira-kira 3 meter per detik, kecepatan angin tersebut cukup untuk menggerakkan turbin kincir angin dengan kategori skala kecil. Turbin jenis ini cocok untuk digunakan di pesisir pantai, pegunungan bahkan di dataran rendah ataupun tinggi asalkan kecepatan angin rataratanya minimal 3 meter/detik. Namun pemanfaatan energi angin ini belum optimal, terbukti dengan jumlah PLT Angin yang telah beroperasi di Indonesia baru sebanyak 5 Unit dengan kapasitas 80 kilo watt dan pada tahun 2007 bertambah lagi sebanyak 7 unit yang beroperasi di pulau Selayar 3 unit, Sulawesi Utara dua unit, Nusa Penida, Bali dan Bangka Belitung dengan kapasitas yang sama. Sehingga diperlukan exspansi kedaerahdaerah yang belum mendapatkan listrik PLN, sehingga di harapkan kebutuhan listrik masyarakat terpencil dapat tercukupi. Mengacu pada Target Energi Nasional maka pembangkit Listrik Energi Angin di targetkan mencapai 250 Mega Watt pada thun 2025, semoga terget ini segera tercapai. Amin. Pemanfaatan energi angin merupakan pemanfaatan energi terbarukan yang paling berkembang saat ini. Berdasarkan data dari WWEA (World Wind Energy Association), sampai dengan tahun 2007 perkiraan energi listrik yang dihasilkan oleh turbin angin mencapai 93.85 GigaWatts, menghasilkan lebih dari 1% dari total kelistrikan secara global. Amerika, Spanyol dan China merupakan negara terdepan dalam pemanfaatan energi angin. Diharapkan pada tahun 2010 total kapasitas pembangkit listrik tenaga angin secara glogal mencapai GigaWatt. Di Dunia ada ribuan turbin angin yang beroperasi, dengan kapasitas total 58.982 MWyang 69% berada di Eropa (2005). Dia merupakan cara alternatif penghasilan listrik yang paling tumbuh cepat dan menyediakan tambahan yang berharga bagi stasiun tenaga berskala besar yang berbeban besar. Penghasilan kapasitas listrik diproduksi-angin berlipat empat antara 1999 dan 2005. 90% dari instalasi tenaga angin berada di AS dan Eropa. Pada 2010, Asosiasi Tenaga Angin Dunia mengharapkan 120.000 MW akan terpasang di dunia. Jerman, Spanyol, Amerika Serikat, India dan Denmark telah membuat invesatasi terbesar dalam penghasilan listrik dari angin. Denmark terkenal dalam pemroduksian dan penggunaan turbin angin, dengan sebuah komitmen yang dibuat pada 1970-an untuk menghasilkan setengah dari tenaga negara tersebut dengan angin. Denmark menghasil lebih dari 20% listriknya dengan turbin angin, persentase terbesar dan ke-lima terbesar dari penghasilan tenaga angin. Denmark dan Jerman merupakan eksportir terbesar dari turbin besar. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensonal (Contoh: PLTD,PLTU,dll), turbin angin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui (Contoh : batubara, minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik. II.3 Konversi Energi Angin Proses konversi energi listrik yang terjadi pada PLTB pertama kali bermula dari angin yang berhembus melalui turbin, lalu ditangkap oleh sudu yang kemudian digunakan untuk memutar rotor. Putaran rotor yang dihasilkan umumnya ditingkatkan putarannya dengan menggunakan roda gigi sebelum digunakan untuk memutar generator. Hingga tahap ini proses konversi hanya berupa proses mekanis. Daya mekanis yang ditangkap oleh sudu pada turbin dapat direpresentasikan secara matematis sebagai berikut:dimana, (rho) angin adalah kerapatan angin persatuan luas, A rot adalah luas bidang yang terlingkupi sudu turbin, V angin adalah kecepatan angin, dan Cp adalah koefisien daya yang nilainya bergantung pada jari-jari rotor, kecepatan putar rotor, dan kecepatan angin:11Generator mengubah energi gerak menjadi energi listrik dengan menggunakan prinsip induksi magnetik. Pada tahap ini konversi daya memasuki tahap konversi elektris. Kualitas daya yang dihasilkan pada umumnya diatur dengan menggunakan komponen elektronika daya. Sehingga tegangan dan frekuensi keluaran generator dapat diatur sedemikian rupa sesuai dengan kebutuhan. Apabila energi listrik yang dihasilkan ingin ditransmisikan melalui grid karena jarak pusat beban dan PLTB cukup jauh, maka tegangan nominal perlu dinaikkan untuk mengurangi susut daya yang terjadi pada saluran transmisi/distribusi. Demikian sebaliknya pada saat energi lsitrik tersebut didistribusikan pada konsumen (beban), tegangan nominalnya perlu diturunkan kembali. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut :Gambar 1 Aliran Konversi Energi PLTB III.3.1 Sistem Turbin Angin Fixed-Speed Terkoneksi Grid Dengan Generator Induksi Pada awal sejarah digunakannya PLTB sebagai pembangkit listrik, teknologi fixed-speed terkoneksi grid dengan menggunakan generator induksi rotor sangkar banyak digunakan (gambar 2). Alasan utama sistem ini banyak dipakai karena memiliki beberapa kelebihan diantaranya sangat murah, kokoh, dan sederhana. Selain itu juga, keuntungan dalam mengekstrak energi secara optimaltanpa menggunakan dummy load pada kondisi beban rendah juga didapatkan pada sistem turbin angin ini, karena sudah terhubung grid. Konsep fixed-speed mengandalkan konsep kendali yang dapat menjaga kecepatan putar sudu turbin pada kecepatan putar konstan. Karena itu, sistem ini dirancang untuk mengekstrak energi angin secara optimal pada satu tingkat kecepatan angin saja. Hal ini tentunya akan menjadi kekurangan utama dalam aplikasi PLTB, karena seperti kita ketahui profil kecepatan angin dapat berubah cepat dalam orde detik. Pada kasus ini, efek nyata dari penggunaan sistem turbin angin sangat terasa pada produksi daya yang dihasilkan oleh PLTB per tahunnya jika dibandingkan sistem turbin angin lainnya.Gambar 2 Sistem Turbin Angin Fixed-Speed Terkoneksi Grid Dengan Generator Induksi Sistem turbin angin ini hanya menggunakan komponen elektronika softstarter yang digunakan untuk mengurangi dampak inrush current (gambar 3) yang terjadi pada saat pertama kali generator mulai terhubung dengan grid. Pencegahan inrush current ini harus dilakukan karena bila tidak ditangani akan menyebabkan frekuensi dan tegangan grid akan berubah secara drastis dan akan mempengaruhi stabilitas komponen yang terhubung dengannya.13Gambar 3 Inrush Current Selain itu, apabila grid yang terpasang pada sistem turbin angin lemah (memiliki suplai daya reaktif yang rendah), sisi keluaran generator harus terhubung dengan kapasitor bank untuk membantu suplai daya reaktif yang dibutuhkan generator agar dapat menghasilkan daya aktif. III.3.2 Sistem Turbin Angin Direct-Drive Dengan Generator Sinkron Magnet Perkembangan terakhir dari teknologi sistem turbin angin yang ada saat ini sudah banyak menggunakan komponen generator putaran rendah permanen magnet untuk menghindari penggunaan roda gigi (gambar 4). Penggunaan roda gigi (gearbox) dinilai merugikan karena menimbulkan rugi-rugi daya tambahan pada PLTB dan memerlukan perawatan, pelumasan secara berkala. Selain itu, nilai lebih dari sistem ini terletak pada kemampuannya mengkonversikan energi listrik secara optimal pada rentang kecepatan angin berapapun. Rugi-rugi eksitasi generator pada sistem turbin angin juga dapat dihilangkan dengan penggunaan permanen magnet yang notabene tidak menghasilkan arus muatan. Sistem ini sudah teruji kehandalannya baik pada saat beroperasi dengan grid maupun tidak (stand-alone). Akhirnya, produksi daya per tahunnya. Sayangnya, dari kelebihan-kelebihan yang telah dikemukakan sebelumnya terdapat beberapa kerugian yang membuat para developer PLTB menghindari penggunaan sistem direct-drive, diantaranya karena biaya investasi yang dibutuhkan jauh lebih mahal dari sistem turbin angin lainnya. Disamping itu, untuk dapat menghasilkan daya yang optimal pada kecepatan angin yang rendah dari penelitian yang sudah pernah dilakukan sebelumnya, sistem turbin angin ini teruji paling baik dari segi efisiensi dan Permanen(