MAKALAH OSN-PERTAMINA 2013
BIDANG KOMPETISI FISIKA
TEMA:
INOVASI SOBAT BUMI, PRESTASI UNTUK NEGERI
TOPIK:
ANGIN SEBAGAI SUMBER ENERGI ALTERNATIF
Oleh:
NAMA : ETHELBERT DAVITSON P
KODE PESERTA : 2202006
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA
JURUSAN PENDIDIKAN MIPA
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS PALANGKARAYA
2013
ii
KATA PENGANTAR
Dengan memanjatkan Puji Syukur Kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang
telah melimpahkan rahmat-Nya kepada kita semua, sehingga saya mendapat
kemampuan untuk menyelesaikan makalah ini dengan judul “ANGIN SEBAGAI
SUMBER ENERGI ALTERNATIF” ini disusun untuk memenuhi syarat
SELEKSI OSN PERTAMINA 2013 TINGKAT NASIONAL.
Ucapan terima kasih yang dalam tak terhingga saya sampaikan kepada seluruh
komponen yang memberikan bantuan kepada saya sehingga makalah ini tersusun
dengan baik. Ucapan terima kasih saya terutama disampaikan kepada :
1. Bapak dan Ibu dosen dalam ruang lingkup Program Studi Pendidikan
Fisika Universitas Palangkaraya yang telah membimbing dalam
pembuatan makalah ini.
2. Keluarga dan teman-teman yang telah memberikan dukungan baik itu
berupa moril maupun materil.
Ucapan terima kasih juga saya sampaikan kepada semua komponen yang
tidak dapat saya sebutkan satu persatu yang telah membantu saya dalam
menyelesaikan penyusunan makalah ini, mudah-mudahan Tuhan Yang Maha Esa
membalasnya dengan yang lebih baik.
Dalam penulisan makalah ini, saya sebagai penyusun tidak menutup
kemungkinan adanya kesalahan dan kekeliruan. Oleh sebab itu saya berharap
untuk diberi kritikan dan saran yang membangun agar makalah ini dapat lebih
bagus lagi kedepannya.
iii
Atas perhatian dan partisipasinya saya selaku penyusun makalah ini
mengucapkan banyak-banyak terima kasih. Semoga makalah ini dapat bermanfaat
dan berguna sehingga dapat menambah pengetahuan bagi kita semua, khususnya
bagi para penerus bangsa ini kedepannya. AMIN.
Palangka Raya, Desember 2013
Ethelbert Davitson Phanias
iv
DAFTAR ISI
Kata Pengantar ii
Daftar Isi iv
Daftar Gambar vi
Daftar Tabel vii
BAB I
PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Rumusan Masalah 3
1.3 Tujuan Penulisan 4
1.4 Batasan Masalah 4
1.5 Manfaat Penulisan 4
1.6 Metode Penulisan 4
BAB II
PEMBAHASAN 6
2.1 Sejarah Energi Angin 6
2.2 Sumber Energi Angin 7
2.2.1 Angin Darat-Laut 8
2.2.2 Angin Orografi 8
2.2.3 Kecepatan Angin Terhadap Kekasaran Permukaan &
Ketinggian 8
2.3 Turbin Angin 10
2.4 Jenis Turbin Angin 13
2.4.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal 13
2.4.1.1 Kelebihan TASH 14
2.4.1.2 Kekurangan TASH 15
2.4.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal 15
2.4.2.1 Kelebihan TSAV 17
v
2.4.2.2 Kekurangan TSAV 18
2.5 Prinsip Kerja Energi Angin 19
2.6 Keuntungan dan Kerugian dari Energi Angin 24
2.6.1 Keuntungan 24
2.6.2 Kerugian 26
BAB III
PENUTUP 30
3.1 Kesimpulan 30
3.2 Saran 33
DAFTAR PUSTAKA 35
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Bagian dalam dari turbin angin 11
Gambar 2.2
Turbin angin sumbu horizontal 14
Gambar 2.3 Turbin angin sumbu vertical 16
Gambar 2.4
Sistem yang Terhubung ke jaringan PLN 19
Gambar 2.5 Sistem Off Grid 20
Gambar 2.6 Sistem Listrik Hybrid 20
Gambar 2.7 Pembangkit listrik tenaga angin di daratan 27
Gambar 2.8 Ladang pembangkit angin lepas pantai 29
vii
DAFTAR TABEL
Tabel.2.1
Tabel kondisi angin 9
Tabel.2.2.
Tingkat kecepatan angin 10m di atas permukaan tanah 10
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kelangkaan bahan bakar merupakan permasalahan klasik di Negara
Indonesia yang saat ini telah berdampak banyak pada aktivitas masyarakat,
diantaranya adalah antrian minyak tanah dan kekosongan pasokan SPBU.
Keadaan ini diperparah dengan kemampuan penyediaan bahan bakar oleh
pemerintah tidak seimbang dengan permintaan masyarakat yang semakin
meningkat.
Kebutuhan manusia terhadap energi semakin lama semakin meningkat.
Energi yang digunakan saat ini berasal dari minyak bumi. Namun, eksploitasi
yang berlebihan terhadap minyak bumi mengakibatkan persediaannya semakin
menipis. Tuhan menganugrahkan pada manusia akal untuk berfikir, dengan akal
manusia inilah teknologi-teknologi baru ditemukan. Kemajuan teknologi juga
telah sampai pada penggunaan energi alternatif sebagai pengganti sumber energi
utama yang semakin sedikit jumlahnya. Dengan harga minyak sekarang ini,
pemerintah telah berada dalam pilihan yang sangat berat untuk mengambil
keputusan menaikkan harga minyak. Selain mengurangi kebiasaan boros energi
yang dapat menstabilkan harga minyak, sekarang ini bangsa Indonesia harus
segera memperoleh solusi untuk masalah energi pada masa yang akan datang.
Walaupun krisis energi sekarang ini akan berlalu, usaha untuk mengganti peran
bahan bakar fosil dengan sumber energi baru dan terbarukan perlu ditingkatkan
2
lagi. Di antara berbagai sumber energi terbarui yang sedang dikembangkan, di
bumi Indonesia terkandung potensi sumber energi sangat besar yang dapat
mengurangi peran bahan bakar fosil dalam membangkitkan tenaga listrik.
Penipisan potensi sumber daya minyak di satu sisi dan peningkatan
kebutuhan energi di sisi lain, membawa konsekuensi bagi perlunya digalakkan
upaya pengembangan pemanfaatan sumber energi terbarukan antara lain energi
angin sebagai energi alternatif yang dapat dipakai untuk membangkitkan tenaga
listrik. Semakin luas isu kerusakan lingkungan akibat polusi dari penggunaan
bahan bakar fosil yang menimbulkan polusi, sehingga pemanfaatan sumber energi
baru dan terbarukan yang berwawasan lingkungan merupakan salah satu upaya
untuk mengurangi polusi.
Energi angin merupakan sumber energi penting sejak waktu lama di
beberapa negara. Cina telah memanfaatkan energi angin untuk pemompaan lebih
dari seribu tahun lalu. Di Eropa barat, kincir angin mekanik untuk pemompaan
atau penggilingan telah digunakan sejak abad ke-13 dan di Amerika untuk
pemompaan pada peternakan sejak awal abad ke-18. Sementara itu, turbin angin
listrik telah diaplikasikan oleh para petani di Amerika sejak tahun 1930.
Diseminasi pemanfaatan teknologi energi angin klasik tersebut berlangsung
hingga pertengahan abad ke 19, namun menghilang bersamaan dengan meluasnya
aplikasi pembangkitan listrik berbahan bakar fosil. Aplikasi teknologi energi
angin sebagai alternatif meluas kembali ketika harga bahan bakar minyak
melonjak, namun menyusut dengan cepat ketika harga bahan bakar minyak anjlok
pada akhir tahun 1985, kecuali yang kompetitif.
3
Fluktuasi harga bahan bakar minyak dan merebaknya isu lingkungan terus
mendorong perkembangan teknologi energi angin. Aplikasi turbin angin kecil dan
turbin angin besar berkembang di beberapa negara sebagai alternatif penyediaan
kebutuhan listrik yang terus meningkat tidak saja di perkotaan. Berbagai upaya
telah dan terus dilakukan dalam mengembangkan teknologi energi angin yang
berwawasan lingkungan tersebut guna mendapatkan hasil yang semakin efisien
dan berdaya saing. Sejalan dengan upaya pengembangan sumber energi
terbarukan seperti mikrohidro, energi surya, dan biomas sebagai energi alternatif
di Indonesia, LAPAN (Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional) telah
melakukan riset dan pengembangan energi angin sejak tahun 1979 mencakup
inventarisasi potensi energi angin serta pengembangan dan diseminasi teknologi
pemanfaatannya. Riset dan pengembangan teknologi energi angin tersebut dewasa
ini diarahkan terutama untuk aplikasi skala kecil di pedesaan dan juga
kemungkinan sebagai pembangkitan skala besar guna menunjang penyediaan
energi di masa datang.
1.2 Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah dari makalah ini adalah:
1.2.1 Bagaimana sejarah penggunaan dari energi angin?
1.2.2 Bagaimana proses terbentuknya energi angin.
1.2.3 Bagaimana prinsip kerja dari energi angin?
1.2.4 Apa saja keuntungan dari energi angin?
1.2.5 Apa saja kerugian dari energi angin?
4
1.3 Tujuan Penulisan
Adapun tujuan dari penulisan makalah ini, yaitu untuk :
1.3.1 Mengetahui sejarah penggunaan dari energi angin.
1.3.2 Mengetahui proses terbentuknya energi angin.
1.3.3 Mengetahui prinsip kerja dari energi angin.
1.3.4 Mengetahui keuntungan dari energi angin.
1.3.5 Mengetahui kerugian dari energi angin.
1.4 Batasan Masalah
Agar tidak terjadi salah penafsiran dan tidak terjadi perluasan masalah
maka makalah ini dibatasi hanya pada lingkup energi angin.
1.5 Manfaat Penulisan
Manfaat yang dapat diperoleh dari makalah ini adalah :
1.5.1 Memberi pengetahuan kepada pembaca mengenai sumber energi
alternative berupa energi angin.
1.5.2 Memberikan kesadaran kepada pembaca agar dapat menggunakan energi
dengan sebaik mungkin.
1.5.2 Membuat pembaca agar lebih peduli lagi tentang lingkungannya.
1.6 Metode Penulisan
5
Pada penulisan makalah ini, saya sebagai penulis menggunakan metode
kupustakaan dan mencari sumber-sumber yang berhubungan dengan energi angin
dari media internet maupun Online. Baik itu berupa jurnal-jurnal maupun bahan
bacaan.
6
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 Sejarah Energi Angin
Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia. Sejak zaman
dahulu, orang telah memanfaatkan energi angin. Lebih dari 5.000 tahun yang lalu,
orang Mesir kuno menggunakan angin untuk berlayar kapal di Sungai Nil.
Kemudian, orang-orang membangun kincir angin untuk menggiling gandum dan
biji-bijian lainnya. Naskah tertua tentang kincir angin terdapat dalam tulisan Arab
dari abad ke-9 Masehi yang menjelaskan bahwa kincir angin yang dioperasikan di
perbatasan Iran dan Afganistan sudah ada sejak beberapa abad sebelumnya,
kadang disebut Persian windmill. Kincir angin dikenal paling awal adalah di
Persia (Iran). Awal kincir angin ini tampak seperti roda dayung besar. Berabad-
abad kemudian, orang-orang Belanda meningkatkan desain dasar kincir angin
mereka. Kualitas kreatifitas masyarakat Belanda akan aplikasi kincir angin,
membuat Belanda menjadi terkenal dengan kincir anginnya. Sedangkan koloni
Amerika menggunakan kincir angin untuk menggiling gandum dan jagung, untuk
memompa air, dan memotong kayu di penggergajian. Pada akhir tahun 1920-an,
Amerika menggunakan kincir angin kecil untuk menghasilkan listrik di daerah
pedesaan yang hidup tanpa layanan listrik. Ketika kabel listrik mulai digunakan
untuk transportasi listrik di daerah pedesaan di tahun 1930-an, kincir angin local
menjadi semakin jarang digunakan. Meskipun demikian, kincir angin tersebut
masih dapat dilihat pada beberapa peternakan di daerah barat. Kekurangan minyak
pada 1970-an mengubah gambaran mengenai energi untuk negara dan dunia. Ini
7
menciptakan suatu kepentingan sumber energi alternatife baru, membuka jalan
bagi masuknya kembali kincir angin untuk menghasilkan listrik. Pada awal 1980-
an energi angin menjadi sangat luar biasa di California, sebagian besar karena
kebijakan negara yang mendorong sumber energi terbarukan. Dukungan untuk
pembangunan angin telah menyebarke negara lain, tapi pada saat itu California
masih dapat memproduksi sebanyak lebih dari dua kali energi angin apapun di
negara lain. Kincir angin jenis Persian windmill juga digunakan di Cina untuk
menguapkan air laut dalam memproduksi garam. Terahir masih digunakan di
Crimea, Eropa dan Amerika Serikat. Selanjutnya sejarah berkembang menjadi
manipulasi fungsi. Kincir angin yang pertama kali digunakan untuk
membangkitkan listrik, dibangun oleh P.La Cour dari Denmark diakhir abad ke-
19. Setelah perang dunia I, kincir angin diterapkan pada layar dengan penampang
melintang menyerupai sudut propeler pesawat yang pada masa ini disebut type
propeler atau turbin. Eksperimen kincir angin sudut kembar dilakukan di Amerika
Serikat tahun 1940, berukuran sangat besar. Mesin raksasa ini disebut mesin
Smith-Putman, karena salah satu perancangnya bernama Palmer Putman,
kapasitasnya 1,25 MW yang dibuat oleh Morgen Smith Company dari York
Pensylvania. Diameter propelernya 175 ft (55m) beratnya 16 ton dan menaranya
setinggi 100 ft (34m). Tapi dikemudian hari salah satu batang propelernya patah
pada tahun 1945.
2.2 Sumber Energi Angin
Angin disebabkan oleh pemanasan sinar matahari yang tidak merata di
atas permukaan bumi. Udara yang lebih panas akan mengembang menjadi ringan
8
dan bergerak naik ke atas, sedangkan udara yang lebih dingin akan lebih berat
dan bergerak menempati daerah tersebut. Perbedaan tekanan atmosfer pada suatu
daerah yang disebabkan oleh perbedaan temperatur akan menghasilkan sebuah
gaya. Perbedaan dalam tekanan dinyatakan dalan istilah gradien tekanan
merupakan laju perubahan tekanan karena perbedaan jarak. Gaya gradien
merupakan gaya yang bekerja dalam arah dari tekanan lebih tinggi ketekanan
yang lebih rendah. Arah gaya gradien tekanan di atmosfer tegak lurus permukaan
isobar. Beberapa karakteristik angin :
2.2.1 Angin Darat-Laut
Wilayah Indonesia merupakan daerah kepulauan dengan
luas lautan lebih besar dari daratan. Angin darat-laut disebabkan
karena daya serap panas yang berbeda antara daratan dan lautan.
Perbedaan karakteristik laut dan darat tersebut menyebabkan angin
di pantai akan bertiup secara kontinyu
2.2.2 Angin Orografi
Angin orografi merupakan angin yang dipengaruhi oleh
perbedaan tekanan antara permukaan tinggi dengan permukaan
rendah (angin gunung dan angin lembah). Pada siang hari berasal
dari lembah berhembus ke atas gunung (angin lembah) dan
sebaliknya pada malam hari.
2.2.3 Kecepatan Angin Terhadap Kekasaran Permukaan & Ketinggian
Kekasaran permukaan menentukan berapa lambat kecepatan
angin dekat permukaan. Di area dengan kekasaran tinggi, seperti
9
hutan atau kota, kecepatan angin dekat permukaan cenderung
lambat dan sebaliknya kecepatan angin cukup tinggi pada area
kekasaran rendah seperti daerah datar, lapangan terbuka.
Syarat – syarat dan kondisi angin yang dapat digunakan untuk
menghasilkan energi listrik dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel.2.1 Tabel kondisi angin.
10
Tabel.2.2.Tingkat kecepatan angin 10m di atas permukaan tanah
Angin kelas 3 adalah batas minimum dan angin kelas 8 adalah batas
maksimum energi angin yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi
listrik.
2.3 Turbin Angin
Turbin angin adalah suatu kincir angin yang digunakan untuk
membangkitkan tenaga listrik. Sistem kerjanya adalah mengkonversikan tenaga
angin menjadi tenaga listrik. Berikut dibawah ini akan dijelaskan mengenai
bagian–bagian penyusun dari turbin angin :
11
Gambar 2.1 Bagian dalam dari turbin angin.
a. Anemometer: Mengukur kecepatan angin dan mengirim data angin ke
alat pengontrol.
b. Blades (Bilah Kipas): Kebanyakan turbin angin mempunyai 2 atau 3
bilah kipas angin yang menghembus menyebabkan turbin tersebut
berputar.
c. Brake (Rem): Suatu rem cakram yang dapat digerakkan secara mekanis
dengan bantuan tenaga listrik atau hidrolik untuk menghentikan rotor atau
saat keadaan darurat.
d. Controller (Alat Pengontrol): Alat Pengontrol ini men-start turbin pada
kecepatan angin kira-kira 12-25 km/jam, dan kemudian mematikannya
pada kecepatan 90 km/jam. Turbin tidak beroperasi di atas 90 km/jam. Hal
ini dikarenakan tiupan angin yang terlalu kencang dapat merusakkannya.
12
e. Gear box (Roda Gigi): Roda gigi menaikkan putaran dari 30-60 rpm
menjadi sekitar 1000-1800 rpm. Ini merupakan tingkat putaran standar
yang disyaratkan untuk memutar generator listrik.
f. Generator: Generator pembangkit listrik, biasanya sekarang disebut
alternator arus bolak-balik.
g. High-speed shaft (Poros Putaran Tinggi): Berfungsi untuk
menggerakkan generator.
h. Low-speed shaft (Poros Puutaran Rendah): Poros turbin yang berputar
kira-kira 30-60 rpm.
i. Nacelle (Rumah Mesin): Rumah mesin ini terletak di atas menara . Di
dalamnya berisi gearbox, poros putaran tinggi/rendah, generator, alat
pengontrol, dan alat pengereman.
j. Pitch (Sudut Bilah Kipas): Bilah kipas dapat diatur sudutnya sesuai
dengan kecepatan rotor yang dikehendaki. Tergantung kondisi angin yang
terlalu rendah atau terlalu kencang.
k. Rotor: Bilah kipas bersama porosnya dinamakan rotor.
l. Tower (Menara): Menara bisa dibuat dari pipa baja, beton, ataupun
rangka besi. Karena kencangnya angin bertambah dengan seiring dengan
bertambahnya ketinggian, maka makin tinggi menara makin besar tenaga
angin yang didapat.
m. Wind direction (Arah Angin): Adalah turbin yang menghadap angin.
Desain turbin lain ada yang mendapat hembusan angin dari belakang.
13
n. Wind vane (Tebeng Angin): Mengukur arah angin, berhubungan dengan
penggerak arah yang memutar arah turbin disesuaikan dengan arah angin.
o. Yaw drive (Penggerak Arah): Penggerak arah memutar turbin ke arah
angin untuk desain turbin yang menghadap angin. Untuk desain turbin
yang mendapat hembusan angin dari belakang tak memerlukan alat ini.
p. Yaw motor (Motor Penggerak Arah): Motor listrik yang menggerakkan
Yaw drive.
2.4 Jenis Turbin Angin
Turbin angin memanfaatkan energi kinetik dari angin dan
mengkonversinya menjadi energi listrik. Ada dua jenis turbin angin yang utama:
Turbin angin dengan poros horizontal
Turbin angin dengan poros vertikal
2.4.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal (TASH) memiliki poros rotor utama dan
generator listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah
baling-baling angin (baling-baling cuaca) yang sederhana, sedangkan turbin
berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang
digandengkan ke sebuah servo motor. Sebagian besar memiliki sebuah gearbox
yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat berputar.
Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, turbin
biasanya diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat
kaku agar mereka tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi.
14
Sebagai tambahan, bilah bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu
dan sedikit dimiringkan. Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur
menara, dan realibilitas begitu penting, sebagian besar TASH merupakan mesin
upwind (melawan arah angin). Meski memiliki permasalahan turbulensi, mesin
downwind (menurut jurusan angin) dibuat karena tidak memerlukan mekanisme
tambahan agar mereka tetap sejalan dengan angin, dan karena di saat angin
berhembus sangat kencang, bilah-bilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi
wilayah tiupan mereka dan dengan demikian juga mengurangi resintensi angin
dari bilah-bilah itu.
Gambar 2.2 Turbin angin sumbu horizontal
2.4.1.1 Kelebihan TASH
Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat
di tempat-tempat yang memiliki geseran angin (perbedaan antara laju
15
dan arah angin antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam
atmosfir bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter
ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%.
2.4.1.2 Kekurangan TASH
Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90
meter sulit diangkut.
Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20% dari seluruh
biaya peralatan turbin angin.
TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang
sangat tinggi dan mahal serta para operator yang tampil.
Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah
yang berat, gearbox, dan generator.
TASH yang tinggi bisa memengaruhi radar airport.
Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan
mengganggu penampilan lansekap.
Berbagai varian downwind menderita kerusakan struktur yang
disebabkan oleh turbulensi.
TASH membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk
membelokkan kincir ke arah angin.
2.4.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin sumbu vertikal/tegak (atau TASV) memiliki poros/sumbu
rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin
16
tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna
di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. TASV mampu mendaya
gunakan angin dari berbagai arah.
Gambar 2.3 Turbin angin sumbu vertikal
Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di
dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses
untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan
tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah
benda padat melalui fluida (zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat kincir
berputar.
Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu tegak sering dipasang
lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah
bangunan. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga
17
yang tersedia adalah energi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan
obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa
menyebabkan berbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya
kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau
mempersingkat umur turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara
turbin kira-kira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik optimal bagi energi
angin yang maksimal dan turbulensi angin yang minimal.
2.4.2.1 Kelebihan TSAV
Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.
Karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhkan mekanisme yaw.
Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat
pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.
TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang
terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan
keaerodinamisan yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan
yang rendah dan tinggi.
Desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk
kotak atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih
besar untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk
lingkarannya TASH.
TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada
TASH. Biasanya TASV mulai menghasilkan listrik pada 10km/jam (6
m.p.h.)
18
TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara
kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya
angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di
saat angin berhembus sangat kencang.
TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih
tinggi dilarang dibangun.
TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan
dari berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju
angin (seperti gunung atau bukit yang puncaknya datar dan puncak
bukit),
TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.
Kincir pada TASV mudah dilihat dan dihindari burung.
2.4.2.2 Kekurangan TSAV
Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi
TASH karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.
TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih
kencang di elevasi yang lebih tinggi.
Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan
membutuhkan energi untuk mulai berputar.
Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya
memberi tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor
dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan
meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup.
19
2.5 Prinsip Kerja Energi Angin
Turbin angin adalah bagian dari sistem yang lebih besar. Komponen
lainnya dinamakan komponen penyeimbang sistem/ balance of system (BOS) dan
ada beberapa jenis tergantung kepada jenis sistem yang diinstalasi. Tiga jenis
sistem energi angin yang utama bisa dibedakan.
1. Sistem yang Terhubung ke jaringan PLN
Gambar 2.4 Sistem yang Terhubung ke jaringan PLN
Jika jaringan PLN sudah ada di daerah tersebut, maka sistem energi
angin bisa dihubungkan ke jaringan tersebut.
2. Off grid atau sistem berdiri sendiri
20
Sistem tersebut bisa beroperasi tanpa topangan eksterior; sangat sesuai
untuk penggunaan di daerah terpencil.
Gambar 2.5 Sistem Off Grid
3. Sistem Listrik Hybrid
Turbin angin sebaiknya digunakan dengan sumber-sumber energi
lainnya (PV, generator diesel). Ini bisa meningkatkan produksi energi
listrik dari sistem ini dan menurunkan resiko kekurangan energi.
Gambar 2.6 Sistem Listrik Hybrid
21
Energi yang dihasilkan oleh turbin angin dinyatakan sebagai berikut
Energi kinetik yang dihasilkan oleh benda yang bergerak adalah:
=
dimana m adalah massa udara yang mengenai turbin angin, dan v adalah
kecepatan angin. Massa m tersebut dapat diturunkan dari persamaan berikut
dimana adalah densitas udara, A adalah luas daerah yang menyapu turbin angin,
dan d adalah jarak yang ditempuh angin. Daya yang dihasilkan oleh turbin angin
(Pw) merupakan energi kinetik per detik yang dinyatakan oleh
=
Energi aktual yang diserap turbin angin tergantung dari efisiensi turbin
angin yang dinyatakan dalam Cp ( yang merupakan fungsi dari
(perbandingan kecepatan ujung: tip speed ratio) dan (sudut angguk: pitch
angle). Sudut angguk adalah sudut antara bilah turbin dengan sumbu
longitudinal (horisontal). Sedangkan perbandingan kecepatan ujung
didefinisikan sebagai perbandingan antara kecepatan rotor turbin dengan
kecepatan angin, yang dinyatakan oleh persamaan
22
dimana adalah kecepatan sudut turbin angin, dan R adalah jari-jari turbin angin.
Sehingga daya aktual yang diserap turbin angin dinyatakan oleh
(
Dengan menggunakan persamaan diatas, maka torsi yang didefinisikan sebagai
daya dibagi kecepatan sudut putaran dapat dinyatakan sebagai
(
Dimana ( = ( /λ adalah koefisien torsi dari turbin angin.
Umumnya daya efektif yang dapat dipanen oleh sebuah turbin angin hanya
sebesar 20%-30%. Jadi rumus daya diatas dapat dikalikan dengan 0,2 atau 0,3
untuk mendapatkan hasil yang cukup eksak. Prinsip dasar kerja dari turbin angin
adalah mengubah energi mekanis dari angin menjadi energi putar pada kincir, lalu
putaran kincir digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan
menghasilkan listrik.
Sebenarnya prosesnya tidak semudah itu, karena terdapat berbagai macam sub-
sistem yang dapat meningkatkan safety dan efisiensi dari turbin angin, yaitu :
1. Gearbox Alat ini berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir
menjadi putaran tinggi. Biasanya Gearbox yang digunakan sekitar 1:60.
2. Brake System 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
23
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.
3. 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 ferromagnetik
permanen. Setelah itu disekeliling poros terdapat stator yang bentuk
fisisnya adalah kumparan-kumparan 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.
4. Penyimpan energi Karena keterbatasan ketersediaan akan energi angin
(tidak sepanjang hari angin akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik
24
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 diakomodasi 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.
5. Kendala dalam menggunakan alat ini adalah alat ini memerlukan catu daya
DC (Direct Current) untuk meng-charge/mengisi energi, sedangkan dari
generator dihasilkan catu daya AC (Alternating Current). Oleh karena itu
diperlukan rectifier-inverter untuk mengakomodasi keperluan ini.
2.6 Keuntungan dan Kerugian dari Energi Angin
2.6.1 Keuntungan
Keuntungan utama dari penggunaan pembangkit listrik tenaga angin
secara prinsipnya adalah disebabkan karena sifatnya yang terbarukan. Hal
ini berarti eksploitasi sumber energi ini tidak akan membuat sumber daya
25
angin yang berkurang seperti halnya penggunaan bahan bakar fosil. Oleh
karenanya tenaga angin dapat berkontribusi dalam ketahanan energi dunia
di masa depan. Tenaga angin juga merupakan sumber energi yang ramah
lingkungan, dimana penggunaannya tidak mengakibatkan emisi gas buang
atau polusi yang berarti ke lingkungan.
Emisi karbon ke lingkungan dalam sumber listrik tenaga angin diperoleh
dari proses manufaktur komponen serta proses pengerjaannya di tempat
yang akan didirikan pembangkit listrik tenaga angin. Namun dalam
operasinya membangkitkan listrik, secara praktis pembangkit listrik tenaga
angin ini tidak menghasilkan emisi yang berarti. Jika dibandingkan
dengan pembangkit listrik dengan batubara, emisi karbon dioksida
pembangkit listrik tenaga angin ini hanya seperseratusnya saja. Disamping
karbon dioksida, pembangkit listrik tenaga angin menghasilkan sulfur
dioksida, nitrogen oksida, polutan atmosfir yang lebih sedikit jika
dibandingkan dengan pembangkit listrik dengan menggunakan batubara
ataupun gas.
Namun begitu, ladang angin lepas pantai diharapkan dapat menjadi tempat
pertumbuhan bibit-bibit ikan yang baru. Karena memancing dan berlayar
di daerah sekitar ladang angin dilarang, maka spesies ikan dapat terjaga
akibat adanya pemancingan berlebih di laut.
Meskipun dampak-dampak lingkungan ini menjadi ancaman dalam
pembangunan pembangkit listrik tenaga angin, namun jika dibandingkan
dengan penggunaan energi fosil, dampaknya masih jauh lebih kecil. Selain
26
itu penggunaan energi angin dalam kelistrikan telah turut serta dalam
mengurangi emisi gas buang.
2.6.2 Kerugian
Penetapan sumber daya angin dan persetujuan untuk pengadaan ladang
angin merupakan proses yang paling lama untuk pengembangan proyek
energi angin. Hal ini dapat memakan waktu hingga 4 tahun dalam kasus
ladang angin yang besar yang membutuhkan studi dampak lingkungan
yang luas.
Namun begitu, pembangkit listrik tenaga angin ini tidak sepenuhnya
ramah lingkungan, terdapat beberapa masalah yang terjadi akibat
penggunaan sumber energi angin sebagai pembangkit listrik, diantaranya
adalah dampak visual, derau suara, beberapa masalah ekologi, dan
keindahan.
Dampak visual biasanya merupakan hal yang paling serius dikritik.
Penggunaan ladang angin sebagai pembangkit listrik membutuhkan luas
lahan yang tidak sedikit dan tidak mungkin untuk disembunyikan.
Penempatan ladang angin pada lahan yang masih dapat digunakan untuk
keperluan yang lain dapat menjadi persoalan tersendiri bagi penduduk
setempat. Selain mengganggu pandangan akibat pemasangan barisan
pembangkit angin, penggunaan lahan untuk pembangkit angin dapat
mengurangi lahan pertanian serta pemukiman. Hal ini yang membuat
pembangkitan tenaga angin di daratan menjadi terbatas. Beberapa aturan
27
mengenai tinggi bangunan juga telah membuat pembangunan pembangkit
listrik tenaga angin dapat terhambat.
Gambar 2.7 Pembangkit listrik tenaga angin di daratan
Penggunaan tiang yang tinggi untuk turbin angin juga dapat menyebabkan
terganggunya cahaya matahari yang masuk ke rumah-rumah penduduk.
Perputaran sudu-sudu menyebabkan cahaya matahari yang berkelap-kelip
dan dapat mengganggu pandangan penduduk setempat.
Efek lain akibat penggunaan turbin angin adalah terjadinya derau frekuensi
rendah. Putaran dari sudu-sudu turbin angin dengan frekuensi konstan
lebih mengganggu daripada suara angin pada ranting pohon. Selain derau
dari sudu-sudu turbin, penggunaan gearbox serta generator dapat
menyebabkan derau suara mekanis dan juga derau suara listrik. Derau
mekanik yang terjadi disebabkan oleh operasi mekanis elemen-elemen
yang berada dalam nacelle atau rumah pembangkit listrik tenaga angin.
Dalam keadaan tertentu turbin angin dapat juga menyebabkan interferensi
28
elektromagnetik, mengganggu penerimaan sinyal televisi atau transmisi
gelombang mikro untuk perkomunikasian.
Penentuan ketinggian dari turbin angin dilakukan dengan menganalisa data
turbulensi angin dan kekuatan angin. Derau aerodinamis merupakan fungsi
dari banyak faktor seperti desain sudu, kecepatan perputaran, kecepatan
angin, turbulensi aliran masuk. Derau aerodinamis merupakan masalah
lingkungan, oleh karena itu kecepatan perputaran rotor perlu dibatasi di
bawah 70m/s. Beberapa ilmuwan berpendapat bahwa penggunaan skala
besar dari pembangkit listrik tenaga angin dapat merubah iklim lokal
maupun global karena menggunakan energi kinetik angin dan mengubah
turbulensi udara pada daerah atmosfir.
Pengaruh ekologi yang terjadi dari penggunaan pembangkit tenaga angin
adalah terhadap populasi burung dan kelelawar. Burung dan kelelawar
dapat terluka atau bahkan mati akibat terbang melewati sudu-sudu yang
sedang berputar. Namun dampak ini masih lebih kecil jika dibandingkan
dengan kematian burung-burung akibat kendaraan, saluran transmisi listrik
dan aktivitas manusia lainnya yang melibatkan pembakaran bahan bakar
fosil. Dalam beberapa studi yang telah dilakukan, adanya pembangkit
listrik tenaga angin ini dapat mengganggu migrasi populasi burung dan
kelelawar. Pembangunan pembangkit angin pada lahan yang bertanah
kurang bagus juga dapat menyebabkan rusaknya lahan di daerah tersebut.
Ladang angin lepas pantai memiliki masalah tersendiri yang dapat
mengganggu pelaut dan kapal-kapal yang berlayar. Konstruksi tiang
29
pembangkit listrik tenaga angin dapat mengganggu permukaan dasar laut.
Hal lain yang terjadi dengan konstruksi di lepas pantai adalah
terganggunya kehidupan bawah laut.
Gambar 2.8 Ladang pembangkit angin lepas pantai
Dalam operasinya, pembangkit listrik tenaga angin bukan tanpa kegagalan
dan kecelakaan. Kegagalan operasi sudu-sudu dan juga jatuhnya es akibat
perputaran telah menyebabkan beberapa kecalakaan dan kematian.
Kebakaran pada turbin angin dapat terjadi dan akan sangat sulit untuk
dipadamkan akibat tingginya posisi api sehingga dibiarkan begitu saja
hingga terbakar habis. Hal ini dapat menyebarkan asap beracun dan juga
dapat menyebabkan kebakaran berantai yang membakar habis ratusan acre
lahan pertanian.
30
BAB III
PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Dari isi makalah ini penulis menyimpulkan :
3.1.1 Sejarah peggunaan energi angin adalah, energi angin telah lama
dikenal dan dimanfaatkan manusia. Sejak zaman dahulu, orang
telah memanfaatkan energi angin. Lebih dari 5.000 tahun yang lalu,
orang Mesir kuno menggunakan angin untuk berlayar kapal di
Sungai Nil. Kemudian, orang-orang membangun kincir angin
untuk menggiling gandum dan biji-bijian lainnya. Kekurangan
minyak pada 1970-an mengubah gambaran mengenai energi untuk
negara dan dunia. Ini menciptakan suatu kepentingan sumber
energi alternative baru, membuka jalan bagi masuknya kembali
kincir angin untuk menghasilkan listrik. Pada awal 1980-an energi
angin menjadi sangat luar biasa di California, sebagian besar
karena kebijakan negara yang mendorong sumber energi
terbarukan. Dukungan untuk pembangunan angin telah menyebar
ke negara lain.
3.1.2 Proses terbentuknya energi angin adalah, karena adanya angin.
Angin disebabkan oleh pemanasan sinar matahari yang tidak
merata di atas permukaan bumi. Udara yang lebih panas akan
mengembang menjadi ringan dan bergerak naik ke atas, sedangkan
31
udara yang lebih dingin akan lebih berat dan bergerak menempati
daerah tersebut. Perbedaan tekanan atmosfer pada suatu daerah
yang disebabkan oleh perbedaan temperatur akan menghasilkan
sebuah gaya. Perbedaan dalam tekanan dinyatakan dalan istilah
gradien tekanan merupakan laju perubahan tekanan karena
perbedaan jarak. Gaya gradien merupakan gaya yang bekerja
dalam arah dari tekanan lebih tinggi ketekanan yang lebih rendah.
3.1.3 Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengubah energi
mekanis dari angin menjadi energi putar pada kincir, lalu putaran
kincir digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan
menghasilkan listrik. Energi Listrik ini biasanya akan disimpan
kedalam baterai sebelum dapat dimanfaatkan. Turbin angin
sederhana terdiri dari sebuah roda atau rotor yang dilengkapi
dengan baling-baling (propeller) atau sudu-sudu (blade). Baling-
baling atau sudu-sudu inilah yang berfungsi untuk menangkap
energi angin sehingga dapat membuat roda atau rotor turbin
tersebut berputar. Energi putaran rotor turbin kemudian diteruskan
melalui batang penggerak (drive shaft) untuk menjalankan
generator listrik. Jadi, komponen- komponen utama pada mesin
pembangkit listrik tenaga angin adalah sebagai berikut.
Rotor, yaitu komponen yang berfungsi untuk mengubah energi
angin menjadi energi gerak atau mekanik.
32
Batang penggerak, yaitu komponen yang berfungsi untuk
meneruskan energi gerak atau mekanik menjadi energi listrik.
Biasanya, turbin angin yang digunakan untuk menggerakkan
generator listrik dilengkapi dengan komponen- komponen alat yang
dapat meningkatkan kecepatan sudut rotor. Sementara itu, alat
pengatur kecepatan merupakan alat yang dirancang sedemikian
rupa untuk membuat putaran turbin sesuai dengan spesifikasi
generator listrik yang dipasang.
3.1.4 Keuntungan dari energi angin adalah :
Keuntungan utama dari penggunaan pembangkit listrik tenaga
adalah sifatnya yang terbarukan.
Emisi karbon dioksida pembangkit listrik tenaga angin ini
hanya seperseratus saja dari emisi pembangkit listrik dengan
batubara.
Ladang angin lepas pantai diharapkan dapat menjadi tempat
pertumbuhan bibit-bibit ikan yang baru.
Konversi energi angin dapat terjadi pada siang ataupun malam
hari
3.1.5 Kerugian dari energi angin adalah :
Akibat pemasangan barisan pembangkit angin, penggunaan
lahan untuk pembangkit angin dapat mengurangi lahan
pertanian serta pemukiman.
33
Penggunaan tiang yang tinggi untuk turbin angin juga dapat
menyebabkan terganggunya cahaya matahari yang masuk ke
rumah-rumah penduduk.
Perputaran sudu-sudu menyebabkan cahaya matahari yang
berkelap-kelip dan dapat mengganggu pandangan penduduk
setempat.
Putaran dari sudu-sudu turbin angin dengan frekuensi konstan
lebih mengganggu daripada suara angin pada ranting pohon.
Dalam keadaan tertentu turbin angin dapat juga menyebabkan
interferensi elektromagnetik, mengganggu penerimaan sinyal
televisi atau transmisi gelombang mikro untuk
perkomunikasian
Pengaruh ekologi yang terjadi dari penggunaan pembangkit
tenaga angin adalah terhadap populasi burung dan kelelawar.
Konstruksi tiang pembangkit listrik tenaga angin dapat
mengganggu permukaan dasar laut. Hal lain yang terjadi
dengan konstruksi di lepas pantai adalah terganggunya
kehidupan bawah laut.
3.2 Saran
Pada makalah ini penulis memberikan saran, sebagai berikut:
3.2.1 Untuk meningkatkan efisiensi dan mengoptimalkan kinerja dari
turbin pembangkit listrik tenaga angina, sebaiknya digunakan angin
34
kelas 3 sampai dengan kelas 8 agar energi angin yang dapat
dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.
3.2.2 Pengembangan teknologi pembangkit listrik jenis energi angin
terus perlu dilakukan agar membantu kebutuhan energi, khususnya
energi listrik.
3.2.3 Selain itu juga perlu terus dilakukan studi mengenai penggunaan
energi angin ini agar tercipta lebih banyak inovasi dan teknologi ini
di serta agar penggunaan energi angin terus mengalami
penyempurnaan hinga menjadi lebih baik
35
DAFTAR PUSTAKA
I N. Budiastra, IA. Dwi Giriantari, Wyn. Artawijaya, Cok. Indra Partha.
Pemanfaatan Energi Angin Sebagai Energi Alternatif Pembangkit Listrik
Di Nusa PenidaDan Dampaknya Terhadap Lingkungan. Jurusan Teknik
Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana
Program Nasional Pemberdayaan Masyarakat. 2012. Energi Yang Terbarukan.
Kedutaan Besar Kerajaan Denmark. Jakarta
Ristek. 2012. Bantul Jadi Percontohan Energi Hibrid.
http://ristek.go.id/index.php/module/News+News/id/10759 id. 6 Oktober
2013[19.00]
Soetedjo, A. Lomi, A. Nakhoda, Y.I. 2006. Pemodelan Sistem Pembangkit Listrik
Hibrid Angin dan Surya. Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi
Nasional (ITN).Malang
Staf Edukatif Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Sriwijaya. 2011. Desain
Dan Uji Unjuk Kerja Kincir Angin. Palembang. Politeknik Negeri
Sriwijaya. Palembang
Syahrul . Prospek Pemanfaatan Energi Angin Sebagai Energi Alternatif Di
Daerah Pedesaan. Jurusan Pendidikan Teknik Elektro. UNM
Zamzam, Allifa . 2011. Penyediaan Energi Angin. Politeknik Negeri Bandung.
Bandung