Wind Energy Vorlesung 02.Nov.

8/17/2019 Wind Energy Vorlesung 02.Nov.

1/31

Wind Energy (Energi Bayu)

Angin merupakan udara yang bergerak. Terjadinya dikarenakan

pemanasan permukaan bumi oleh matahari yang tidak merata.Permukaan bumi berbentuk perairan serta daratan yang mengabsorbsi

radiasi matahari dengan tidak merata. Ketika siang hari udara di atas

permukaan daratan menjadi panas lebih dulu dari pada udara di atas

permukaan air laut, dengan demikian udara di atas daratan akan

mengexpansi dan naik ke atas (konveksi, sebab densitas berbeda). Udara

di atas permukaan air yang lebih dingin mengalir ke daratan untuk

menempati kekosongan!, yang disebut local wind atau Brise dalam

bahasa "erman. Pada malam hari angin berbalik arah, sebab udara di atas

daratan mengalami pendinginan lebih #epat.

$elain itu angin timbul oleh karena perputaran bumi. Udara pada

katulisti%a dipanaskan lebih banyak dari pada udara pada kedua kutub.

$ekitar &' dari energi matahari yang diterima oleh atmos er bumi

1


2/31

mengkonversi energi pergerakan udara. aya tsb dapat dihitung se#ara

teoretis sebesar *+ - /0.

$ampai akhir &--1 P2T3 di dunia telah terpasang 4 ,* /0 (sebesar 51,/0 di 6ropa dan &&,& /0 di "erman).

/erakan udara atau angin diman aatkan untuk menghasilkan energi

elektrik dengan #ara melambatkan gerakannya. Angin bergerak melalui

baling & yang dibentuk menjadi kerjang udara ( airfoil , lihat gambar) yang

akan mengangkat (mendorongnya) seperti sayap pada pesa%at, sehingga baling & berputar.

Ke#epatan di bagian atas airfoil lebih tinggi dari pada ke#epatan di

ba%ahnya sehingga tekanan statik di ba%ah lebih tinggi yang

menyebabkan lift’ .

p 7 p dyn 8 p stat9 pstat : tekanan statik9 p dyn: tekanan dinamis

jika p dyn menurun maka p stat meningkat ( lift ) dan sebaliknya.

2


3/31

Tidak semua lokasi dapat meman aatkan tenaga bayu, maka dengan

penilaian sumber daya ( resource assessment ) dapat diestimasi banyaknya

energi angin yan dapat diproduksi. Untuk itu digunakan index Wind

Power Density (0P ), yaitu perhitungan dari daya rata & tahunan per m &

area penyapuan sudu ( swept area ) dari turbin ;k0


4/31

Turbin bayu telah dipasang pada offshore oil and gas platforms untuk

menghasilkan elektrik yang diperlukan untuk menjalankan peralatannya.

engan ke#epatan angin se#ara konsisten di antara @ & km


5/31

Perbedaan peman aatan energi bayu:

a) windmill : energi bayu energi mekanik, umpama pompa air

b) wind generator (wind turbine ): energi bayu elektrik, untuk

menghasilkan listrik

Turbin bayu dapat diklasi ikasikan sebagai berikut:

Klasi ikasi:

) tergantung dari posisi


6/31

dengan memutar sudu

1) ma#am generator: generator synkron, asynkron atau E generator

?) penyambungan ke jaringan listrik: langsung atau dengan bantuan

siklus perantara arus searah ( E)

Keterangan: (D

Stall control :

Penyobekan aliran ( Strömungsabriß ) apabila sudut serang ( angle of

attack ) terhadap sudu melampaui sudut tertentu. engan sudut semakin

besar maka aliran akan sobek (terjadinya turbulensi) yang berarti tekanan

statiknya menge#il.

Pada saat badai sudu berputar dengan sendirinya sampai sisi ratanya

menghadap serangan angin, dengan demikian meskipun beban bengkok

sangat besar tapi sudu tidak bisa putar (stop).

Pitch control :

6


7/31

$udut pit#h (jarak) re erensi dibandingkan dengan sudut aktual lalu

penyimpangan dikoreksi oleh actuator . 3erikut adalah gambar baling &

pesa%at dengan pitch control dan motor elektriknya untuk merubah

sudut.

Pada dasarnya pembagian ma#am turbin angin hanya: vertikal dan

horisontal

a) Fotor vertikal:

7


8/31

Alat ukur ke#epatan angin yang disebut %nemometer juga memakai

prinsip rotor $avonius seperti terlihat pada gambar berikut:

) FotorB$avonius: &) FotorB arrieus:

) FotorBGB arrieus:

8


9/31

$udu konkav seperti pada gambar di atas drag coefficient Bnya hanya

berkisar , dan power coefficient maximal #p 7 -,&.

isebabkan putaran yang rendah maka turbin dengan rotor vertikal

jarang dipakai untuk menghasilkan listrik, namun terdapat juga beberapa

#ontoh lain seperti dapat dilihat pada gambar & berikut:

9


10/31

10


11/31

&ur'in angin sum'u erti al (*%W&)

Keunggulan turbin ma#am ini adalah, turbin tidak tergantung dari arah

angin, jadi pada daerah yang anginnya sering berubah arah, baik untuk

digunakan. Pada turbin ini sebuah poros tegak lurus dari ba%ah ke atas,

yang diputar oleh sudu, dan melalui sebuah gearbox memutar generator

yang diletakkan di ba%ah. engan design ini menara tidak dikenakan

beban generator


12/31

di atas atap, terutama jika tinggi menara turbin 5-' dari tinggi rumah,

maka e isiensinya men#apai optimum dan turbulensi minimum.

Turbin arrieus memikili e isiensi tinggi tapi menghasilkan torsi raik

(torque ripple ) dan stres siklik ( cyclical stress ) pada menara yang dapat

menurunkan keandalannya. 3iasanya turbin tsb tidak dapat start dengan

sendiri, diperlukan motor start atau dengan tambahan rotor $avonius,

sebab torsi a%alnya sangat ke#il.

12


13/31

Untuk mengurangi torsi raik digunakan atau lebih sudu yang juga dapat

meningkatkan kepadatan rotor yang dide inisikan sebagai berikut: area

sudu dibagi dengan area rotor.

Turbin $avonius adalah type tarik ( drag type) dengan & atau lebih sendok

helix ( helical scoops ) yang panjang untuk memberikan torsi yang merata.13


14/31

Keunggulan:

) tidak diperlukan menara yang tinggi dengan bearing diletakkan di

ba%ah

&) design tanpa mekanisme olengan ( yaw mechanism ) dimungkinkan

dengan fi ed pitch rotor design (desain rotor jarak tetap)

) generator dan gearbox dapat dipasang di ba%ah, maka lebih mudah

untuk pera%atan

*) HA0T memerlukan startBup angin lebih ke#il (sekitar - km


15/31

itu diperlukan superstructure untuk menahan top bearing pada

tempatnya untuk mengeliminasi tekanan ke ba%ah dari embusan

angin

&) oleh karena beban angin berubah tanda & x setiap putaran yang

menyebabkan stres pada setiap sudu sehingga kegagalan akibat

atiIue dapat terjadi

) HA0T memproduksi lebih sedikit daya dari pada GA0T untuk

ketinggian yang sama.

/ambar berikut adalah power coefficient #p (2eistungsbei%ert) vs. tip!

speed ratio J ($#hnellau ahl). ari gra ik terlihat bah%a turbin type

$avonius memiliki #p yang ke#il pada J yang ke#il, sedangkan type

turbin dengan sudu kembar memiliki #p yang agak besar dengan J sekitar

-. Lang paling umum dipakai adalah type turbin hori ontal dengan tiga

sudu, dimana ia memiliki #p paling tinggi pada J sekitar .

Turbin hori ontal sudu tunggal atau dua membuat kebisingan yang tinggi

pada putaran tinggi, sehingga tidak sering dipilih.

15


16/31

&ur'in angin sum'u $ori+ontal (,%W&)

$umbu utama rotor serta generator berada di atas menara angin dan harus

berla%an arah dengan arah angin.

Pada turbin ke#il dipakai baling & sederhana, sedangkan untuk yang besar

digunakan sebuah sensor angin yang dihubungkan dengan sebuah servoB

motor. Kebanyakan memiliki gearbox yang diputar oleh baling & lambat

dan memindahkannya ke yang lebih #epat untuk menjalankan generator.

Posisi turbin horisontal:

16


17/31

a) "p!wind rotor : letak sudu di depan menara dan dihadapkan ke arah

angin, maka turbulensi di belakang menara tidak mempengaruhinya.

3aling&

dibuat kaku dengan jarak tertentu dari menara, bahkan kadang&

dibuat sedikit miring ke depan (ke arah angin) supaya pada saat angin

ken#ang tidak sampai ditekan ke menara.

b) Down!wind rotor : sudu dipasang di belakang menara (misalnya

/ro%ian) meskipun di belakang menara terjadi turbulensi yang

menyebabkan kebisingan (disebabkan putaran sudu se#ara periodikmelalui aliran turbulen) dan timbulnya gelombang beban (sebab aliran

angin turbulen tsb bisa ambruk se%aktuB%aktu).

Turbin ukuran ke#il memiliki keuntungan yang dapat mela#ak arah

angin dengan sendirinya. Pada turbin besar seperti /ro%ian digunakan

pela#akan akti dan tumpuan rotor yang lexibel sehingga sudu tidakmembentur menara.

Komponen FotorBGorisontal:

17


18/31

Typical wind turbine components :18


19/31

1 !oundation "

2 #onnection to t$e electric %rid " komponen lainnya, termasuk

#ontrols,

ele#tri#al #ables, ground support eIuipment and inter#onne#tion

eIuipment.

3 Tower " komponen struktur penunjang yang sekitar 5' dari harga

total, termasuk tower dan rotor yaw mechanism (mekanisme

penyimpangan motor)

19

http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Foundationshttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Connection_to_the_electric_gridhttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Towerhttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Foundationshttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Connection_to_the_electric_gridhttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Tower


20/31

4 &ccess ladder"

5 'ind orientation control ( aw (penyimpan%an) control) "

6 *acelle (ruma$ mesin atau casin%)"

7 +enerator " sekitar *' dari harga total, termasuk #ontrol

ele#troni#s, gearbox yang merubah putaran rendah ke putaran tinggi

yang sesuai keperluan jaringan listrik.

/enerator yang biasa digunakan (sekitar 4-') adalah generatorasyn#hron, namun pada pembangkit konvensionel digunakan

generator sy#hron.

8 &nemometer "

9 ,lectric or -ec$anical .ra/e"

20

http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Yawinghttp://en.wikipedia.org/wiki/Nacelle_(wind_turbine)http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Generatorhttp://en.wikipedia.org/wiki/Anemometerhttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Electrical_brakinghttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Mechanical_brakinghttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Yawinghttp://en.wikipedia.org/wiki/Nacelle_(wind_turbine)http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Generatorhttp://en.wikipedia.org/wiki/Anemometerhttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Electrical_brakinghttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Mechanical_braking


21/31

$ebuah drum brake digunakan putaran rotor pada @ & rpm, karena

pengereman dari ull speed dapat menimbulkan per#ikan api, maka pada

a%alnya rotor diperlambat dengan bantuan magneti# brake. rum brake

yang dioperasikan se#ara hydraulik juga dipakai untuk menahan rotor

pada saat angin ken#ang.

10 +earbo "

11 otor blade " komponen rotor termasuk baling &, harganya sekitar

&-'

dari harga total. 3ahan dipakai #arbonB ibre girder (tulang) untuk

mengurangi berat.

21

http://en.wikipedia.org/wiki/Gearboxhttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Bladeshttp://en.wikipedia.org/wiki/File:Scout_moor_gearbox,_rotor_shaft_and_brake_assembly.jpghttp://en.wikipedia.org/wiki/Gearboxhttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Blades


22/31

/ambar berikut memperlihatkan produksi sebuah sudu dari $iemens.

Keistime%aannya adalah tanpa sambungan dengan dimensi yang luar

biasa besarnya.

22


23/31

+ambar beri/ut memperli$at/an pemasan%an sudu padapunca/ menara

23


24/31

12 .lade pitc$ control (/ontrol ara/ sudu)"

13 otor $ub (na rotor) Ma (Mabe) dimana sudu disambung.

Peman aatan energi angin sebagai sumber energi mempunyai kelemahandan keuntungan:

) angin adalah pergerakan udara yang tidak tetap ( intermittent )

&) energi kinetik angin tak dapat disimpan, namun elektrik yang

dihasilkan dapat disimpan dalam bateri atau bentuk lainnya

) terkadang lokasi yang baik untuk system pembangkit angin letaknya

jauh atau terpen#il

*) transportasi, penyimpanan dan pembuangannya menjadi masalah

5) investasi a%al yang tinggi, meskipun li e #y#le #ostBnya lebih rendah

24

http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Pitch_controlhttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#The_hubhttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Pitch_controlhttp://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#The_hub


25/31

dari pada pembangkit osil lainnya, sebab tidak diperlukannya

pembelian bahan bakar dan pengeluaran untuk pengoperasiannya

rendah.

-asala$ transportasi. penyimpanan dan ling ungan :

Nleh karena sudu sangat panjang menyebabkan masalah pada transpotasi,

penyimpanan dan juga pada pemusnahannya, apabila sudu sudah harusdiganti. /ambar berikut adalah sebuah #ontoh pada pengangkutannya

serta penyimpanannya (perlu tanah yang luas):

di atas kapal pengangkut

25


26/31

26


27/31

$elain itu sudah terdapat banyak sudu & yang rusak yang harus diganti,

seperti dapat dilihat pada gambar & berikut:

/ambar di atas adalah sebuah sudu yang terkena petir. Tidak lama lagi

bukan hanya sudu rusak, melainkan keseluruhan turbin angin yang massa

kerjanya sudah mendekati pension!, maka harus di#arikan #ara pembuangannya atau re#y#ling.

Keterangan untuk gambar di atas: Pada tahun &-&- akan terjadi

gelombang rotor usang. /ra ik menunjukkan pula banyaknya sudu yang

27


28/31

harus dibuang dengan massanya adalah dalam Og


29/31

Panah menunjuk ke ba%ah adalah penampang A

P% 7 kin $ 7 + +v& dengan 7 Q+ 7 Q+A+v

P% 7 +Q+A+v+v&

7 +Q+A+v

Untuk ke#epatan angin v 7 5 m


30/31

(v @ v&)+v!7 +(v @ v&)+(v 8 v &) v! 7 +(v 8 v &)

aya e ekti P M 7 +Q+A+(v 8 v &)+(v & B v&&)

Po%er #oe i#ient #p 7 P M


31/31

P 7 S%+vFot dengan v Fel 7 v % @ vFot (ke#epatan yang se#ara e ekti

menerjang bidang hambatan) S% 7 +#%+Q+A+(v% @ vFot )& dimana

v%: ke#epatan angin depan sudu

#%: koe . hambatan (drag #oe i#ient)

$ebagai #ontoh telah dibuat sebuah %ind mill Persia untuk museum

"erman:

#p 7 P

Wind Energy Vorlesung 02.Nov.

Documents

Transcript of Wind Energy Vorlesung 02.Nov.