Dasar dasar dan komponen turbin angin

0
279
Schematic overview of wind turbine components
Schematic overview of wind turbine components

Dasar dasar turbin angin

Dasar dari alat untuk merubah energi angin adalah turbin. Meskipun masih terdapat susunan dan perencanaan yang beragam, biasanya turbin digolongkan kedalam dua macam tipe (horizontal dan vertical) dan yang paling banyak digunakan adalah Turbin dengan sumbu x (axis) horizontal. Turbin jenis ini mempunyai rotasi horizontal terhadap tanah (secara sederhana sejajar dengan arah tiupan angin).

Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengubah energi mekanis dari angin menjadi energi putar pada kincir, selanjutnya putaran kincir digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan menghasilkan listrik. Sebenarnya prosesnya tidak mudah, 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. Generator.

Ini adalah salah satu komponen terpenting dalam pembuatan sistem turbin angin. Generator ini dapat mengubah energi listrik. Prinsipnya kerjanya dapat dipelajari dengan menggunakan teori medan elektromagnetik. Singkatnya, (mengacu pada salah satu cara kerja generator) poros pada generator dipasang dengan material ferromagnetik permanen.

3. Rotor blade.

Rotor blade atau sudu adalah bagian rotor dari turbin. Rotor ini menerima energi kinetik dari angin dan dirubah kedalam energi gerak putar.

4. 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, generator.

II.2 Daya Turbin Angin.

Daya turbin angin adalah daya yang dibangkitkan oleh rotor turbin angin akibat mendapatkan daya dari hembusan angin. Daya turbin angin tidak sama dengan daya angin dikarenakan daya turbin angin terpengaruh oleh koefisien daya. Koefisien daya atau persentase daya adalah persentase daya yang terdapat pada angin yang dirubah ke dalam bentuk energi mekanik.

P = Cp . ½ . ρ . A . V3

Komponen-komponen turbin angin

  • Bilah Kipas.

Kebanyakan kincir  angin mempunyai 3 atau 6 bilah kipas ( blades ). Bilah kipas berfungsi untuk menangkap angin dan merubahnya menjadi putaran  yang akan diteruskan ke generator.

  • Rotor.

Rotor terdiri dari bilah kipas dan penghubung poros.

  • Sudut Bilah Kipas.

Sudut bilah kipas (pitch) adalah sudut pengaturan pada bilah-bilah kipas yang diperlukan untuk mengatur kecepatan putar rotor.

  • Rem cakram.

Rem cakram  merupakan rem yang cakramnya dijepit secara mekanis, listrik atau hidrolik untuk mengurangi kecepatan atau menghentikan rotor. Rem  digunakan untuk menjaga putaran agar putaran tidak terlalu besar pada saat terdapat angin yang besar.  Putaran yang terlalu besar dapat menyebabkan kerusakan pada generator seperti rotor breakdown, penghantar putus karena arus yang besar yang menimbulkan panas berlebih.

  • Poros Putaran Rendah.

Poros putaran rendah adalah poros yang menghubungkan rotor dengan gearbox.

  • Gear Box.

Gear box merupakan komponen untuk  pengaturan  kecepatan putar turbin.  Biasanya gear box turbin angin menaikkan putaran dari 30-60 rpm menjadi 1000-1800 rpm untuk memutar generator listrik. Gear box PLTB biasanya menggunakan gear box jenis planetary. Gear box planetary adalah gear box yang mempunyai roda gigi besar dikelilingi roda-roda gigi kecil.

  • Pengontrol putaran.

Pengontrol  putaran adalah alat untuk mengontrol putaran poros turbin yang dihubungkan dengan rem cakram secara mekanis, listrik atau hidrolik. Pengontrol ini akan meneruskan putaran yang disebabkan kecepatan angin sekitar 12-25 km/jam, dan menghentikan total poros bila kecepatan angin mencapai  90 km/jam. Kecepatan angin di atas 90 km/jam dapat merusak turbin.

  • Anemometer.

Anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan angin. Sinyal elektronik yang merepresentasikan kecepatan angin dari anemometer diteruskan ke electronic controller yang kemudian mengatur rem dan mengatur sudut bilah-bilah kipas. Kincir angin akan mulai berputar pada kecepatan angin 5 m/s dan akan dihentikan secara otomatis pada kecepatan angin 25 m/s. Ini dilakukan untuk melindungi turbin dan lingkungan sekitar.

  • Tebeng Angin.

Tebeng Angin (wind vane) berfungsi untuk mengikuti arah angin. Bila turbin angin ringan dan kecil, tebeng angin cukup untuk mengarahkan turbin angin sesuai arah angin. Bila turbin angin berat dan besar perlu penggerak arah (yaw drive) yang memutar turbin angin sesuai arah angin.

  • Rumah Mesin.

Rumah mesin (nacelle) merupakan badan pembungkus untuk melindungi komponen-komponen PLTB seperti  gearbox dan generator listrik. Di depan nacelle terdapat kincir angin.

  • Poros Putaran Tinggi.

Poros Putaran Tinggi ( High Speed Shaft ) adalah poros yang memutar generator dengan kecepatan sekitar 1500 rpm untuk kemudian membangkitkan listrik. Komponen ini diperlengkapi dengan rem cakram mekanis (mechanical disk brake) yang digunakan untuk mengatasi kegagalan pengereman aerodinamis atau pada saat turbin sedang diperbaiki.

  • Penggerak Arah.

Penggerak arah (yaw drive) memutar turbin ke arah angin untuk desain turbin yang menghadap angin. Untuk desain turbin yang mendapat hembusan angin dari belakang tak memerlukan alat ini.

  • Motor Penggerak Arah.

Motor penggerak arah (Yaw Motor) merupakan motor listrik yang berfungsi untuk menggerakkan penggerak arah.

  • Menara.

Menara berfungsi menyangga turbin angin. Pada kincir angin modern, tinggi tower biasanya mencapai 40 – 60 meter. Menara dapat dibedakan menjadi bentuk tubular seperti gambar di bawah dan bentuk lattice. Keuntungan dari bentuk tubular yaitu aman, sedangkan lattice mempunyai biaya yang murah.

Komponen listrik wind project

Komponen listrik Wind Project merupakan bagian-bagian Wind Project yang berfungsi untuk menghasilkan listrik. Komponen elektrik Wind Project terdiri dari generator, rectifier, baterai, dan inverter.

komponen listrik wind project
komponen listrik wind project

1. Generator.

Generator 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 fisiknya 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. Secara umum generator dibagi 2 yaitu :

  1. Generator Arus Searah.
  2. Generator Arus Bolak-balik.
Perbandingan generator arus searah dan generator arus bolak-balik
Generator arus searahGenerator arus bolak-balik

Generator arus searah merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator arus searah menghasilkan arus searah. Generator arus searah dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator arus searah yaitu :

a.1. Penguat terpisah

a.2. Generator shunt

a.3. Generator kompon

Generator arus searah menggunakan “Comutator”

Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan konstruksi motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin sinkron. Ada dua struktur kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar kerja dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang mengalirkan penguatan arus searah (membangkitkan medan magnet, biasa disebut sistem eksitasi) dan sebuah kumparan (biasa disebut jangkar) tempat dibangkitkannya GGL arus bola-balik.
Hampir semua mesin sinkron mempunyai belitan GGL berupa stator yang diam dan struktur medan magnit berputar sebagai rotor. Kumparan arus searah pada struktur medan yang berputar dihubungkan pada sumber arus searah luar melaui slipring dan sikat arang, tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat arang yaitu sistem “brushless excitation”. Generator arus bolak-balik menggunakan “Slip ring”

2. Rectifier.

Arus listrik yang dihasilkan generator turbin angin berupa arus bolak-balik. Agar daya dapat disimpan dalam baterai maka arus bolak-balik ini harus disearahkan menggunakan rectifier.  Pada Wind Project skala kecil, biasanya rectifier ini menyatu dengan generator dalam rumah mesin (nacelle). Sedangkan untuk Wind Project skala besar (>1 kW) biasanya menggunakan rectifier yang terpisah.

3. Baterai.

Baterai merupakan komponen yang dibutuhkan untuk memaksimalkan fungsi kerja PLTB. Arus listrik dari generator arus searah masuk ke baterai untuk disimpan. Jika arus listrik yang dihasilkan generator terlalu kecil, maka semua arus listrik yang keluar dari generator akan disimpan di baterai. Jika arus listriknya terlalu besar, maka arus listrik akan disalurkan menuju jala-jala listrik setelah sebagian disimpan pada baterai.

Dalam pemilihan baterai harus dipenuhi syarat-syarat sebagai berikut.

  • Mampu menyimpan daya dalam jumlah besar.
  • Dapat menyalurkan daya yang disimpan baik dalam jumlah yang kecil maupun besar tanpa mengalami kerusakan.
  • Tahan lama (reliable).
  • Output tegangan dari baterai harus bebas dari fluktuasi atau noise.

Baterai dapat dibedakan berdasarkan tegangannya dan kapasitas penyimpanannya (Ampere-jam/Ah). Nilai Ah ditentukan berdasarkan kapasitas penggunaannya. Misalkan baterai dengan kapasitas penyimpanan 200 Ah dibebani selama 20 jam, maka kapasitas penggunaannya menjadi 10 A/jam (200 : 20 = 10 A). Penggunaan yang lebih besar akan menyebabkan berkurangnya kapasitas Ah secara drastis.

Kapasitas penyimpanan baterai disesuaikan dengan energi yang dibutuhkan saat daya yang dihasilkan turbin angin kurang dari kebutuhan beban atau pada saat kebutuhan beban melebihi kapasitas turbin angin. Ukuran baterai yang terlalu besar baik untuk efisiensi operasi tetapi mengakibatkan kebutuhan investasi yang terlalu besar, sebaliknya ukuran baterai terlalu kecil dapat mengakibatkan tidak tertampungnya daya berlebih.

Selain digunakan sebagai tempat penyimpanan energi, baterai juga digunakan untuk menstabilkan tegangan yang keluar dari turbin angin.

4. Inverter.

Inverter adalah perangkat elektrik yang digunakan untuk mengubah arus listrik searah menjadi arus listrik bolak balik. Kebanyakan beban listrik didesain untuk suplai beban arus listrik bolak-balik, sehingga daya keluaran dari Wind Project harus diubah dahulu menjadi listrik arus bolak-balik oleh inverter ini. Inverter dibedakan berdasarkan kapasitas continue maksimumnya dalam W, dalam pemilihan inverter harus dipertimbangkan juga efisiensinya.

Related articles : Jenis-jenis turbin angin berdasarkan porosnya

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.