Pembangkit Listrik: Pembangkit Listrik Tenaga Bayu

Pembangkit Listrik Tenaga Angin atau sering juga disebut dengan Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) adalah salah satu pembangkit listrik energi terbarukan yang ramah lingkungan dan memiliki efisiensi kerja yang baik jika dibandingkan dengan pembangkit listrik energi terbarukan lainnya. Prinsip kerja PLTB adalah dengan memanfaatkan energi kinetik angin yang masuk ke dalam area efektif turbin untuk memutar baling-baling/kincir angin, kemudian energi putar ini diteruskan ke generator untuk membangkitkan energi listrik.

Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Bayu/Angin

Kincir Angin

Secara umum kincir angin dapat di bagi menjadi 2, yaitu kincir angin yang berputar dengan sumbu horizontal, dan yang berputar dengan sumbu vertikal. Gambar 7 menunjukan jenis-jenis kincir angin berdasarkan bentuknya. Sedangkan gambar 8 menunjunkan karakteristik setiap kincir angin sebagai fungsi dari kemampuannya untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi putar turbin untuk setiap kondisi kecepatan angin. Dari gambar 8 dapat disimpulkan bahwa kincir angin jenis multi-bladedan Savonius cocok digunakan untuk aplikasi PLTB kecepatan rendah. Sedangkan kincir angin tipePropeller, paling umum digunakan karena dapat bekerja dengan lingkup kecepatan angin yang luas.

Gambar 7 Jenis-jenis kincir angin

Gambar 8 Karakterisrik kincir angin

Gearbox
Alat ini berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadi putaran tinggi. BiasanyaGearbox yang digunakan sekitar 1:60.

Brake System
Alat ini diperlukan saat angin berhembus terlalu kencang yang dapat menimbulkan putaran berlebih pada generator. Dampak dari kerusakan akibat putaran berlebih diantaranya : overheat, rotorbreakdown, terjadi arus lebih pada generator.

Generator
Ada berbagai jenis generator yang dapat digunakan dalam sistem turbin angin, antara lain generator serempak (synchronous generator), generator tak-serempak (unsynchronous generator), rotor sangkar maupun rotor belitan ataupun generator magnet permanen.

Penggunaan generator serempak memudahkan kita untuk mengatur tegangan dan frekuensi keluaran generator dengan cara mengatur-atur arus medan dari generator. Sayangnya penggunaan generator serempak jarang diaplikasikan karena biayanya yang mahal, membutuhkan arus penguat dan membutuhkan sistem kontrol yang rumit.

Generator tak-serempak sering digunakan untuk sistem turbin angin dan sistem mikrohidro, baik untuk sistem fixed-speed maupun sistem variable speed.

Penyimpan energi
Pada sistem stand alone, dibutuhkan baterei untuk menyimpan energi listrik berlebih yang dihasilkan turbin angin. Contoh sederhana yang dapat dijadikan referensi sebagai alat penyimpan energi listrik adalah aki mobil. Aki 12 volt, 65 Ah dapat dipakai untuk mencatu rumah tangga selama 0.5 jam pada daya 780 watt.

Tower

Tower PLTB dapat dibedakan menjadi 3 jenis seperti gambar 9 dibawah ini. Setiap jenis tower memiliki karakteristik masing-masing dalam hal biaya, perawatan, efisiensinya, ataupun dari segi kesusahan dalam pembuatannya. Sedangkan gambar 10 menunjukan diagram skematik PLTB secara umum umum.

Gambar 9 Tower PLTB (kiri) Guyed (Tengah) Lattice (kanan) Mono-structure

Gambar 10 Diagram skematik dari turbin angin

Karakteristik Kerja Turbin Angin

Gambar 11 menunjukan pembagian daerah kerja dari turbin angin. Berdasarkan gambar 11 ini, daerah kerja angin dapat dibagi menjadi 3, yaitu (a) cut-in speed (b) kecepatan kerja angin rata-rata (kecepatan nominal) (c) cut-out speed. Secara ideal, turbin angin dirancang dengan kecepatan cut-in yang seminimal mungkin, kecepatan nominal yang sesuai dengan potensi angin lokal, dan kecepatan cut-out yang semaksimal mungkin. Namun secara mekanik kondisi ini sulit diwujudkan karena kompensasi dari perancangan turbin angin dengan nilai kecepatan maksimal (Vcutoff) yang besar adalah Vcut dan Vrated yang relatif akan besar pula.

Gambar 11 Karakteristik kerja turbin angin

Selain dari data yang ditunjukan gambar 6 sebelumnya, penentuan kecepatan angin suatu daerah dapat juga dilakukan dengan menggunakan metode probalistik distribusi Weibull dalam mengolah kumpulan data hasil survey seperti yang diperlihatkan pada gambar 12.

Gambar 12 Penentuan kecepatan angin rata-rata suatu daerah

8. Sistem Elektrik PLTB

Secara umum sistem kelistrikan dari PLTB dapat dibagi menjadi 2 yaitu (i) kecepatan konstan (ii) kecepatan berubah. Keuntungan dari sistem kecepatan konstan (fixed-speed) adalah murah, sistemnya sederhana dan kokoh (robast). Sistem ini beroperasi pada kecepatan putar turbin yang konstan dan menghasilkan daya maksimum pada satu nilai kecepatan angin. Sistem ini biasanya menggunakan generator tak-serempak (unsynchronous generator), dan cocok diterapkan pada daerah yang memiliki potensi kecepatan angin yang besar. Kelemahan dari sistem ini adalah generator memerlukan daya reaktif untuk bisa menghasilkan listrik sehingga harus dipasang kapasitor bank atau dihubungkan dengan grid. Sistem ini rentan terhadap pulsating power menuju grid dan rentan terhadap perubahan mekanis secara tiba-tiba. Gambar 14 (a) menunjukan diagram skematik dari sistem ini.

Gambar 14(a) Sistem PLTB kecepatan konstan (fixed-speed)

Selain kecepatan konstan, ada juga sistem turbin angin yang menggunakan sistem kecepatan berubah (variable speed), artinya sistem didesain agar dapat mengekstrak daya maksimum pada berbagai macam kecepatan. Sistem variable speed dapat menghilangkan pulsating torque yang umumnya timbul pada sistem fixed speed.

Secara umum sistem variable speed mengaplikasikan elektronika daya untuk mengkondisikan daya, seperti penyearah (rectifier), Konverter DC-DC, ataupun Inverter. Gambar 14 (b) sampai dengan 14(e) adalah jenis-jenis sistem PLTB kecepatan berubah.

Pada sistem variable speed (b) menggunakan generator induksi rotor belitan. Karakteristik kerja generator induksi diatur dengan mengubah-ubah nilai resistansi rotor, sehingga torsi maksimum selalu didapatkan pada kecepatan putar turbin berapa pun. Sistem ini lebih aman terhadap perubahan beban mekanis secara tiba-tiba, terjadi reduksi pulsating power menuju grid dan memungkinkan memperoleh daya maksimum pada beberapa kecepatan angin yang berbeda. Sayangnya jangkauan kecepatan yang bisa dikendalikan masih terbatas.

(b) Sistem PLTB kecepatan berubah (variable-speed) (rotor belitan)

Pada sistem variable speed (c) menggunakan rangkaian elektronika daya untuk mengatur nilai resistansi rotor. Sistem ini memungkinkan memperbaiki jangkauan kecepatan yang bisa dikendalikan sistem pertama.