Wind Farm (3) : Sistem Turbin Angin


Wind Farm (3) : Sistem Turbin Angin

Kadek Fendy Sutrisna

13 Januari 2012

Dukung Fendy Sutrisna untuk tetap berbagi dalam artikel ketenagalistrikan Indonesia dengan klik link LIKE, COMMENT & SHARE di halaman facebook ini -> Catatan Fendy Sutrisna

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:

Generator 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

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 optimal tanpa 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 soft-starter 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.

Gambar 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.

Sistem turbin angin direct-drive dengan generator sinkron magnet permanen

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, dari penelitian yang sudah pernah dilakukan sebelumnya, sistem turbin angin ini teruji paling baik dari segi efisiensi dan 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 (<100 rpm) ukuran sistem ini memiliki dimensi yang lebih besar dibandingkan sistem lainnya, sehingga diperlukan pembangunan infrastruktur tambahan yang tentunya juga berimplikasi pada bertambahnya biaya yang diperlukan.

Gambar 4 Sistem Turbin Angin Direct-Drive Terkoneksi Grid Dengan Generator Putaran Rendah Magnet Permanen

Dukung Fendy Sutrisna untuk tetap berbagi dalam artikel ketenagalistrikan Indonesia dengan klik link LIKE, COMMENT & SHARE di halaman facebook ini -> Catatan Fendy Sutrisna

Menerima jasa Konsultasi Studi Kelayakan (Feasibility Study, FS) untuk proyek Pembangkit Listrik, konsultansi meliputi pemilihan lokasi pembangunan pembangkit listrik, studi perhitungan daya dan energi listrik, studi sistem kelistrikan, membuat estimasi biaya pembangunan pembangkit listrik mencakup analisis harga satuan pekerjaan sipil, peralatan elektrikal-mekanik, peralatan jaringan transmisi-distribusi-instalasi rumah, pajak serta biaya pengembangan; memperkirakan komponen biaya operasional (fixed & variable O&M Cost); menghitung harga tarif yang tepat, analisa finansial, dan mematangkan segala langkah pembangunan dan operasional proyek pembangunan pembangkit listrik.
WA/Line : 0813378-01378,
Email : ir.fendysutrisna@gmail.com

Baca juga artikel lainnya tentang Wind Farm :

  1. Wind Farm (1) : Solusi Pemanfaatan PLTB di Indonesia
  2. Wind Farm (2) : Tantangan dan Permasalahan Wind Farm di Indonesia
  3. Wind Farm (4) : Mendesain Wind Farm
  4. Wind Farm (5) : Desain Sistem Turbin Angin Hybrid

Artikel tentang pembangkit listrik lainnya :

  1. Sistem PLTB Variable Speed dan Direct Drive
  2. Sistem PLTB Fixed Speed dan Variable Speed
  3. Kumpulan artikel tentang PLTA
  4. Kumpulan artikel tentang sel surya
  5. Kumpulan artikel tentang PLTN
  6. Kumpulan artikel tentang elektronika daya

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s