1. ENERGI ANGIN
(Wind Energy)
Kuliah 4

2. Energi Angin
(Wind Energy)
• Energi angin dan potensinya
• Prinsip kerja PLTB (Pembangkit Listrik tenaga
Bayu)
• Jenis-jenis turbin angin & karakteristiknya
• Sistem mekanik & elektrik PLTB
• Wind Farm
• Potensi PLTB di Indonesia

3. Energi angin dan potensinya
• Sekitar 1 – 2 % radiasi surya yang ditransfer menjadi energi angin.
• Daya yang dapat dihasilkan dari energi angin di bumi dengan radiasi surya
rata-rata 1370 W/m2 dan radius bumi 6371 ribu km adalah sekitar 1,7 PW
(1700 TW). Tidak semua energi ini bisa dimanfaatkan. Namun sudah
sangan besar untuk mencukupi kebutuhan listrik dunia tahun 2020 yang
hanya 3 TW.
• Energi kinetik yang dihasilkan oleh angin adalah :
• Dimana :
– ρ = kerapatan udara = 1,2 kg/m3
– A = luas permukaan baling-baling turbin angin (m2)
– v = kecepatan angin (m/det)
• Daya dari angin dengan kecepatan 2 kali lebih besar adalah 8 kali lebih
besar
• Maksimum hanya 60% dari potensi energi angin teoritis tsb yang dapat
dimanfaatkan
3
2
1 AvEk 

4. Energi angin dan potensinya

5. • Kecepatan angin pada suatu lokasi pada umumnya mengikuti distribusi
Rayleigh
• Daya angin yang dapat dimanfaatkan adalah berbanding dengan
kecepatan angin pangkat 3 (v3)
• Apabila luas diameter baling-baling turbin adalah D maka luas permukaan
penampang udara adalah A = π.D2/4
• Sehingga daya angin adalah :
• Untuk energi angin berlaku hukum pembatasan Betz (Betz limit) dimana
sesuai dengan rugi-rugi yang ada , maka daya tubin angin adalah 1/3 dari
daya angin yang dapat dimanfaatkan
32
4
vDPwind


3232
26,0
43
1
vDvDPturbin 


Energi angin dan potensinya

6. Keuntungan dan kerugian
Keuntungan Kerugian
Tersedia berlimpah Tersebar
Tidak menyebabkan polusi Kerapatan dayanya rendah
Renewable
Tersedianya tidak kontinu sehingga
perlu media penyimpan energi
Arah angin berubah-rubah (pada
umumnya) tetapi tdk disemua lokasi
Kurang andal ketersediannya
Sangat tergantung pada lokasi
Sisa bahan bakar sulit dikelola

7. • jumlah PLTB yang ada di dunia saat ini sekitar 158 GW (tahun 2009), dan setiap
tahunnya mengalami peningkatan sebesar 20-30%.
• Teknologi PLTB saat ini dapat menghasilkan energi listrik dengan efisiensi rata-rata
sebesar 40%. Hal ini karena akan selalu ada energi kinetik yang tersisa karena
angin yang keluar turbin tidak mungkin kecepatan = 0
Perkembangan pemanfaatan
energi angin

8. Karakteristik kecepatan angin
• kecepatan angin sangat dipengaruhi oleh ketinggiannya dari permukaan
tanah. Semakin mendekati permukaan tanah, kecepatan angin semakin
rendah karena adanya gaya gesek antara permukaan tanah dan angin
• Untuk alasan ini, PLTB biasanya dibangun dengan menggunakan tower
yang tinggi atau dipasang diatas bangunan
• rumus berikut cara mengukur kecepatan angin berdasarkan ketinggiannya
dan jenis permukaan tanah sekitarnya.

9. Karakteritik angin
Garis putus-putus untuk n= 7
Garis lurus untuk n = 5

10. Pola sirkulasi udara akibat
rotasi bumi
• Angin timbul akibat sirkulasi di atmosfer akibat matahari menyinari bumi yang
berotasi. Daerah khatulistiwa akan menerima energi radiasi matahari lebih banyak
daripada di daerah kutub, atau udara di daerah khatulistiwa akan lebih tinggi
dibandingkan dengan udara di daerah kutub. Perbedaan berat jenis dan tekanan
udara inilah yang akan menimbulkan adanya pergerakan udara. Pergerakan udara
inilah yang didefinisikan sebagai angin

11. Jenis-jenis angin
• Angin laut dan angin darat
– Angin laut adalah angin yang timbul akibat adanya perbedaan suhu
antara daratan dan lautan. Seperti yang kita ketahui bahwa sifat air
dalam melepaskan panas dari radiasi sinar matahari lebih lambat
daripada daratan, sehingga suhu di laut pada malam hari akan lebih
tinggi dibandingkan dengan suhu di daratan. Semakin tinggi suhu,
tekanan udara akan semakin rendah. Akibat adanya perbedaan suhu ini
akan menyebabkan terjadinya perbedaan tekanan udara di atas daratan
dan lautan. Hal inilah yang menyebabkan angin akan bertiup dari arah
darat ke arah laut. Sebaliknya, pada siang hari dari pukul 09.00 sampai
dengan pukul 16.00 angin akan berhembus dari laut ke darat akibat
sifat air yang lebih lambat menyerap panas matahari.
• Angin Lembah
– Angin lembah adalah angin yang bertiup dari arah lembah ke arah
puncak gunung yang biasa terjadi pada siang hari. Prinsip terjadinya
hampir sama dengan terjadinya angin darat dan angin laut yaitu akibat
adanya perbedaan suhu antara lembah dan puncak gunung.

12. Jenis-jenis angin
• Angin Musim
– Angin musim dibedakan menjadi 2, yaitu angin musim barat dan angin
musim timur. Angin Musim Barat/Angin Muson Barat adalah angin yang
mengalir dari Benua Asia (musim dingin) ke Benua Australia (musim
panas). Apabila angin melewati tempat yang luas, seperti perairan dan
samudra, maka angin ini akan mengandung curah hujan yang tinggi.
Angin Musim Barat menyebabkan Indonesia mengalami musim
hujan. Angin ini terjadi pada bulan Desember, januari dan Februari, dan
maksimal pada bulan Januari dengan kecepatan minimum 3 m/s.
– Angin Musim Timur/Angin Muson Timur adalah angin yang mengalir
dari Benua Australia (musim dingin) ke Benua Asia (musim panas).
Angin ini menyebabkan Indonesia mengalami musim
kemarau, karena angin melewati celah- celah sempit dan berbagai
gurun (Gibson, Australia Besar, dan Victoria). Musim kemarau di
Indonesia terjadi pada bulan Juni, Juli dan Agustus, dan maksimal pada
bulan Juli.

13. Jenis-jenis angin
• Angin Permukaan
– Kecepatan dan arah angin ini dipengaruhi oleh perbedaan yang
diakibatkan oleh material permukaan Bumi dan ketinggiannya. Secara
umum, suatu tempat dengan perbedaan tekanan udara yang tinggi
akan memiliki potensi angin yang kuat. Ketinggian mengakibatkan pusat
tekanan menjadi lebih intensif.
– Selain perbedaan tekanan udara, material permukaan bumi juga
mempengaruhi kuat lemahnya kekuatan angin karena adanya gaya
gesek antara angin dan material permukaan bumi ini. Disamping itu,
material permukaan bumi juga mempengaruhi kemampuannya dalam
menyerap dan melepaskan panas yang diterima dari sinar matahari.
Sebagai contoh, belahan Bumi utara didominasi oleh daratan,
sedangkan selatan sebaliknya lebih di dominasi oleh lautan. Hal ini saja
sudah mengakibatkan angin di belahan Bumi utara dan selatan menjadi
tidak seragam.

14. Perbedaan tekanan terlihat dari perbedaan warna. Biru menyatakan tekanan
rendah, sedangkan kuning hingga oranye menyatakan sebaliknya. Arah dan besar
angin ditunjukkan dengan arah panah dan panjangnya.
Arah angin permukaan

15. Potensi energi angin dunia
Daerah Grubb and Meyer [4] Wijk and
Coelingh [5]
Afrika 10 600 -
Australia 3 000 1 638
Amerika Utara 14 000 3 762
America Latin 5 400 -
Eropa Barat 500 520
Europe Timur 10 600 -
Asia 4 900 -
Perkiraan Total 50 000 20 000 (+area
lain)
potensi sumber angin dunia diperkirakan sebesar 50,000 TWh/tahun. Total
potensial ini dihitung pada daratan dengan kecepatan angin rata-rata
diatas 5,1 m/s dan pada ketinggian 10 m. Data ini setelah direduksi sebesar
10% sebagai toleransi yang dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti
kepadatan penduduk, dan lain-lain.

16. Potensi energi angin di Indonesia
Perbedaan kecepatan udara terlihat dari perbedaan warnanya. Biru
menyatakan kecepatan udara rendah, sedangkan hijau, kuning, merah
dan sekitarnya menyatakan semakin besarnya kecepatan angin.

17. Sistem Pembangkit Listrik
Tenaga Angin/Bayu
(PLTB)• Kincir sngin
– Secara umum kincir angin dapat di bagi menjadi 2, yaitu kincir angin yang
berputar dengan sumbu horizontal, dan yang berputar dengan sumbu vertikal
– kincir angin jenis multi-blade dan Savonius cocok digunakan untuk aplikasi
PLTB kecepatan rendah. Sedangkan kincir angin tipe Propeller, paling umum
digunakan karena dapat bekerja dengan lingkup kecepatan angin yang luas.
• Gear box
– Alat ini berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadi
putaran tinggi. Biasanya Gearbox 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, rotor breakdown, terjadi arus lebih
pada generator.

18. Jenis-jenis kincir angin

19. Karakteristik kincir angin

20. • 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.
Sistem Pembangkit Listrik
Tenaga Angin/Bayu
(PLTB)

21. • 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 . Setiap jenis tower
memiliki karakteristik masing-masing dalam hal biaya, perawatan,
efisiensinya, ataupun dari segi kesusahan dalam pembuatannya
Sistem Pembangkit Listrik
Tenaga Angin/Bayu
(PLTB)

22. Jenis-jenis tower PLTB
Guyed Structure Lattice Structure Mono Structure

23. Aliran konversi energi PLTB

24. Karateristik Kerja Turbin
Angin
• daerah kerja turbin 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.
• penentuan kecepatan angin suatu daerah dapat juga dilakukan
dengan menggunakan metode probalistik distribusi Weibull dalam
mengolah kumpulan data hasil survey

25. Karateristik Kerja Turbin
Angin

26. Penentuan kecepatan
angin rata-rata

27. Komponen Turbin Angin

28. • Terdapat dua sistem elektrik PLTB yaitu kecepatan konstan
dan kecepatan berubah
• Kecepatan konstan:
– Keuntungan dari sistem kecepatan konstan (fixed-speed) adalah
murah, sistemnya sederhana dan kokoh (robust)
– 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
Sistem elektrik PLTB

29. Sistem elektrik
kecepatan konstan

30. • Kecepatan berubah (variabel speed)
– 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.
– 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.
Sistem elektrik PLTB

31. Sistem elektrik kecepatan berubah

32. 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.
Sistem elektrik kecepatan berubah

33. Sistem variable speed dengan
kendali resistansi
• Keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan sistem ini
antara lain :
– Komponen yang ada dapat bertahan lebih lama, karena sistem ini
lebih aman terhadap perubahan beban secara tiba-tiba.
• Sedangkan kekurangan sistem ini adalah :
– Belitan rotornya masih menggunakan slip ring, sehingga timbul rugi-
rugi tambahan pada generator dan membutuhkan perawatan berkala.
– Membutuhkan roda gigi, sehingga menimbulkan rugi-rugi gesek dan
suara bising yang mengganggu lingkungan sekitar.
– Menggunakan generator induksi-rotor belitan sehingga menimbulkan
rugi-rugi tembaga pada rotor.
– Hanya dapat mengekstrak daya pada range 5-10% diatas kecepatan
nominalnya.
– Harus dihubungkan ke kapasitor bank atau grid untuk menghasilkan
daya keluaran.

34. Sistem variable speed dengan
kendali resistansi

35. Sistem variable speed dengan
generator induksi rotor sangkar
• Keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan sistem
ini antara lain :
– Jangkauan kecepatan lebih luas dibandingkan sistem I. Sistem
variable speed – rotor sangkar ini dapat mengekstrak daya pada
semua range kecepatan diatas kecepatan nominalnya.
– Tidak menggunakan konverter untuk medan eksitasinya.
– Tidak membutuhkan brush pada rotor sehingga sebagian rugi-
rugi pada rotor dapat dihilangkan.
– Teknologinya sudah terbukti handal.
• Sedangkan kekurangan sistem ini adalah :
– Membutuhkan roda gigi, sehingga menimbulkan rugi-rugi gesek
dan suara bising yang mengganggu lingkungan sekitar.
– Harus dihubungkan ke kapasitor bank atau grid untuk
menghasilkan daya keluaran

36. Dengan rotor sangkar
Sistem elektrik kecepatan
berubah

37. Sistem variable speed dengan
generator sinkron magnet permanen
• Keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan sistem ini
antara lain :
– Jangkauan kecepatan kerja sistem tidak terbatas. Sistem variable
speed direct-drive ini dapat mengekstrak daya pada kecepatan putar
turbin berapapun.
– Menghindarkan penggunaan roda gigi dengan menggunakan
generator yang dapat beroperasi pada putaran rendah (multi-pole
generator).
– Tidak menggunakan brush, sehingga biaya perawatan komponen
generator dan juga rugi-rugi daya pada rotor dapat dikurangi.
– Tidak menggunakan konverter untuk medan eksitasinya.
– Menggunakan magnet permanen untuk membangkitkan
tegangan, sehingga rugi-rugi daya pada rotor yang biasanya timbul
pada generator rotor belitan dapat dihilangkan.
• Sedangkan kekurangan sistem ini adalah :
– Ukuran generator dapat menjadi besar dan berat.
– Membutuhkan magnet permanen yang mahal dan sulit diperoleh di
Indonesia.

38. Dengan rotor permanen
Sistem elektrik kecepatan
berubah

39. Perkembangan 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 Alasan utama sistem ini banyak dipakai karena
memiliki beberapa kelebihan diantaranya sangat murah, kokoh, dan sederhana
– 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
– Sistem turbin angin ini hanya menggunakan komponen elektronika soft-starter
yang digunakan untuk mengurangi dampak inrush current 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.

40. Perkembangan PLTB
• 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. Penggunaan roda gigi
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). sistem turbin angin ini teruji paling baik dari segi efisiensi dan
produksi daya per tahunnya.
– terdapat beberapa kerugian yang 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.

41. • Untuk daerah yang memiliki karateristik angin cukup baik, frekuensi
anginnya kintinu hampir sepanjang tahun, kecepatan anginnya cukup tinggi,
umumnya potensi energi anginnya dapat dioptimalkan dengan cara
memasang beberapa turbin angin dalam suatu lokasi yang biasa dikenal
dengan Wind Farm.
• Untuk membangun suatu komplek wind farm, turbin-turbin angin yang
berdekatan tersebut tidak boleh saling mengganggu dalam aliran anginnya.
• Dalam praktek jarak antara turbin angin adalah 5D – 10 D (D=diameter)
• Untuk suatu daerah dengan luas S, jumlah turbin angin yang dapat
dibangun adalah :
• Daya total yang dapat dibangkitkan dalam suatu area adalah :
• Jika : v = 12 m/det maka akan diperoleh 5 MW/km2
Wind farm
 2
10D
S
m 
2
3
2
32
/4,5
100
26,0
100
26,0.
mW
v
D
vD
S
Pm
S
P turbinfarm



42. Faktor-faktor yang perlu
diperhatikan dalam mendesain
Wind Farm
• Menentukan tinggi dari turbin angin – Semakin tinggi kita memasang
turbin angin maka kecepatan anginnya semakin besar. Namun semakin
tinggi turbin semakin besar pula biaya yang dibutuhkan untuk
membangun tower turbin. Rata-rata tinggi suatu turbin angin adalah 30 –
50 meter.
• Menentukan jarak antara setiap turbin angin pada wind farm – Terlalu
jauh atau terlalu dekat pemasangan turbin angin pada wind farm akan
menyebabkan produksi energi listrik yang dihasilkan wind farm tidak
sebanding dengan biaya pembangunannya dan energi yang dikonversikan
pada wind farm tersebut. Apabila turbin angin dibangun pada jarak yang
terlalu jauh maka pemanfaatan potensi angin pada tempat tersebut akan
tidak optimal. Sementara jika jarak antar turbin angin dibangun terlalu
dekat, dapat terjadi turbulensi pada turbin. Seperti yang ditunjukkan oleh
gambar 1, jarak vertikal ideal antara satu turbin angin dan yang lainnya
adalah sebesar 5 kali diameter baling-baling. Sedangkan jarang
horisontalnya adalah 7 kali diameter baling-baling turbin.

43. • Penempatan lokasi PLTB – Tidak semua lokasi pada suatu daerah cocok
untuk dibangun PLTB. Agar mampu menghasilkan energi angin yang besar
perlu diadakan survey pada setiap daerah untuk mengetahui potensi angin
lokalnya. Biasanya kecepatan angin pada suatu daerah juga akan semakin
besar pada setiap ketinggian tertentu.
• Kerapatan udara/angin - Kerapatan udara merupakan fungsi dari
temperatur dan tekanan udara yang angkanya tidak dapat diperkirakan
secara eksak. Kerapatan udara rata-rata adalah 800 kali lebih rendah
dibanding dengan kerapatan air. Sebagai contoh didaerah puncak gunung
memiliki kecepatan angin yang tinggi namun semakin tinggi gunung
semakin mengurangi kerapatan udara di daerah tersebut. Angka kerapatan
udara yang biasa digunakan dalam mendesain turbin angin adalah sebesar
0,1 – 0,5.
Faktor-faktor yang perlu
diperhatikan dalam mendesain
Wind Farm

44. Faktor-faktor yang perlu
diperhatikan dalam mendesain
Wind Farm

45. Ilustrasi Wind mill, Wind farm & kite
ladder