Teknologi di Bidang Industri Prinsip Kerja dan Dampak Turbin Angin terhadap Lingkungan

Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill.

Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensonal (Contoh: PLTD,PLTU,dll), turbin angin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui (Contoh: batubara, minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik

Penggunaan angin untuk energi memiliki dampak lingkungan yang lebih sedikit dibandingkan banyak sumber energi lainnya. Turbin angin (sering disebut kincir angin) tidak melepaskan emisi yang mencemari udara atau air (dengan sedikit perkecualian), dan mereka tidak memerlukan air untuk pendinginan. Turbin angin juga dapat mengurangi jumlah listrik yang dihasilkan dari bahan bakar fosil dan oleh karena itu mengurangi jumlah polusi udara, emisi karbon dioksida, dan penggunaan air dibandingkan pembangkit listrik berbahan bakar fosil.

Sebuah turbin angin memiliki jejak fisik lebih sedikit per jumlah listrik yang dapat dihasilkan. Banyak proyek energi angin, kadang-kadang disebut ladang angin, yang terletak di areal pertanian, penggembalaan ternak, dan lahan hutan. Pendapatan ekstra dari turbin memungkinkan petani dan peternak untuk mempertahankan bisnisnya dan menjaga properti mereka agar tidak digunakan untuk keperluan lainnya (non agro).

Kebanyakan ilmuwan percaya bahwa perubahan iklim disebabkan oleh emisi gas rumah kaca akibat aktivitas manusia dam penggunaan energi angin dapat membantu menguranginya.

Turbin angin memang memiliki dampak negatif terhadap lingkungan, tetapi dampak negatif bisa diseimbangkan dengan kebutuhan kita akan listrik; dampak lingkungan dengan menggunakan angin untuk energi secara keseluruhan relatif lebih rendah dibandingkan sumber energi lainnya untuk membuat listrik.

Turbin angin modern adalah mesin yang sangat besar, dan beberapa pihak tidak suka mengenai dampak visual mereka pada lanskap. Ada beberapa turbin angin yang terbakar, bahkan ada cairan pelumas yang bocor, meskipun hal ini relatif jarang. Beberapa pihak tidak menyukai suara yang ditimbulkan oleh baling-baling turbin angin.

Beberapa jenis turbin angin dan proyek energi angin menyebabkan kematian burung dan kelelawar. Namun cara untuk mengurangi dampak dari turbin angin pada burung dan kelelawar terus diliti.

Sebagian besar proyek pembangkit listrik tenaga angin di darat juga membutuhkan jalan dan sarana transportasi yang menambah dampak fisik terhadap lingkungan. Memproduksi logam dan bahan lainnya di turbin angin, dan beton untuk pondasi juga memerlukan penggunaan energi, yang mungkin berasal dari bahan bakar fosil.

Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa turbin angin menghasilkan listrik yang lebih bersih pada masa operasi mereka dibandingkan jumlah yang setara dengan energi yang digunakan untuk membuat dan menginstal mereka.

Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin dengan diameter kipas r adalah :

dimana  rho (p) adalah kerapatan angin pada waktu tertentu dan (v) adalah kecepatan angin pada waktu tertentu.

Umumnya daya efektif yang dapat dipanen oleh sebuah turbin angin hanya sebesar 20%-30%. Jadi rumus di atas dapat dikalikan dengan 0,2 atau 0,3 untuk mendapatkan hasil yang cukup eksak.

Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengubah energi mekanis dari angin menjadi energi putar pada kincir, lalu putaran kincir digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan menghasilkan listrik.

Sebenarnya prosesnya tidak semudah itu, 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.      Brake System

Digunakan untuk menjaga putaran pada poros setelah gearbox agar bekerja pada titik aman saat terdapat angin yang besar. Alat ini perlu dipasang karena generator memiliki titik kerja aman dalam pengoperasiannya. Generator ini akan menghasilkan energi listrik maksimal pada saat bekerja pada titik kerja yang telah ditentukan. Kehadiran angin diluar diguaan akan menyebabkan putaran yang cukup cepat pada poros generator, sehingga jika tidak di atasi maka putaran ini dapat merusak generator. Dampak dari kerusakan akibat putaran berlebih diantaranya : overheat, rotor breakdown, kawat pada generator putus karena tidak dapat menahan arus yang cukup besar.

3.      Generator

Ini 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 fisisnya 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. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan listrik untuk akhirnya digunakan oleh masyarakat. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator ini berupa AC(alternating current) yang memiliki bentuk gelombang kurang lebih sinusoidal.

4.      Penyimpan energi

Karena keterbatasan ketersediaan akan energi angin (tidak sepanjang hari angin akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik pun tidak menentu. Oleh karena itu digunakan alat penyimpan energi yang berfungsi sebagai back-up energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik masyarakat meningkat atau ketika kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, maka kebutuhan permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi. Oleh karena itu kita perlu menyimpan sebagian energi yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang atau saat penggunaan daya pada masyarakat menurun. Penyimpanan energi ini diakomodasi dengan menggunakan alat penyimpan energi. Contoh sederhana yang dapat dijadikan referensi sebagai alat penyimpan energi listrik adalah aki mobil. Aki mobil memiliki kapasitas penyimpanan energi yang cukup besar. Aki 12 volt, 65 Ah dapat dipakai untuk mencatu rumah tangga (kurang lebih) selama 0.5 jam pada daya 780 watt.

Kendala dalam menggunakan alat ini adalah alat ini memerlukan catu daya DC (Direct Current) untuk meng-charge/mengisi energi, sedangkan dari generator dihasilkan catu daya AC (Alternating Current). Oleh karena itu diperlukan rectifier-inverter untuk mengakomodasi keperluan ini. Rectifier-inverter akan dijelaskan berikut.

5.      Rectifier-inverter

Rectifier berarti penyearah. Rectifier dapat menyearahkan gelombang sinusodal(AC) yang dihasilkan oleh generator menjadi gelombang DC. Inverter berarti pembalik. Ketika dibutuhkan daya dari penyimpan energi(aki/lainnya) maka catu yang dihasilkan oleh aki akan berbentuk gelombang DC. Karena kebanyakan kebutuhan rumah tangga menggunakan catu daya AC , maka diperlukan inverter untuk mengubah gelombang DC yang dikeluarkan oleh aki menjadi gelombang AC, agar dapat digunakan oleh rumah tangga.