Pengenalan Airborne Wind Energy Converter System (AWECs) Sebagai Advance Technology Dalam...

7/26/2019 Pengenalan Airborne Wind Energy Converter System (AWECs) Sebagai Advance Technology Dalam Pemanfaatan …

http://slidepdf.com/reader/full/pengenalan-airborne-wind-energy-converter-system-awecs-sebagai-advance-technology 1/5

1Rekayasa Energi Bayu – 2016

Pengenalan Ai rborne Wind Energy Converter system (AWECs) Sebagai

Advance Technology Dalam Pemanfaatan Energi Angin

Dani Rifai (39244)1

1 Departemen Teknik Nuklir Teknik Fisika, Fakultas Teknik,Universitas Gadjah Mada

Jl. Grafika 2 Yogyakarta, Indonesia 55281

E-mail: [email protected]

Abstrak

Dalam beberapa dekade terakhir pengembangan turbin konvensional terlihat melambat. Airborne Wind Energy

Converters system (AWECs) merupakan salah satu pengembangan sektor teknologi energi terbarukan untuk

pemanfaatan energi angin. AWECs merupakan konverter yang mengekstrak energi angin pada ketinggian dengan

cara menambatkan (tethered) sebuah layang-layang (kite) atau pesawat udara. Berbeda dengan turbin angin yang

berbasis di darat, perangkat AWECs mampu mencapai ketinggian yang lebih tinggi, memanfaatkan sumber daya

energi angin yang besar, karena kekuatan angin biasanya lebih kuat, lebih konsisten, dan minim turbulensi. Sistem

AWECs pada umumnya terdiri dari dua komponen utama, sistem ground dan setidaknya satu pesawat yang

terhubung secara mekanis. Sistem AWECs dapat dikategorikan menjadi dua, yaitu Ground-Gen dan Fly-Gen.

AWECs tidak dapat dioperasikan selama badai petir atau kondisi cuaca buruk. Akan tetapi, biaya investasi

AWECs mungkin lebih rendah dibandingkan dengan investasi wind turbine konvensional.

Kata kunci: energi angin, Airborne Wind Energy Converters system (AWECs), tether, kite, Klasifikasi AWECs

1. Pendahuluan

Kebutuhan akan energi semakin meningkat dan

telah menjadi bagian yang tak terpisahkan dari

kebutuhan hidup manusia. Sampai saat ini,

mayoritas energi yang dikonsumsi berasal dari

sumber energi fosil. Dalam rangka untuk

mengurangi emisi gas CO2 dan ketergantungan

terhadap energi fosil, banyak negara-negara mulai

beralih ke sumber energi alternatif yang terbarukan,

salah satunya energi angin. Namun demikian,

kemajuan teknologi dalam pengembangan turbin

angin konvensional melambat dalam beberapa

dekade terakhir. Beberapa upaya yang coba

dilakukan antara lain peningkatan ukuran turbin,

penggunaan material yang lebih modern, dan

melakukan berbagai optimasi [1].Dalam beberapa tahun terakhir, terlihat

pertumbuhan yang signifikan pada sektor teknologi

energi terbarukan untuk pemanfaatan energi angin,

yaitu Airborne Wind Energy Converters system

(AWECs). AWECs merupakan konverter yang

mengekstrak energi angin pada ketinggian dengan

cara menambatkan (tethered) sebuah layang-layang

atau pesawat udara. Pada tahun 1980, Miles Loyd [2]

memperkenalkan sebuah konsep terobosan untuk

AWECS dengan gerakan crosswind cepat dari

sayap. Ockels[3]

menemukan sebuah konsep awalladermill . Kemudian, Lansdorp dan Ockels [4]

mengembangkan konsep ke dalam desain pumping

kite, yang dikembangkan lebih lanjut oleh Williams

et al. [5]. Pumping kite generator terdiri dari kite yang

terhubung ke mesin derek di tanah. Pada saat tether

reeling out , lift dihasilkan oleh gerakan kite di

crosswind yang dapat digunakan untuk memutar

winch dan menghasilkan listrik dengan

menggunakan generator pada drum winch. Setelah

tather sudah reeled out , gaya pada tether berkurang

dengan menghentikan gerakan crosswind dan

penurunan angle of attack dari kite. Kemudian tether

dapat reeled in lagi. Energi yang dibutuhkan untuk

reeling in lebih sedikit daripada reeling out , energi

net yang dapat dihasilkan adalah:

Gambar 1. Energi net yang dihasilkan dalam

AWECs [12]

Tiga alasan utama [6] mengapa orang tertarik

dengan AWECs untuk produksi listrik adalah

sebagai berikut:

1. Energi angin merupakan salah satu sumber

daya energi terbarukan yang pada prinsipnya




cukup besar untuk memenuhi semua

kebutuhan energi manusia.

2. Berbeda dengan turbin angin yang berbasis di

darat, perangkat AWECs mungkin mampu

mencapai ketinggian yang lebih tinggi,

memanfaatkan sumber daya energi angin yang besar dan sejauh ini belum digunakan [7]. Angin

di ketinggian yang lebih tinggi biasanya lebih

kuat, lebih konsisten, dan minim turbulensi

daripada yang dekat dengan tanah, baik

onshore maupun offshore.

3. Sistem AWECs mungkin membutuhkan

investasi material per unit daya yang

digunakan lebih kecil dibandingkan

kebanyakan sumber energi terbarukan.

2. Energi Angin

2.1 Densitas Daya Angin

Energi angin ditentukan oleh energi kinetik dari

massa udara yang bergerak sesuai dengan

persamaan:

= 12 1

Dimana v adalah kecepatan angin (m/s) dan mudara

adalah massa udara yang bergerak. Laju dimana

energi angin ditransfer disebut tenaga angin. Untuk

aliran angin seragam, energi yang ditransfer dalam

waktu t adalah:

= 2

Selama waktu t, aliran angin dengan kecepatan

V yang melewati area sapuan A akan membawa

massa udara sebanyak:

= 3 Dimana adalah densitas udara dalam kg/m3.

Dari persamaan 1-3, maka formulasi untuk

mengevaluasi daya angin adalah:

=12

4

Persamaan (4) menunjukkan bahwa jika

kecepatan dinaikkan dua kali lipat, maka daya angin

yang tersedia naik hingga delapan kali.

2.2 Variasi kecepatan angin berdasarkan ketinggian

Prevalensi angin di ketinggian disebabkan oleh

permukaan bumi yang menciptakan efek lapisan

batas sehingga angin umumnya meningkat seiring

dengan ketinggian. Dekat permukaan, bentuk khas

variasi kecepatan angin diberikan oleh persamaan:

= ( )∝ 5

Dimana V(z) adalah kecepatan angin pada

ketinggian z, V0 adalah kecepatan yang dikenal pada

ketinggian referensi z0 (10 m), dan α adalah

koefisien gesekan permukaan yang disebut wind

shear exponent . Besarnya α bergantung pada

deskripsi medan yang tercantum dalam tabel 1.

Tabel 1. Koefisien wind shear exponent [13]

2.3 Efisiensi dari konversi energi angin

Efisiensi konverter energi angin (atau koefisien

daya, Cp) didefinisikan sebagai rasio output daya

sebenarnya terhadap daya yang tersedia dalam aliran

angin. Dengan demikian, output daya mekanik

konverter energi angin yang mengekstraksi energi

angin dari aliran bebas yang melalui daerah vertikal

Aswept diberikan oleh persamaan:

= 12 6

Untuk nilai , dimana merupakan nilai

ideal maksimum dari koefisien daya, yang disebut

sebagai faktor Betz. Hukum Betz menyatakan

bahwa konverter energi angin hanya dapat

mengkonversikan kurang dari 59% energi kinetik

angin yang tersedia menjadi energi mekanik yang

berguna.

3. Klasifikasi Sistem AWEC

Sistem AWE pada umumnya terdiri dari dua

komponen utama, sistem ground dan setidaknya

satu pesawat yang terhubung secara mekanis, namun

dalam beberapa kasus juga terhubung secara elektrik

oleh tali yang sering disebut sebagai tethers. Di

antara konsep sistem AWE yang berbeda, kita dapat

membedakannya menjadi dua, yaitu sistem Ground-

Gen dan Fly-Gen [8].

Gambar 2. a) Ground-Gen dan b) Fly-Gen. [8]




3.1 Ground-Gen AWE (GG-AWE)

Dalam sistem Ground-Gen AWE (GG-AWE),

energi listrik dihasilkan di ground melalui kerja

mekanik yang dilakukan oleh gaya traksi, kemudian

ditransmisikan dari pesawat ke sistem ground

melalui satu atau lebih tali, yang menggerakan

sebuah generator listrik. Diantara sistem GG-AWE

ini, kita dapat membedakan antara perangkat fixed-

ground-station, di mana stasiun groung tetap di

ground dan sistem movement-ground-station, di

mana stasiun ground bergerak [9].

Gambar 3. Jenis-jenis Ground-Gen [8]

3.2 Fly-Gen AWE (FG-AWE)

Dalam sistem Fly-Gen AWE (FG-AWE) energi

listrik dihasilkan di pesawat dan ditransmisikan ke

ground melalui tali khusus yang membawa kabel

listrik. Dalam hal ini, konversi energi listrik

umumnya dicapai dengan menggunakan turbinangin. FG-AWES menghasilkan tenaga listrik

secara terus menerus selama beroperasi, kecuali

selama take-off dan landing maneuvers yang

mengkonsumsi energi.

Gambar 4. Jenis-jenis Fly-Gen [8]

4. Tantangan dan Potensi AWECS

AWECs tidak dapat dioperasikan selama badai

petir atau kondisi cuaca buruk. Selain itu tantangan

yang dihadapi AWECs meliputi [10]:

1) Sistem kontrol yang rumit untuk mencapai

fully-autonomous operation membutuhkan

waktu cukup lama untuk pengembangannya.

2) Material tali untuk tether yang kuat, ringan, dan

tahan lama dengan biaya lebih rendah

diperlukan untuk mengurangi biaya operasi dan pemeliharaan di masa mendatang.

3) Waktu dan biaya pengujian serta validasi dapat

menunda komersialisasi.

4) Pengembangan standar operasi dan

keselamatan yang ketat membutuhkan waktu

cukup lama, tetapi diperlukan untuk

mendapatkan dukungan dari masyarakat,

disponsori oleh lembaga, dan investor.

Meski demikian, ada banyak keuntungan

potensial dari AWECs, antara lain [10]:

1)

Capacity factor (rasio antara daya aktualdengan daya maksumim angin) yang lebih

tinggi dari turbin angin konvensional, karena

mereka dapat mencapai ketinggian yang lebih

tinggi dengan angin yang lebih kuat, konsisten,

dan sedikit turbulensi.

2) Biaya yang lebih rendah dari pembangkit listrik

dengan turbin angin konvensional, karena

AWECs tidak membutuhkan biaya mahal untuk

pembangunan pondasi tower dan umumnya

terbuat dari bahan yang lebih murah dan lebih

ringan. 3) Dampak secara visual dan akustik rendah

dibandingkan turbin angin konvensional,

karena AWECs terbang di ketinggian lebih dari

200 m diatas permukaan tanah.

5. Analisis Daya Crosswind K ite

Dalam analisis ini kite diperlakukan sebagai

sayap yang pada dasarnya dikarakterisasi oleh area

sayap dan koefisien lift dan koefisien drag

[14]. Berdasarkan Loyd [2], lift , drag ,dan gaya tether untuk kite dengan kecepatancrosswind , ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 5. Analisis model kite flying

crosswind . [13]




Kecepatan angin dan kecepatan reel out

tether dalam tahap traksi dari siklus pemompaan

adalah Untuk rasio high lift to drag , nampak

kecepatan angin hampir sama dengan , dan

diperoleh persamaan:

≃ , = − 7 Gaya tether (T) adalah untuk CL/CD tinggi

dengan pendekatan sama dengan gaya angkat (L)

yang diberikan oleh densitas udara (ρ), area sayap,

koefisien lift dan kecepatan angin.

≃ = 12 8

Daya mekanik yang dihasilkan dalam tahap

traksi dari siklus pemompaan diberikan oleh

persamaan:

= 9

Berdasarkan persamaan (7) dan (8) diketahui

bahwa semakin kecil kecepatan reel out , maka gaya

tether semakin besar. Selain itu, pada persamaan (9)

tidak ada daya mekanik yang dihasilkan untuk

= 0 atau = . Dengan demikian, hasil

dari analisis Lyod bahwa terdapat nilai kecepatan

reel out yang optimal , agar daya mekanik

yang dihasilkan mencapai maksimal.

, = 13 10

Kemudian persaman untuk daya mekanik

maksimum dalam fase traksi adalah:

= 12 4

27

11

= 227 (

)

12

Analisis sederhana menekankan pentingnya

terbang crosswind dan peran penting dari ⁄ dari

sayap.

Secara teoritis, sayap modern dengan koefisien

lift = 1 dan intrinsic drag =0,03 dengan

kecepatan angin akan menghasilkan daya 217 kW per m2 daerah sayap. Ini tidak realistis, karena

ternyata hambatan tether sangat signifikan. Nilai

yang lebih realistis untuk total koefisien drag

misalnya =0,07 yang menghasilkan output daya

teoritis sebesar P = 40 kW/m2 daerah sayap.

Kepadatan daya tinggi ini belum terealisasi secara

eksperimental oleh perusahaan yang menekuni

bidang AWE ataupun tim akademis, namun telah

dikonfirmasi oleh sebuah simulasi komputer yang

disempurnakan dan terlihat realistis. Untuk sistem

skala kecil [11], daya puncak yang berhasil dicapai

adalah 6 kW per m2 untuk luas sayap 3 m2 pada

kecepatan angin 13 m/s.

Menariknya, coba kita bandingkan kepadatan

daya teoritis sistem AWE, yaitu sebesar 40 kW/m2

dengan daya maksimum yang dapat diperoleh

dengan sel photovoltaic (PV). Kepadatan radiasi

matahari di bumi adalah sekitar 1,3 kW/m2, dan

efisiensi keseluruhan sel PV yang standar adalahsekitar 22%. Dengan demikian, daya yang

dihasilkan oleh satu meter persegi sayap sistem

AWE adalah lebih dari 150 kali lebih tinggi dari

daya yang dihasilkan oleh satu meter persegi sel

surya pada radiasi maksimum.

6. Kesimpulan

AWECs merupakan sebuah teknologi advance

dari pemanfaatan energi angin, selain wind turbin

konvensional. Biaya investasi AWECs mungkin

lebih rendah dibandingkan dengan investasi windturbine konvensional AWECs merupakan konverter

yang mengekstrak energi angin pada ketinggian

dengan cara menambatkan (tethered) sebuah

layang-layang atau pesawat udara. Sistem AWE

pada umumnya terdiri dari dua komponen utama,

sistem ground dan setidaknya satu pesawat yang

terhubung secara mekanis. Sistem AWEC dapat

dikategorikan menjadi dua, yaitu Ground-Gen dan

Fly-Gen. Besarnya densitas ouput daya daerah sayap

adalah output daya teoritis sebesar P = 40 kW/m2,

tetapi daya puncak yang berhasil dicapai adalah 6

kW per m2 untuk luas sayap 3 m2 pada kecepatan

angin 13 m/s.

Daftar Referensi

[1] Goldstein, Leo. 2013. “Theoretical analysis of

an airborne wind energy conversion system

with a ground generator and fast motion

transfer”. Journal of Energy 55. Hal. 987-995.

Elsevier.

http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2015.07.053.

(diakses tanggal 25 Desember 2015)

[2]

Loyd, Miles. 1980. “Crosswind kite power”,

dalam Theoretical analysis of an airborne

wind energy conversion system with a ground

generator and fast motion transfer . Journal of

Energy 55. Hal. 987-995.

[3] Ockels, Wubbo. 2001. “Laddermill, a novel

concept to exploit the energy in the airspace”,

dalam Theoretical analysis of an airborne

wind energy conversion system with a ground

generator and fast motion transfer . Journal of

Energy 55. Hal. 987-995.

[4]

Landsorp, Bas dan Ockels, Wubbo. 2005.“Comparison of concepts for high-altitude

http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2015.07.053






wind energy generation with ground based

generator” dalam Theoretical analysis of an

airborne wind energy conversion system with a

ground generator and fast motion transfer .

Journal of Energy 55. Hal. 987-995.

[5]

William, P. et al. 2007. “Optimal cross-windtowing and power generation with tethered

kites” dalam Theoretical analysis of an

airborne wind energy conversion system with a

ground generator and fast motion transfer .

Journal of Energy 55. Hal. 987-995.

[6] Diehl, Moritz. 2013. “Airborne wind energy:

basic concepts and physical foundations”

dalam Airborne Wind Energy. Berlin:

Springer.

[7] Archer, C. L. dan Caldeira, K. 2009. “Global

Assessment of High-Altitude Wind Power”

dalam Airborne Wind Energy. Berlin:

Springer.

[8] Cherubini, A. et al. 2015. “Airborne Wind

Energy Systems: A review of the

technologies”. Journal of Renewable and

Sustainable Energy Reviews 51. Hal. 1461-

1476. Elsevier.


(diakses pada tanggal 24 Desember 2015).

[9] Diehl, Moritz. 2013. “Airborne wind energy:

basic concepts and physical foundations”

dalam Airborne Wind Energy Systems: A

review of the technologies. Journal of

Renewable and Sustainable Energy Reviews

51. Hal. 1461-1476.

[10] Archer, C.L. et al. 2014. “Airborne wind

energy: Optimal locations and variability”.Journal of Energy 64. Hal. 180-186. Elsevier.

http://dx.doi.org/10.1016/j.renene.2013.10.04

4 (diakses pada tanggal 31 Desember 2015).

[11] Ruiterkamp, Richard dan Sieberling Soren.

2014. “Description and Preliminary Test

Results of a Six Degrees of Freedom Rigid

Wing Pumping System” dalam Airborne Wind

Energy. Berlin: Springer.

[12] Jannis, Heilmann. 2012. “The Technical and

Economic Potential of Airborne Wind

Energy”. Master Thesis. Department of

Science, Technology and Society, Utrecht

University.

[13] Argatov, Ivan dan Shafranov, Valentin. 2015.

“Economic assessment of small-scale kite

wind generators”. Journal of Energy 89. Hal.

125-134. Elsevier.


0 (diakses pada 25 Desember 2015).

[14] Luchsinger, Rolf H. 2014. “Pumping Cycle

Kite Power” dalam Airborne Wind Energy.

Berlin: Springer.














Pengenalan Airborne Wind Energy Converter System (AWECs) Sebagai Advance Technology Dalam...

Documents

Transcript of Pengenalan Airborne Wind Energy Converter System (AWECs) Sebagai Advance Technology Dalam...