KAJIAN PENGARUH KESTABILAN ATMOSFER TERHADAP DAYA TURBIN ANGIN di KARIMUN JAWA

Proposal KULIAH LAPANGAN

oleh:

Bobby Muhamad Zaky Slamet12812014

PembimbingDr. Armi Susandi

Program Studi MeteorologiFakultas Ilmu dan Teknologi KebumianInstitut Teknologi Bandung2015 DAFTAR ISIDAFTAR ISI11.Pendahuluan11.1. Latar Belakang11.2. Rumusan Masalah11.3. Tujuan11.4. Hipotesis11.5. Batasan Masalah11.6 Asumsi12.Kajian Pustaka12.1 SODAR (Sound Detection and Ranging)12.2 Stabilitas Atmosfer12.3 Daya Angin12.4 Angin Ekuivalen13.Rancangan Penelitian13.1Data13.2Metode Penelitian13.2.1Penghitungan nilai wind shear exponent, intensitas turbulensi, dan TKE13.2.2 Estimasi daya angin dan daya ideal turbin13.2.3 Perbandingan kurva daya ideal terhadap estimasi daya angin berdasarkan wind shear exponent, Intensitas turbulensi, dan TKE13.3Hasil yang Diharapkan13.4Jadwal Pelaksanaan13.5Rencana Kerja di Lapangan13.6Alat yang digunakan1DAFTAR PUSTAKA1

Pendahuluan1.1. Latar BelakangEnergi terbarukan merupakan salah satu sebagai upaya dalam sumber energi alternatif selain energi fosil. Energi terbarukan merupakan energi yang sangat cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Energi terbarukan tersebut dapat berupa energi angin, energi matahari, biogas, dll. Energi angin merupakan salah satu bentuk energi terbarukan yang sangat fleksibel. Energi angin ini dapat digunakan untuk berbagai macam kebutuhan dalam kegiatan penting seperti pembangkit listrik tenaga bayu, pemompaan air untuk irigasi, pengering atau pencacah hasil panen, aerasi tambak ikan atau udang. Energi angin merupakan salah satu energi terbarukan yang berkembang pesat di dunia. Energi angin dapat menghasilkan energi listrik melalui turbin angin dengan energi listrik yang dihasilkan mencapai 93.85 GW, lebih dari 1% total listrik secara global. Pada tahun 2015 diharapkan total kapasitas pembangkit listrik tenaga angin secara global lebih dari 170 GW. Kurang lebih 74.400 turbin angin tersebar di sekitar 60 negara seperti Amerika, Spanyol, Jerman, Belanda dan China. Negara-negara ini merupakan negara yang terdepan dalam pemanfaaatan energi angin. Indonesia melakukan pemanfaatan energi angin sampai dengan tahun 2004 memiliki kapasitas yang terpasang sebesar 0,5 MW dari total 9GW potensi yang ada. Secara umum kecepatan angin rata-rata di Indonsia adalah berkisar antara 4 m/s hingga 6 m/s sehingga pengembangan energi angin sebagai energi terbarukan dapat dikembangkan.Pulau Karimunjawa memiliki sejuta pesona wisata. Akan tetapi itu semua tidak didukung oleh ketersediaan energi listrik di Kepulauan Karimunjawa. Selama ini, di kepulauan destinasi wisata tersebut tergantung pada diesel bertenaga 500 KPA tanpa cadangan. Permasalahan lainnya adalah durasi waktunya yang terbatas, sehingga butuh pasokan listrik yang bisa dimanfaatkan setiap saat (Brillianto, 2012). Saat ini terdapat enam unit pelayanan, masing-masing unit menyediakan pelayanan listrik dengan tenaga diesel. Untuk daerah perkotaan di Karimunjawa, layanan listrik dimulai dari pukul 18.00 sampai pukul 06.00. Sedangkan di lima unit lain hanya 6 jam dari pukul 18.00 sampai 23.30.Energi angin sangat dipengaruhi kondisi atmosfer di sekitar turbin. Kestabilan atmosfer pun dapat sangat berpengaruh terhadap daya yang dihasilkan oleh suatu turbin. Pada kuliah lapangan ini, akan dilakukan penelitian tentang pengaruh kestabilan atmosfer terhadap daya yang dihasilkan oleh suatu turbin.

1.2. Rumusan MasalahBerdasarkan uraian latar belakang masalah diatas, penggunaan turbin angin sebagai energi alternatif dapat menjadi salahsatu solusi untuk menanggulangi krisis listrik yang ada di Karimunjawa. Namun, angin yang sangat bergantung pada kondisi atmosfer akan mempengaruhi daya yang dihasilkan oleh turbin. Kestabilan atmosfer akan menjadi hal yang mendasar untuk dikaji agar pengaruh dari kondisi atmosfer terhadap daya yang dihasilkan turbin dapat ditinjau. Kondisi atmosfer tersebut ditinjau berdasarkan wind shear dan turbulensi yang di dapat dari pengamatan angin menggunakan alat observasi SODAR (Sound Detection and Ranging) di Karimunjawa.

1.3. TujuanBerdasarkan rumusan masalah diatas, maka tujuan penelitian ini adalah mengkaji pengaruh kestabilan atmosfer terhadap daya yang dihasilkan turbin berdasarkan nilai wind shear exponent, intensitas turbulensi, dan Turbulent Kinetic Energy (TKE). Lalu dianalisis untuk menentukan apakah penggunaan energi angin di Karimunjawa dapat menjadi suatu solusi untuk permasalahan krisis listrik yang terjadi sesuai dengan kondisi kestabilan atmosfer yang ada di daerah tersebut.

1.4. HipotesisDari penelitian ini, diperkirakan bahwa kestabilan atmosfer yang ditinjau dari nilai wind shear exponent, intensitas turbulensi, dan Turbulent Kinetic Energy (TKE) akan menambah atau mengurangi daya yang dihasilkan oleh turbin.

1.5. Batasan MasalahBeberapa ruang lingkup kajian penelitian kuliah lapangan ini adalah :1. Daerah kajian dibatasi pada wilayah Karimunjawa, 542 - 600 LS, 11007 - 11037 BT.

Gambar 1. Daerah Kajian Penelitian

2. Nilai komponen angin dianalisis pada ketinggian 20 meter sampai dengan 150 meter.3. Waktu kajian penelitian adalah dari tanggal 11 sampai 15 Agustus 2015.

1.6 AsumsiDalam penelitian ini diasumsikan bahwa turbin yang digunakan adalah Garbi 200/28 dari Electria Wind dengan tinggi 40 m, diameter rotor 28 m, cut-in speed 2.5 m/s, cut-off speed 20 m/s, rated speed sebesar 11 m/s dan rated power 200 kW.Kajian Pustaka 2.1 SODAR (Sound Detection and Ranging)SODAR (Sound Detection and Ranging) merupakan suatu alat observasi untuk mengukur profil angin vertikal (kecepatan, arah, dan turbulensi 3 dimensi) dengan resolusi tinggi. SODAR mengukur komponen angin u,v, dan w dengan sampling rate 1Hz dan resolusi vertical 10 m. Jangkauan vertikal SODAR berkisar antara 20m 200m.

2.2 Stabilitas AtmosferStabilitas atmosfer dapat ditinjau dari wind shear dan turbulensi. Wind Shear Exponent () dapat dihitung dari nilai kecepatan angin di dua level ketinggian menggunakan persamaan sederhana :

dimana U adalah nilai kecepatan angin horizontal di ketinggian z (m). Wind Shear Exponent mengaproksimasi kestabilan atmosfer namun tidak dapat secara langsung dapat mengukur kestabilan. Intensitas turbulensi (IU) dapat secara langsung mengukur fluktuasi turbulensi horizontal pada angin. Persamaan intensitas turbulensi horizontal dapat diestimasi dengan persamaan :

dimana u2 adalah variansi kecepatan angin zonal (m/s) v2 adalah variansi kecepatan angin meridional dan U adalah rata-rata kecepatan angin di suatu ketinggian.Persamaan intensitas turbulensi vertikal dapat diestimasi dengan persamaan :

Selanjutnya, berhubungan dengan intensitas turbulensi, Turbulence Kinetic Energy dapat dihitung dengan persamaan :

dimana u2, v2, w2 adalah variansi angin u, angin v, dan angin w. TKE dapat mengukur secara langsung dari intensitas turbulensi 3 dimensi.Klasifikasi stabilitas atmosfer berdasarkan wind shear exponent, intensitas turbulensi, dan TKE dapat ditentukan dari tabel berikut :

2.3 Daya AnginNilai daya listrik yang dihasilkan dari rataan angin tiap 10 menit secara teoritis dapat dihitung dengan persamaan flux energy berikut :

dimana a merupakan densitas udara (kg m-3), At luas rotor turbin (m2), dan Ui merupakan kecepatan angin (ms-1). Daya keluaran dari turbin dengan tetap melibatkan efisiensi dari turbin tergantung dengan jenis turbin yang dipakai.Nilai daya normal Pnorm (%) dapat diestimasi dengan persamaan :

dengan Pt,i merupakan daya yang dihasilkan turbin tiap 10 menit (kW) dan Prated merupakan daya maksimal yang dapat dihasilkan oleh turbin. Nilai Prated ditentukan oleh pabrik pembuat turbin. Nilai Pnorm yang mencapai 100% mengindikasikan daya angin yang dihasilkan telah maksimal.

2.4 Angin EkuivalenAngin ekuivalen merupakan angin yang dihitung dengan melibatkan energi yang dihasilkan oleh turbulensi.Persamaan yang digunakan untuk mengestimasi angin ekuivalen adalah sebagai berikut :

dengan

Rancangan PenelitianDataData yang digunakan dalam penyusunan kuliah lapangan ini adalah data observasi lapangan berupa data komponen angin u,v,dan w dari ketinggian 20m sampai dengan 150m yang didapat dari SODAR.Metode Penelitian1.1.1 Penghitungan nilai wind shear exponent, intensitas turbulensi, dan TKEKestabilan atmosfer sangat erat kaitannya dengan wind shear dan turbulensi. Data yang diperoleh dari observasi SODAR digunakan untuk menghitung nilai wind shear exponent (), intensitas turbulensi, dan TKE dengan suatu persamaan. Dari nilai-nilai tersebut, selanjutnya dilakukan klasifikasi stabilitas atmosfer berdasarkan ambang batas dari wind shear dan turbulensi seperti yang terdapat pada table 1. Nilai intensitas turbulensi juga digunakan untuk menghitung nilai angin ekuivalen yaitu angin dari data SODAR yang diasumsikan untuk turbin angin agar dapat mengekstraksi energi dari gerak turbulensi yang terjadi di udara. Nilai angin ekuivalen dihitung dari rata-rata data angin SODAR tiap 10 menit.3.2.2 Estimasi daya angin dan daya ideal turbinData kecepatan angin yang didapat dari SODAR selanjutnya digunakan untuk mengestimasi daya yang akan dihasilkan oleh turbin. Data angin terlebih dahulu dirata-ratakan tiap 10 menit dan setelah itu diestimasi daya listrik yang dihasilkan menggunakan suatu persamaan. Daya ideal turbin didapat dari nilai Prated jenis turbin yang dipilih yang telah ditentukan oleh pabrik pembuat turbin. Selanjutnya daya ideal tersebut digunakan untuk membuat kurva daya ideal untuk dibandingkan dengan estimasi daya angin yang didapat dari data angin SODAR dan juga dibandingkan dengan angin ekuivalen SODAR. Dari hasil perbandingan tersebut diperoleh nilai korelasi dan nilai error antara estimasi daya yang dihasilkan dengan daya ideal turbin.

3.2.3 Perbandingan kurva daya ideal terhadap estimasi daya angin berdasarkan wind shear exponent, Intensitas turbulensi, dan TKESetelah dilakukan klasifikasi stabilitas atmosfer dan dihasilkan waktu kapan saja kondisi atmosfer sangat stabil, stabil, netral, konvektif, dan sangat konvektif, lalu di hitung estimasi daya berdasarkan data angin yang telah diklasifikasikan berdasarkan stabilitas atmosfer. Setelah itu, estimasi daya tersebut dibandingkan dengan daya ideal untuk melihat pengaruh kestabilan atmosfer terhadap daya yang dihasilkan turbin.

Gambar 2. Diagram Alir Metode Pengerjaan

modee

MulaiData angin u,v,w di 20 m 150m dari SODAR

Wind Shear Exponent, Intensetas Turbulensi, dan TKE

Estimasi daya angin per 10 menit dan daya ideal turbin

Klasifikasi Stabilitas Atmosfer

Angin Ekuivalen SODARPerbandingan angin ekuivalen SODAR dengan kurva daya IdealPerbandingan kurva daya ideal terhadap estimasi daya angin berdasarkan wind shear exponent, Intensitas turbulensi, dan TKE

Analisis

Selesai

Hasil yang DiharapkanDari penelitian kuliah lapangan ini diharapkan nantinya dapat menghasilkan kajian pengaruh kestabilan atmosfer terhadap daya yang dihasilkan turbin untuk menentukan apakah kondisi kestabilan atmosfer di Karimunjawa dapat optimal untuk penggunaan turbin angin sebagai energi alternatif.

Jadwal PelaksanaanDalam pelaksanaan kuliah lapangan ini diharapkan dapat sesuai jadwal sebagai berikut: Tabel 2. Jadwal PelaksanaanNoKegiatanWaktu Pelaksanaan

Mei '15Juni'15Juli'15Ags'15

1Studi Referensi

2Pengajuan Draft Proposal

3Pengambilan Data

4Analisis

5Pembahasan dan Penulisan Laporan

Rencana Kerja di Lapangan

Tabel 3. Rencana Kerja di LapanganNoKegiatanWaktu Pelaksanaan (Agustus 2015)

1112131415

1Pemasangan Alat

2Pengambilan dan Pengolahan Data Angin

3Peninjauan daerah krisis listrik

4Peninjauan energi terbarukan yang telah terpasang di wilayah kajian

5Peninjauan Turbin Angin yang telah terpasang di wilayah kajian

Alat yang digunakan1. SODAR (Sound Detection and Ranging)11

DAFTAR PUSTAKA

Antoniou I, Jrgensen H E, Ormel F, Bradley S, von Hunerbein S, Emeis S and Warmbier G 2003 On The Theory of SODAR Measurement Techniques (Roskilde: Ris National Laboratory) p 59Antoniou I, Pedersen S M and Enevoldsen P D 2009 Wind shear and uncertainties in power curve measurement and wind resources Wind Eng. 33 44968Elliott D L and Cadogan J B 1990 Effects of wind shear and turbulence on wind turbine power curves Proc. European Community Wind Energy Conference and Exhibition (Madrid)Wharton S and Lundquist J K 2012 Assessing atmospheric stability and its impacts on rotor-disk wind characteristics at an onshore wind farm Wind Energy at press (doi:10.1002/we.483)Wharton S and Lundquist J K 2012 Atmospheric stability affects wind turbine power collection Online at stacks.iop.org/ERL/7/014005