Pengantar Energi Angin — Mengubah Momentum Angin Menjadi Rotasi, Listrik, dan Pengendalian Jaringan Listrik

Contents — find the section you need

Bilah turbin angin bukanlah "papan yang menangkap angin." Ia menggunakan gaya angkat dan gaya hambat dari sayap aerodinamis untuk menghasilkan torsi rotasi, memberikan putaran besar dengan kecepatan rendah ke gearbox atau generator penggerak langsung. Daya generator diolah oleh konverter untuk tegangan, frekuensi, dan daya reaktif, kemudian melewati transformator dan saluran transmisi ke jaringan listrik. Memahami tenaga angin sebagai satu mesin tunggal berarti tidak hanya melihat kekuatan angin tetapi juga turbulensi, kelelahan, peramalan, pemeliharaan, dan pengendalian jaringan listrik secara bersamaan.

Pembangkit listrik tenaga angin lepas pantai Middelgrunden dekat Denmark

Contoh tenaga angin lepas pantai

Gambar: Middelgrunden wind farm (Kim Hansen / Richard Bartz, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Foto lapangan yang menggambarkan jarak antar turbin, bukan spesifikasi untuk setiap turbin saat ini.

0. Ringkasan 30 Detik

Daya ideal yang dapat diekstrak dari angin adalah $P=\frac12\rho A v^3 C_p$ . Karena berbanding lurus dengan pangkat tiga kecepatan angin $v$ , perbedaan kecil dalam sumber daya angin membuat perbedaan besar dalam pembangkitan tahunan.
Tidak ada turbin yang dapat memulihkan 100% energi kinetik angin; batasnya adalah batas Betz, sekitar 59,3%. $C_p$ mesin sebenarnya bervariasi tergantung kecepatan angin, sudut bilah, kontrol, dan turbulensi.
Kontrol pitch menyesuaikan sudut bilah, kontrol yaw mengarahkan nacelle ke arah angin, dan kontrol torsi generator mengatur kecepatan rotor. Pada angin kencang, output dikurangi dan turbin berhenti untuk alasan keamanan.
Di darat, transportasi, kebisingan, dan lanskap mendominasi; di lepas pantai (dasar tetap), fondasi, kabel bawah laut, topan, dan kapal pemeliharaan mendominasi; di lepas pantai terapung, tambatan dan pergerakan mendominasi.
Dalam interkoneksi jaringan, inverter kecepatan variabel menangani daya aktif, daya reaktif, tegangan, dan respons frekuensi. Kesalahan perkiraan diimbangi dengan menggabungkan baterai, tenaga air, dan respons permintaan.

1. Energi Kinetik Angin dan Batas Betz

Kurva daya turbin angin dari cut-in hingga output nominal sampai cut-out

Gambar 1 — Di bawah cut-in tidak ada output yang berguna; antara cut-in dan kecepatan nominal, daya meningkat tajam; di atas kecepatan nominal, kontrol pitch membatasi output hingga cut-out.

Udara dengan densitas $\rho$ yang melewati area sapuan $v$ dengan kecepatan $A=\pi R^2$ membawa energi kinetik per satuan waktu sebesar

P_{wind}=\frac12\rho A v^3

Jika kecepatan aliran di belakang turbin didorong hingga nol, udara akan berhenti mengalir sama sekali — sehingga mengoptimalkan penurunan kecepatan di seluruh turbin melalui konservasi momentum membatasi fraksi yang dapat diekstraksi pada

C_{p,max}=\frac{16}{27}\simeq0.593

dan tidak lebih tinggi. $C_p$ adalah koefisien daya, fungsi $C_p(\lambda,\beta)$ dari rasio kecepatan ujung $\lambda=\omega R/v$ dan sudut kemiringan $\beta$ . Pada kecepatan angin rendah, turbin meningkatkan kecepatannya untuk mengikuti $\lambda$ yang optimal; di atas kecepatan angin nominal, kemiringan diubah untuk menjaga output tetap konstan.

2. Bilah, Nacelle, Menara

Bilah mengubah gaya angkat airfoil menjadi gaya tangensial. Bilah yang lebih panjang dan ramping menambah luas, tetapi juga menambah kelelahan akibat gravitasi, gaya sentrifugal, dan beban angin. Hub dan poros utama, generator, gearbox, dan kabinet kontrol berada di dalam nacelle, dengan menara dan fondasi membawa beban ke tanah. Seiring bertambahnya ukuran turbin, frekuensi alami bilah, resonansi menara, latensi kontrol, petir, korosi garam, dan pembentukan es semuanya berdampak langsung pada desain.

3. Kemiringan, Putaran, dan Torsi Kontrol

Kontrol Sudut Kemiringan (Pitch Control)

Mengubah sudut kemiringan bilah $\beta$ mengubah daya angkat dan torsi. Di bawah kecepatan angin nominal, $\beta$ dipertahankan pada nilai optimalnya; di atas kecepatan angin nominal, sudut serang dikurangi untuk membatasi output. Redundansi diperlukan agar jika aktuator hidrolik atau listrik gagal, bilah masih dapat bergerak ke posisi bulu (sudut yang mengurangi aliran angin).

Kontrol Putaran (Yaw Control)

Kontrol putaran, yang mengarahkan nacelle ke arah angin, menggunakan baling-baling angin dan anemometer, output pembangkitan, dan torsi menara. Putaran yang terlalu sering akan membebani penggerak putaran dan kabel, sehingga arah angin rata-rata dan turbulensi disaring untuk menyeimbangkan kehilangan pembangkitan terhadap kelelahan.

Torsi Generator

Pada turbin kecepatan variabel, torsi generator $T_g$ bervariasi dengan kecepatan untuk melacak rasio kecepatan ujung yang optimal. Persamaan gerak rotasi adalah

J\dot\omega=T_a-T_g-T_f

di mana $J$ adalah inersia, $T_a$ adalah torsi aerodinamis, dan $T_f$ adalah torsi rugi. Skema kontrol yang secara virtual memberikan inersia ke jaringan listrik untuk sementara melepaskan energi kinetik rotasi turbin untuk mengurangi penurunan frekuensi — tetapi output kemudian harus dikurangi selama periode rotor memulihkan kecepatan setelahnya.

4. Kecepatan Tetap, Kecepatan Variabel, dan Interkoneksi Jaringan Listrik

Generator induksi kecepatan tetap mudah dibangun, tetapi perubahan kecepatan angin dengan mudah merambat menjadi torsi mekanis dan ke jaringan listrik. Generator induksi berumpan ganda (DFIG) menggunakan konverter kapasitas parsial di sisi rotor untuk mengontrol rentang kecepatan variabel dan daya reaktif. Generator sinkron magnet permanen dengan konverter kapasitas penuh secara elektrik memisahkan generator dari jaringan listrik, memungkinkan kontrol atas rentang kecepatan yang luas — dengan biaya semikonduktor daya dan magnet yang lebih tinggi.

Inverter umumnya menggunakan pengikut jaringan listrik. Kontrol, pelacakan fase jaringan melalui PLL, tetapi jaringan lepas pantai yang lemah atau pulau-pulau terpencil memerlukan kontrol pembentukan jaringan. Pengontrol pertanian yang mengawasi sekelompok turbin mengkoordinasikan keluaran turbin individu, daya reaktif, laju ramp, dan pengurangan, meneruskan perintah operator jaringan, prakiraan cuaca, dan status pengisian baterai ke dalam hierarki kontrol yang sama.

5. Darat, Lepas Pantai dengan Dasar Tetap, dan Terapung

Tipe	Kekuatan	Tantangan Utama	Fokus Penelitian
Darat	Konstruksi/pemeliharaan relatif mudah; dekat dengan transmisi	Kebisingan, lanskap, transportasi jalan, turbulensi	Adaptasi medan tinggi, prakiraan, penggantian daya
Lepas Pantai dengan Dasar Tetap	Angin kencang, skala yang lebih besar dimungkinkan, jauh dari permukiman	Pondasi, kabel bawah laut, pengiriman, korosi	Kelelahan pada kelas 15 MW, logistik pelabuhan/konstruksi
Lepas Pantai Terapung	Dapat Ditempatkan di perairan dalam	Tambat, gerakan, topan, kabel bawah laut	Kontrol gabungan, pelampung ringan, robot perawatan

Di laut, turbin, pelampung, tambat, gelombang, dan kabel daya semuanya saling terkait. Perubahan sudut bilah mengubah beban aerodinamis, yang memengaruhi gerakan menara dan pelampung; perubahan torsi generator mengubah kecepatan rotor dan beban tambat. Penelitian bergerak melampaui PID tunggal menuju kontrol prediktif model, kontrol mitigasi beban, dan kembaran digital yang memperpanjang umur kelelahan.

6. Peramalan, Perawatan, dan Lingkungan

Peramalan tenaga angin menggabungkan model cuaca, lidar, data satelit, kecepatan angin nacelle, dan data jejak turbin tetangga untuk menghasilkan distribusi probabilitas dari menit hingga hari ke depan. Selama periode kesalahan peramalan yang besar, kapasitas baterai disimpan sebagai cadangan, dan respons termal, hidro, dan permintaan telah diatur sebelumnya.

Pemeliharaan memantau getaran, suhu, dan analisis oli pada bantalan poros utama, gearbox, generator, bantalan sudut, dan bilah. Citra drone dan inspeksi akustik memeriksa Delaminasi bilah dan kerusakan akibat petir, menggabungkan tanda-tanda anomali dengan kondisi angin untuk memutuskan kapan harus menjadwalkan penghentian operasi. Dampak pada burung dan kelelawar, mamalia laut, perikanan, dan ekosistem dasar laut perlu dinilai bersama dengan penentuan lokasi, kontrol operasional, dan pemantauan — bukan secara terpisah.

7. Ringkasan

Tenaga angin adalah sistem yang memberikan momentum udara secara berurutan ke bilah, poros, generator, inverter, transformator, dan jaringan listrik. Hukum kubus kecepatan angin dan batas Betz menetapkan batas atas keluaran; kontrol pitch, yaw, dan torsi menetapkan beban mekanis dan kualitas daya; peramalan dan pemeliharaan menetapkan ketersediaan. Saat membaca penelitian tentang turbin lepas pantai/terapung atau inverter pembentuk jaringan listrik, ada baiknya membandingkannya tidak hanya pada efisiensi konversi saja, tetapi juga termasuk kelelahan, pengkabelan, pelabuhan, cuaca, lingkungan, dan operasi jaringan listrik.

Periksa pemahaman Anda

Apa yang terjadi pada fluks tenaga angin ketika kecepatan berlipat ganda?

Tenaga ini meningkat delapan kali lipat pada kepadatan dan luas yang sama. Output aktual turbin dibatasi oleh kurva daya dan kondisi penghentiannya.

Referensi

What to read next

Review the backgroundDasar-Dasar Tenaga Surya — Mengubah Cahaya Menjadi Arus DC dan Menghubungkannya ke Jaringan Listrik dan Baterai Continue the seriesPengantar Pembangkit Listrik Panas Bumi — Mengubah Panas Bawah Tanah Menjadi Listrik dengan Sistem Flash dan Biner Explore another aspect of this fieldSimulasikan frekuensi jaringan: ketidakseimbangan, inersia, dan respons utama.

#Wind Power #Wind Turbines #Betz Limit #Offshore Wind #Pitch Control #Grid Interconnection