Latar Belakang
Indonesia merupakan negara yang memiliki potensi Energi Baru Terbarukan (EBT) yang sangat melimpah yaitu sekitar 3.000 giga watt (GW). Potensi EBT akan dimanfaatkan semaksimal mungkin untuk mempercepat transisi energi pada tahun 2060 dengan target kapasitas pembangkit EBT sebesar 700 GW yang berasal dari solar, hidro, bayu, bioenergi, laut, panas bumi, termasuk hidrogen dan nuklir. Indonesia sendiri telah berkomitmen untuk menurunkan emisi gas rumah kaca dan mencapai Net Zero Emission pada tahun 2060 atau lebih cepat. Maka dari itu, diperlukan upaya dalam melakukan mitigasi iklim dengan penurunan gas karbon, tetapi tetap menjaga ketahanan energi. Â Hal ini disampaikan oleh Menteri Energi Dan Sumber Daya Mineral (ESDM) Arifin Tasrif dalam acara the 8th Indonesia International Geothermal Convention and Exhibition.
Sejalan dengan kementerian ESDM, Â Badan Usaha Milik Daerah (BUMD) DKI Jakarta yaitu PT Moda Raya Terpadu (MRT) bersama dengan Perusahaan Listrik Negara (PLN) menghadirkan charging station bertenaga surya di DKI Jakarta. Charging Station itu didirikan di lokasi Transit Oriented Development (TOD) area Dukuh Atas, Terowongan Kendal, Jakarta Pusat. Selain mengurangi kemacetan, dengan didirikannya charging station di ibukota ini adalah sebagai upaya dalam mendukung program pengurangan emisi gas rumah kaca atau Net Zero Emission (NEZ) pada tahun 2050. Selain itu, MRT menjadi BUMD pertama yang menerima sertifikat Energi Baru Terbarukan (renewable energy certificate) dari General Manager Unit Induk Distribusi Jakarta Raya. Sertifikat yang diterbitkan oleh lembaga APX Inc, ini menjadi bukti bahwa 10 persen kebutuhan listrik MRT Jakarta berasal dari sumber energi baru terbarukan.
Telah ada tiga charging station bertenaga surya yang telah beroperasi dan didirikan di kawasan yang kira-kira akan dibutuhkan oleh warga yang lewat. Charging station ini memiliki beberapa fitur yang terdiri dari solar panel berkapasitas 100 Wp, dua wireless charging 15 watt, dua USB charging DC 5V, dua socket AC 220V, dan rak sepeda. Unit pengisian ini dapat digunakan untuk telepon seluler, tablet, maupun laptop. Dengan panel surya berkapasitas 100 Wp, kita dapat menghasilkan daya maksimal 100 watt dalam 1 jam, tetapi dengan syarat panel surya mendapat penyinaran matahari yang baik dan konstan. Namun sayangnya energi matahari sendiri bukanlah energi yang bisa didapatkan setiap waktu, sehingga panel surya hanya dapat menghasilkan energi listrik secara maksimal pada siang hari atau ketika mendapat sinar matahari yang cukup. Belum lagi karena faktor cuaca seperti saat mendung ataupun hujan, intensitas cahaya matahari akan berkurang yang menyebabkan terhambatnya proses produksi listrik. Hal ini menyebabkan charging station tidak mendapat supply listrik yang cukup.
Maka dari itu, diperlukan pembangkit energi pendamping untuk solar charging station agar nantinya supply chain energinya tidak terputus. Energi terbarukan yang dapat digunakan salah satunya adalah energi angin. Energi angin adalah energi yang mudah didapatkan karena ketersediaan energi angin akan selalu ada pada cuaca apapun. Untuk memanfaatkan energi angin, biasanya menggunakan media turbin yang diputar dengan tenaga angin. Energi putaran ini yang nantinya akan digunakan untuk menghasilkan listrik. Dengan menggabungkan antara supply energi surya dan energi angin secara hybrid, diharapkan akan dapat menghasilkan kombinasi yang baik sebagai pembangkit energi pada charging station.
Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan, maka disusunlah penelitian ini yang bertujuan untuk melakukan riset terkait penggunaan pembangkit listrik tenaga angin sebagai pembangkit energi pendamping tenaga surya.
Turbin Darrieus-Savonius
Pada penerapannya sebagai pembangkit listrik, turbin angin konvensional yang biasa dipakai adalah turbin bilah horizontal atau yang disebut Horizontal-Axis Wind Turbine (HAWT). Selain itu, ada juga jenis turbin bilah vertikal atau yang disebut Vertical-Axis Wind Turbine (VAWT). Berbeda dengan turbin bilah horizontal, turbin jenis ini dapat diputar dengan tenaga angin yang relatif rendah. Salah satu model turbin dari jenis VAWT adalah turbin savonius. Turbin savonius sendiri dikembangkan oleh Insinyur Finlandia, Â Sigurd Johannes Savonius pada tahun 1922. Turbin savonius merupakan turbin single step yang tersusun dari 2 bilah propeller. Masing-masing bilah berbentuk setengah silinder yang dipotong secara vertikal. Angin yang melalui turbin, akan ditangkap oleh bilah pertama dan menyalurkan energi angin ke bilah kedua, sehingga berdasarkan cara kerja ini, turbin savonius dapat menangkap angin dari arah mana pun. Kelemahan dari turbin jenis ini adalah efisiensi dan torsinya yang kecil, sehingga apabila digunakan sebagai pembangkit, daya yang dihasilkan relatif kecil dibandingkan model yang lain. Selain model savonius, turbin VAWT juga dapat didesain dengan model darrieus. Turbin Darrieus ditemukan oleh insinyur penerbangan asal Prancis, George J. M. Darrieus pada tahun 1931. Turbin ini mengusung jenis turbin bilah vertikal yang memiliki efisiensi tinggi dan memiliki torsi yang besar. Torsi yang besar ini didapatkan dengan memaksimalkan jarak antara bilah dengan poros putar. Turbin ini telah dikembangkan menjadi beberapa model seperti model-a, model H, dan model helical.
Sebagai kompensasi dari kelemahan masing-masing model turbin, maka dikembangkan model hybrid yaitu, model darrieus-savonius. Model ini menggabungkan dua model turbin VAWT menjadi satu. Untuk memaksimalkan kekuatan putarnya,  para peneliti sebelumnya mencoba menyusunnya menjadi beberapa tingkat. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Delffika Canra, dkk (2021), didapatkan bahwa terdapat peningkatan CP (Coefficient of Performance) yang signifikan pada beberapa variasi multistage  savonius-darrieus eggbeater hingga mencapai 0,58. Padahal normalnya menurut Promdee dan Photong (2016), turbin savonius hanya mempunyai CP sebesar 0,1 - 0,2 dan turbin Darrieus sebesar 0,2 -- 0,4.
Penelitian A. Pallota, dkk (2020) menjabarkan karakteristik-karakteristik khusus dari model Darrieus-Savonius dan perbandingan dengan baik model Savonius ataupun model Darrieus berdasarkan dengan parameter sebagaimana di tabel berikut.
Tabel 1. Parameter geometri, fisik, dan kelistrikan saat dilaksanakan pengukuran
Parameter
Savonius
Darrieus
Hybrid
(Darrieus-Savonius)
Turbine model height
0,16 m
0,33 m
0,33 m
Turbine model radius
0,045 m
0,10 m
0,10 m
Air density
20o C
20o C
20o C
Temperature
1207 kg/m3
1207 kg/m3
1207 kg/m3
Initial voltage
0,005 V
0,005 V
0,005 V
Initial flow
0,005 A
0,005 A
0,005 A
Berdasarkan hasil penelitian tersebut, sistem hibrida ini dapat beroperasi dalam rentang kondisi lebih besar dibandingkan model Savonius ataupun model Darrieus sendiri yaitu dengan speed tip ratio (yaitu perbandingan kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin bebas) dalam rentang 0,5 hingga 4. Performa dari model hibrida selalu lebih tinggi dibandingkan dengan model savonius kecuali jika tip speed ratio kurang dari 1 dan dapat melampaui performa dari model Darrieus di rentang tip speed ratio dari 2 hingga 3 hingga sebanyak 20%.
Cara Kerja Turbin Darreius-Savonius Hybrid Panel Surya
Sistem konversi energi angin merupakan suatu sistem yang bertujuan untuk mengubah energi potensial angin menjadi energi mekanik poros oleh rotor untuk kemudian diubah lagi oleh alternator menjadi energi listrik. Prinsip utamanya adalah mengubah energi angin yang dimiliki angin menjadi energi kinetik poros. Besarnya energi yang dapat ditransferkan ke rotor tergantung pada massa jenis udara, luas area, dan kecepatan angin. Arus yang dihasilkan berupa DC dan disalurkan kepada charge controller sebelum disimpan pada baterai (Suryadi, 2020). Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh seorang ilmuwan Jerman bernama Albezt Betz, didapatkan efisiensi maksimum turbin angin, yaitu sebesar 0,593 angka ini disebut Betz Limit dalam gambar 1.
Selain itu, bentuk Helix juga memiliki performa yang mirip dengan penambahan multiple stage pada rotor. Osilasi momen pada beroperasi dengan menggunakan rotor Helix, berkurang secara signifikan. Secara umum, berdasarkan penelitian, performa Helix tidak jauh berbeda dari performa profil semicircular, tetapi bentuk Helix memiliki performa cukup baik pada setiap konfigurasi dan cenderung stabil pada nilai Cp tertinggi dengan =0,7 untuk kedua nilai. Nilai Cp tertinggi yang diraih adalah 0,25. Cp sendiri merupakan coefficient of power dari energi kinetik angin (Suryadi 2020).
Penggabungan solar cell atau sel surya adalah semikonduktor yang terdiri dari diode p-n junction, dimana cahaya matahari mampu dikonversikan menjadi energi listrik. Dalam hal ini, sel surya bisa disebut pemeran utama untuk memaksimalkan potensi sangat besar dari energi baru terbarukan berupa energi cahaya matahari yang sampai ke bumi. Sel Photovoltaic (PV) dari perangkat elektronik yang pada dasarnya mengubah energi matahari menjadi energi listrik akan menyimpan energi maksimum di dalam akumulator atau baterai. Energi matahari yang tertangkap oleh solar PV akan ditransfer menuju DC ke DC konverter yang merupakan rangkaian elektronika yang dapat menaikkan atau menurunkan nilai tegangan DC yang diberikan ke masukan. Jenis konverter yang dapat digunakan untuk menaikkan tegangan DC tanpa menggunakan amplifier dan transformator adalah charge pump (CP) atau pompa muatan. Tingkat tegangan yang meningkat diperoleh pada pompa muatan sebagai akibat dari proses transfer muatan ke beban kapasitif dan tidak melibatkan amplifier atau transformator  (Pramasetya et.al. 2022).
Singkatnya, prinsip kerja pembangkit hybrid photovoltaic adalah menyerap energi panas matahari dan turbin angin tipe savonius akan berputar dengan menggunakan belt dan pulley pada poros rotor turbin dan poros generator. Charge controller yang akan mensuplai tegangan DC ke baterai untuk disimpan dan nantinya dapat digunakan sebagai charging station. Charge controller tidak hanya digunakan untuk mengontrol tegangan tetapi juga membatasi arus agar baterai tidak overheat. Keunggulan dari sistem pembangkit hybrid photovoltaic yaitu kemampuan untuk menghasilkan daya listrik dengan reliabilitas lebih tinggi, harga keseluruhan lebih rendah dibandingkan instalasi secara masing masing.
Potensi Panel Surya Hybrid Turbin Angin untuk Pembangkit Listrik pada Charging Station
Adapun penelitian yang dilakukan oleh Fadiel Muhammad Akbar dan Chalilullah Rangkuti (2020) tentang daya yang dihasilkan oleh turbin angin model Darreius-Savonius. Penelitian dilakukan dengan mengikuti standard IEC 61400-2:2013 tentang standar pembuatan turbin angin kecil. Karena tidak ada wind tunnel, penelitian dilakukan di area terbuka yang terletak di antara 2 buah gedung agar mendapatkan pengaruh aliran venturi. Data yang diambil untuk pengujian ini adalah arus tegangan yang dihasilkan oleh permanent magnet generator yang disambung dengan baterai 12V. Berdasarkan hasil eksperimen yang telah dilakukan, didapatkan data sebagai berikut:
Tabel 2. Data hasil uji turbin Darrieus-Savonius
Pada uji kecepatan angin tertinggi yaitu 7 m/s, arus yang dihasilkan sebesar 3,1 A dengan tegangan tegangan pengaturan 12 volt, maka didapatkan daya sebesar 37,2 watt, sedangkan pada kecepatan angin terendah sebesar 2 m/s, turbin tetap dapat berputar dan menghasilkan arus sebesar 0,12 A, sehingga daya yang dihasilkan sebesar 1,44 watt. Maka dapat disimpulkan dari hasil uji yang telah dilakukan, didapatkan bahwa semakin besar kecepatan angin untuk memutar turbin, maka semakin besar daya yang dihasilkan.
 Berdasarkan data kecepatan angin rata-rata tahunan di Stasiun Tanjung Priok Jakarta Utara oleh Badan Pusat Statistik (2021) yaitu sekitar 4,54 m/s. Apabila disesuaikan dengan data percobaan yang telah dilakukan, maka didapatkan bahwa daya yang dihasilkan oleh turbin angin Darrieus-Savonius adalah sekitar 10,8 watt atau sebesar 259 watt hour per hari. Dari nilai dapat disimpulkan bahwa pembangkit listrik tenaga bayu menggunakan turbin Darrieus-Savonius sangat potensial untuk dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit energi pendamping untuk panel surya pada charging station.
Rangkaian hybrid antara turbin angin dan panel surya sudah pernah dilakukan eksperimen sebelumnya oleh Sukarni, dkk (2019). Alat yang digunakan berupa 2 panel surya yang disusun secara paralel masing masing berkapasitas 100 Watt Peak jenis polycrystalline dan sebuah turbin Darrieus-Savonius dengan kapasitas maksimum sebesar 300 watt dengan  4 bilah Savonius bertingkat dengan dimensi swept area 0,6 m x 0,6 dan 3 bilah Darrieus dengan dimensi swept area 1 m x 0,9 m. Berdasarkan penelitian oleh Sukarni, dkk (2019) dari pukul 07.00 hingga 17.00 panel surya dalam konfigurasi ini mampu menghasilkan daya sekitar 200 Watt hour dengan daya maksimum dicapai pada pukul 12.00 dan 13.00 yaitu sebesar 22 Watt.
Tabel 3. Specifications of the 100Wp polycrystalline solar panel used.
Spesification
Unit
Description
Brand
-
My Solar (MY 100M-12)
Maximum Power (Pmin)
Watt
100
Voltage at Pmax (Vmp)
Volt
17,6
Current at Pmax (Imp)
Ampere
5,69
Open Circuit Voltage
Volt
22
Short Circuit Voltage
Ampere
6,11
Heavy
Kg
7,7
Dimensions (L x W x D)
mm
1020 x 670 x 30
Experimental Standard Conditions
AM
-
1,5
E
w/m2
1000
TC
oC
25
DAFTAR PUSTAKA
Akbar, F.M., Rangkuti, C. (2018). PENGUJIAN KINERJA TURBIN ANGIN KOMBINASI DARRIEUS -- SAVONIUS. Seminar Nasional Pakar ke 1 tahun 2018, vol 1, 173-178.
Badan Pusat Statistik Kabupaten Malang. (n.d.). Diambil pada 20 Februari, 2023, Dari https://malangkab.bps.go.id/indicator/154/69/1/kecepatan-angin-dan-tekanan-udara-pos-karangkates.html
      Pallotta, A., Pietrogiacomi, D., & Romano, G. P. (2020). HYBRI -- A combined Savonius-Darrieus wind turbine: Performances and flow fields. Energy, 191, 116433. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116433
Pramasetya, N. W., & Dewantara, B. Y. (2022). Rancang Bangun Pembangkit Hybrid Pv Dan Turbin Angin Type Savonius Untuk Penerangan Pada Jalan Tol. Jurnal Teknik Elektro dan Komputer TRIAC, 9(2), 46-53.
Sukarni, Suryanto, H., Wonorahardjo, S., Kusumaningrum, I.K., Mufti, N., Prasetiyo. (2019). POTENSI ENERGI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MARAHARI DI SDIT INSANTAMA MALANG. Prosiding Seminar Nasional Hasil Pengabdian kepada Masyarakat, 41-49.
Suryadi, A., Solihin, A., & Munthe, B. (2020). Pemanfaatan Turbin Angin Savonius Hybrid Solar Cell Sebagai Pembangkit Listrik Daerah Terpencil. In Prosiding Seminar Nasional Teknik Elektro (Vol. 5).
