Pemanfaatan Turbin Ventilator yang Terpasang pada Atap Rumah

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1.
Angin
Angin adalah aliran udara dalam jumlah yang besar diakibatkan oleh rotasi bumi
dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Angin bergerak dari
tempat bertekanan udara tinggi ke bertekanan udara rendah. Apabila dipanaskan, udara
memuai. Udara yang telah memuai menjadi lebih ringan sehingga naik. Apabila hal ini
terjadi, tekanan udara turun kerena udaranya berkurang. Udara dingin di sekitarnya
mengalir ke tempat yang bertekanan rendah tadi. Udara menyusut menjadi lebih berat
dan turun ke tanah. Di atas tanah udara menjadi panas lagi dan naik kembali. Aliran
naiknya udara panas dan turunnya udara dingin ini dinamakan konveksi.
Menurut ilmu fisika Angin merupakan energi kinetik dari sebuah benda dengan
massa m dan kecepatan v dirumuskan sesuai dengan rumus berikut, dengan ketentuan
kecepatan v tidak mendekati kecepatan cahaya.
(2.1)
Dimana :
E
= energi dari udara
(Joule)
m
= massa udara
(kg)
v
= kecepatan angin
(m/s)
rumus di atas juga berlaku untuk angin yang merupakan udara yang bergerak. Jika suatu
“blok” udara memiliki penampung A dan bergerak dengan kecepatan v, maka jumlah
massa yang melewati suatu tempat dapat dilihat pada rumus berikut:
(2.2)
m
= kelajuan aliran massa udara
(kg/s)
ρ
= kerapatan udara
(kg/m3)
A
= luas penampang
(m2)
4
(2.3)
d
= diameter sudu
(m)
h
= tinggi sudu
(m)
v
= kecepatan angin
(m/s)
Dengan demikian maka energi yang dapat dihasilkan per-satuan waktu adalah sesuai
dengan rumus berikut:
(2.4)
2.2.
Daya yang diekstrak oleh angin
Daya angin yang diekstrak adalah beda antara kekuatan angin pada hulu dan
hilir kekuatan angin. Dirumuskan sebagai berikut:
+*
*
+
(2.5)
Dimana:
Po = daya mekanis yang diekstrak
(Watt)
V
= kecepatan angin pada hulu
(m/s)
Vo = kecepatan angin pada hilir
(m/s)
Aliran massa per-detik merupakan perkalian antara massa jenis udara dan kecepatan
rata-rata, yang dirumuskan sebagai berikut:
*
+
(2.6)
Sehingga didapat daya yang diekstrak oleh mekanik dari rotor, yang dimana untuk
meng-drive generator dan dirumuskan sebagai berikut:
,
(
)
-(
)
(2.7)
Jika dihubungkan dengan ekspresi aljabar sebelumnya maka akan di dapat rumusan
sebagai berikut:
5
,
/(
.
.
/ )
-
(2.8)
Jadi daya yang telah terekstrak oleh bilah dirumuskan sebagai berikut:
(2.9)
Dimana :
(
2.3.
)(
(
) )
(2.10)
Area Sapuan Rotor
Dilihat kembali dari rumus daya, bahwa daya keluaran dari turbin angin
berbanding lurus dengan luas area sapuan rotor. Untuk turbin horisontal, luas sapuan
areanya dirumuskan sebagai berikut:
(2.11)
Dimana :
D
= rotor diameter
(m)
Sedangkan untuk turbin vertikal mengacu pada turbin Darrieus sumbu vertikal,
penentuan area sapuan sangat komplek dan melibatkan integral elips. Dengan demikian,
mengacu dari bentuk bilah berbentuk parabola digambarkan dengan rumusan simpelnya
adalah sebagai berikut:
(
2.4.
)(
)
(2.12)
Turbin Angin
Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida.
Turbin Angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik.
Turbin angin dibagi menjadi 2 jenis yaitu turbin angin sumbu horisontal (TASH) dan
turbin angin sumbu vertikal (TASV).
6
Gambar 2.1 turbin angin sumbu horisontal
Gambar 2.2 turbin angin sumbu vertikal
Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) merupakan turbin angin sumbu tegak yang
gerakan poros dan rotor sejajar dengan arah angin, sehingga rotor dapat berputar pada
semua arah angin. Ada tiga tipe rotor pada turbin angin jenis ini, yaitu: Savonius,
7
Darrieus, dan H rotor. Turbin Savonius memanfaatkan gaya drag sedangkan Darrieus
dan H rotor memanfaatkan gaya lift.
Sama halnya seperti HAWT, VAWT juga mempunyai beberapa kelebihan dan
kekurangan. Kelebihannya, yaitu memiliki torsi tinggi sehingga dapat berputar pada
kecepatan angin rendah, dinamo atau generator dapat ditempatkan di bagian bawah
turbin sehingga mempermudah perawatan, tidak bising, dan kerja turbin tidak
dipengaruhi arah angin. Kekurangannya yaitu kecepatan angin di bagian bawah sangat
rendah sehingga apabila tidak memakai tower akan menghasilkan putaran yang rendah,
dan efisiensi lebih rendah dibandingkan HAWT. VAWT awalnya lebih berkembang
untuk konversi energi mekanik, tetapi seiring dengan perkembangan desain, turbin tipe
ini banyak digunakan untuk konversi energi listrik skala kecil.
2.5.
Turbin Ventilator
Turbin Ventilator adalah alat sejenis exhaust fan atau roof fan, dimana fungsi
alat tersebut adalah menghisap udara panas, debu, dan juga berfungsi sebagai alat
ventilasi atau sirkulasi udara. Turbin Ventilator Otomatis tidak memakai tenaga listrik,
bebas perawatan, dan dapat bekerja selama 24 jam.
Gambar 2.3 Turbin ventilator
2.6.
Generator
Generator listrik adalah mesin yang mengubah energi mekanik menjadi energi
listrik. Ditemukan pertama kali oleh Faraday pada tahun 1831. Cara kerja generator
8
listrik menggunakan induksi elektromagnet, yaitu dengan memutar kumparan dalam
medan magnet sehingga menimbulkan induksi. Besarnya GGL induksi tergantung pada
kecepatan putarnya.
(2.13)
Ɛ
= Gaya gerak listrik
N
= jumlah lilitan
B
= kuat medan magnet
A
= luas penampang kumparan
ɷ
= kecepatan putaran
Gambar 2.4 Generator AC
2.7.
Regulator
Pengatur tegangan (Regulator Voltage) berfungsi menyediakan suatu tegangan
keluaran dc tetap yang tidak dipengaruhi oleh perubahan tegangan masukan, arus beban
keluaran, dan suhu. Pengatur tegangan adalah salah satu bagian dari rangkaian catu daya
DC. Pengatur tegangan dikelompokkan dalam dua kategori, pengatur linier dan
switching regulator. yang termasuk dalam kategori pengatur linier, dua jenis yang
umum adalah pengatur tegangan seri (Series Regulator) dan pengatur tegangan parallel
(Shunt Regulators). Dua jenis pengatur diatas dapat diperoleh untuk keluaran tegangan
positif maupun negatif. Sedangkan untuk switching regulator terdapat tiga jenis
konfiguarsi yaitu, step-up, step-down dan inverting.
9
Gambar 2.5 Regulator DC to DC
2.7.1. Step Down Regulator
Step-down regulator atau dikenal juga dengan Buck regulator memiliki
cara kerja yaitu dengan mengubah nilai tegangan masukan ke nilai tegangan
keluaran yang lebih rendah. Nilai masukan yang dihasilkan dapat di hitung
dengan persamaan berikut :
(2.14)
Dimana :
D
= Duty cycle
(%)
Vo = Tegangan keluaran volt)
Vin = tegangan masukan (volt)
Keuntungan pada konvigurasi buck antara lain adalah efisiensi yang tinggi,
rangkaiannya sederhana, tidak memerlukan transformer,riak ripple pada
tegangan keluaran yang rendah sehingga penyaring atau filter yang di butuhkan
pun relatif kecil.
Kekurangan yang ditemukan misalnya adalah tidak adanya isolasi antara
masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkat ripple
yang tinggi pada arus masukan.
2.7.2. Step Up Regulator
Step-up regulator atau dikenal juga dengan Boost regulator memiliki cara
kerja yaitu dengan menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi dari
10
tegangan masukannya. Besarnya tegangan keluaran yang dihasilkan dapat
dihitung menggunakan persamaan.
(
)
(2.15)
Dimana :
D
= Duty cycle
(%)
Boost juga memiliki rangkaian yang sederhana, tanpa transformer dan tingkat
ripple yang rendah pada arus masukan. Tetapi boost tidak memiliki isolasi
antara masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkat
ripple yang tinggi pada tegangan keluaran.
2.8.
Arduino
Arduino adalah pengendali mikro single-board yang bersifat open-source, yang
diturunkan dari wiring platform, yang dirancang untuk memudahkan penggunaan
elektronik dalam berbagai bidang. Pada Perangkat keras memiliki prosesor atmel AVR
dan pada perangkat lunak memiliki bahasa pemrograman sendiri.
Arduino memiliki kelebihan tidak perlu perangkat chip programmer karena
didalamnya sudah ada bootloadder yang akan menangani upload program dari
computer, sudah memiliki sarana komunikasi USB, Sehingga pengguna laptop yang
tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya dan memiliki modul siap pakai
(Shield) yang bisa ditancapkan pada board arduino. Contohnya shield GPS, Ethernet,dll.
Arduino yang digunakan adalah Arduino nano 3x yang menggunakan IC
mikrokontroler ATmega 328, berikut spesifikasi dari Arduinonano 3x.
Mikrokontroler
Atmel ATmega168 or ATmega328
Tegangan operasi (logic level)
5V
Input Tegangan (recommended)
7-12 V
Input Tegangan (limits)
6-20 V
Digital I/O Pins
14 (of which 6 provide PWM output)
Analog Input Pins
8
Arus DC tiap pin I/O
40 mA
11
Flash Memory
16 KB (ATmega168) or 32 KB (ATmega328) of
which 2 KB used by bootloader
SRAM
1 KB (ATmega168) or 2 KB (ATmega328)
EEPROM
512 bytes (ATmega168) or 1 KB (ATmega328)
Clock Speed
16 MHz
Dimensi
0.73" x 1.70"
Panjang
45 mm
Lebar
18 mm
Berat
5g
Gambar 2.6 Arduino nano
2.9.
Akumulator
Akumulator merupakan sebuah media penyimpanan energy listrik dalam bentuk
energi kimia. Contoh-contoh akumulator adalah baterai dan kapasitor. Akumulator yang
banyak dipakai termasuk ke dalam jenis sel sekunder, artinya sel ini dapat dimuati ulang
ketika muatannya habis. Ini karena reaksi kimia dalam sel dapat dibalikkan arahnya.
Jadi sewaktu sel dimuati, energi listrik diubah menjadi energi kimia, dan sewaktu sel
bekerja, energi kimia diubah menjadi energi listrik. Sebagai standart pembuatan
Akumulator, ditetapkan
standar internasional setiap satu cell akumulator memiliki
tegangan sebesar 2 volt. sehingga baterai 12 volt, memiliki 6 cell sedangkan baterai 24
volt memiliki 12 cell.
12
Gambar 2.7 Baterai Li-ion pada ponsel
Dalam perancangan ini menggunakan baterai Lithium-Ion (Li-Ion) sebagai
penyimpan tegangan. Dengan spesifikasi 3,7V 1200 mAH. Baterai Li-Ion adalah salah
satu baterai yang dapat diisi ulang (rechargeable). Di dalam baterai ini, ion lithium
bergerak dari elektroda negatif ke elektroda positif saat dilepaskan, dan kembali saat
diisi ulang. Baterai Li-Ion memakai senyawa lithium sebagai bahan elektrodanya,
berbeda dengan lithium metalik yang dipakai di baterai lithium non-isi ulang. Kelebihan
dari baterai Li-Ion adalah :
1.
Li-Ion tidak memiliki memory effect
Maksudnya adalah saat proses charging hanya menambah penyimpanan energi.
Pada baterai jenis sebelumnya, proses charging sebenarnya melakukan dua tahap,
discharge completely, mengosongkan semua isi dari baterai terlebih dahulu, lalu recharging. Hal ini berarti proses charging Li-Ion membutuhkan waktu yang lebih
sedikit daripada nickel-metal hydride ( NiMH ) atau jenis baterai sebelumnya.
2.
Memiliki densitas energi yang baik.
Maksudnya adalah baterai jenis Li-Ion memiliki kepadatan energi yang baik
sehingga mampu menyimpan daya lebih besar.
3.
Memiliki tingkat kehilangan daya yang kecil jika disimpan untuk jangka waktu
yang lama yaitu 5% per bulan dibandingkan dengan NiMH yang 20% per bulan.
4.
Memiliki siklus charge yang banyak.
Maksudnya adalah dapat digunakan berulang-ulang kali dan diisi berulang-ulang
kali, umumnya sampai 1000 siklus.
13
Kekurangan dari baterai Li-Ion adalah :
1.
Li-Ion sangan sensitif terhadap temperatur tinggi.
Panas akan membuat masa pemakaian Li-Ion lebih cepat habis, kurang dari masa
pemakaian normal 3 tahun.
2.
Kemampuan dari baterai akan mulai menurun segera setelah baterai meninggalkan
pabrik.
2.10. Anemometer
Anemometer adalah alat untuk mengukur kecepatan udara atau kecepatan gas
dalam fenomena terjadinya hembusan angin, contohnya untuk mengukur aliran udara di
dalam saluran, atau juga pengukuran arus terbatasi, seperti angin atmosfer. Untuk
menentukan kecepatan, anemometer mendeteksi perubahan di beberapa sifat fisik dari
fluida atau efek fluida pada alat mekanis dimasukkan ke dalam aliran.
Gambar 2.8 Anemometer
Pada perancangan ini menggunakan anemometer edisi saku dari bentech dengan
seri Bentech GM816. Anemometer ini memiliki spesifikasi dapat mengukur kecepatan
angin Range : 0 - 30 m/s, 0 - 90 km/h, 0 - 5860 ft/min, 0 - 65 mph, 0 - 55 Knots.
Resolusi
: 0.1 m/s, 0.3 km/h, 19 ft/min, 0.2 mph, 0.2 Knots.
Threshold : 0.1m/s, 0.3 km/h, 39 ft/min, 0.2 mph, 0.1 Knots.
Accuracy : +/- 5%.
14
Spesifikasi pengukuran temperatur udara:
Range :-10oC - 45oC(14oF-113oF). Resolusi: 0.2oC, 0.36oF. Accuracy : 2oC, 3.6oF.
operating humidity : kurang dari atau sama dengan 90% RH.
2.11. Display
Display disini berfungsi untuk menampilkan nilai dari suatu alat dengan nomor
desimal. Biasanya sebagai voltmeter, ampere meter dan lain lain yang membutuhkan
tampilan nomor digital.
15