II-1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Angin Sebagai

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Angin Sebagai Sumber Energi
Energi angin telah dimanfaatkan oleh manusaia sejak dahulu, yaitu
untuk transportasi, misalnya perahu layar, untuk industri dan pertanian,
misalnya kincir angin untuk pompa air, penggilingan gandum, pengairan lahan
pertanian, dan kegiatan lainnya. Dewasa ini energi angin telah dikembangkan
untuk memenuhi kebutuhan listrik manusia yang kian hari semakin meningkat.
Rendahnya tingkat polusi yang dihasilkan menjadikan angin semakin populer
dimanfaatkan sebagai sumber energi yang paling banyak dikembangkan di
seluruh dunia.
Angin adalah udara yang bergerak. Udara tersebut berpindah dari daerah
yang bertekanan tinggi ke daerah yang tekanan udaranya rendah sebagaimana
diperlihatkan pada Gambar II.1. Tekanan udara yang berbeda diakibatkan oleh
adanya gaya gravitasi, perbedaan suhu, serta perputaran bumi pada porosnya.
Karena angin merupakan pergerakan udara yang memiliki massa dan bergerak
dengan kecepatan tertentu, sehingga angin akan memiliki potensi berupa energi
dan daya.
H>
L<
Daerah Tekanan Tinggi
Gambar II. 1
Daerah Tekanan Rendah
Arah pergerakan angin
2.1.1 Energi Kinetik Angin
Energi kinetik angin adalah besaran energi yang terkait dengan besaran
kecepatan dan massa. Energi tersebut dapat dinyatakan dalam besaran
matematis sebagaimana diperlihatkan pada pers. (2.1)
(2.1)
Ek
= energi kinetik angin (joule)
m
= massa udara (kg)
v
= kecepatan angin (m/s)
dimana persamaan untuk massa udara:
(2.2)
ρ
= massa jenis udara (kg/m3)
V
= volume udara (m3)
Besarnya volume udara yang melalui turbin angin dalam waktu tertentu
bergantung pada luas sudu permukaan turbin dan panjang lintasan yang
ditempuh angin, yaitu:
(2.3)
A
= luas sudu permukaan turbn angin (m2)
x
= panjang lintasan yang ditempuh angin (m)
II-1
Dengan mensubstitusi persamaan (2.2) dan (2.3) ke persamaan (2.1)
maka akan didapat persamaan energi kinetik:
(2.4)
2.1.2 Daya Angin
Potensi daya yang dimiliki oleh angin adalah:
(2.4)
2.2
Pw
= daya angin (watt/ m2)
ρ
= massa jenis udara (kg/m3)
v
= kecepatan angin (m/s)
Teknologi Pemanfaatan Sumber Daya Angin
Energi angin banyak dimanfaatkan dalam berbagai bentuk, yaitu dengan
cara mengkonversi energi angin tersebut, yang lebih dikenal dengan istilah
Sistem Konversi Energi Angin (SKEA). SKEA adalah sistem yang mengubah
energi angin menjadi bentuk energi lain yang lebih berguna, misalnya mekanik,
listrik, dan sebagainya. Ada dua jenis SKEA yang dikenal dan yang paling
banyak dimanfaatkan saat ini, yaitu SKEA yang menggunakan kincir angin dan
SKEA yang menggunakan turbin angin. Klasifikasi SKEA menurut jenisnya
ditunjukkan pada Gambar II.2.
Energi
Mekanik
Rotasi
Kincir
Angin
Sumber
Eergi
Angin
Energi
Mekanik
Rotasi
Turbin
Angin
Peralatan
Mekanis
Energi
Listrik
Generator
Peralatan
Listrik
Gambar II. 2 Diagram blok klasifikasi jenis SKEA
Kedua jenis SKEA, turbin angin dan kincir angin, mengubah energi
angin menjadi energi mekanik rotasi. Dengan memanfaatkan energi mekanik
ini, maka peralatan-peralatan yang terhubung dengan kincir maupun turbin
dapat digunakan sebagai pompa, peralatan penggilingan, juga sebagai
penggerak utama generator pada pembangkit listrik tenaga angin untuk
menghasilkan listrik.
2.3
Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Pembangkit listrik tenaga angin atau dikenal juga dengan sebutan
pembangkit listrik tenaga bayu adalah sistem yang mengubah energi kinetik
yang terdapat pada udara yang bergerak dengan kecepatan tertentu menjadi
energi listrik yang berguna dan dapat dimanfaatkan.
Energi angin yang ditangkap oleh sudu-sudu turbin angin diubah
menjadi energi mekanik rotasi oleh turbin. Rotor turbin yang terhubung dengan
generator berputar secara bersamaan dan menghasilkan listrik. Energi listrik
yang dihasilkan kemudian dikontrol untuk disimpan pada sistem penyimpanan
energi listrik dan kemudian dialirkan atau disuplai ke beban seperti yang
diperlihatkan pada Gambar II. 3.
II-2
Turbin & Generator
Energi
Angin
Beban
Sistem
Konversi
Sistem
Pengatur
Sistem
Penyimpan
Gambar II. 3 Skema pemanfaatan pembangkit listrik tenaga angin
Secara garis besar, pada pembangkit listrik dengan kecepatan angin
rendah dan berfluktuasi, cara kerjanya sama dengan pembangkit listrik tenaga
angin lainnya. Namun perbedaannya, turbin angin kecepatan rendah beroperasi
pada daerah yang mempunyai kecepatan angin rata-rata yang rendah. Oleh
karena itu, untuk mendapatkan keluaran energi listrik yang maksimal,
dilakukan modifikasi pada beberapa peralatan seperti pada sudu-sudu, sistem
transmisi, generator, dan peralatan pendukung lainnya.
2.3.1 Sistem Pengaturan
Bagian ini berfungsi untuk mengubah energi mekanik rotasi hingga
menjadi energi listrik. Komponennya terdiri dari sudu turbin, transmisi, dan
generator.
a. Sudu Turbin
Sudu turbin merupakan komponen dari turbin angin yang
berfungsi untuk menangkap energi angin yang kemudian digunakan
untuk menggerakkan turbin. Bentuk sudu itu sendiri sangat
berpengaruh terhadap daya mekanik yang akan dihasilkan. Terdapat
dua jenis turbin angin yang paling dikenal saat ini. Turbin angin
poros vertikal, seperti terlihat pada Gambar II. 4 (a), yang biasanya
digunakan pada daerah yang kecepatan anginnya rendah dan turbin
angin dengan poros horizontal, yang terlihat pada Gambar II. 4 (b),
yang digunakan pada daerah dengan kecepatan angin yang relatif
tinggi.
(a)
Gambar II. 4
(b)
(a) Turbin angin poros vertikal, (b) Turbin
angin poros horizontal
b. Transmisi
Transmisi
berfungsi
untuk
mempercepat
maupun
memperlambat putaran poros generator, tergantung keperluan. Tapi,
biasanya transmisi digunakan untuk meningkatkan kecepatan
putaran rotor generator saat kecepatan putaran turbin yang
dihasilkan dari energi angin belum mencukupi. Sistem transmisi
II-3
yang paling sering digunakan adalah system pulley dan v-belt seperti
diperlihatkan pada Gambar II.5 (a) dan sistem roda gigi seperti pada
gambar Gambar II.5 (b). Dengan menggunakan perbandingan roda
gigi (gear ratio) ataupun pulley pada turbin dan
rotor, maka
kecepatan putar yang dihasilkan turbin akan dapat dimaksimalkan
oleh rotor pada generator.
(a)
(b)
Gambar II.5 (a) Belt dan pulley, (b) Roda gigi
c. Generator
Generator merupakan bagian yang paling penting dalam
sebuah sistem turbin angin karena generator berfungsi untuk
mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Biasanya rotor
pada generator terhubung langsung dengan turbin, sehingga turbin
menjadi penggerak utamanya. Energi listrik yang dihasilkan
generator bisa berupa arus searah (DC) ataupun arus bolak-balik
(AC) tergantung jenis generator yang akan dipakai.
Ada dua cara yang dapat dilakukan dalam merancang
generator agar menghasilkan energi listrik yang sesuai dengan yang
diharapkan, yaitu:
1. Menambah jumlah kumparan medan atau menggunakan
magnet permanen yang kuat.
2. Meningkatkan putaran rotor sesuai dengan rating
generator.
Sebagian besar generator dibuat dengan memilih salah satu
atau menggabungkan kedua cara tersebut, namun untuk generator
yang digunakan pada turbin angin biasanya dipilih cara kedua, yaitu
dengan meningkatkan putarannya sehingga generator tidak terlalu
besar dan berat. Generator yang dipakai pada tugas akhir ini akan
dibahas lebih lebih lanjut pada subbab berikutnya.
2.3.2 Sistem Pengaturan
Sistem ini berfungsi untuk mengatur energi listrik yang dihasilkan
generator dan disimpan dalam baterai. Ada beberapa komponen yang terdapat
dalam sistem pengaturan ini, yaitu:
a. Rectifier
Alat ini berfungsi untuk menyearahkan arus, yaitu mengubah arus
bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Rectifier digunakan bila
generator menghasilkan arus bolak-balik (AC), sehingga sebelum
energi listrik yang dihasilkan disimpan ke dalam baterai, maka harus
diubah terlebih dahulu menjadi arus searah.
II-4
b. Inverter
Inverter adalah alat yang berfungsi untuk mengubah arus listrik
searah (DC) menjadi arus listrik bolak-balik (AC). Sedikit berbeda
dengan rectifier yang dipasang sebelum energi listrik disimpan
dalam baterai, inverter digunakan pada keluaran baterai. Alat ini
dibutuhkan saat beban yang disuplai merupakan beban AC.
c. Sensor
Sensor merupakan komponen tambahan pada sistem pengaturan.
Pemakaiannya disesuaikan dengan kebutuhan. Sensor yang sering
digunakan pada sistem turbin angin adalah sensor cahaya, yaitu
Light Dependent Resistor (LDR) seperti yang terlihat pada Gambar
II.6. Sensor ini berfungsi sebagai pemutus hubungan antara baterai
dengan beban.
Gambar II. 6 Sensor cahaya jenis Light Dependent Resistor (LDR)
Cara kerjanya sama seperti resistor pada umumnya, namun nilai
resistansinya berubah tergantung cahaya yang diterimanya. Contoh
penggunaannya yaitu pada lampu yang otomatis padam pada saat
hari terang dan akan menyala pada saat gelap.
2.3.3 Sistem Penyimpanan
Untuk mengantisipasi agar energi listrik tetap tersedia pada saat tidak
ada angin, maka diperlukan alat yang berfungsi untuk menyimpan energi listrik.
Alat yang digunakan pada sistem penyimpanan ini adalah baterai aki
(accumulator) sperti yang ditunjukkan pada Gambar II.7. Ada beberapa alasan
mengapa aki digunakan sebagai media penyimpanan energi listrik, yaitu:

Kapasitas bisa disesuaikan dengan kebutuhan

Tegangan yang dikeluarkan stabil

Mudah diperoleh

Perawatan mudah

Harga relatif terjangkau
Gambar II. 7 Baterai aki (accumulator)
2.4
Dinamo Sepeda
2.4.1
Pendahuluan
Dinamo sepeda tergolong ke dalam generator, yaitu alat yang mengubah
energi mekanik menjadi energi listrik dengan prinsip induksi elektromagnetik.
Dinamo sepeda merupakan generator sinkron dengan kapasitas yang kecil
tergantung spesifikasinya, misalnya 6V 6W, 12V 6W, 12V 12W, dan lain-lain.
Pada sepeda, alat ini memanfaatkan putaran roda speda untuk menghasilkan
II-5
listrik yang akan menyuplai beban berupa lampu seperti terdapat pada Gambar
II.8.
Gambar II. 8 Dinamo sepeda
Tegangan keluaran yang dihasilkan dinamo bergantung pada besarnya
putaran sepeda yang memutar rotor dinamo. Semakin cepat putaran, semakin
tinggi RPM rotor dinamo, maka semakin besar pula tegangan yang dihasilkan.
Pada saat berputar dengan kecepatan desainnya, tegangan yang dihasilkan
adalah 13-14 volt. Dengan nilai tegangan itu, maka beban berupa lampu 12 volt
dapat menyala. Bila putaran ban sepeda sangat kencang maka tegangan yang
dihasilkan juga sangat besar, sehingga beban berupa lampu tersebut dapat putus
atau rusak jika tidak ada tambahan jumlah beban lainnya. Oleh karena itu
dinamo sepeda biasanya dirancang berdasarkan kecepatan putar ban agar dapat
menghasilkan tegangan yang sesuai dengan bebannya.
2.4.2
Konstruksi Dinamo Sepeda
Konstruksi dinamo sepeda sama seperti konstruksi generator sinkron
pada umumnya. Namun, pada bagian rotornya menggunakan magnet permanen
sehingga tidak memerlukan lagi arus eksitasi dari luar.
1. Stator
Stator terdiri dari inti stator dan kumparan stator yang diletakkan
pada frame depan dan belakang. Inti stator dibuat dari beberapa lapis
plat besi tipis. Inti stator ini akan mengalirkan flux magnet yang
disuplai oleh inti rotor, sehingga flux magnet akan menghasilkan
efek yang maksimum pada saat melalui kumparan stator. Namun,
penggunaan inti besi ini akan membuat magnet pada rotor menjadi
tertarik menuju inti stator yang akan membuat rotor tidak berputar
bebas.
2. Rotor
Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet. Rotor
berputar bersama poros, karena gerakannya maka disebut dengan
medan magnet berputar. Medan magnet tersebut dihasilkan oleh
medan magnet permanen yang menempel pada rotor. Oleh karena
itu dinamo sepeda tidak lagi memerlukan arus dari luar.
3. Air Gap
Celah udara pada generator merupakan tempat berpindahnya fluks
magnet pada magnet permanen dan menginduksi ke kumparan
stator. Sehingga pada celah udara ini terjadi mekanisme perpindahan
atau konversi energi dari mekanik menjadi energi listrik. Tentunya
besar atau lebarnya celah udara ini mempengaruhi penginduksian
kekumparan stator.
Pada umumnya beban yang disuplai oleh dinamo merupakan beban
AC, oleh karena itu tegangan keluaran dari dinamo ini tidak perlu diubah
menjadi tegangan DC. Tetapi jika beban yang ingin disuplai merupakan beban
II-6
DC, maka diperlukan rangkaian penyearah untuk merubah tegangan AC
menjadi DC.
II-7