BAB II - digilib POLBAN

 Laporan Tugas Akhir
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Pengertian Angin
Angin yaitu udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga karena
adanya perbedaan tekanan udara (tekanan tinggi ke tekanan rendah) di sekitarnya. Angin
merupakan udara yang bergerak dari tekanan tinggi ke tekanan rendah atau dari suhu udara
yang rendah ke suhu udara yang tinggi.
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 disekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah tadi. Udara
menyusut menjadi lebih berat dan turun ke tanah. Diatas tanah udara menjadi panas lagi
dan naik kembali. Meningkatnya aliran udara panas dan turunnya udara dingin ini dinama
akan konveksi.
Angin terjadi karena adanya perbedaan tekanan udara atau perbedaan suhu udara pada
suatu daerah atau wilayah. Hal ini berkaitan dengan besarnya energi panas matahari yang
di terima oleh permukaan bumi. Pada suatu wilayah, daerah yang menerima energi panas
matahari lebih besar akan mempunyai suhu udara yang lebih panas dan tekanan udara yang
lebih rendah. Perbedaan suhu dan tekanan udara akan terjadi antara daerah yang menerima
energi panas lebih besar dengan daerah lain yang lebih sedikit menerima energi panas,
yang berakibat akan terjadi aliran udara pada wilayah tersebut.
Gambar 2.1 Fenomena Angin dan (A. Angin Laut dan B. Angin Darat)
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
5
Laporan Tugas Akhir
Alat-alat untuk mengukur angin antara lain:
1. Anemometer adalah alat yang mengukur kecepatan angin.
2. Wind vane adalah alat untuk mengetahui arah angin.
3. Windsock
adalah alat untuk mengetahui arah angin dan memperkirakan besar
kecepatan
angin. Yang biasanya banyak ditemukan di bandara – bandara.
2.2 Turbin Angin
2.2.1 Pengertian Turbin Angin
Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang mengonversikan energi
kinetik angin
menjadi energi mekanik. Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah
mengubah energi kinetik dari angin menjadi energi putar pada kincir, lalu putaran kincir
digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan menghasilkan listrik. Turbin
angin yang ideal adalah turbin angin yang dapat memanfaatkan kecepatan angin yang
berubah-ubah baik kecepatan angin tinggi maupun kecepatan angin rendah.
2.2.2 Jenis-Jenis Turbin Angin
Berdasarkan letak porosnya, turbin angin dibagi menjadi dua jenis yaitu turbin angin
poros horizontal dan poros vertical.
1) Turbin angin poros horizontal (horizontal axis wind)
Turbin angin sumbu horizontal (TASH) memiliki poros rotor utama dan generator
listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin
(baling-baling cuaca) yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya
menggunakan sebuah sensor angin yang digandengkan ke sebuah servo motor. Sebagian
besar memiliki sebuah gearbox yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih
cepat berputar.
Turbin biasanya diarahkan melawan arah anginnya. Bilah-bilah turbin dibuat kaku agar
mereka tidak terdorong menuju menara (tiang penyangga) oleh angin berkecepatan tinggi.
Sebagai tambahan, bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan
sedikit dimiringkan.
Sebagian besar TASH merupakan mesin upwind (melawan arah angin). Meski
memiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind (menurut jurusan angin) dibuat karena
tidak memerlukan mekanisme tambahan agar mereka tetap sejalan dengan angin, dan
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
6
Laporan Tugas Akhir
karena disaat angin berhembus sangat kencang, bilah-bilahnya bisa ditekuk sehingga
mengurangi wilayah tiupan mereka dan dengan demikian juga mengurangi resintensi angin
dari bilah-bilah itu.
Di bawah
ini merupakan jenis-jenis turbin angin horizontal yang ada dibeberapa
belahan dunia.
Gambar 2.2 Jenis-jenis turbin horizontal
2) Turbin angin poros vertikal
Turbin angin sumbu vertikal/tegak (atau TASV) memiliki poros/sumbu rotor utama
yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan
ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah
anginnya sangat bervariasi. VAWT mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah.
Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah,
jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan
perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
7
Laporan Tugas Akhir
berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat
cair atau gas) bisa saja tercipta saat kincir berputar.
Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu tegak sering dipasang lebih dekat
ke dasar tempat
ia diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah bangunan. Kecepatan
angin lebih
pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga yang tersedia adalah energi angin
yang sedikit. Aliran udara didekat tanah dan obyek yang lain mampu menciptakan aliran
yang bergolak, yang bisa menyebabkan berbagai permasalahan yang berkaitan dengan
getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya
pemeliharaan
atau mempersingkat umur turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang
dipasangi menara turbin kira-kira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik optimal
bagi energi angin yang maksimal dan turbulensi angin yang minimal.
Di bawah ini merupakan jenis-jenis dari turbin angin vertical yang pernah dibuat
sebelumnya dibeberapa belahan dunia.
Turbin Panemone
Turbin Savonius
Flipping Blade Machines
Turbin Lafond
Screened Machines
Turning Blade Machines
Gambar 2.3 Jenis-jenis turbin vertical
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
8
Laporan Tugas Akhir
2.3 Betz’
Hukum Betz
Pada tahun 1919 seorang fisikawan Jerman, Albert Betz, menyimpulkan bahwa tidak
akan pernah ada turbin angin yang dapat mengkonversi energi kinetik angin ke dalam
bentuk energi
yang menggerakkan rotor (kinetik) lebih dari16/27 (59,3%). Hingga hari ini
hal tersebut dikenal dengan Betz Limit atau Hukum Betz. Batasan ini tidak ada
hubungannya dengan ketidakefisienan pada generator, tapi lebih kepada bentuk turbin
angin itu sendiri.
Turbin angin mengubah energi dengan memperlambat angin. Sehingga turbin angin
yang 100% efektif itu akan menstop angin 100% pula. Namun kemudian baling-balin
haruslah berupa lingkaran penuh donk. Dan hal ini, akan mengakibatkan tidak adanya
energi kinetik yang bisa dirubah. Pada kasus yang lain, apabila turbin angin hanya
memiliki satu baling-baling, kebanyakan angin akan lewat aja sehingga akan semakin
mengurangi energi kinetis yang dihasilkan.
Gambar 2.3 angin yang dapat diekstrak oleh turbin angin
Efektifitas energi angin yang maksimum 0.59 tadi masih dipengaruhi oleh factor-faktor
lainnya. Misalnya Kekuatan, bentuk baling-baling, dan efisiensi di generator. Maka 1030% energi angin yang benar-benar dapat dirubah menjadi energi listrik yang berguna.
Teori Betz
Teori momentum elementer Betz sederhana berdasarkan pemodelan aliran dua dimensi
angin yang mengenai rotor menjelaskan prinsip konversi energi angin pada turbin angin.
Kecepatan aliran udara berkurang dan garis aliran membelok ketika melalui rotor
dipandang pada satu bidang. Berkurangnya kecepatan aliran udara disebabkan sebagian
energi kinetik angin diserap oleh rotor turbin angin. Pada kenyataannya, putaran rotor
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
9
Laporan Tugas Akhir
menghasilkan perubahan kecepatan angin pada arah tangensial yang akibatnya mengurangi
jumlah total energi yang dapat diambil dari angin.
Walaupun teori elementer Betz telah mengalami penyederhanaan, namun teori ini cukup
baik untuk menjelaskan bagaimana energi angin dapat dikonversikan menjadi bentuk
energi lainnya.
Dengan menganggap bahwa kecepatan udara yang melalui penampang A adalah
sebesar Vo, maka aliran volume udara yang melalui penampang rotor pada setiap satuan
waktu adalah :
(kg/s) ........................................................................................................... .(2.1)
Dimana,
= laju volume udara (m3/s)
Vo = kecepatan angin (m/s)
A
= luas sapuan
Dengan demikian laju aliran massa:
(kg/s) ............................................................................................................. .(2.2)
Dimana,
= massa jenis udara (kg/m3)
A
= sapuan rotor (m2)
Persamaan yang menyatakan energi kinetik melalui penampang A pada setiap satuan
waktu dapat dinyatakan sebagai daya yang melalui penampang A adalah:
(W) ......................................................................................... ..(2.3)
Dimana,
P = daya mekanik (W)
Energi dapat diambil dari angin dengan mengurangi kecepatannya. Artinya kecepatan
udara dibelakang rotor akan lebih rendah daripada kecepatannya. Berarti kecepatan udara
di belakang rotor akan lebih rendah daripada kecepatan udara di depan rotor. Energi
mekanik yang diambil dari angin satuan waktu didasarkan pada perubahan kecepatannya
dapat dinyatakan dengan persamaan :
(W) ..................................... ..(2.4)
Dimana,
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
10
Laporan Tugas Akhir
P = daya yang diekstraksi (Watt)
Ρ = massa jenis udara (kg/m3)
A1 = luas penampang aliran udara sebelum melalui rotor (m2)
A2 = luas penampang aliran udara setelah melalui rotor (m2)
V1 = kecepatan aliran udara sebelum melewati rotor (m/s)
V2 = kecepatan aliran udara setelah melewati rotor (m/s)
dengan asumsi massa jenis tidak mengalami perubahan maka sesuai hukum kontinuitas
sebagai berikut :
(kg/s) .................................................................................... ..(2.5)
Gambar 2.4 Model Aliran dari Teori Momentum Beltz. (Sumber : Hau, 2006)
Maka,
(W) .................................................................................... ..(2.6)
dari persamaan 2.11 dapat disimpulkan bahwa daya terbesar yang diambil dari angin
adalah jika bernilai nol, yaitu angin berhenti setelah melalui rotor, namun hal ini tidak
dapat terjadi karena tidak memenuhi hukum kontinuitas. Energi angin yang diubah akan
semakin besar jika semakin kecil, atau dengan kata lain rasio harus semakin besar.
Persamaan lainnya yang diperlukan untuk mencari besarnya daya yang dapat diambil
adalah persamaan momentum :
(N) ........................................................................................ ..(2.7)
Dimana,
F = gaya (N)
= laju aliran massa udara (kg/s)
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
11
Laporan Tugas Akhir
sesuai dengan hukum kedua Newton bahwa gaya aksi akan sama dengan gaya reaksi,
gaya yang diberikan udara kepada rotor akan sama dengan gaya hambat oleh rotor yang
menekan udara kearah yang berlawanan dengan arah gerak udara. Daya yang diperlukan
untuk menghambat
aliran udara adalah :
(W) ....................................................................... ..(2.8)
Dimana,
V’ = kecepatan aliran udara pada rotor (m/s)
kedua persamaan diatas digabungkan menunjukkan hubungan :
(W) ....................................................... ..(2.9)
Sehingga,
(m/s) ...................................................................................... (2.10)
maka kecepatan aliran udara ketika melalui rotor adalah :
(m/s) ............................................................................................ (2.11)
Laju aliran amssa menjadi,
(kg/s).................................................................... (2.12)
maka besarnya keluaran daya mekanik yang telah diubah adalah,
(W) ................................................................. (2.13)
Untuk melengkapi uraian dari besarnya keluaran daya mekanik ini, harus dibandingkan
dengan daya yang terkandung pada aliran angin yang melewati luasan area A yang sama,
yaitu persamaan 2.8, besarnya rasio perbandingan antara keluaran daya mekanik yang telah
diubah dari energi angin dengan daya yang terkandung pada angin Po disebut dengan
“power coefficient” Cp dengan persamaan :
(
)
............................................................................... (2.14)
Koefisien daya tersebut dapat diubah menjadi fungsi dari perbandingan kecepatan
V2/V1, yaitu :
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
12
Laporan Tugas Akhir
|
( ) |
.......................................................................... (2.15)
Koefisien daya hasil dari konversi daya angin ke daya mekanis turbin tergantung pada
perbandingan
dari kecepatan angin sebelum dan sesudah dikonversikan. Jika keterkaitan
ini di plot ke dalam grafik, secara langsung solusi analitis juga dapat ditemukan dengan
mudah. Dapat dilihat bahwa koefisien daya mencapai maksimum pada rasio kecepatan
angin tertentu seperti pada terlihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Koefisien Daya Sebagai Fungsi Rasio Kecepatan Aliran Sebelum dan Setelah Konversi Energi.
(Sumber : Hau, 2006)
Dengan V2/V1 = 1/3, besarnya effisiensi teoritis atau ideal atau maksimum dari turbin
angin Cp adalah :
.................................................................................................. (2.16)
Denga kata lain, turbin angin dapat mengkonversikan tidak lebih dari 60% tenaga total
angin menjadi tenaga berguna. Betz adalah orang pertama yang menemukan nilai ini, untuk
itu nilai ini disebut juga dengan Betz factor.
Mengetahui bahwa koefisien daya maksimum yang ideal dicapai pada V2/V1=1/3,
kecepatan angin yang telah melalui rotor menjadi :
.............................................................................................................. (2.17)
dan kecepatan setelah melewati turbin V2 menjadi :
.............................................................................................................. (2.18)
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
13
Laporan Tugas Akhir
Gambar berikut menunjukkan asumsi bahwa roda turbin mempunyai ketebalan a-b ,
tekanan masuk Po dan V1 dan pada bagian keluar P2 dan V2. V2 lebih kecil dari pada V1
karena energi kinetiknya telah diambil oleh sudu turbin.
Gambar 2.6 Profil Tekanan dan Kecepatan Angin yang Melalui Turbin Angin Jenis Propeller Sumbu
Horisontal. (Sumber : Hau, 2006)
Seandainya seluruh energi dari angin tersebut diambil dari udara, maka setelah kincir
angin tidak lagi mengandung energi, maka kecepatan udara adalah 0 (nol). Oleh karena itu
ada perbandingan yang membandingkan antara daya yang dapat dikonversikan dengan
daya total dari angin, perbandingan tersebut disebut dengan koefisien daya (Cp)[1].
......................................................................................................... (2.19)
Turbin angin Darrieus dibuat dengan 3 blade yang besar luas sapuan rotornya dapat
diketahui melalui persamaan[2]:
................................................................................................................ (2.20)
Dimana:
S = Luas sapuan atau sweapt area (m2)
R = Jari-jari turbin angin (m)
H = Tinggi turbin angin (m)
Untuk menentukan panjang chord aerofoil digunakan persamaan[2]:
..................................................................................................................... (2.21)
Dimana:
I
= Chord atau panjang penampang lintang airfoil (m)
R = Jari-jari rotor turbin (m)
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
14
Laporan Tugas Akhir
B = Jumlah sudu
λo = Tip Speed Ratio
untuk menentukan TSR dapat dihitung dengan persamaan[2]:
............................................................................................................ (2.22)
Dimana:
N = Putaran poros (rpm)
R = jari-jari diameter (m)
V = kecepatan angin (m/s)
2.4 Perhitungan
Daya
Energi kinetik dari suatu m udara yang bergerak, dapat ditentukan dengan rumus [1]:
............................................................................................................. (2.23)
Dimana,
E = Energi kinetik (J)
m = Massa udara (kg)
V1 = Kecepatan udara (m/s)
Bila sejumlah udara dengan kecepatan v dan melalui bidang seluas A (luas sayap atau
sudu) maka dapat ditentukan daya yang terdapat pada angin sebesar:
................................................................................................... (2.24)
Dimana,
P = daya angin spesifik (W)
ρ
= kerapatan massa udara (kg/m3)
A = luas penampang blade (m2)
Selanjutnya, persamaan-persamaan yang akan dpergunakan pada perhitungan daya
mekanik rotor dipengaruhi oleh koefisien daya (Cp) dan massa jenis udara ( ), yaitu[1]:
............................................................................................... (2.25)
Dimana,
P = daya yang dihasilkan rotor turbin angin (watt)
= massa jenis udara (kg/m3) dari tabel lampiran B
Cp = koefisien daya
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
15
Laporan Tugas Akhir
A = luas sapuan atau sweapt area (m2)
V = kecepatan angin (m/s)
Daya mekanik rotor juga dapat dihitung dengan persamaan1].
.............................................................................................. (2.26)
Dimana,
P = daya yang dihasilkan rotor turbin angin (watt)
0.35 = efisiensi turbin angin darrieus
A = luas sapuan atau sweapt area (m2)
V = kecepatan angin (m/s)
Hasil kali gaya dan jaraknya ke pusat rotor merupakan kontribusi elemen sudu yang
menyebabkan adanya torsi T rotor. Daya yang dihasilkan rotor diubah kedalam daya
mekanik sama dengan[1].
..................................................................................................................... (2.27)
Dimana:
r
= jarak spring dari pusat rotor (m)
T = torsi (Nm)
F = gaya (N)
Untuk mencari kecepatan sudut dapat menggunakan persamaan[1]:
..................................................................................................................... (2.28)
Dimana,
= kecepatan sudut (rad/s)
N = putaran rotor (rpm)
Sedangkan untuk mencari putaran rotor dapat dihitung dengan persamaan[1]:
................................................................................................................... (2.29)
Dimana,
N = putaran rotor (rpm)
= tip speed ratio
R = jari-jari turbin (m)
Untuk mendapatkan nilai efisiensinya turbin angin mengekstrak energi kinetik angin
yang menuju rotor dan merubahnya menjadi daya mekanik poros. Dibawah ini merupakan
persamaannya[1]:
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
16
Laporan Tugas Akhir
................................................................................................ (2.30)
2.4 Turbin Darrieus
Design turbin angin yang akan digunakan adalah turbin angin vertikal berjenis
Darrieus, untuk H-Darrieus dapat dilihat gambar 2.7 Turbin angin vertikal merupakan
turbin angin dengan poros tegak lurus terhadap arah aliran angin. Umumnya, perputaran
rotor disebabkan oleh adanya gaya angkat yang lebih dominan dari gaya hambat pada sudu
rotor, kecuali turbin angin tipe Darrieus yang menggunakan sudu berpenampang airfoil
sehingga perputaran rotornya disebabkan oleh gaya hambat yang lebih dominan dari gaya
angkat. Pemilihan turbin H-Darrieus ini karena turbin H-Darrieus dapat digunakan pada daerah
dengan kecepatan angin yang kecil. Selain itu turbin jenis vertikal yakni savonius dan
Darrieus tudak perlu mengatur arah hanya karena perubahan arah angin.
Prinsip kerja dari rotor Darrieus dapat disederhanakan. Pertama, asumsikan arah angin
datang dari depan rotor baling-baling. Ketika pergerakan rotor lebih cepat menyamai
dengan kecepatan angin yang tak terganggu yaitu ratio kecepatan blade dengan kecepatan
angin bebas, tsr > 3. Gambar 2.7 menunjukan garis vektor percepatan dari bentuk airfoil
baling-baling pada posisi angular yang berbeda-beda (Arsad et al, 2009).
Gambar 2.7 Turbin H-Darrieus
Dengan nilai tsr yang tinggi, baling-baling akan ”memotong” melalui angin dengan
sudut serang (angle of attack) yang kecil. Resultan gaya angkat (lift) akan membantu
perputaran baling-baling, sedangkan gaya seret (drag) akan melawan perputaran dari
baling-baling itu. Ketika gaya angkat nol pada sisi kiri (0˚) dan sisi kanan (180˚) dengan
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
17
Laporan Tugas Akhir
baling-baling simetris bergerak pararel menuju arah angin, torsi berubah menjadi negatif
disekitar posisi ini. Mendekati posisi depan (90˚) dan posisi dibelakang (270˚), komponen
dari gaya 15 angkat (lift) lebih besar dibandingkan gaya seret (drag) sehingga
menghasilkan
torsi. Torsi total per satu putaran akan bernilai positif jika baling-baling
diposisikan
pada tempat yang tepat sehingga rotor akan berputar pada arah yang benar
(Arsad et al, 2009).
2.5 Bahan yang Digunakan
blade yang dipilih harus memenuhi aspek fisis yang meliputi kekuatan,
Bahan
elastisitas, dan ketahanan. Disain blade harus memperhatikan pula kejadian mendadak
seperti kemungkinan adanya angin taufan. Bahan blade yang biasa dipilih umumnya relatif
ringan seperti kayu (murah, tapi tidak tahan lama), tetapi lebih diutamakan yang terbuat
dari bahan komposit, bahan yang digunakna untuk turbin angin ini adalah glassfiberreinforced epoxy (GRE) atau yang biasa dikenal dengan fiberglass. Pemilihan bahan GRE
ini berdasarkan pada harga bahan yang tidak terlalu mahal. Selain itu bahan jenis ini kuat
dan ringan, selain itu sudah teruji ketahanannya dengan penggunaan pada kapal – kapal
cepat seperti kapal patroli atau kapal transportasi sungai atau laut. Selain bahan GRE ini,
ada bahan lain yang dapat digunakan sebagai bahan untuk pembuatan turbin Darrieus ini,
antara lain GRP (glass-reinforced plastics) seperti vinilester dan epoksi, karena memiliki
aspek fisis yang handal walaupun lebih mahal. Blade yang sangat berat akan menjadi
kendala yang besar pada disain turbin, sehingga perlu dicari alternatif lain misalnya fiber
karbon.
Bahan yang digunakan untuk pembuatan turbin angin pada tugas akhir ini
menggunakan bahan-bahan yang ringan seperti, kayu alba, alumunium dengan tebal
0,3mm, alumunium kubus kosong dengan tebal 1mm dengan 3 batang pada setiap sudusudunya.
TEKNIK KONVERSI ENERGI
2012 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
18