II-1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Turbin Angin

 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Turbin Angin
Bila terdapat suatu mesin dengan sudu berputar yang dapat mengonversikan
energi
kinetik angin menjadi energi mekanik maka disebut juga turbin angin. Jika
energi mekanik digunakan langsung secara permesinan seperti pompa, maka mesin
(turbin) disebut windmill seperti tampak pada Gambar II.1 . Jika energi mekanik
dikonversikan menjadi energi listrik, maka mesin disebut turbin angin atau wind
energy converter.
Gambar II. 1
Windmill
(Sumber
energyboomer.typepad.com)
:
Pemanfaatan potensi angin dimulai dengan kapal-tenaga angin, pabrik
gandum dan grinding stone. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk
menyuplai kebutuhan listrik dengan menggunakan prinsip konversi energi dan
memanfaatkan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun
sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi
II-1
II-2
pembangkit listrik konvensional, contohnya pembangkit listrik tenaga air (PLTA),
pembangkit listrik tenaga diesel (PLTD), pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dan
sebagainya. Turbin angin masih terus dikembangkan oleh para ilmuwan karena
waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber
dalam
daya alam tak terbaharui, contohnya minyak bumi, batubara dan sebagainya sebagai
bahan dasar untuk membangkitkan energi listrik.
2.2 Jenis Turbin angin
Turbin angin dapat digolongkan berdasarkan :
1. Prinsip aerodinamik
2. Arah sumbu rotasi sudu
2.2.1 Prinsip Aerodinamik
Jika diamati dari prinsip aerodinamik, turbin angin sebagai mesin konversi
energi dapat digolongkan menjadi dua bagian yaitu:
1. Jenis drag yaitu prinsip konversi energi yang memanfaatkan selisih
koefisien drag.
2. Jenis lift yaitu prinsip konversi energi yang memanfaatkan gaya lift.
Pada pengelompokan turbin angin berdasarkan prinsip aerodinamik pada
sudu yang dimaksud yaitu apakah sudu turbin angin mengubah energi angin
memanfaatkan gaya drag dari aliran udara yang melalui sudu sudu atau sudu angin
mengekstrak energi angin dengan memanfaatkan gaya lift yang dihasilkan aliran
udara yang melalui profil aerodinamis sudu. Prinsip gaya drag memiliki putaran
sudu relatif rendah dibandingkan turbin angin yang sudunya menggunakan prinsip
gaya lift.
II-3
2.2.2 Arah Sumbu Rotasi Sudu
Turbin angin dapat digolongkan menjadi dua bagian bila dilihat dari arah
sumbu rotasi sudu :
1. Turbin angin sumbu horizontal (TASH)
2. Turbin angin sumbu vertikal (TASV)
2.2.2.1
Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)
Turbin angin sumbu horizontal merupakan turbin angin yang sumbu rotasi
sudunya paralel dengan permukaan tanah. Turbin angin sumbu horizontal memiliki
poros sudu utama dan generator listrik di puncak menara dan diarahkan menuju dari
arah datangnya angin. Sudu turbin angin yang kecil diarahkan menuju dari arah
datangnya angin dengan pengaturan baling–baling angin sederhana sedangkan
turbin angin besar umumnya menggunakan sensor angin dan motor yang mengubah
sudu turbin mengarah pada angin. Komponen dari TASH umumnya seperti Gambar
II.2.
Gambar II. 2
Komponen Turbin Angin
Horizontal
(Sumber
science.howstuffworks.com)
Sumbu
:
II-4
Berdasarkan prinsip aerodinamis, sudu pada turbin angin sumbu horizontal
mengalami gaya lift dan gaya drag, namun gaya lift jauh lebih besar dari gaya drag
sehingga sudu turbin ini lebih dikenal dengan jenis sudu turbin tipe lift.
Jika dilihat dari letak sudu terhadap arah angin, turbin angin dibagi menjadi
dua macam upwind dan downwind. Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang
menghadap arah datangnya angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki
rotor yang membelakangi arah angin, seperti tampak pada Gambar II.3.
Gambar II. 3
Jenis TASH berdasarkan letak sudu
terhadap arah angin (Sumber :
mstudioblackboard.tudelft.nl)
2.2.2.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)
Turbin angin sumbu vertikal merupakan turbin angin yang sumbu rotasi
sudunya tegak lurus terhadap permukaan tanah. Beberapa contoh turbin angin
sumbu vertikal yaitu turbin angin Darrieus, turbin angin savonius, dll, seperti
tampak pada Gambar II.4, Gambar II.5 dan Gambar II.6.
II-5
Gambar II. 4
Turbin angin Darrieus dan komponen
pendukungnya
(Sumber
:
science.howstuffworks.com)
Gambar II. 5
Turbin angin H (Sumber : michaelschelter.de)
Gambar II. 6
Jenis turbin angin savonius (Sumber :
reuk.co.uk)
II-6
2.3
Sudu Falcon
Sudu Falcon merupakan desain pada sudu turbin angin sumbu horizontal
(TASH). Sudu Falcon telah dikembangkan oleh seorang peneliti asal Amerika
bernama Jeff Molly dengan prototype pertamanya bernama FALCON MACH III
dengan 3 sudu dan prototype ke duanya FALCON MACH 5 dengan 5 sudu.
Prototype seperti tampak pada Gambar II.7 ini digunakan oleh Jeff Molly sebagai
pembangkit
listrik untuk memenuhi kebutuhan listrik di rumahnya serta sebagai
pompa air untuk mengairi perkebunannya.
Gambar II. 7
FALCON MACH III buatan Jeff Molly
(Sumber : Nugraha)
Desain sudu falcon mengadaptasi dari bentuk dan cara kerja yang sama
dengan sayap pesawat terbang. Seperti pada Gambar II.8 terlihat pada beberapa
bagian sudu, seperti penggunaan winglet pada sudu falcon yang biasa digunakan
oleh pesawat-pesawat modern yang dimaksudkan untuk mengurangi drag akibat
adanya wing tip vortex pada ujung sudu, desain sudu seperti desain sayap pesawat
dengan tipe sudu mengecil diujung (taper), serta bilah puntir (twist) yang berguna
untuk meningkatkan nilai dari torsi sudu. Oleh karena itu sudu Falcon dirancang
untuk dapat menghasilkan torsi yang tinggi dengan kecepatan angin yang rendah
sehingga akan menghasilkan energi listrik yang besar.
II-7
Gambar II. 8
2.4
Konsep dasar FALCON MACH V
(Sumber : Nugraha)
Airfoil
Airfoil adalah bentuk penampang dari sayap pesawat yang dapat
menghasilkan gaya angkat (lift) atau efek aerodinamika ketika melewati suatu aliran
udara. Airfoil merupakan bentuk dari potongan melintang sayap yang dihasilkan
oleh perpotongan tegak lurus sayap terhadap pesawat, dengan kata lain airfoil
merupakan bentuk sayap secara dua dimensi seperti pada Gambar II.9.
Gambar II. 9
Penampang airfoil (Sumber : Raharjo,
2010)
Dari Gambar II.9, dapat dijelaskan lebih rinci sebagai berikut :
II-8
1. Leading edge, merupakan bagian permukaan paling depan dari airfoil.
2. Trailing edge, merupakan bagian permukan paling belakang dari
airfoil.
3. Mean chamber line, merupakan garis pertengahan yang membagi
antara permukaan bagian atas dan permukaan bagian bawah dari
airfoil.
4. Chord line, merupakan garis lurus yang menghubungkan leading edge
dan trailing edge.
5. Chord, merupakan perpanjangan dari chord line mulai dari leading
edge hingga trailing edge. Dengan kata lain, chord adalah karakteristik
dimensi longitudinal dari suatu airfoil.
6. Maximum chamber, merupakan jarak antara mean chamber line dengan
chord line. Maximum chamber membantu mendefinisikan bentuk dari
mean chamber line.
7. Maximum thickness, merupakan ketebalan maksimum dari suatu
airfoil, dan menunjukkan persentase dari chord. Maximum thickness
membantu mendefinisikan bentuk dari airfoil dan juga performa dari
airfoil tersebut.
Suatu airfoil memiliki gaya-gaya aerodinamika. Perhitungan gaya
aerodinamika pada sudu hampir mirip dengan konsep aerodinamika pada sayap
pesawat terbang. Berikut ini dijelaskan gaya angkat (lift) dan gaya hambat (drag).
2.4.1 Gaya angkat
Gaya angkat atau lift dapat timbul karena adanya perbedaan tekanan udara
antara permukaan bagian atas upper surface dengan permukaan bagian bawah
lower surface. Dengan kerapatan massa udara (ρ), kecepatan angin (
), span (s)
dan koefisien gaya angkat (CL), maka persamaan gaya angkat (L) adalah sebagai
berikut :
L=½ . ρ .
2
. s . CL
(2.1)
II-9
2.4.2 Gaya hambat
Gaya hambat atau drag pada sebuah airfoil terjadi karena friction drag dan
pressure drag. Friction drag terjadi karena adanya gesekan udara dengan
permukaan airfoil dan pressure drag terjadi karena adanya flow separation. Dengan
kerapatan massa udara (ρ), kecepatan angin (
hambat (CD), maka persamaan gaya hambat (D) adalah sebagai berikut :
D = ½ . ρ .
2
), span (s) dan koefisien gaya
. s . CD
(2.2)
Profil airfoil yang digunakan pada penelitian ini adalah NACA 1-H-15,
seperti tampak pada Gambar II.10, dengan karakteristik seperti pada table II.1.
Gambar II. 10 Profil airfoil NACA 1-H-15 (Sumber :
worldofkrauss.com)
Tabel II. 1
Karakteristik
Karakteristik NACA 1-H-15 (Sumber :
worldofkrauss.com)
Spesifikasi
Thickness
14.7%
Camber
5.5%
Trailing edge angle
9.9o
Lower flatness
94.1%
Leading edge radius
3.3%
Max CL
1.283
Max CL angle
15.0
II-10
Karakteristik
Max L/D
Max L/D angle
Max
L/D CL
Spesifikasi
29.245
6.5
0.849
Stall angle
-0.5
Zero-lift angle
-2.0
2.5 Teori Mekanikal
2.5.1 Kerja
Kerja atau work dapat didefinisikan sebagai suatu perpindahan energi dari
satu sistem ke sistem lainnya. Sehingga kerja dapat diartikan sebagai perkalian dari
gaya dengan perpindahan jarak. Secara matematis torsi dan kerja mempunyai rumus
yang sama yaitu gaya dikalikan perpindahan jarak, tetapi sesungguhnya torsi dan
kerja berbeda. Saat torsi terjadi ada gaya yang menyebabkan benda berputar tetapi
belum tentu terjadi perpindahan jarak pada benda tersebut. Sedangkan saat kerja
terjadi ada perpindahan jarak, perpindahan jarak ini dapat dibabkan oleh torsi.
2.5.2 Torsi
Seberapa besar produktifitas dari sebuah turbin dapat diukur dari seberapa
besar torsi yang dapat dihasilkan. Jika semakin besar torsi yang dapat dihasilkan,
maka semakin besar pula daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin. Dan juga
sebaliknya, jika semakin kecil torsi yang dapat dihasilkan, maka semakin kecil pula
daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin. Hubungan torsi (T), gaya (F), dan
jari-jari sudu (r) seperti tampak pada persamaan sebagai berikut :
T= F x r
(2.3)
II-11
2.6
Prinsip Konversi Energi Angin
Daya teoritis (Pt) yang dapat diekstrak oleh turbin angin dengan luas
penampang sapuan sudu (luas cakram) (A), dengan kerapatan massa udara (ρ) dan
kecepatan angin (
Pt= ρA
) dapat dituliskan pada persamaan sebagai berikut :
3
(2.4)
Sebuah turbin angin yang optimal adalah sebuah turbin angin yang memiliki
koefsien daya (Cp) yang mendekati dengan batas Betz bernilai 0,593 (59,3 %).
Semakin besar daya aktual yang didapatkan maka semakin besar pula koefesien
dayanya.
Untuk mengetahui nilai Cp maksimal yang mampu dihasilkan oleh sebuah
turbin angin, maka perlu diketahui nilai Tip speed ratio yang dihasilkan. Tip speed
ratio merupakan perbandingan dari kecepatan ujung rotor turbin terhadap kecepatan
angin yang melalui rotor. Rasio kecepatan ujung rotor memiliki nilai nominal yang
berubah-ubah terhadap perubahan kecepatan angin. Dengan kecepatan putar sudu
putar sudu ( ), dan posisi sepanjang sudu (r), dan kecepatan angin (
maka Tip
speed ratio ( ) dapat dituliskan sebagai berikut :
(2.5)
Grafik berikut menunjukkan variasi tip speed ratio dan koefisien daya (Cp)
pada berbagai jenis turbin angin ditunjukkan pada Gambar II.11.
II-12
Gambar II. 11 Variasi tip speed ratio dan Cp pada
berbagai jenis turbin angin (Sumber:
otherpower.com)
2.7
Generator Listrik
Turbin angin yang digunakan untuk membangkitkan energi listrik
memerlukan generator yang berguna untuk mengubah energi mekanik gerak rotasi
rotor menjadi energi listrik. Terdapat beberapa jenis generator yang digunakan.
Berdasarkan arah arus yang dikeluarkan, generator dibagi menjadi dua jenis yaitu
generator arus searah (Direct Current - DC) dan generator arus bolak – balik
(Alternating Current - AC).
Generator arus searah (DC) menghasilkan beda potensial yang arahnya tetap
dan jika dihubungkan dengan beban akan menghasilkan arus searah pula. Pada
umumnya generator arus searah dapat menghasilkan energi listrik pada putaran
tinggi. Untuk digunakan pada turbin angin, jenis generator ini memerlukan sistem
transmisi untuk menaikkan putaran (speed increasing).
Generator AC dapat menghasilkan beda potensial yang arahnya bolak-balik
dan jika dihubungkan dengan beban akan menimbulkan arus bolak-balik pula.
Generator AC dapat menghasilkan daya pada putaran yang bervariasi bergantung
pada spesifikasi generator itu sendiri. Besar putaran minimal yang diperlukan
II-13
generator AC untuk dapat menghasilkan energi listrik dan besar putaran kerja
bergantung pada jumlah kutub dan kumparan dalam generator, semakin banyak
jumlah kumparannya maka semakin kecil putaran minimal dan putaran kerjanya.
Jumlah
kumparan merupakan kelipatan dari jumlah kutub yang dimiliki generator.
Untuk putaran turbin yang memiliki putaran yang relatif rendah, digunakan
jenis generator magnet permanen dengan variasi jumlah kutub, semakin banyak
jumlah
kutub generator maka putaran yang dibutuhkan semakin kecil untuk
membangkitkan listrik dan sebaliknya. Untuk generator yang menggunakan magnet
permanen sebagai penginduksi kumparannya disebut generator magnet permanen.
2.8
Daya
Jika terdapat perpindahan secara angular, maka daya aktual (Pa) adalah
perkalian antara torsi (T) dan kecepatan angular (ω) seperti pada persamaan berikut
:
Pa= T x ω
(2.6)
Arus listrik yang mengalir dalam rangkaian dengan hambatan listrik
menimbulkan kerja. Peranti mengkonversi kerja ini ke dalam berbagai bentuk yang
berguna, seperti panas (seperti pada pemanas listrik), cahaya (seperti pada bola
lampu), energi kinetik (motor listrik), dan suara (loudspeaker). Listrik dapat
diperoleh dari pembangkit listrik atau penyimpan energi seperti baterai.
Listrik arus bolak-balik (listrik AC - alternating current) adalah arus listrik
dimana besarnya dan arahnya arus berubah-ubah secara bolak-balik. Berbeda
dengan listrik arus searah dimana arah arus yang mengalir tidak berubah-ubah
dengan waktu. Bentuk gelombang dari listrik arus bolak-balik biasanya berbentuk
gelombang sinusoida, karena ini yang memungkinkan pengaliran energi yang
paling efisien. Arus listrik (I) dan beda potensial (V) maka daya aktual (Pa) dapat
dituliskan kembali menjadi
Pa= V I
(2.7)
II-14
2.9
Terowongan Angin
Pengujian model TASH-Falcon ini menggunakan kecepatan angin, dimana
kecepatan angin ini dihasilkan dari blower dari terowongan angin. Aliran udara dari
blower wind tunnel yang digunakan diukur kecepatan angin rata-rata dengan
menggunakan anemometer. Dalam pengujian ini digunakan beberapa variasi
kecepatan. Variasi kecepatan didapatkan dengan cara mengatur RPM engine dari
terowongan
angin, dimana variasi tersebut berkisar antara 500 RPM sampai dengan
900 RPM. Gambar II.12 menunjukan terowongan angin yang dipakai saat
pengujian.
Gambar II. 12 Terowongan angin
(Sumber : Nugraha)
PSTA
Polban