Rancang Bangun Alat Pembangkit Listrik Tenaga Angin Sumbu

BAB II
DASAR TEORI
Bab ini berisi dasar teori yang berhubungan dengan perancangan skripsi antara
lain daya angin, daya turbin angin, TSR (Tip Speed Ratio), aspect ratio, overlap ratio,
BHP (Break Horse Power), efisiensi turbin, generator, akumulator, dan anemometer.
Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga
karena adanya perbedaan tekanan udara disekitarnya. Angin bergerak dari tempat
bertekanan udara tinggi ke bertekanan udara rendah. Karena adanya pemanasan oleh
matahari, maka udara memuai. Tekanan udara yang telah memuai massa jenisnya
menjadi lebih ringan sehingga naik. Apabila hal ini terjadi, maka tekanan udara turun.
Udara disekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah. Udara menyusut
menjadi lebih berat dan turun ke tanah. Diatas tanah udara menjadi panas lagi dan naik
kembali. Aliran naiknya udara panas dan turunnya udara dingin ini dikarenakan
konveksi.
Untuk mengantisipasi arah angin yang selalu berubah – ubah maka dipilih
bentuk twisted savonius sebagai bentuk turbin. Bentuk twisted savonius dapat
menangkap angin dari berbagai arah karena bentuk blade-nya yang melingkar, dan
bagian yang memilin berfungsi untuk menahan angin sehingga bila mendapat angin
yang tinggi misalnya 10 m/s atau 36 km/jam dapat mengalir ke blade seberangnya
sehingga tidak membebani satu bagian sudu saja.
2.1.
Twisted Savonius
Turbin darrieus memiliki keunggulan memiliki efisiensi yang tinggi sekitar 0,4
tetapi membutuhkan torsi tinggi untuk berputar yaitu pada tip speed ratio 4. Sehingga
memerlukan tenaga angin yang besar agar dapat memutar turbin darrieus. Sedangkan
turbin savonius memiliki keunggulan dapat berputar dengan torsi rendah dengan tip
speed ratio sekitar 0,9 dan dapat berputar dengan angin dari segala arah tetapi memiliki
efisiensi yang rendah yaitu sekitar 0,19. Dengan menggabungkan keunggulan dari
turbin darrieus dan turbin savonius maka terbentuk turbin twisted savonius yang
diharapkan memiliki efisiensi tinggi dengan kebutuhan torsi yang kecil.
3
Gambar 2.1. Grafik hubungan TSR (α) terhadap efisiensi turbin (%)
konvensional
(a)
(b)
Gambar 2.2. (a) Turbin darrieus (b) Turbin savonius
4
2.2.
Daya Angin
Energi kinetik dari sebuah benda dengan massa m dan kecepatan v dapat
dirumuskan:
E = m.
(1)
dimana :
E = energi dari udara (J)
m = massa udara (kg)
v = kecepatan angin (m/detik)
dan jumlah massa yang melewati suatu tempat dapat diketahui dengan menggunakan
rumus :
= ρ.A.v
(2)
dimana :
= kelajuan aliran massa udara (kg/detik)
ρ = kerapatan udara (kg/
)
A= luas penampang yang menumbuk (
v = kecepatan angin (m/detik)
Maka daya angin dapat diketahui :
= Daya angin yang tersedia
; m = ρ.A.v
=
m.
=
(ρ.A.v).
=
ρ. A.
=
ρ. A.
5
(watt)
(3)
2.3.
DayaTurbin
Dengan mengukur torsi dan kecepatan putaran turbin, maka daya mekanik dapat
dirumuskan :
= ω.τ
(4)
dimana :
ω = kecepatan sudut (rad/detik)
ω=
; N = jumlah putaran
τ = torsi (Nm)
τ=
.d
= gaya sentripetal (N)
= m. (
)
= ω.d (meter/detik)
d = jari – jari turbin (m)
2.4.
Tip Speed Ratio (TSR)
Tip speed ratio adalah perbandingan kecepatan angin dengan kecepatan ujung
sudu. Semakin tinggi tip speed ratio maka akan mempengaruhi nilai
sudu.Nilai
dan bentuk
adalah suatu konstanta yang memiliki nilai 16/27 atau 0,593 bila sistem
mekanik turbin bekerja secara maksimal. Konstanta
secara teori menunjukkan nilai
efisiensi maksimum yang dicapai oleh rotor turbin angin. [4]
Tip speed ratio (λ) =
Dimana :
ω
= kecepatan sudut (rad/detik)
d
= jari – jari sudu (m)
v
= kecepatan angin (m/s)
6
(5)
2.5.
Aspect ratio
Aspect ratio adalah perbandingan antara tinggi dengan diameter rotor. Dengan
memilih aspect ratio yang tepat akan mempengaruhi nilai daya yang bisa di dapatkan.
Misalkan penelitian yang dilakukan oleh Kadam [1] yang menguji nilai aspect ratio dari
0,5 – 5 yang hasilnya semakin besar aspect ratio semakin besar juga koefisien daya
yang didapatkan.
Gambar 2.3. Diagram Turbin Tampak Samping
Aspect ratio (α) =
Dimana :
H = tinggi rotor
= diameter rotor
7
(6)
2.6.
Overlap Ratio
Overlap Ratio adalah jarak celah pada sudu. Jarak celah ini agar memungkinkan
pemanfaatkan aliran fluida angin yang mengalir.
Gambar 2.3. Diagram Turbin Tampak Atas
Overlap ratio (β) =
(7)
dimana :
e
= overlap (celah )
overlap adalah celah yang ada pada rotor, pada gambar ditunjukkan
dengan lambang e
a
= diameter shaft
diameter shaft adalah sumbu diameter yang digunakan pada rotor, pada
gambar ditunjukkan dengan lambang a
= diameter rotor
Diameter rotor adalah panjang diameter rotor keseluruhan rotor, pada
gambar ditunjukkan dengan lambang
8
2.7.
Break Horse Power (BHP)
Untuk mengetahui daya turbin digunakan metode pencarian BHP. Karena untuk
menggerakkan turbin selain massa dari keseluruhan turbin itu sendiri sebagai hambatan
untuk bergerak generator yang terpasang pun memiliki minimal torsi untuk bergerak
pada perancangan ini menggunakan generator yang memiliki torsi minimal 1,3 Nm.
Break Horse Power ( BHP ) adalah daya turbin yang diukur ketika diberi beban
generator ataupun perangkat tambahan lainnya. Brake yang dimaksud adalah suatu
peralatan yang digunakan untuk memberikan beban pada turbin. Dalam percobaan
nantinya BHP diukur dengan menggunakan motor listrik. Dengan mengukur besarnya
tegangan yang dihasilkan, dapat diketahui besarnya daya generator [7]. Daya generator
adalah daya keluaran pada generator dengan mengukur besarnya tegangan dan arus
yang dihasilkan. Untuk mencari arus diperlukan beban sehingga arus dapat diketahui.
Hubungan antara daya mekanik dengan BHP :
Gambar 2.5. Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Daya Poros [7]
Dari grafik diketahui bahwa kecepatan angin berpengaruh terhadap daya poros
yang dihasilkan. Pada awal sampai akhir grafik hubungan antara kecepatan angin
terhadap daya poros pada jumlah sudu yang sama mengalami kecenderungan yang
meningkat. Semakin meningkatnya kecepatan angin akan menyebabkan semakin besar
momentum angin yang menumbuk turbin setiap detiknya, maka perbedaan tekanan
antara bagian depan sudu dengan bagian belakang sudu meningkat, sehingga gaya drag
yang dihasilkan semakin meningkat pula, dimana gaya drag berbanding lurus dengan
torsi[7]. Arti drag menurut KBBI adalah seret atau hambatan. Jadi bisa diartikan gaya
9
drag adalah gaya seret atau gaya hambatan ketika terjadi interaksi antara benda padat
dengan benda gas.
τ = F.s
(8)
Dari persamaan diatas kita dapat melihat bahwa semakin meningkatnya gaya
mengakibatkan torsinya juga akan semakin meningkat, dan meningkatnya torsi juga
akan meningkatkan BHP, dimana :
BHP = ωτ
(9)
Dengan mengacu pada hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Andri [7] maka
diketahui bahwa daya mekanik turbin sama denganBHP.
2.8.
Efisiensi Turbin
Efisiensi turbin dapat diketahui dengan perbandingan antara daya mekanik
turbin ketika diberi beban generator yang disebut BHP dengan daya anginsebagai
tenaga penggerak turbin yaitu:
Ƞ
.100%
Dimana :
BHP
= Daya turbin ketika diberi beban generator
= Daya angin yang tersedia
10
(10)
2.9.
Generator
Generator adalah alat yang mengubah energi mekanik atau gerak menjadi energi
listrik. Energi listrik yang dihasilkan berasal dari perubahan medan magnet yang
terdapat di dalam generator. Magnet ini dapat berupa kumparan kabel-kabel terlilit yang
dialiri arus listrik dengan cara induksi atau suatu magnet yang sifatnya permanen.
Magnet yang berasal dari kumparan kabel-kabel mempunyai sifat kemagnetan
sementara. Untuk menghasilkan magnet, kumparan kabel-kabel ini dialiri arus listrik
dan dikenal dengan istilah induksi elektromagnetik. Kumparan kabel-kabel tersusun
melilit sekitar plat konduktor.
Gambar 2.6. Generator
Jika lilitan kabel
yang dialiri arus listrik dan memiliki sifat
elektromagnetik ini bergerak (misalnya berputar) sehingga terjadi fluktuasi medan
magnet, maka akan timbul gaya gerak listrik dan beda tegangan listrik. Selain
berasal dari kumparan lilitan kabel yang dialiri arus listrik supaya terjadi
kemagnetan yang sifatnya sementara, magnet pada generator juga dapat berupa
magnet permanen.Magnet permanen ini diletakkan di dalam generator dan
mengelilingi plat konduktor. Ketika terjadi fluktuasi medan magnet karena adanya
putaran dari plat konduktor atau magnet permanen tersebut, maka terjadi gaya
gerak listrik dan beda tegangan listrik. Kelebihan pemakaian magnet permanen
dibandingkan magnet induksi adalah pada permanen magnet beda tegangan yang
terjadi lebih besar, putaran plat konduktor atau magnet dapat lebih rendah untuk
menghasilkan beda tegangan, dan tidak perlu adanya arus listrik induksi.[5]
11
2.10. Akumulator
Akumulator (aki) merupakan sumber tegangan DC maka diperlukan tegangan
DC juga. Tegangan yang dibutuhkan untuk DC charger harus lebih besar dari tegangan
akumulator, misalnya aki pada motor/mobil adalah 12,65 volt, maka tegangan charger
minimal sekitar 13,5 volt. Mencharge aki bukanlah memasukan arus listrik kedalam
pelat aki, tetapi hanya membersihkan pelat aki dari sulfation dengan cara memasukan
arus listrik agar pelat aki bersih kembali.[10]
Gambar 2.7 Akumulator
Dalam perancangan ini menggunakan baterai Lithium-Ion(Li-Ion) sebagai
penyimpan tegangan. Dengan spesifikasi 3,7V 4800mAH. Baterai Li-Ion adalah salah
satu baterai yang dapat di isi 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 re-charging. 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.
12
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 berulangulang kali, umumnya sampai 1000 siklus.
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.
2.11. 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.[11]
Gambar 2.8 Anemometer
Pada perancangan ini menggunakan anemometer edisi saku dari kestrel dengan
seri kestrel 4000. Anemometer ini memiliki spesifikasi dapat mengukur kecepatan angin
13
dari 0 sampai 60 m/s dengan ralat 3% dari pembacaan, suhu dari –60 °C – 100 °C
dengan ralat 1 °C, dan tekanan udara dari 300 -1100 hPa dengan ralat 1,5 hPa. Pada
anemometer ini tidak terdapat satuan Pa untuk mengukur tekanan udara, sehingga harus
dikonversikan ke Pa terlebih dahulu ketika pengolahan data. Berikut adalah
perbandingannya :
1 hectopascal (hPa) = 100 pascal (Pa)
14