BAB II TEORI DASAR

BAB II
TEORI DASAR
2.1
Definisi Angin
Angin adalah udara yang bergerak karena adanya perbedaan tekanan udara
antara satu tempat dan tempat yang lain (Yusman, 2005). Adapun penyebab
perbedaan tekanan udara adalah intensitas panas matahari. Udara yang terkena
panas matahari akan mengembang sehingga tekanan udara menjadi rendah,
sedangkan daerah yang tidak mendapat sinar matahari tekanan udaranya tinggi.
Oleh karena itu, udara bergerak dari daerah yang bertekanan udara tinggi menuju
daerah yang bertekanan udara rendah.
Di permukaan bumi daerah yang mempunyai tekanan udara rendah adalah
di daerah khatulistiwa karena selalu mendapat sinar matahari. Adapun di daerah
kutub utara dan kutub selatan tekanan udaranya lebih tinggi. Oleh karena itu,
aliran udara bergerak dari daerah kutub menuju daerah khatulistiwa. Hubungan
antara tekanan udara dan arah angin dinyatakan dalam Hukum Buys Ballot bahwa
udara mengalir dari daerah bertekanan maksimum ke daerah bertekanan
minimum. Arah angin akan membelok ke kanan di belahan bumi utara dan
membelok ke kiri di belahan bumi selatan.
6
7
Energi angin dapat dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain
seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Oleh
karena itu, kincir atau turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi
Angin (SKEA).
Semua energi yang dapat diperbaharui seperti energi pada bahan bakar
fosil kecuali energi pasang surut dan panas bumi berasal dari Matahari. Matahari
meradiasi 1,74 x 1.014 kilowatt jam energi ke Bumi setiap jam. Dengan kata lain,
Bumi menerima 1,74 x 1.017 watt daya.
Sekitar 1-2 persen dari energi tersebut diubah menjadi energi angin. Jadi,
energi angin berjumlah 50-100 kali lebih banyak daripada energi yang diubah
menjadi biomassa oleh seluruh tumbuhan yang ada di muka Bumi.
2.2
Jenis-jenis angin
Tekanan udara berbeda-beda antartempat dan pada tempat tertentu dapat
berubah secara dinamis. Perbedaan tekanan udara ini menyebabkan terjadinya
angin. Oleh karena itu, angin juga sangat beragam bergantung tempatnya. Angin
selalu diberi nama sesuai dengan arah asalnya. Ragam angin di bumi antara lain
sebagai berikut :
1. Angin laut
Angin laut adalah angin yang bertiup dari arah laut ke arah darat yang
umumnya terjadi pada siang hari dari pukul 09.00 sampai dengan pukul 16.00.
Angin ini biasa dimanfaatkan para nelayan untuk pulang dari menangkap ikan di
laut.
8
Gambar 2.1 Proses terjadinya angin laut
2. Angin Darat
Angin darat adalah angin yang bertiup dari arah darat ke arah laut yang
umumnya terjadi pada saat malam hari dari jam 20.00 sampai dengan jam 06.00.
Angin jenis ini bermanfaat bagi para nelayan untuk berangkat mencari ikan
dengan perahu bertenaga angin sederhana.
Gambar 2.2 Proses terjadinya angin darat
9
3. Angin Lembah
Pada siang hari pemanasan lebih cepat terjadi pada lereng gunung sehingga
temperaturnya lebih tinggi daripada di lembah. Oleh karena itu, tekanan udara di
lereng gunung menjadi lebih rendah daripada di lembah sehingga terjadi
pergerakan udara dari lembah menuju lereng gunung. Pergerakan udara itu
disebut angin lembah.
Gambar 2.3 Proses terjadinya angin lembah
4. Angin Gunung
Pada malam hari terjadi keadaan sebaliknya, yaitu suhu udara di lereng
gunung lebih rendah daripada di lembah sehingga tekanan udara di gunung lebih
besar daripada di lembah. Oleh karena itu, terjadi pergerakan udara dari lereng
gunung menuju lembah. Pergerakan udara itu disebut angin gunung.
10
Gambar 2.4 Proses terjadinya angin gunung
5. Angin Fohn
Angin fohn terjadi apabila ada gerakan massa udara yang menaiki suatu
pegunungan dengan ketinggian lebih dari 2.000 meter. Massa udara yang
mencapai puncak pegunungan akan mengalami kondensasi dan akhirnya timbul
hujan pada satu sisi lereng. Adapun pada lereng yang lain tidak terjadi hujan
karena terhalang tingginya pegunungan. Daerah yang tidak mengalami hujan
disebut daerah bayangan hujan.
Pada daerah bayangan hujan itu angin dari atas pegunungan akan bergerak
menuruni lereng pegunungan dengan kecepatan tinggi. Hal itu menyebabkan
naiknya suhu udara karena setiap turun 100 meter udara naik 1 oC. Dengan
demikian angin yang turun bersifat panas dan kering. Angin itulah yang disebut
angin local atau angin fohn atau angin terjun.
Angin fohn yang terjadi di Indonesia antara lain sebagai berikut :
a) Angin Bohorok di Deli. Angin itu dapat merusak perkebunan tembakau.
11
b) Angin Kumbang di Tegal dan Cirebon. Bagi daerah tersebut angin kumbang
menguntungkan untuk pertumbuhan tanaman bawang karena di daerah
sekitarnya menjadi tidak lembab.
c) Angin Gending di Pasuruan dan Probolinggo, Jawa Timur.
d) Angin Brubu di Sulawesi Selatan.
e) Angin Wambraw di Biak, Papua.
Gambar 2.5 Proses terjadinya angin fohn
6. Angin Musim Barat
Angin Musim Barat/Angin Muson Barat adalah angin yang mengalir dari
Benua Asia (musim dingin) ke Benua Australia (musim panas) dan mengandung
curah hujan yang banyak di Indonesia bagian Barat, hal ini disebabkan karena
angin melewati tempat yang luas, seperti perairan dan samudra. Contoh perairan
dan samudra yang dilewati adalah Laut China Selatan dan Samudra Hindia. Angin
Musim Barat menyebabkan Indonesia mengalami musim hujan.
12
7. Angin Musim Timur
Angin Musim Timur/Angin Muson Timur adalah angin yang mengalir dari
Benua Australia (musim dingin) ke Benua Asia (musim panas) sedikit curah hujan
(kemarau) di Indonesia bagian Timur karena angin melewati celah-celah sempit
dan berbagai gurun (Gibson, Australia Besar, dan Victoria). Ini yang
menyebabkan Indonesia mengalami musim kemarau.
2.3
Kecepatan Angin
Besar kecilnya kecepatan angin ditentukan oleh faktor-faktor sebagai
berikut :
1. Besar kecilnya gaya gradient barometris. Gaya gradient barometris adalah
besarnnya perbedaan tekanan udara antara 2 isobar yang bergerak 111 km dan
dinyatakan dalam milibar (mb). Semakin besar perbedaan tekanan udara
tersebut, maka akan semakin cepat angin bergerak.
2. Banyak sedikitnya hambatan. Faktor-faktor yang dapat menjadi hambatan
gerakan angin antara lain relief permukaan bumi, gedung-gedung (bangunan),
dan pohon-pohon. Semakin banyak rintangan yang menghalangi laju gerakan
angin, maka akan semakin lambat kecepatan angin tersebut.
Alat
yang digunakan
untuk
mengukur
kecepatan angin
adalah
anemometer. Ada beberapa jenis anemometer, salah satu jenisnya adalah
anemometer mangkok. Pada anemometer terdapat peralatan elektronik yang
berfungsi mencatat gerakan angin. Pembacaan alat itu harus dilakukan dalam
jangka waktu tertentu, misalnya harian.
13
2.4
Definisi Turbin Angin
Turbin angin atau kincir angin mengubah energi kinetik angin ke kerja
mekanis. Untuk memproduksi listrik bolak-balik (AC) sistem ini harus didesain
untuk selalu beroperasi pada kecepatan sudut yang tetap dan kecepatan angin
yang berubah-ubah agar didapat frekuensi yang konstan.
Dalam perencanaan kincir angin, sangat penting untuk menjaga agar
perbandingan daya dan berat sekecil mungkin. Ini mengurangi tegangan yang
diakibatkan oleh gaya sentrifugal sudu. Secara teoritis jumlah daya yang bisa
diserap oleh kincir dari angin adalah 59% untuk tubin dengan cerobong dan untuk
turbin terbuka kira-kira 50-57% dari harga ini karena adanya kebocoran dan efekefek lain. Daya yang dihasilkan oleh kincir angin secara langsung tergantung dari
luas daerah yang disapu oleh sudu dan gaya angin per satuan luas yang tegak lurus
pada kecepatan angin sebanding dengan kecepatan angin pangkat tiga.
Kincir angin adalah sebuah mesin yang digerakkan oleh tenaga angin
untuk menumbuk biji-bijian, memompa air dan mengairi sawah. Kincir angin
modern adalah mesin yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik, disebut
juga dengan turbin angin. Turbin angin kebanyakan ditemukan di Eropa dan
Amerika Utara.
Naskah tertua tentang kincir angin terdapat dalam tulisan Arab dari abad
ke-9 Masehi yang menjelaskan bahwa kincir angin yang dioperasikan di
perbatasan Iran dan Afganistan sudah ada sejak beberapa abad sebelumnya,
kadang disebut Persian windmill. Jenis yang sama juga digunakan di Cina untuk
menguapkan air laut dalam memproduksi garam. Terakhir masih digunakan di
Crimea, Eropa dan Amerika Serikat.
14
Energi angin adalah energi yang relatif bersih dan ramah lingkungan
karena tidak menghasilkan karbon dioksida (CO2) atau gas-gas lain yang berperan
dalam pemanasan global, sulphur dioksida dan nitrogen oksida (jenis gas yang
menyebabkan hujan asam). Energi ini pun tidak menghasilkan limbah yang
berbahaya bagi lingkungan ataupun manusia. Meski demikian, harap diingat
bahwa sekecil apapun semua bentuk produksi energi selalu memiliki akibat bagi
lingkungan. Hanya saja efek turbin angin sangat rendah, bersifat lokal dan mudah
dikelola. Di samping itu turbin atau kincir angin memiliki pesona tersendiri dan
menjadi atraksi wisata yang menarik, seperti misalnya saja kincir-kincir angin di
negeri Belanda.
2.5
Jenis – Jenis Turbin Angin
2.5.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)
Turbin angin sumbu horizontal memiliki rotor shaft dan generator yang
berada di puncak menara dan harus searah dengan arah angin. Turbin angin yang
berukuran lebih kecil diarahkan dengan menggunakan sirip, sedangkan untuk
turbin angin berkapasitas besar menggunakan sensor dan motor servo untuk
menggerakkan turbin agar menghadap dan searah dengan arah angin.
Energi angin yang ditangkap oleh bilah-bilah sudu menghasilkan putaran
yang rendah pada hub-nya. Oleh karenanya, sebagian besar turbin angin
menggunakan gear box untuk mengubah putaran rendah yang dihasilkan bilah
sudu menjadi lebih cepat dan sesuai untuk memutar generator.
Bilah sudu yang digunakan biasanya terbuat dari bahan yang kuat untuk
menghindari bilah sudu tersebut terdorong dan mengenai menara ketika berputar
15
pada saat angin kencang bertiup. Biasanya, jarak antara bilah sudu dan menara
pun diatur. Bahkan kadang-kadang agak sedikit dimiringkan ke atas, agar
kemungkinan tersebut semakin kecil.
Turbin angin dengan sumbu horizontal mempunyai sudu yang berputar
dalam bidang vertikal seperti halnya propeler pesawat terbang. Turbin angin
biasanya mempunyai sudu dengan bentuk irisan melintang khusus di mana aliran
udara pada salah satu sisinya dapat bergerak lebih cepat dari aliran udara di sisi
yang lain ketika angin melewatinya. Fenomena ini menimbulkan daerah tekanan
rendah pada belakang sudu dan daerah tekanan tinggi di depan sudu. Perbedaan
tekanan ini membentuk gaya yang menyebabkan sudu berputar.
Turbin angin propeler adalah jenis turbin angin dengan poros horizontal
seperti baling- baling pesawat terbang pada umumnya. Turbin angin ini harus
diarahkan sesuai dengan arah angin yang paling tinggi kecepatannya.
Gambar 2.6 Turbin angin propeller
16
2.5.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)
Turbin angin dengan sumbu vertikal bekerja dengan prinsip yang sama
seperti halnya kelompok horizontal. Namun, sudunya berputar dalam bidang yang
paralel dengan tanah, seperti mixer kocokan telur.
Sesuai namanya, Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) mempunyai sumbu
vertikal dengan bilah-bilah sudu paralel dengan sumbunya. Turbin angin sumbu
vertikal memiliki efisiensi yang lebih kecil dibandingkan dengan Horizontal Axis
Wind Turbine (HAWT) atau turbin angin sumbu horisontal. Turbin sumbu
vertikal yang lazim digunakan adalah Savonius dan Darrieus.
a
b
Gambar 2.7 (a). Darrieus dan (b). Savonius
Savonius merupakan jenis turbin angin yang paling sederhana dan versi
besar dari anemometer. Turbin Savonius dapat berputar karena adanya gaya tarik
(drag). Efisiensi yang bisa dicapai turbin angin jenis ini sekitar 30%.
17
Turbin angin Darrieus mempunyai bilah sudu yang disusun dalam posisi
simetri dengan sudut bilah diatur relatif terhadap poros. Pengaturan ini cukup
efektif untuk menangkap berbagai arah angin. Berbeda dengan Savonius, Darrieus
memanfaatkan gaya angkat yang terjadi ketika angin bertiup. Bilah sudu turbin
Darrieus bergerak berputar mengelilingi sumbu.
Adapun kelebihan dan kekurangan dari turbin angin sumbu vertikal yaitu :
1. Kelebihan TASV
a) Tidak membutuhkan struktur menara yang besar
b) Karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhk an mekanisme yaw
c) Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat
pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.
d) TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang
terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan
yang tinggi sehingga mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan
tinggi.
e) Desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak
atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar
untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya
TASH
f) TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH.
Biasanya TASV mulai menghasilkan listrik pada 10km/jam (6 m.p.h.)
g) TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan
putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih
18
rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin
berhembus sangat kencang.
h) TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi
dilarang dibangun.
i) TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari
berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin
(seperti gunung atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit),
j) TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.
k) Kincir pada TASV mudah dilihat dan dihindari burung.
2. Kekurangan TASV
a) Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH
karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.
b) TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang
di elevasi yang lebih tinggi.
c) Kebanyakan
TASV
mempunyai
torsi
awal
yang
rendah,
dan
membutuhkan energi untuk mulai berputar.
d) Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi
tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada
bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya
dorong ke bawah saat angin bertiup.
2.6
Tip speed ratio (TSR)
TSR adalah perbandingan antara kecepatan ujung blade dengan kecepatan
angin yang melewatinya. Bila TSR>1 artinya lebih banyak bagian blade yang
19
mengalami gaya angkat dan bila TSR<1 artinya lebih banyak bagian blade yang
mengalami gaya dorong. Umumnya disain blade dengan dominasi gaya angkat
memiliki efisiesi dan daya yang lebih tinggi.
Tip speed ratio atau disimbolkan dengan λ, adalah rasio yang
menunjukkan kinerja dari rotor. Dapat dirumuskan perbandingan dari kecepatan
putar rotor dengan kecepatan angin didepan rotor.
λ = ( ω R) / Va
(2.1)
Keterangan :
λ = Tip Speed Ratio
ω = Kecepatan anguler (RPM)
R = Jari – jari sudu (m)
Va = Kecepatan angin (m/s)
Dari rumus diatas, dapat disimpulkan bahwa yang mempengaruhi perhitungan Tip
Speed Ratio (TSR) adalah kecepetan putar rotor dengan kecepatan angin di depan
rotor.
Terdapat dua tipe pada turbin angin sumbu vertikal yaitu tipe dorong dan
tipe angkat.
1.
Tipe Dorong
Terjadi bila TSR<1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami
gaya dorong, contohnya pada mangkuk anemometer dan Turbin Angin Savonius.
Memiliki bentuk yang bervariasi, seperti ember, dayung, layar, tangki. Rotornya
berbentuk S (bila dilihat dari atas). Kecepatan maksimum blade yang dihasilkan
hampir sama dengan kecepatan angin. Ujung blade tidak pernah bergerak lebih
20
cepat daripada kecepatan angin, sehinggapada ujungnya nilai TSR <1. Turbin
jenis ini memiliki efisiensi daya yang rendah.
2.
Tipe Angkat
Terjadi bila TSR>1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami
gaya angkat, seperti pada turbin angin Darrius. Masing-masing blade
memperlihatkan momen gaya angkat maksimum hanya dua kali setiap putaran
dan daya keluarannya berbentuk sinusoida. Ukuran blade relatif besar dan tinggi,
sehingga menimbulkan getaran. Biasanya memakai dua atau tiga blade. Turbin
jenis ini menghasilkan lebih banyak daya output dan memiliki efisiensi tinggi.
2.7
Karakteristik Angin di Indonesia
Letak geografis Indonesia sebagai negara tropis yang berada di garis
khatulistiwa menyebabkan karakteristik angin di Indonesia sangat berbeda dengan
karakteristik angin di negara-negara maju yang sudah banyak memanfaatkan
tenaga angin sebagai pemasok energi listrik alternatifnya. Beberapa karakteristik
angin di Indonesia, antara lain :
1.
Arah angin yang sering berubah-ubah
Rotor turbin angin tipe horisontal (HAWT) harus selalu berhadapan
dengan datangnya angin, arah angin yang sering berubah-ubah akan mengganggu
kesinambungan kerja turbin angin tipe ini sehingga diperlukan perangkat yaw
controller yang cukup rumit.
Sebaliknya, turbin angin tipe vertikal (VAWT) sama sekali tidak terganggu
oleh arah angin yang berubah-ubah karena rotornya bisa menerima angin dari arah
21
360 derajat. Pada gambar terlihat bahwa dari arah manapun datangnya angin akan
mampu menggerakkan rotor dari aerostellar.
Gambar 2.8 Aerostellar
2.
Sering terjadi turbulensi
Pada turbin angin tipe horisontal, turbulensi angin yang terus menerus
akan menyebabkan kelelahan material (fatigue) dan konstruksi turbin itu sendiri
yang pada akhirnya akan menyebabkan kerusakan permanen. Pada turbin angin
tipe sumbu vertikal (VAWT) seperti aerostellar turbulensi angin tidak
mengganggu kinerjanya. Bahkan dalam beberapa kasus turbulensi angin ini dapat
dimanfaatkan untuk mempercepat putaran rotor sehingga didapat energi listrik
yang lebih besar.
3.
Kecepatan rata-rata angin yang relatif rendah
Turbin angin tipe sumbu vertikal (VAWT) seperti aerostellar dapat mulai
menghasilkan energi listrik pada kecepatan angin kurang dari 2 meter/detik, jauh
22
lebih rendah daripada kecepatan angin yang diperlukan oleh turbin angin tipe
horisontal untuk mulai menghasilkan energi listrik.
Desain aerodinamika bilah-bilah rotor (rotor blades / aero fins)
AEROSTELLAR didasarkan pada kombinasi konsep desain lift-type dengan
semidrag-type sekaligus.
Gambar 2.9 Desain aerodinamika semidrag-type
Desain aerodinamika semidrag-type berfungsi untuk memberikan torsi
awal pada rotor untuk mulai berputar walaupun kecepatan angin sangat rendah.
Apabila rotor sudah mulai berputar, maka desain aerodinamika lift-type pada bilah
rotor akan mempercepat putaran rotor bahkan lebih cepat dari kecepatan angin itu
sendiri.
Kecepatan putaran rotor yang dihasilkan sudah cukup memadai untuk
generator mulai menghasilkan listrik sehingga tidak diperlukan lagi gearbox
untuk mempercepat putaran generator yang sekaligus akan menaikkan tingkat
efisiensi turbin angin aerostellar.
23
2.8
Teori Energi
Di dalam teori energi listrik, untuk menghitung power atau daya angin
yang dihasilkan dapat ditulis dalam persamaan matematik menjadi :
P = 0,5.Cp.ρ.S.v3
(2.2)
Dimana :
P
= Daya atau power (watt)
ρ
= Massa jenis (1,225 Kg/m3)
S
= Luas sapuan rotor (m2)
v
= Kecepatan angin (m/s)
Cp
= Coefisien Power
Berdasarkan rumus di atas, maka dapat disimpulkan bahwa daya yang
dihasilkan oleh angin dipengaruhi oleh kecepatan angin, massa jenis yang menjadi
ketetapan, coefisien power, serta luas sapuan rotor. Dimana luas sapuan rotor
dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
S=hxD
(2.3)
Dimana :
S = Luas Sapuan Rotor
h = Tinggi Sudu
D = Diameter Sudu
Pada rumus di atas, besarnya diameter dan tinggi sudu sangat mempengaruhi nilai
luas sapuan pada rotor.
Tegangan Induksi
24
Tegangan induksi yang dihasilkan oleh generator ini dapat dihitung
dengan persamaan:
Erms
= Tegangan induksi (Volt)
N
= Jumlah lilitan per kumparan
ƒ
= Frekwensi (Hz)
Φmax
= Fluks magnet (Wb)
Ns
= Jumlah kumparan
Nph
= Jumlah fasa
Amagn = Area magnet
Bmax
=Densitas fluks maksimum
ro
= Radius luar magnet
ri
= Radius dalam magnet
τƒ
= Jarak antar magnet
Nm
= Jumlah magnet
Br
= Densitas fluks magnet
Lm
= Panjang magnet
25
δ
= Jarak antara rotor dengan stator