Turbin angin merupakan suatu alat yang mengubah energi kinetik dari angin menjadi energi listrik. Namun tidak seluruh energi angin yang datang dapat dikonversi menjadi energi listrik. Hukum Betz menyatakan bahwa energi maksimum yang dapat dikonversi adalah sekitar 59% dari total energi kinetik angin (De Vries 1983).
Komponen-komponen utama turbin angin adalah generator, d, rotor, dan menara. Sudu atau blade berputar akibat adanya energi kinetik dari angin menuju blade tersebut. Perputaran blade mengakibatkan perputaran pada rotor lalu energi mekanik dari rotor diubah oleh generator untuk menghasilkan listrik.
Gambar 1 Jenis turbin angin aksis horizontal (HAWT) dan turbin angin aksis vertikal (VAWT) (Morthorst et al. 2002)
Berdasarkan sumbu putarnya, turbin angin terbagi atas 2 jenis yaitu turbin angin aksis horizontal dan turbin angin aksis vertikal. Turbin angin aksis horizontal adalah tipe turbin angin yang umum dijumpai. Pada tipe aksis horizontal, rotor
4
tegak lurus dengan arah datangnya angin. Sementara itu pada tipe aksis vertikal, rotor berputar sejajar dengan arah datang angin. Contohnya adalah tipe savonius dan darrius.
Model yang dikembangkan pada turbin angin didasarkan pada pemodelan aerodinamik. Pemodelan aerodinamik digunakan untuk menentukan tinggi menara optimum, sistem kontrol, jumlah blade, dan bentuk blade (Goudarzi 2013).
Daya yang bisa dihasilkan oleh energi angin dapat dihitung dengan pendekatan energi kinetik angin dan laju massa angin. Energi kinetik angin dapat dihitung dengan rumus berikut.
�� = × �
Massa dan kecepatan angin dinyatakan dalam huruf dan �. Laju aliran massa yang melalui turbin angin dapat dinyatakan dala persamaan berikut.
̇ = � × � ×
Luas penangkap udara dan massa jenis udara masing-masing dinyatakan dalam � dan . Satuan dari laju aliran massa ( ̇) adalah kilogram/detik. Sehingga didapat daya teoritis turbin angin dengan persamaan berikut.
� = � × × �
Daya teoritis dinyatakan dengan huruf P. Daya teoritis merupakan hasil perkalian dari luas tangkap angin, massa jenis udara, dan kecepatan angin.
Wind Lens
Wind lens merupakan suatu komponen untuk meningkatkan kecepatan angin dengan cara menangkap dan mengonsentrasikan angin lokal dalam suatu mekanisme yang disebut dengan wind-lens effect (Ohya et al. 2008).
Gambar 2 Wind lens buatan Yuji Ohya pada turbin angin (Ohya et al. 2008) Kecepatan angin ditingkatkan untuk meningkatkan daya yang dihasilkan karena dari rumus daya yang bisa dihasilkan oleh turbin angin dapat dilihat bahwa daya proporsional dengan pangkat tiga dari kecepatan angin. Penggunaan wind lens
5
untuk turbin angin mampu meningkatkan daya 4 kali lebih besar dibandingkan dengan turbin angin tanpa wind lens (Ohya et al. 2008).
Gambar 3 Tipe selubung berdasarkan struktur rongga (Ohya et al. 2008) Ada 3 jenis struktur rongga pada selubung turbin angin, yaitu tipe nozzle, tipe cylindrical, dan tipe diffuser (Ohya et al. 2008). Dilihat dari Gambar 3, masing- masing tipe memiliki perbedaan rasio antara diameter inlet dan diameter outlet. Tipe nozzle memiliki diameter inlet yang lebih besar daripada outlet sehingga kecepatan angin menurun di inlet lalu semakin kencang pada bagian outlet. Tipe diffuser memiliki diameter outlet yang lebih besar daripada diameter inlet sehingga kecepatan angin sudah ditingkatkan di inlet. Wind lens pada penelitian ini merupakan komponen yang menyelubungi turbin angin dengan bentuk diffuser. Diffuser yang dibuat memiliki brim yang dapat menciptakan vortex pada bagian belakangnya.
Diffuser pada Turbin Angin
Gilbert dan Foreman (1983) pernah melakukan penelitian tentang diffuser untuk peningkatan kinerja turbin angin. Pemasangan diffuser dilakukan pada model turbin angin dan diuji secara eksperimental. Penelitian tersebut tidak begitu menarik perhatian pada masa itu. Setelah semakin berkembangnya aplikasi-aplikasi dalam analisis numerik maupun simulasi-simulasi, penelitian terhadap peningkatan kinerja turbin angin juga semakin banyak dan semakin berkembang.
Ohya et al. (2008) melakukan penelitian terhadap bentuk diffuser untuk peningkatan kinerja turbin angin. Dalam penelitiannya, diffuser yang dilengkapi dengan brim mampu meningkatkan kinerja turbin angin secara signifikan. Ohya et al. (2008) menemukan bahwa semakin panjang diffuser atau semakin besar rasio panjang diffuser terhadap diameter inlet diffuser (rasio L/D) dapat meningkatkan kinerja atau daya yang dihasilkan turbin angin. Rasio L/D diatas 3 menunjukkan nilai peningkatan kinerja turbin angin yang sangat drastis (Ohya et al. 2008). Penelitian Kosasih dan Tondelli (2012) juga telah menunjukkan bahwa
6
penambahan diffuser pada turbin angin mampu meningkatkan daya hingga 56% lebih tinggi daripada turbin angin tanpa selubung.
Namun, pemakaian diffuser yang panjang akan sangat menyulitkan untuk diaplikasikan dalam skala besar atau diaplikasikan pada turbin angin di lapangan. Oleh karena itu, Ohya dan Karasudani (2010) juga melakukan penelitian pada diffuser tipe compact. Ukuran panjang diffuser lebih kecil dan besarnya menyelimuti turbin angin saja. Skema wind lens atau diffuser tipe compact dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 4 Diffuser dengan tipe compact-brimmed (Ohya dan Karasudani 2010) Ohya dan Karasudani (2010) melakukan pengujian terhadap diffuser tipe compact dengan beberapa jenis rasio dimensi. Ohya dan Karasudani (2010) mengkategorikan tipe compact dengan Lt (panjang diffuser) sama dengan 0.1D sampai dengan 0.4D. Beberapa rasio tinggi brim terhadap diameter inlet diffuser pada pengujian Ohya dan Karasudani (2010) ditentukan dengan h/D lebih kecil dari 0.2. Hasil dari pengujian Ohya dan Karasudani (2010) menunjukkan bahwa daya yang dihasilkan oleh turbin angin setelah pemasangan compact-brimmed diffuser meningkat hingga 1.9 sampai 2.4 kali dibandingkan dengan daya yang dihasilkan turbin angin tanpa wind lens.
Brim pada Wind Lens
Brim berada pada bagian pinggiran di belakang diffuser. Brim berbentuk cincin dan dapat diaplikasikan di bagian belakang wind lens.
7
Brim digunakan untuk menghasilkan pusaran angin yang disebut vortex pada bagian belakang wind lens.
Gambar 6 Sketsa pembentukan vortex oleh brim pada wind lens (Ohya dan Karasudani 2010)
Dari Gambar 6 dapat dilihat bahwa adanya brim dapat menahan aliran angin datang sehingga terbentuk pusaran angin di belakang brim yang terdapat pada wind lens. Pusaran angin atau yang disebut dengan vortex menciptakan suatu area dengan tekanan yang rendah. Tekanan yang rendah pada area belakang wind lens akan mengakibatkan peningkatan kecepatan angin pada inletwind lens tersebut sehingga diharapkan bahwa daya yang dihasilkan turbin angin semakin meningkat.
Tinggi brim dapat mempengaruhi kinerja turbin angin. Ohya et al. (2008) melakukan pengujian pada rasio tinggi brim dengan diameter diffuser terhadap kinerja turbin angin. Rasio tinggi brim terhadap diameter inlet diffuser (rasio h/D) yang paling efektif dalam peningkatan kinerja turbin angin adalah sebesar 0.25 untuk diffuser yang panjang (Ohya et al. 2008).
Simulasi terhadap diffuser dengan perubahan sudut brim (flange) telah dilakukan pada penelitian Kale et al. (2014). Kale et al. (2014) melakukan simulasi CFD terhadap diffuser tipe compact-brimmed yang mengacu pada penelitian Ohya dan Karasudani (2010). Hasil simulasi CFD menunjukkan adanya peningkatan kecepatan angin dari 9.6 m s-1 menjadi 10 m s-1 akibat perubahan sudut brim hingga
perubahan kemiringan sebesar 10° dari brim tegak (sudut 90°) . Pembentukan Vortex
Vortex merupakan pusaran angin yang terbentuk di sekitar suatu benda akibat adanya benda yang menghalangi aliran suatu fluida dengan kecepatan tertentu (Sakamoto dan Haniu 1990). Pada wind lens pembentukan vortex berguna untuk menciptakan area dengan tekanan rendah sehingga kecepatan angin pada daerah inlet bisa meningkat.
Aliran fluida yang terbentuk dengan bilangan Reynold yang tinggi atau terjadinya turbulensi dapat menciptakan vortex yang kompleks (Ohya 2014). Jika
8
suatu plat datar diletakkan tegak lurus terhadap suatu aliran maka vortex akan terbentuk sejajar dengan sisi plat tersebut (Ohya et al. 1986).
Pada penelitian Peterka et al. (1985) telah didapatkan pola aliran rata-rata dan vortex pada suatu benda. Dengan pemberian asap (smoke flow) dan analisis kinematik, didapat aliran-aliran seperti pada Gambar 7 .
Gambar 7 Pola aliran angin pada suatu benda padat (Peterka et al. 1985) Peterka et al. (1985) menyatakan bahwa vortex bisa terbentuk akibat adanya turbulensi angin. Vortex bisa terbentuk di depan maupun di belakang benda. Vortex yang terbentuk di depan benda dapat mengakibatkan turbulensi dan menciptakan vortex atau menciptakan adanya aliran balik (Peterka et al. 1985).
Pada wind lens, pembentukan vortex mengakibatkan adanya daerah yang bertekanan rendah di belakang brim sehingga kecepatan angin dapat ditingkatkan. Namun, ada kemungkinan bahwa angin yang cepat juga menciptakan terjadinya vortex pada bagian depan brim yang bisa menghalangi kecepatan angin datang.