Bab II
Tinjauan Pustaka
2.1 Energi Angin
Atmosfer yang menyelimuti bumi mengandung berbagai macam molekul gas dan tersusun atas beberapa lapisan. Lapisan atmosfer yang paling rendah adalah troposfer yang sangat tipis dibandingkan dengan diameter bumi. Bumi memiliki diameter 12.000 km sedangkan troposfer memiliki tebal sekitar 11 km. Semua peristiwa cuaca terjadi pada lapisan troposfer, termasuk angin.
Energi angin adalah energi yang terkandung dalam massa udara yang bergerak. Energi angin berasal dari energi matahari, pemanasan bumi oleh sinar matahari menghasilkan angin. Secara umum, angin yang terjadi di permukaan bumi dibedakan menjadi dua yaitu angin global dan angin lokal.
2.1.1 Asal Energi Angin
Hampir semua energi terbarukan (kecuali energi pasang surut dan panas bumi) bahkan energi fosil berasal dari energi matahari. Matahari meradiasikan 1,74 × 1017 joule energi ke permukaan bumi pada setiap detiknya. Sekitar 1% hingga 2% dari energi yang datang dari matahari diubah menjadi bentuk energi angin.
2.1.2 Pengukuran Angin
Parameter yang diukur dari angin umumnya adalah kecepatan dan arah angin, sedangkan kelembaban dan tekanan tidak berpengaruh besar pada proses konversi energi angin. Kecepatan angin diukur dengan menggunakan anemometer, jenis anemometer mangkok adalah yang umum digunakan.
Griggs-Putnam membuat indeks kecepatan angin berdasarkan deformasi yang terjadi pada pohon seperti tampak pada gembar berikut:
Gambar 2.1 Flagging, efek dari angin yang kuat pada vegetasi dapat menentukan kelas kekuatan angin
Tabel 2.1 Indeks deformasi Griggs-Putnam
Indeks I II III IV V VI VII mph 7 – 9 9 – 11 11 – 13 13 – 15 15 – 18 16 – 21 21+ Kecepatan
Angin m/s 3 – 4 4 – 5 5 – 6 6 – 7 7 – 8 8 – 9 10+
2.1.3 Pengaruh ketinggian instalasi terhadap kecepatan angin
Dalam ilmu mekanika fluida, aliran di atas pelat datar luas tak terhingga adalah seragam namun terdistribusi terhadap ketinggian atau jarak dari permukaan. Distribusi kecepatan fluida di atas permukaan adalah karena asumsi bahwa antara permukaan dan fluida yang terdekat dengan permukaan tidak terjadi slip, yang terjadi hanya geseran fluida dengan fluida yang berada pada lapisan diatasnya. Daerah dimana kecepatan aliran lebih kecil dari kecepatan aliran bebas dinamakan lapisan batas (boundary layer). Pada daerah ini lapisan yang letaknya lebih rendah memiliki kecepatan aliran yang lebih rendah pula dibandingkan dengan lapisan yang letaknya
lebih tinggi. Hal ini terjadi pada angin, dimana angin mengalami distribusi kecepatan dari dasar hingga ketinggian tertentu.
Distribusi kecepatan angin terhadap ketinggian tentu mempengaruhi berapa besar daya yang dapat diserap turbin angin pada ketinggian tertentu. Semakin tinggi menempatkan turbin angin maka akan semakin besar pula daya yang dapat ditangkap oleh turbin angin. Hal ini ditunjukkan pada grafik berikut:
◦ U.S. Department of Energy [2] Gambar 2.2 Pengaruh ketinggian terhadap daya
2.1.4 Dimana Sebaiknya Menempatkan Turbin Angin
Untuk mengetahui atau memilih tempat yang tepat untuk menempatkan turbin angin perlu dilakukan pengkajian terlebih dahulu. Yang utama diperhatikan adalah
bagaimana intensitas angin di daerah tersebut dan arah angin di lokasi tersebut. Memperhatikan kondisi bengunan atau medan di sekitar lokasi. Sangat mungkin kondisi angin di satu lokasi akan berbeda secara signifikan hanya dengan menggesernya beberapa ratus meter.
Ada tempat-tempat yang baik untuk menempatkan turbin angin yang terbentuk secara alami oleh alam. Puncak bukit adalah satu diantara tempat yang baik untuk menempatkan turbin angin, terlebih jika kemiringan bukit tidak tinggi. Garis jalur angin akan merapat di puncak bukit dan kecepatan angin bertambah sehingga akan memberikan daya yang besar bagi turbin angin. Namun perlu diperhatikan kemiringan dan medan di hadapan turbin angin. Jika ada bentuk yang mengganggu jalur angin sehingga terjadi turbulensi, maka hal ini akan berpengaruh negatif pada turbin angin. Lembah yang diapit oleh dua lereng yang arah lembah tersebut sejajar dengan arah angin, maka akan memberikan efek saluran (tunnel effect). Tunnel effect yang dimaksud adalah ketika angin yang melalui celah lembah mengalami peningkatan kecepatan karena penyempitan saluran. Dataran yang luas juga menjadi tempat yang baik untuk menempatkan turbin angin. Kendati tidak terjadi efek yang menaikkan kecepatan angin, namun tidak ada yang menggaggu stremline angin.
Untuk menempatkan turbin angin di daerah pemukiman, ada beberapa hal yang harus diperhatikan untuk mendapatkan lokasi yang tepat untuk menempatkan turbin angin. Jika ada bangunan, sebaiknya turbin angin diletakkan upwind dari bangunan atau berada di depan bangunan relatif terhadap arah angin. Jika terdapat banyak bangunan, maka aturan umum yang digunakan untuk mendapatkan tempat penempatan yang optimal adalah:
1. berjarak dua kali tinggi bangunan di depan bangunan 2. berjarak 20 kali tinggi bangunan di belakang bangunan
3. ketinggian dua kali tinggi bangunan untuk lokasi turbin angin di belakang bangunan
bangunan Arah angin 2H H 20H 2H
◦ U.S. Department of Energy [2]
Gambar 2.3 Daerah gangguan turbulensi angin oleh bangunan
2.2 Jenis-Jenis Turbin Angin
Turbin angin sebagai mesin konversi energi angin dapat digolongkan pertama berdasarkan prinsip aerodinamik yang dimanfaatkan rotornya dan kedua berdasarkan konstruksinya. Berdasarkan prinsip aerodinamik yang digunakan, turbin angin dibagi menjadi 2 kelompok yaitu:
1. Jenis Drag (prinsip konversi energi memanfaatkan selisih koefisien drag) 2. Jenis Lift (prinsip konversi energi memanfaatkan gaya lift)
Sedangkan bila dibedakan berdasarkan arah sumbu rotasi rotor, turbin angin dibagi menjadi dua kelompok yaitu:
1. Turbin angin sumbu vertikal
2. Turbin angin sumbu horizontal/ Turbin angin aksial
Pengelompokan berdasarkan prinsip aerodinamik pada rotor yang dimaksud adalah apakah turbin angin menangkap energi angin dengan hanya memanfaatkan gaya drag dari aliran udara yang melalui rotor, atau memanfaatkan gaya lift yang dihasilkan dari aliran udara yang melalui penampang aerodinamis sudu. Dua kelompok ini memiliki perbedaan yang jelas pada kecepatan putar rotornya. Rotor turbin angin jenis drag berputar dengan putaran rendah sehingga disebut juga turbin angin putaran rendah. Rotor turbin angin jenis lift pada umumnya berputar pada kecepatan tinggi jika dibandingkan dengan jenis drag sehingga disebut juga sebagai turbin angin putaran tinggi.
Turbin angin digolongkan menjadi dua kelompok berdasarkan arah sumbu rotornya yaitu turbin angin sumbu vertikal dan turbin angin aksial atau turbin angin sumbu horizontal. Turbin angin sumbu vertikal memiliki sudu yang bergerak pada sumbu putar yang tegak lurus dengan tanah. Turbin angin aksial atau turbin angin sumbu horizontal memiliki sudu yang berputar pada sumbu putar yang sejajar dengan tanah. Ada beberapa rancangan untuk masing-masing tipe, dan masing-masing memiliki keuntungan dan kekurangan.
2.2.1 Turbin Angin Sumbu vertikal
Turbin angin sumbu vertikal adalah jenis turbin angin yang pertama dibuat manusia. Pada awalnya putaran rotornya hanya memanfaatkan efek magnus yaitu karena adanya selisih gaya drag pada kedua sisi rotor sehingga menghasilkan momen gaya terhadap sumbu putar rotor. Satu diantara contoh turbin angin sumbu vertikal jenis drag adalah turbin angin savonius, terdiri dari dua atau tiga lembar pelat yang dilengkungkan pada arah tangensial yang sama terhadap sumbu putar.
Turbin angin sumbu vertikal modern menerapkan bentuk yang aerodinamis pada rotornya untuk menghasilkan momen gaya. Contohnya adalah turbin angin Darrieus. Pada turbin angin Darrieus, sudu dibentuk melengkung dan berputar menyapu ruangan seperti tali yang berputar pada sumbu vertikal. Hal ini menyebabkan bentuk geometri sudunya rumit dan sulit untuk dibuat. Rotor turbin angin Darrieus pada umumnya terdiri atas dua atau tiga sudu. Variasi dari turbin angin Darrieus adalah yang disebut dengan Turbin angin H. Tersusun dari dua atau tiga sudu lurus yang dihubungkan dengan struktur rangka ke poros.
Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal adalah sederhana dalam perancangannya, diantaranya memungkinkan menempatkan komponen mekanik dan komponen elektronik, transmisi roda gigi dan generator dekat dengan permukaan tanah. Rotor turbin angin sumbu vertikal berputar tanpa dipengaruhi arah angin sehingga tidak mebutuhkan mekanisme pengatur arah seperti pada turbin angin aksial.
- Erich Hau [3]
Gambar 2.4 Varian turbin angin sumbu vertikal
Pada penerapannya, turbin angin savonius digunakan pada keperluan kecil dan sederhana, terutama untuk memutar pompa air. Turbin angin savonius tidak sesuai digunakan untuk pembangkit listrik dikarenakan tip speed ratio dan faktor daya yang relatif rendah. Dengan rancangan aerodinamik yang optimal, turbin angin savonius akan mencapai faktor daya yang terbesar 0,25. Turbin angin Darrieus dapat digunakan untuk pembangkit listrik karena memiliki putaran yang lebih tinggi dan faktor daya yang lebih besar dibandingkan turbin angin savonius.
2.2.2 Turbin Angin Aksial
Turbin angin aksial atau turbin angin sumbu horizontal mempunyai konstruksi yang khas, yaitu sumbu putar terletak sejajar dengan permukaan tanah, selain itu sumbu putar rotornya selalu searah dengan arah angin. Konsep turbin angin aksial adalah menyerupai baling-baling yang menangkap energi angin dan mengubahnya menjadi energi gerak rotasi poros.
Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin, turbin angin aksial dibedakan menjadi dua macam yaitu:
1. Upwind
2. Downwind
Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi arah datang angin.
Arah angin
Upwind downwind
Gambar 2.5 Turbin angin jenis upwind dan downwind
Terdapat beberapa karakteristik pada pengembangan turbin angin aksial yang menjadi perhatian besar dalam perancangannya, diantaranya:
1. Pada rancangan rotor, putaran rotor dan daya output dapat dikendalikan dengan mengatur sudut pitch (yaitu sudut kemiringan sudu terhadap bidang tangensial putaran rotor). Lebih dari itu, pengaturan sudut pitch sudu rotor adalah cara yang paling efektif untuk mengatasi kecepatan angin yang terlalu tinggi dan kondisi angin yang ekstrim, terutama pada turbin angin berukuran besar.
2. Kinerja turbin angin sangat dipengaruhi oleh aspek aerodinamis sudu. Bentuk sudu yang aerodinamis akan memberikan efisiensi yang tinggi. Efisiensi yang besar akan diperoleh jika gaya lift yang dihasilkan besar dan gaya drag kecil. Rotor pada turbin angin aksial terdiri dari sejumlah sudu yang berputar menyapu bidang yang tegak lurus dengan arah angin. Turbin angin aksial jenis
windmill memiliki sudu dengan jumlah banyak dan ukuran yang lebar, putarannya rendah dan faktor daya yang dicapai relatif rendah. Rotor turbin angin aksial modern memiliki tiga, dua, atau satu sudu yang terhubung ke poros. Bentuk sudu pada umumnya tirus atau parabolik, sudu memiliki bentuk penampang airfoil guna mendapatkan perbandingan lift terhadap drag yang besar.
2.3 Prinsip Konversi Energi Angin
Energi kinetik dalam benda bergerak dirumuskan dengan persamaan
2 2 1mv
E= (2.1)
dimana:
m = massa udara yang bergerak (kg)
v adalah kecepatan angin (m/s).
Energi kinetik yang terkandung dalam angin inilah yang ditangkap oleh turbin angin untuk memutar rotor.
Untuk menganalisis seberapa besar energi angin yang dapat diserap oleh turbin angin, digunakan teori momentum elementer betz.
2.3.1 Teori Momentum Elementer Betz
Teori momentum 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 karena sebagian energi kinetik angin diserap oleh rotor turbin angin. Pada kenyataannya, putaran rotor 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 dikonversi menjadi bentuk energi lainnya.
Dengan menganggap bahwa kecepatan udara yang melalui penampang A
adalah sebesar v, maka aliran volume udara yang melalui penampang rotor pada setiap satuan waktu adalah
(2.2) vA
V& =
dimana:
V&= laju volume udara (m3/s)
v = kecepatan angin (m/s)
A = luas area sapuan rotor (m2)
Dengan demikian, laju aliran massa dapat dirumuskan dengan persamaan: vA
m& =ρ (2.3)
dimana
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
persamaan yang menyatakan energi kinetik yang melalui penampang A pada setiap satuan waktu dapa dinyatakan sebagai daya yang melalui penampang A adalah:
A v P 3 2 1ρ = (2.4) dimana:
P = daya mekanik (Watt)
Energi kinetik dapat diambil dari angin dengan mengurangi kecepatannya. Artinya kecepatan udara di belakang rotor akan lebih rendah daripada kecepatan udara di depan rotor. Energi mekanik yang diambil dari angin setiap satuan waktu didasarkan dari perubahan kecepatannya dapat dinyatakan dengan persamaan:
) ( 3 2 3 1 1 2 1 3 2 2 2 1 3 1 1 2 1 Av Av A v v P= ρ − ρ = ρ − (2.5) dimana:
P = daya yang diekstraksi (Watt) ρ = massa jenis udara (kg/m2)
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)
dengan asumsi massa jenis tidak mengalami perubahan, maka sesuai hukum kontinuitas sebagai berikut:
2 2 1 1v Av A
ρ
ρ
= (2.6) • Erich Hau [3]Gambar 2.6 Kondisi aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik aliran bebas maka: ) ( 1 2 2 1m v v P= & − (2.7)
dari persamaan tersebut dapat disimpulkan bahwa daya terbesar yang diambil dari angin adalah jika v2 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 v2 semakin kecil, atau dengan kata lain rasio
v1/v2 harus semakin besar.
Persamaan lainnya yang diperlukan untuk mencari besarnya daya yang dapat diambil adalah persamaan momentum
(2.8) ) (v1 v2 m F = & − dimana: F = gaya (N)
sesuai dengan hukun ke-2 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 ke arah yang berlawanan dengan arah gerak udara. Daya yang diperlukan untuk menghambat aliran udara adalah:
' ) ( ' m v1 v2 v Fv P= = & − dimana:
v’ = kecepatan aliran udara pada rotor (m/s)
Kedua persamaan diatas digabungkan menunjukkan hubungan ' ) ( ) ( 1 2 2 2 2 1 2 1m& v −v =m& v +v v sehingga ) ( ' 21 v1 v2 v= + (2.9)
maka kecepatan aliran udara ketika melalui rotor adalah 2
) (
' v1 v2
v= + (2.10)
laju aliran massa menjadi ) ( ' 21 A v1 v2 Av m& =
ρ
=ρ
+ (2.11) dengan:m& = laju aliran massa udara (m3/s) ρ= massa jenis udara (kg/s)
A = luas area sapuan rotor (m2)
v1= kecepatan aliran udara sebelum melewati rotor (m/s)
v2= kecepatan aliran udara setelah melewati rotor (m/s)
2.3.2 Koefisien Daya
Koefisien daya adalah hal penting dalam merancang turbin angin karena menunjukkan berapa besar energi angin yang dapat diekstraksi dari energi kinetik angin yang melalui penampang rotor. Koefisien daya sangat mempengaruhi kinerja turbin angin, dan koefisien daya dipengaruhi oleh konstruksi turbin angin dan prinsip konversi energinya.
Keluaran daya dari rotor dinyatakan dengan ) )( ( 2 1 2 2 2 1 4 1 A v v v v P= ρ − + (2.12)
sedangkan daya yang melewati penampang rotor adalah A v P 3 1 2 1 0 = ρ (2.13)
perbandingan antara daya luaran motor terhadap daya total yang melalui penampang rotor disebut koefisien daya cp.
A v v v v v A P P cp 3 1 2 1 2 1 2 2 2 1 4 1 0 ) )( (
ρ
ρ
− + = = [3](2.14) dimana:cp= koefisien daya (power coefficient)
P = Daya mekanik yang dihasilkan rotor (Watt)
P0 = Daya mekanik total yang terkandung dalam angin yang melalui A (Watt)
persamaan diatas disederhanakan menjadi
1 2 2 1 2 2 1 0 1 1 v v v v P P cp ⎟⎟ ⋅ + ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = = [3](2.15)
dengan memasukkan nilai v2/v1, maka cp dapat disajikan dalam bentuk gambar 2.7.
- Erich Hau [3]
dengan demikian cp akan bernilai maksimum jika v2/v1 = 1/3, ini disebut dengan
Betz’s limit, dimana nilai koefisien daya tidak akan melebihi nilai ideal yaitu sebesar 0.593.
2.3.3 Gaya Aerodinamik Pada Rotor
Ada dua macam gaya yang menggerakkan rotor pada turbin angin, yaitu gaya
lift dan drag. Gaya lift adalah gaya pada arah tegak lurus arah aliran yang dihasilkan ketika fluida bergerak melalui benda yang berpenampang airfoil. Jika penampang
airfoil menyapu udara dengan kecepatan tertentu maka tekanan udara pada bagian
atas sayap akan lebih kecil dari bagian bawah pesawat, hal ini menyebabkan adanya gaya angkat pada sayap tersebut yang disebut gaya lift. Sedangkan gaya drag adalah gaya hambat yang arahnya berlawanan dengan arah gerak benda.
Turbin angin jeneis drag umumnya memiliki koefisien daya yang relatif rendah karena banyak terjadi rugi-rugi yang ditimbulkan oleh turbulensi yang terjadi. Kecepatan putar rotornya juga relatif rendah. Turbin angin jenis lift memiliki koefisien daya yang relatif besar dan kecepatan sudut rotor yang relatif tinggi dibandingkan dengan turbin angin jenis drag.
Gaya lift dan drag bergantung pada koefisien lift CL dan koefisien drag CD,
juga berbanding lurus dengan kecepatan angin. Luas penampang sudu dan sudut serang juga mempengaruhi besarnya gaya lift L dan drag L yang timbul. Lift dan drag
dapat dihtung dengan menggunakan persamaan:
2 2 Av C L= L ρ [3](2.16) dan 2 2 Av C D= D ρ [3](2.17) dimana: L = gaya lift (N) D = gaya drag (N)
A = luas penampang (m2)
v = kecepatan udara (m/s)
• Erich Hau [3]
Gambar 2.8 Gaya aerodinamik yang dialami sudu ketika dilalui aliran udara
2.4 Merancang Rotor
Rotor terdiri dari komponen yang keseluruhannya berputar ketika beroperasi. Tempat terjadinya ekstraksi energi kinetik angin menjadi energi mekanik rotasi rotor.
2.4.1 Pemilihan Diameter Rotor dan Jumlah Sudu
Diameter rotor yang dipilih berkaitan dengan besar luaran daya yang diinginkan. Hugh Piggots[6] merumuskan persamaan untuk menentukan diameter rotor jika daya dan putaran generator telah diketahui:
3 5 47 D P n λ ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (2.18) dimana: D = diameter rotor (m)
λ= tip speed ratio
Selain luaran daya, kecepatan angin mula juga menjadi pertimbangan pemilihan diameter rotor. Semakin besar diameter rotor, maka kecepatan angin minimal yang diperlukan untuk memutar rotor menjadi lebih kecil.
Pemilihan jumlah sudu berkaitan dengan rasio kecepatan ujung (tip speed
ratio) yang diinginkan dan juga aspek keindahan. Jumlah sudu yang besar akan
menghasilkan tip speed ratio yang kecil, sedangkan jumlah sudu yang lebih sedikit akan mengasilkan tip speed ratio yang besar. Jumlah sudu yang umum pada turbin angin adalah satu sudu, dua sudu, atau tiga sudu, namun ada juga yang menggunakan hingga 20 sudu.
2.4.2 Tip speed ratio
Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin bebas. Untuk kecepatan angin nominal yang tertentu, tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan putar rotor. Turbin angin tipe lift akan memiliki tip speed ratio yang relatif lebih besar dibandingkan dengan turbin angin tipe drag.
Tip speed ratio dihitung dengan persamaan: v Dn 60 π λ= (2.19) dengan:
λ = tip speed ratio D = diameter rotor (m)
n = putaran rotor (rpm)
v = kecepatan angin (m/s)
Grafik berikut menunjukkan variasi nilai tip speed ratio dan koefisien daya cp
- Erich Hau [3]
Gambar 2.9 Nilai koefisien daya dan tip speed ratio untuk berbagai turbin angin
2.4.3 Profil Airfoil
Profil airfoil adalah elemen penting dalam konversi energi angin. Profil airfoil
memberikan nilai koefisien drag yang kecil jika dibandingkan dengan lift yang diberikan. Terdapat beberapa variabel yang dinyatakan dalam menggambarkan bentuk airfoil diantaranya panjang profil airfoil (chord), ketebalan (thickness), dan kelengkungan (chamber). Bentuk airfoil untuk turbin angin pada umumnya melengkung pada bagian atas dan lebih datar atau bahkan cekung pada bagian bawah, ujung tumpul pada bagian depan dan lancip pada bagian belakang. Bentuk airfoil
yang demikian menyebabkan kecepatan udara yang melalui sisi atas akan lebih tinggi dari sisi bawah sehingga tekanan udara di bagian atas akan lebih kecil daripada kecepatan udara di bagian bawah.
Penampang sudu dengan profil airfoil memungkinkan efisiensi yang tinggi. Untuk turbin angin, profil airfoil yang digunakan bergantung pada beberapa
pertimbangan diantaranya aspek koefisien daya yang ingin dicapai, aspek keindahan, dan aspek keterbuatan.
2.4.4 Geometri Sudu
Ada empat macam bentuk sudu secara umum yaitu persegi panjang (rectangular), tirus (linear taper), tirus terbalik (reverse linear taper), tirus parabolik (parabolic taper).
Bentuk sudu tirus memiliki efisiensi yang lebih besar daripada bentuk persegi panjang, dan bentuk tirus parabolik memiliki efisiensi lebih besar daripada bentuk tirus lurus. Bentuk sudu yang memiliki efisiensi paling kecil adalah bentuk tirus terbalik, umumnya digunakan untuk pompa air ladang.
Bentuk sudu adalah fungsi dari tip speed ratio, diameter rotor, dan jumlah sudu. Elemen-elemen penting yang dipilih dalam merancang sudu adalah bentuk
planform sudu, lebar sudu (chord) c, jari-jari pangkal (root radius), tebal sudu, dan sudut pitch. Hugh Piggots memberikan formulasi untuk menentukan lebar sudu sebagai fungsi jarak dari pusat rotasi dengan persamaan:
B r R R C 2 9 ) / ( 16 λ π ⋅ ⋅ = (2.20) dengan:
C = lebar sudu (chord) (m)
R = jari-jari rotor (m)
r = jarak dari pusat rotasi (m)
B = jumlah sudu
Untuk menentukan sudut pitchβ dapat digunakan persamaan:
α λ β ⎟− ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = r R 3 2 arctan (2.21) dengan:
α = sudut serang (derajat)
R = jari-jari rotor (m)
λ = tip speed ratio
Arah angin untuk setiap elemen berbeda, disebut apparent wind direction. Besarnya apparent wind wr merupakan resultan dari kecepatan angin bebas dan
kecepatan tengensial elemen rotor. Dinyatakan dengan persamaan:
2 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = λ R r v wr (2.22) dengan:
wr = kecepatan angin resultan (m/s)
v = kecepatan angin bebas (m/s) λ = tip speed ratio
r = jarak elemen dari pusat rotasi (m)
R = jari-jari rotor (m)
Dan arah apparent wind dihitung dengan persamaan:
λ r R arctan = Φ (2.23) dengan:
ф = sudut apparent wind (derajat)
R = Jari-jari rotor (m)
r = jarak elemen dari pusat rotasi (m) λ = tip speed ratio
Gaya-gaya yang terjadi pada rotor adalah gaya tangensial dan gaya aksial. Gaya tangensial diperoleh dengan persamaan:
Φ − Φ =Lcos Dsin Ft Φ + Φ = Lsin Dcos Fa (2.24) dimana: Ft = gaya tangensial (N) Fa = gaya aksial (N) L = gaya lift (N)
D = gaya drag (N)
Ф = sudut apparent wind (derajat)
Gaya tangensial yang terjadi pada setiap stasiun direpresentasikan dalam bentuk momen gaya terhadap pusat rotasi dengan persamaan:
r Ft =
σ
(2.25) dimana: σ = momen gaya (Nm)r = jarak elemen terhadap pusat rotasi (m)
2.4.5 Fenomena Stall
Stall dapat dipahami sebagai fenomena ketika sudut serang sangat besar atau kecepatan aliran terlalu besar sehingga udara tidak bisa mengalir laminar, aliran udara tidak bisa menyentuh bagian belakang sudu sehingga terjadi separasi aliran pada bagian belakang sudu. Situasi ini secara signifikan menurunkan lift dan meningkatkan
drag sehingga putaran rotor terhambat.
Gambar 2.10 Fenomena stall pada kondisi angin dan sudut pitch tertentu menyebabkan separasi aliran udara
Fenomena stall dapat dimanfaatkan sebagai pengereman pasif maupun aktif, karena rotor akan mengurangi kecepatannya pada kecepatan angin yang tinggi. Hal ini menguntungkan, karena menghindari putaran tinggi artinya mengurangi resiko
kegagalan. Pengaturannya dilakukan secara pasif bergantung kecepatan angin maupun secara aktif menggunakan mekanisme pengatur sudut pitch.
2.5 Analisis Aliran Dengan Fluent
Sebelum rotor benar-benar dibuat, perlu dibuat simulasi untuk mengetahui kondisi aliran di sekirat rotor dan kondisi pembebanan pada rotor akibat dari kondisi aliran tersebut. Computerize Fluid Dynamic (CFD) adalah program komputer yang digunakan untuk menghitung dan mendapatkan kondisi aliran dalam bidang atau volume geometri tertentu.
Program Fluent tidak bisa digunakan untuk keseluruhan proses secara mandiri, tetapi terstruktur dengan program komputer lainnya.
GAMBIT - Membuat Geometri - generasi mesh Paket CAD/CAE lain Tgrid - mesh segitiga 2D - mesh tetrahedral 3D - meh campuran 2D atau 3D FLUENT - import mesh - model fisik - kondisi batas - sifat material - perhitungan - postprocessing prePDF -perhitungan PDF look-up tables File PDF Mesh 2D/3D mesh
Boundary mesh Boundary meshdan/atau
Volume mesh
Geometri atau mesh
mesh Gambar 2.11 Struktur dasar Fluent
Program yang dapat digunakan untuk membuat geometri sebagai input bagi Fluent diantaranya Gambit. Gambit dapat membuat geometri dan meshing dalam bentuk 2 dimensi maupun 3 dimensi. Geometri yang telah dibuat di-export dalam file
dengan extension ‘.msh’. File ini kemudian di-import ke dalam program Fluent sebagai masukan kondisi geometri dan mesing yang akan dianalisis aliran fluidanya.
2.5.1 Pembuatan Grid dengan Gambit
Gambit adalah paket perangkat lunak yang dirancang untuk membangun model dan melakukan meshing pada model tersebut sebagai input bagi aplikasi analisis dinamika fluida atau computational fluid dynamics (CFD) dan aplikasi sains lainnya. Gambit menerima input dari pengguna melalui graphical user interface
(GUI). GUI pada Gambit membuat langkah dasar membangun, meshing, dan menyesuaikan jenis zona pada model menjadi sederhana dan intuitif.
2.5.2 Analisis aliran dengan fluent
Untuk memecahkan suatu masalah aliran fluida, tahapan yang dilakukan adalah:
1. Membuat geometri model dan grid
2. Memulai solver yang cocok untuk pemodelan 2D atau 3D 3. Mengimpor grid
4. Melakukan pengecekan grid
5. Memilih formulasi solver
6. Menentukan persamaan dasar yang akan dihitung diataranya: laminar atau turbulen, zat kimia atau reaksi kimia, model perpindahan panas, dan lain-lain. Mengenali model tambahan yang dibutuhkan sperti: fan, penukar panas, media keropos.
7. Menentukan sifat material 8. Menentukan kondisi batas
9. Mengatur parameter pengendali solusi 10.Menginisialisasi aliran
11.Menghitung solusi 12.Memeriksa hasil 13.Menyimpan hasil
14.Jika diperlukan, perhalus grid atau pertimbangkan revisi untuk model numerik atau fisik
Langkah 1 pada proses memerlukan perangkat pemodelan (modeler) dan pembangun grid (grid generator). Pemodelan geometri dan membangun grid dapat menggunakan program gambit atau sistem CAD yang terpisah untuk pemodelan dan pembuatan grid.
2.6 Sistem Transmisi Daya
Ketika putaran rotor dan daya motor sudah ditentukan, maka generator yang digunakan dipilih. Generator yang tersedia di pasaran memiliki karakteristik yang berbeda satu sama lain. Setiap generator memiliki kondisi kerja masing-masing meliputi: putaran kerja nrate, daya kerja Nrate, peak ratio, dan sebagainya. Untuk
meneruskan daya yang dihasilkan rotor ke generator, perlu sistem transmisi yang konfigurasinya disesuaikan dengan kebutuhan daya yang ditransmisikan, putaran, dan konfigurasi turbin angin.
2.6.1 Pemilihan Sistem Transmisi Daya
Sistem transmisi daya dapat dikelompokkan menjadi tiga kelompok menurut rasio putaran masukan dan keluarannya yaitu:
1. Direct Drive
2. Speed Reducing
3. Speed Increasing
Direct drive yang dimaksud adalah transmisi daya langsung dengan
menggunakan poros dan pasangan kopling. Yang penting dalam sistem transmisi
direct drive adalah tidak ada penurunan atau peningkatan putaran. Sistem transmisi
speed reducing adalah sistem transmisi daya dengan penurunan putaran, putaran
keluar lebih rendah daripada putaran masuk. Sistem transmisi ini digunakan untuk meningkatkan momen gaya. Yang terakhir adalah sistem transmisi speed increasing, yaitu putaran keluar lebih tinggi dari putaran masuk, terjadi kenaikan putaran dengan konsekuensi momen gaya keluar menjadi lebih kecil.
Pada penerapannya, sistem transmisi direct drive hanya menggunakan poros dan kopling jika diperlukan. Konstruksi direct drive lebih sederhana dibandingkan
yang lainnya dan tidak memerlukan banyak ruang. Sedangkan untuk penerapan sistem transmisi speed reducing dan speed increasing diperlukan mekanisme pengubah putaran seperti pasangan roda gigi, atau sabuk dan puli.
Turbin angin yang putaran rotornya berada dalam selang putaran kerja generator, maka transmisi daya yang digunakan adalah direct drive, rotor menggerakkan generator secara langsung. Sedangkan transmisi pengubah putaran yang biasa digunakan adalah transmisi speed increasing karena pada umumnya putaran yang diperlukan generator lebih tinggi daripada putaran rotor.
2.7 Perancangan Konstruksi Turbin Angin
Bagian apa saja yang membangun turbin angin sangat dipengaruhi oleh banyak faktor diantaranya ukuran turbin angin, teknologi yang digunakan, biaya yang tersedia, dan banyak faktor lainnya. Namun dalam tugas akhir ini, bagian penting dari turbin angin yang akan dibuat adalah:
1. Rotor yang terdiri dari: a. Sudu
b. Batang dan Sistem pengaturan sudut pitch
c. Hub
2. Transmisi daya yang terdiri dari: a. Poros
b. Kopling
c. Mekanisme pengereman
d. Roda gigi/sabuk dan puli (Jika diperlukan) 3. Unit kelistrikan:
a. Generator
b. Rangkaian elektronik berupa kabel, slip-ring, dan lain-lain 4. Penopang
a. Rangka/base
b. Menara
5. Ekor
Ada beberapa komponen yang diperlukan untuk meningkatkan kinerja dan menambah nilai estetika diantaranya:
1. Mekanisme gerakan menggeleng turbin angin (yawing mechanism)
2. Mekanisme pengereman (pada rancangan ini memanfaatkan perubahan kedudukan ekor)
3. Hidung
2.7.1 Sudu
Tiga buah sudu terbuat dari kayu yang ringan diperkuat aluminium, batangnya dipasangkan pada hub secara memutar dengan sudut 120º antara masing-masing sudu. Proses pembuatannya dengan membuat penampang airfoil dengan chord dan sudut pitch yang sudah tertentu pada setiap selang 125 mm. Pola yang sudah terbentuk kemudian digabungkan menjadi volume yang memiliki kontur sesuai dengan profil yyang telah dibuat pada setiap stasiun.
2.7.2 Batang sudu
Batang sudu adalah bagian dari rotor yang menempel pada hub dan terhubung dengan sudu. Batang sudu ditempatkan pada area yang tidak tersapu oleh sudu. Panjang batang sudu ini dapat bervariasi bergantung pada radius terkecil sudu.
2.7.3 Hub
Hub adalah bagian tempat menempelnya tiga buah sudu dengan posisi sudut yang terbagi merata. Hub adalah bagian yang menghubungkan rotor dengan poros, artinya hub adalah bagian penting yang mentransmisikan daya mekanik dari rotor ke poros.
Dalam pembuatannya, sangat mungkin terjadi unbalance pada rotor. Massa
unbalance ini akan mengakibatkan getaran yang besar jika tidak diatasi. Satu diantara cara mengatasi unbalance adalah dengan menambahkan massa counter-balance pada
rotor, hub adalah tempat yang sesuai untuk menempatkan massa counter-balance
pada rotor.
2.7.4 Generator
Generator adalah bagian yang sangat penting dalam rantai konversi energi angin menjadi energi listrik. Ketika rotor mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik rotasi rotor, generator mengubah energi mekanik gerak rotasi rotor menjadi energi listrik.
Terdapat beberapa macam generator yang dapat digunakan. Berdasarkan arah arus yang dikeluarkan, generator dibagi menjadi dua macam yaitu:
1. Generator arus searah (DC) 2. Generator arus bolak-balik (AC)
Generator arus searah (DC) menghasilkan tegangan yang arahnya tetap dan jika dihubungkan dengan beban, akan menghasilkan arus yang searah pula. Pada umumnya generator arus searah dapat menghasilkan listrik pada putaran yang tinggi. Untuk digunakan pada turbin angin, jenis generator ini memerlukan transmisi untuk menaikkan putaran.
Generator arus balik (AC) mengasilkan tegangan yang arahnya bolak-balik dan jika dihubungkan dengan beban akan menimbulkan arus yang bolak-bolak-balik pula. Generator AC dapat menghasilkan daya pada putaran yang bervariasi bergantung pada spesifikasi generator itu sendiri.
Besar putaran minimal yang diperlukan generator AC untuk dapat menghasilkan listrik dan besar putaran kerja bergantung pada jumlah 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. Generator AC pada umumnya memiliki tiga kutub yang masing-masing kutub memiliki selisih fasa 120° satu dengan yang lainnya.
Generator yang dipilih adalah generator AC yang menggunakan magnet permanen. Generator ini disebut Permanent Magnet Generator (PMG) yang dapat
mengahasilkan daya pada putaran yang cukup rendah. PMG dipasangkan pada base (dudukan) dengan baut.
2.7.5 Rangka/base
Base yang dimaksud adalah bagian tempat dipasangkannya generator dan ekor. Pada base terdapat mekanisme gerakan menggeleng (yaw mechanism) yang terhubung ke tiang. Base dirancang mampu menanggung beban berupa gaya gravitasi dari instrumen yang menempel maupun gaya thrust oleh angin terhadap rotor. Jika terjadi unbalance pada elemen yang berotasi, maka base akan mendapat beban dinamik yang besarnya bergantung pada kondisi unbalance serta putaran sistem.
2.7.6 Ekor
Ekor berfungsi untuk menjaga arah rotor agar selalu menghadap arah angin. Ekor diletakkan di belakang, yaitu lokasi yang berlawanan dengan letak rotor terhadap sumbu yaw mechanism. Pada umumnya ekor doletakkan pada jarak yang cukup jauh dari yaw mechanism sehingga angin yang menerpa ekor cukup untuk memberinya gaya agar arahnya senantiasa menjauhi arah datangnya angin, dengan demikian rotor akan selalu menghadap arah datangnya angin secara frontal.
2.7.7 Menara
Manara adalah struktur yang paling panjang terbuat dari baja, ukuran panjangnya bergantung pada ketinggian yang dibutuhkan oleh turbin angin. Ukuran dan konstruksi tiang menyesuaikan dengan besarnya beban yang harus ditanggung menara.
Terdapat beberapa macam struktur menara yang digunakan untuk menopang turbin angin yaitu:
1. Menara massif 2. Menara Trusses
Menara massif biasanya terbuat dari beton yang diperkuat baja. Bentuk silindris menjadi ciri khas menara ini. Jenis menara ini biasa digunakan pada turbin angin berukuran besar.
Jenis kedua adalah susunan rangka baja. Menara tersusun dari batang-batang baja yang tersusun kokoh untuk menanggung beban di atasnya.
Jenis yang lainnya adalah tiang yang ditegakkan dan ditopang dengan kabel baja pada tiga atau empat sisinya. Tiang hanya menanggung beban aksial pada arah gravitasi sedangkan kabel digunakan untuk menanggung beban pada arah lainnya. Struktur ini adalah struktur yang paling sederhana dan murah dibandingkan dengan struktur lainnya.
2.7.8 Yaw mechanism
Turbin angin sumbu horizontal harus mampu menggerakkan sumbu rotor agar rotor selalu menghadap pada arah datangnya angin. Mekanisme yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan ini adalah mekanisme gerakan menggeleng atau yaw
mechanism. Mekanise gerakan menggeleng ditempatkan antara base dan tiang.
Dengan dua buah bantalan gelinding (roll bearing) dan sebuah poros, gerakan menggeleng dapat dilakukan dengan leluasa.
2.7.9 Hidung
Hidung berfungsi diantaranya untuk melindungi hub dan sambungan-sambungan pada hub dan poros dari panas dan hujan (mengurangi perusakan oleh korosi). Hidung dibuat dengan bentuk yang mengurangi drag atau generasi turbulensi pada pusat rotor karena pembelokkan arah aliran. Hidung juga dibuat untuk mempercantik penampilan turbin angin dan mengurangi tahanan angin yang terjadi jika tanpa hidung.
2.8 Sistem Kelistrikan
Sistem kelistrikan adalah bagian dari rantai konversi energi angin menjadi bentuk energi listrik. Sistem kelistrikan dapat menjadi lebih rumit dan lebih mahal daripada bagian yang lain.
Ian Woovenden [4] memberikan penyederhanaan dalam memahami sistem kelistrikan turbin angin. Sistem kelistrikan ini dibedakan menjadi:
1. sistem kelistrikan lepas dari jaringan (off-grid wind-electric system) 2. sistem kelistrikan terhubung jaringan dengan dengan baterai (grid tied
wind-electric system with battery backup)
3. sistem kelistrikan tehubung jaringan tanpa baterai (batteryless grid tied wind-electric system)
4. sistem kelistrikan langsung tanpa baterai (direct-drive batteryless wind-electric system)
2.8.1 Sistem Kelistrikan Lepas Jaringan
Sistem listrik angin lepas jaringan berbasis pada penggunaan baterai. Sistem ini dipilih jika penggunaan energi tidak terhubung dengan jaringan atau akan mahal jika terhubung dengan jaringan karena memerlukan perangkat tambahan.
Sistem lepas jaringan terbatas dalam kapasitas oleh ukuran sumber pembangkitan listrik, sumber energi angin, dan kapasitas baterai.
Dump load kontroler Turbin angin baterai inverter Beban rumah tangga
2.8.2 Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan dengan Baterai
Menghubungkan sistem kelistrikan turbin angin dengan jaringan dan baterai adalah sistem yang terbaik untuk penggunaan rumah tangga. Kapasitas listrik tidak terbatas dan kelebihan listrik dapat dijual masuk ke dalam jaringan. Ketika jaringan listrik padam, kapasitas baterai (meskipun terbatas) dan turbin tetap dapat menyuplai energi listrik untuk baban rumah tangga. Kekurangannya adalah sistem ini mahal untuk diterapkan di rumah tangga.
Turbin angin kontroler Dump load baterai inverter Switcher KWH meter Jaringan listrik Beban rumah tangga
Gambar 2.13 Sistem kelistrikan terhubung jaringan dengan baterai
2.8.3 Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan Tanpa Baterai
Menghubungkan sistem kelistrikan turbin angin dengan jaringan tanpa menggunakan baterai merupakan pilihan yang efektif untuk aspek biaya dan lingkungan. Sistem ini mengeliminasi baterai yang mahal harganya maupun pemeliharaannya, juga secara signifikan mengurangi efisiensi sistem. Kekurangan sistem ini adalah jika jaringan listrik padam, tidak ada sumber energi cadangan untuk mengatasi kekurangan listrik.
Sistem tanpa baterai dapat meningkatkan efisiensi secara signifikan jika dibandingkan dengan sistem yang menggunakan baterai. Hal ini karena inverter dapat menyesuaikan beban angin lebih baik, menjalankan turbin angin pada kecepatan maksimal dan mengekstrak energi angin lebih besar.
Turbin angin kontroler Dump load inverter Switcher KWH meter Jaringan listrik Beban rumah tangga
Gambar 2.14 Sistem kelistrikan terhubung jaringan tanpa baterai
2.8.4 Sistem Kelistrikan Tanpa Baterai
Jenis ini adalah sistem kelistrikan turbin angin yang paling umum, biasanya digunakan untuk memompa air. Turbin angin dihubungkan dengan pompa air melalui kontroler atau langsung. Ketika angin bertiup, pompa air menaikkan air ke tangki penyimpanan. Penggunaannya dapat untuk irigasi ataupun keperluan lainnya.
Turbin angin
kontroler
beban
