BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi Angin
Energi angin berasal dari matahari melalui reaksi fusi nuklir hidrogen (H) menjadi helium (He) pada inti matahari. Reaksi ini menimbulkan panas dan radiasi elektromagnetik yang dipancarkan ke segala arah. Meskipun hanya sebagian kecil dari radiasi ini yang diterima oleh bumi, tetapi hampir menyediakan seluruh kebutuhan energi di bumi. Total energi matahari yang diterima oleh bumi diperkirakan sekitar 1,8 x 1011 MW. Hanya 2% (3,9 x 109 MW) yang dikonversikan menjadi energi angin. Dan sekitar 35% energi angin ini dihamburkan pada ketinggian 1000m dari permukaan bumi. Oleh karena itu, energi angin yang tersedia hanya sekitar 1,26 x 109 MW. (Wei Tong, 2010)
Angin timbul akibat sirkulasi di atmosfer yang dipengaruhi oleh aktivitas matahari dalam menyinari bumi yang berotasi. Dengan demikian, daerah khatulistiwa akan menerima energi radiasi matahari lebih banyak daripada di daerah kutub, atau dengan kata lain, suhu udara di daerah khatulistiwa akan lebih tinggi dibandingkan dengan suhu udara di daerah kutub. Perbedaan suhu dan tekanan udara inilah yang akan menimbulkan adanya pergerakan udara. Pergerakan udara inilah yang didefinisikan sebagai angin.
2.1.1 Kondisi angin
4 5,5 - 7,9 19,6 - 28,5 10,7 - 15,4
Tabel.2.2 Tingkat kecepatan angin 10 meter diatas permukaan tanah
Kelas angin
V (m/s) Kondisi alam di daratan
1 0,00 - 0,02 ---
2 0,3 - 1,5 angin tenang, asap lurus ke atas
3 1,6 - 3,3 asap bergerak mengikuti angin
4 3,4 - 5,4 wajah terasa dingin, daun-daun bergoyang pelan,
petunjuk arah angin bergerak
5 5,5 - 7,8 debu jalan, kertas beterbangan,
ranting pohon bergoyang
6 8,0 - 10,7 ranting pohon bergoyang, bendera berkibar 7 10,8 - 13,8 ranting pohon besar bergoyang,
air plumpang berombak kecil
8 13,9 - 17,1 ujung pohon melengkung, hembusan angin terasa di telinga 9 17,2 - 20,7 jalan berat melawan arah angin
10 20,8 - 24,4 dapat mematahkan ranting pohon, rumah rubuh 11 24,5 - 28,4 dapat merubuhkan rumah, menimbulkan kerusakan 12 28,5 - 32,6 menimbulkan kerusakan parah
13 > 32,6 tornado
Sumber: nugrohoadi.wordpress.com 2.1.2 Energi kinetik angin sebagai fungsi dari kecepatan
Energi kinetik yang terkandung dalam udara yang bergerak dengan kecepatan v dapat dihitung dari persaman berikut,
Ek = ½ mv2
P = dEk / dt
P = ½ v2= ½ ρAv3 (W) (2.1) dimana pada persamaan diatas dapat kita lihat bahwa energi angin (P ; Watt) bergantung terhadap faktor-faktor seperti aliran massa udara ( ; kg/s), kecepatan angin (v ; m/s), densitas udara (ρ ; kg/m3), dan luas permukaan area efektif turbin (A ; m2 ).
2.1.3 Energi kinetik angin berdasarkan ketinggiannya dari permukaan tanah Kecepatan angin sangat dipengaruhi oleh ketinggiannya dari permukaan tanah. Semakin mendekati permukaan tanah, kecepatan angin semakin rendah karena adanya gesekan antara permukaan tanah dengan angin. Berikut adalah rumus menghitung kecepatan angin berdasarkan ketinggiannya dan jenis permukaan tanah di sekitarnya.
V = V1 (Z/Z1)1/n (2.2)
V = kecepatan angin pada ketinggian Z V1 = kecepatan angin pada ketinggian Z1 n = nilai n dipengaruhi oleh permukaan tanah
Tabel.2.3 Nilai n berdasarkan jenis permukaan tanah
Jenis pemukaan tanah n 1/n
2.2 Potensi Angin di Indonesia
dari 7 m/s pada ketinggian 10 m). Berdasarkan data kecepatan angin di berbagai wilayah, sumberdaya energi angin Indonesia berkisar antara 2,5 – 5,5 m/s pada ketinggian 24 meter di atas permukaan tanah. Dengan kecepatan tersebut sumberdaya energi angin Indonesia termasuk dalam kategori kecepatan angin kelas rendah hingga menengah. Secara keseluruhan, potensi energi angin Indonesia diperkirakan mencapai 9.290 MW. Wilayah yang mempunyai potensi angin cukup besar adalah Nusa Tenggara, Sumatera Selatan, Jambi dan Riau. Saat ini pemanfaatan energi angin untuk pembangkit listrik masih terbatas pada pilot projects dengan kapasitas terpasang sekitar 500 kW. Berdasarkan data kecepatan angin Indonesia yang relatif rendah, aplikasi tenaga angin Indonesia sesuai untuk pengembangan dengan skema Pembangkit Skala Kecil tersebar dengan kapasitas maksimum sekitar 100 kW per turbin (Indonesia Energy Outlook, 2010).
Tabel.2.4 Potensi energi terbarukan di Indonesia
Jenis energi Sumber daya Setara Kapasitas terpasang
Air 845 x 106 BOE 75,7 GW 4200 MW
Panas bumi 219 x 106 BOE 27,0 GW 800 MW
Mini/Mikrohidro 458 MW 458 MW 84 MW
Biomassa 49,81 GW 49,8 GW 302,4 MW
Surya 4,8 kWh/m2/hari --- 8,0 MW
Angin 9,29 GW 9,3 GW 0,5 MW
Keterangan: BOE = Barrel Oil Equivalent Sumber: DESDM, 2005
Angin di wilayah Indonesia secara umum di sebelah utara khatulistiwa bertiup dari arah Barat Laut menuju Timur Laut. Sedangkan di sebelah selatan khatulistiwa bertiup dari arah Barat Daya menuju Barat Laut. Kecuali di Sumatera bagian selatan dan Jawa angin bertiup dari arah Timur menuju Tenggara. Kecepatan angin umumnya berkisar antara 5 – 15 knots (9 – 27 km/jam). Kecepatan angin ≥15 knot (≥27 km/jam):
- Samudera Hindia sebelah barat Sumatera - Samudera Pasifik Timur Filippina
- Samudera Hindia Selatan Jawa hingga Nusa Tenggara
Dikutip dari majalahenergi.com diperoleh data kecepatan angin rata-rata tahunan pada beberapa daerah di kawasan Indonesia. Pengukuran kecepatan angin ini dilakukan pada ketinggian 50 m yang dapat dilihat pada Lampiran IV. Dari data kecepatan angin ini memungkinkan untuk mengembangkan pembangkit listrik tenaga angin berskala kecil di Indonesia. Berikut ini merupakan data potensi energi terbarukan di Indonesia.
Tabel.2.5 Sepuluh negara dengan kapasitas turbin angin terpasang
No Negara Kapasitas total (MW) (akhir tahun 2012)
1 China 75,564
Sumber: Global Wind Statistic, 2012
2.3 Turbin Angin
menggerakkan generator yang menghasilkan energi listrik, maka turbin ini disebut wind generator atau wind energy converter (WEC).
2.3.1 Jenis-jenis turbin angin
Turbin angin dapat digolongkan berdasarkan prinsip aerodinamika yang bekerja pada rotornya, yaitu:
- Jenis drag, memanfaatkan selisih koefisien drag pada sudu
- Jenis lift, memanfaatkan gaya lift yang terjadi pada sudu akibat aliran udara
Berdasarkan letak sumbu porosnya, turbin angin dapat dibedakan menjadi dua kelompok.
- Turbin angin sumbu horizontal (TASH) - Turbin angin sumbu vertikal (TASV)
TASH
Turbin angin satu sudu (single bladed)
Turbin angin dua sudu (double bladed)
Turbin angin tiga sudu (three bladed)
Turbin angin bersudu banyak (multi bladed)
Berdasarkan jumlah sudu
Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin
Upwind : rotor menghadap arah datangnya angin
Downwind : rotor membelakangi arah datangnya angin
2.3.2 Teori elemen momentum Betz
Energi kinetik udara dengan massa m yang bergerak dengan kecepatan v dirumuskan dengan:
E = ½ m v2 (N.m) (2.3)
Dengan menganggap bahwa udara ini melewati suatu saluran dengan luas penampang A dengan kecepatan v, maka volume udara yang melewati saluran dalam satu satuan waktu dinyatakan dengan:
Q = vA (m3/s) (2.4)
dan laju aliran massa udara dengan kerapatan ρ:
= ρAv (kg/s) (2.5)
Energi yang terkandung di dalam massa udara yang bergerak ini dinyatakan dengan:
P = ½ ρAv3
(W) (2.6)
Pertanyaannya adalah berapa banyak energi yang dapat diekstrak dari energi udara yang bergerak ini oleh turbin. Energi kinetik udara ini akan diubah menjadi energi mekanis, dengan catatan laju aliran massa udara yang melewati turbin ini tidak berubah. Artinya, variabel yang berubah adalah kecepatan udara saat meninggalkan turbin ini.
Gambar.2.3 Pemodelan aliran Betz (Erich Hau,2006)
ρv1A1 = ρv2A2 (2.7) Selisih energi angin di titik (1) dengan titik (2) dapat dituliskan dengan:
P = ½ ρ A1 v13–½ ρ A2 v23= ½ ρ (A1 v13– A2 v23) (2.8) Dengan memasukkan persamaan (2.3)
P = ½ ρ A1 v1 (v12– v22) atau
P = ½ (v12– v22) (W) (2.9)
Dari persamaan diatas disimpulkan bahwa energi yang di ekstrak akan maksimum jika v2 = 0 ,artinya udara di belakang turbin tidak bergerak. Jika kecepatan udara di belakang turbin tidak bergerak maka udara di depan turbin juga tidak akan bergerak dan tidak ada aliran.
Dari hukum konservasi momentum, besarya gaya udara yang mendesak turbin dituliskan dengan:
F = ma
F = m dV/dt = m Δv F = ρAv (v1– v2)
F = (v1 – v2) (N) (2.10)
Berdasarkan hukum Newton ketiga bahwa gaya aksi sama dengan gaya reaksi, gaya F ini mendapat reaksi dari turbin dengan besar yang sama dan meneruskannya ke aliran udara sehingga mengurangi kecepatan aliran. Akibat gaya reaksi ini, kecepatan aliran turun menjadi v’. Daya yang dibutuhkan untuk ini adalah:
P = F v’ = (v1 – v2) v’ (W)
Dengan demikian, daya mekanis yang diekstrak dari udara dapat diperoleh dari perubahan energi udara sebelum dan setelah melewati turbin.
½ (v12– v22) = (v1– v2) v’
v’ = ½ (v1 + v2) (m/s) (2.11)
v’ = (v1 + v2) /2 (m/s) (2.12) laju aliran udara menjadi:
= ρAv’= ½ ρA (v
1 + v2) (kg/s) (2.13)
sehingga daya mekanis turbin dinyatakan dengan:
P = ¼ ρA (v12– v22) (v1 + v2) (W) (2.14)
Daya udara sebelum melewati turbin atau daya yang tersedia di dalam udara,
Po= ½ ρAv3 (W)
maka diperoleh koefisien performansi turbin: Cp = P/Po =
(2.15)
Cp = (2.16)
Koefisien performansi ini merupakan rasio antara energi yang terkandung di dalam udara dengan energi yang dapat diekstrak dari udara tersebut. Oleh karena itu, Cp bergantung pada rasio kecepatan udara sebelum dan sesudah melewati turbin.
Gambar dibawah merupakan plot hasil iterasi Cp dengan memvariasikan rasio kecepatan udara sebelum dan sesudah meninggalkan turbin (v2/v1). Dari hasil plot tersebut diperoleh bahwa nilai koefisien performansi maksimum pada v2/v1 = 1/3 sehingga diperoleh:
Gambar.2.4 Koefisien performansi vs rasio kecepatan (Erich Hau, 2006)
Betz merupakan orang pertama yang merumuskan ini, sehingga nilai ini disebut dengan Betz limit.
Dengan mengetahui bahwa koefisien performansi ideal diperoleh pada rasio kecepatan v2/v1 = 1/3 maka kecepatan aliran tepat di depan turbin,
v’ = 2/3 v1 (2.17)
dan kecepatan udara setelah melewati turbin,
v2 = 1/3 v1 (2.18)
2.4 Turbin angin Darrieus
Turbin angin Darrieus pada umumnya dikenal sebagai turbin sumbu horizontal dengan bentuk melengkung (troposkien: tali yang berputar, bahasa Yunani). Turbin angin Darrieus pertama kali ditemukan oleh Georges J.M Darrieus pada tahun 1931. Turbin angin Darrieus merupakan turbin angin yang menggunakan prinsip aerodinamik dengan memanfaatkan gaya lift pada penampang sudu rotornya dalam mengekstrak energi angin. Sudu turbin ini berbentuk airfoil.
Gambar. 2.6 Turbin angin Darrieus-H lima sudu (www.wintufel.net)
2.4.1 Airfoil
untuk menghasilkan gaya angkat. Gaya angkat yang dihasilkan itu akan terjadi karena gaya tekanan dibawah lebih besar daripada gaya tekanan diatas airfoil. Sayap juga dinamai penguat gaya dorong (thrust amplifier), karena gaya angkat yang dihasilkan dapat beberapa kali lebih besar daripada gaya tahan (drag) yang harus diatasi oleh gaya dorong motor propulsi. Nomenklatur dan cara menggambar airfoil dapat dilihat pada gambar dibawah.
Gambar.2.7 Nomenklatur airfoil (Arismunandar, 2000)
sangat menentukan karakteristik gaya angkat dan momen airfoil. Tebal maksimum sebuah airfoil adalah jarak maksimum antara permukaan atas dan permukaan bawah (Arismunandar, 2000).
Gambar.2.8 Contoh airfoil NACA 4 digit (Sumber: Dokumen Penulis) Radius lingkaran yang melalui tepi depan merupakan ukuran ketajaman tepi depan; biasanya 0-2% korda. Titik pusat lingkaran tersebut berada pada garis singgung garis kamber rata-rata yang melalui tepi depan. Berdasarkan pertimbangan tersebut maka ukuran dan bentuk airfoil dinyatakan dengan nomor seri seperti contoh diatas.
2.4.2 Turbin angin Darrieus-H
turbin angin tipe Darrieus-H jarang dipakai untuk pembangkit listrik dengan kapasitas yang besar.
Gambar.2.9 Gaya-gaya aerodinamik pada sudu turbin (Sumber: Dokumen Penulis)
Keterangan gambar: L = gaya lift sudu (N) D = gaya drag sudu (N)
ω = kecepatan sudut elemen sudu (rad/s) r = radius turbin (m)
α = sudut serang sudu (0),
c = kecepatan absolut elemen sudu (resultan vektor v’ dengan u’)
c = v’{(λ + cosθ)2+ (sinθ)2
}1/2 (2.19)
v’ = kecepatan angin (m/s)
u’ = kecepatan tangensial elemen sudu (m/s)
Catatan: - gaya lift L tegak lurus terhadap komponen kecepatan c - gaya drag D paralel terhadap komponen kecepatan c
Turbin angin Darrieus-H menggunakan sudu berbentuk airfoil. Sudu ini diatur sedemikian rupa dengan sudut tertentu yang disebut dengan sudut serang (angle of attack). Sudut serang merupakan sudut antara garis referensi (garis korda c) dengan arah aliran, sudut ini merupakan sudut serang lokal. Pada saat turbin berputar, sudut serang sudu berubah terhadap posisi sudut (θ) sudu dan merupakan fungsi dari tip speed ratio λ.
α = arc tan [sinθ / (λ + cosθ)] dimana, α = sudut serang (2.21)
Gambar.2.10 Sudu turbin pada kondisi sudut serang rendah, medium, dan tinggi (Sumber: Dokumen Penulis)
Besarnya sudut serang tidak boleh melebihi sudut serang kritis sudu karena pada saat sudut serang melebihi sudut serang kritis akan terjadi stall. Stall merupakan kondisi dimana terjadi pemisahan aliran udara diatas sudu dan timbul gelombang (wake) udara yang tidak beraturan. Pada kondisi stall, sudu hanya mempunyai koefisien lift yang sangat kecil.
2.4.3 Sudut serang (angle of attack) dan sudut pitch
Sudut serang pada turbin Darrieus-H merupakan sudut antara garis chord sudu dengan garis komponen kecepatan relatif. Pada turbin angin Darrieus-H ini, besarnya sudut serang dipengaruhi oleh beberapa hal seperti, tip speed ratio, sudut azimuth sudu, dan sudut pitch sudu. Semakin besar tip speed ratio maka sudut serang akan semakin kecil, hal ini dapat dilihat dari persamaan di bawah ini.
dimana: λ = tip speed ratio θ = sudut azimuth sudu
R
Menuju pusat rotasi
Menjauhi pusat rotasi (-) φ (+) φ
Garis Chord
ω
Gambar. 2.11 Arah sudut pitch (Sumber: Dokumen Penulis)
Untuk sudut pitch φ = 0, maka nilai sudut serang tidak berubah, tetapi jika sudut pitch φ > 0, maka sudut serang akan berubah sesuai dengan besarnya perubahan sudut pitch.
α = {arc tan [sinθ / (λ + cosθ)]} - φ 00> θ < 1800
φ
α
Garis korda (chord)
θ = 45
θ = 135
θ = 225
θ = 315 Angin
α
α
α
φ
φ
φ φ
Komponen kecepatan angin dan kecepatan tangensial α
Komponen kecepatan relatif
Berikut ini merupakan contoh perubahan sudut serang sebagai fungsi sudut
Gambar.2.13 Perubahan sudut serang (Sumber: Dokumen Penulis) Kecepatan angin V = 3.85 m/s
Radius Turbin r = 0.75 m
Turbin angin yang digunakan untuk membangkitkan energi listrik tentu memerlukan generator yang berguna 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:
1. Generator arus searah (Direct Current - DC)
2. Generator arus bolak – balik (Alternating Current - AC)
Generator arus searah (DC) menghasilkan tegangan 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).
Besar putaran minimal yang diperlukan generator AC untuk dapat menghasilkan energi listrik dan besar putaran kerja bergantung pada jumlah kutub dan kumparan dalam generator.
n = (2.22)
dimana: n : putaran (rpm) p : jumlah kutub f : frekuensi (Hz)
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.
2.5.2 Penyimpanan energi listrik
Penyimpanan energi listrik pada turbin angin skala kecil biasanya digunakan baterai penyimpan. Sistem penyimpanan baterai ini terdapat pada turbin angin yang relatif sederhana dan ditempatkan secara tersendiri. Penggunaan baterai ini diperuntukkan untuk meningkatkan efisiensi dan efektivitas pemakaian energi karena sumber daya yang dihasilkan tidak tetap setiap saat atau tidak cukup untuk melayani permintaan beban pada saat itu. Sebagai contoh, untuk penerangan dan peralatan lainnya sering memerlukan daya pada saat angin tidak berhembus.
Inverter
Gambar.2.14 Skema turbin angin untuk mengisi baterai (Sumber: Dokumen Penulis)
