BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Energi Angin
Energi yang tersedia pada angin pada dasarnya adalah energi kinetik
dengan massa yang besar bergerak diseluruh permukaan bumi. Blade/sudu pada
turbin angin menyerap energi kinetik ini, yang kemudian di transformasikan
dalam bentuk mekanikal atau elektrik, tergantung pada akhir penggunaan energi
tersebut. Efisiensi mengubah angin ke bentuk energi lain yang berguna sangat
bergantung pada efisiensi dimana rotor saling berhubungan dengan aliran angin.
Angin merupakan massa udara yang bergerak. Pergerakan massa udara ini
diakibatkan oleh perbedaan tekanan udara antara satu tempat dengan tempat yang
lain, hal ini dapat diakibatkan karena perbedaan distribusi energi radiasi matahari,
tutupan awan serta dinamika disekitarnya. Energi angin dapat dikonversi atau
ditransfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik dengan
menggunakan turbin atau turbin angin. Oleh karena itu, turbin angin sering
disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA).
Energi kinetik dari aliran angin dengan massa m dan bergerak dengan
kecepatan V dapat diberikan dengan:
𝐸𝐸 = 1 2 𝑚𝑚𝑉𝑉
2(Lit. 6 hal. 20) … … … (1)
Mempertimbangkan rotor angin melewati area A terbuka pada aliran angin ini.
Energi kinetic aliran angin yang tersedia untuk turbin dapat dihitung dengan:
𝐸𝐸 = 1 2𝜌𝜌𝑎𝑎𝑣𝑣𝑉𝑉
2(Lit. 6 hal. 20). . … … . … … … (2)
Dimana 𝜌𝜌𝑎𝑎 adalah massa jenis udara dan v adalah volume udara yang tersedia untuk rotor. Udara saling berinteraksi dengan rotor per satuan waktu di daerah
Karena energi per satuan waktu itu adalah daya, dapat ditunjuk dengan:
𝑃𝑃= 1
2𝜌𝜌𝑎𝑎𝐴𝐴𝑇𝑇𝑉𝑉
3(Lit. 6 hal. 23) … … … . (3)
Dapatdilihat bahwa faktor yang mempengaruhi kekuatan tersedia pada aliran
angin adalah kepadatan udara, daerah rotor angin dan kecepatan angin.
Gambar 2.1 Skema udara bergerak ke arah turbin angin
(Sumber : Mathew, 2006)
2.2.Daya Turbin Angin Dan Torsi
Daya teoritis yang tersedia pada angin ditunjukkan pada persamaan (3).
Akan tetapi, turbin tidak bisa mengekstrak sepenuhnya daya dari angin. Ketika
angin melewati turbin, sebagian energi kinetiknya dialihkan ke rotor dan
membawa sisa energi jauh dari turbin.Daya aktual dihasilkan oleh rotor akan di
putuskan oleh efisiensi dimana energi yang ditransfer dari angin menuju rotor
berada pada posisinya. Efisiensi ini dikenal sebagai koefisien daya (Cp). Jadi,
koefisien daya rotor dapat didefinisikan sebagai rasio daya aktual yang
dikembangkan oleh rotor dengan daya teoritis pada angin. Karenanya:
𝐶𝐶𝑝𝑝 = 2𝑃𝑃𝑇𝑇
𝜌𝜌𝑎𝑎𝐴𝐴𝑇𝑇𝑉𝑉3(Lit. 6 hal. 23) … … … . (4)
Dimana PT adalah daya turbin. Koefisien daya turbin tergantung pada
banyak faktor seperti profil sudu turbin, susunan sudu, dudukan dan lain - lain.
optimum supaya mencapai Cp maksimum pada cakupan luas kecepatan angin.
Gaya dorong pada rotor (F) dapat dinyatakan dengan:
𝐹𝐹 =1
2𝜌𝜌𝑎𝑎𝐴𝐴𝑇𝑇𝑉𝑉
2(Lit. 6 hal. 23) … … … . (5)
Oleh karena itu dapat ditunjukan torsi rotor (T) dinyatakan dengan:
𝑇𝑇= 1
2𝜌𝜌𝑎𝑎𝐴𝐴𝑇𝑇𝑉𝑉
2𝑅𝑅 (Lit. 6 hal. 23) … … … . (6)
Dimana R adalah radius rotor. Rasio torsi aktual yang dikembangkan oleh
rotor dan daya torsi teoritis dikenal sebagai koefisien torsi (CT). jadi koefisien
torsi dinyatakan dengan:
𝐶𝐶𝑇𝑇 =
2 𝑇𝑇𝑇𝑇
𝜌𝜌𝑎𝑎𝐴𝐴𝑇𝑇𝑉𝑉2𝑅𝑅(Lit. 6 hal. 23) … … … . (7)
Diman TT adalah torsi aktual yang dikembangkan oleh rotor.
Daya yang terdapat pada rotor pada kecepatan angin tertentu sangat
bergantung pada kecepatan relative diantara ujung rotor dan angin. Sebagai
contoh, anggap situasi dimana rotor berputar dengan kecepatan rendah dan angin
mendekati rotor dengan kecepatan sangat tinggi.
Dengan kondisi ini, sudu bergerak lambat, sebagian aliran udara mengalir
mendekati rotor mungkin menerobos tanpa saling berinteraksi dengan sudu dan
tanpa pemindahan daya. Dengan cara yang sama, jika rotor berputar cepat dan
kecepatan angin rendah, aliran udara mungkin membelok dari turbin dan energi
mungkin hilang dalam kaitan dengan tubulensi dan pergantian pusaran (vortex
shedding). Pada kedua peristiwa diatas, interaksi antara rotor dan aliran udara
tidak efisien dan akan menghasilkan koefisien daya yang rendah.
optimum ditentukan rotor dimana pindahan energi yang paling efisien dan
koefisien daya maksimum (CP max).
Gambar 2.2 Variasi Tip Speed Ratio Dan Koefisien Daya CP Pada Berbagai Jenis
Turbin Angin
(Sumber : Hau, 2006)
Hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio:
𝐶𝐶𝑃𝑃 =
2 𝑃𝑃𝑇𝑇 𝜌𝜌𝑎𝑎 𝐴𝐴𝑇𝑇 𝑉𝑉3 =
2 𝑇𝑇𝑇𝑇Ω
𝜌𝜌𝑎𝑎 𝐴𝐴𝑇𝑇𝑉𝑉2 𝑅𝑅(Lit. 6 hal. 24) … … … . (9)
Perbangdingan persamaan 2.1 dan 2.2, didapat:
𝐶𝐶𝑃𝑃 𝐶𝐶𝑇𝑇 =
𝑅𝑅Ω
𝑉𝑉 = 𝜆𝜆 (Lit. 6 hal. 24) … … … . (10)
Jadi, tip speed ratio adalah perbandingan rasio antara koefisien daya dan koefisien
2.3.Turbin Angin
Sejak permulaan teknologi energi angin, mesin dengan berbagai jenis tipe
dan bentuk telah didesain dan dikembangkan hampir diseluruh dunia. Sebagian
dari desain inovatif ini tidak diterima secara komersial. Meskipun beberapa cara
menggolongkan turbin angin, maka pada saat ini hanya digolongakan berdasarkan
sumbu rotasi turbin angin tersebut yaitu turbin angi poros horizontal dan turbin
angin poros vertikal.
2.3.1.Tubin Angin Sumbu Horizontal (TASH)
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.
Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, turbin
biasanya diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat
kaku agar mereka tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi.
Sebagai tambahan, bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu
dan sedikit dimiringkan. Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur
menara, dan realibilitas begitu penting, sebagian besar TASH merupakan mesin
upwind (melawan arah angin). Meski memiliki permasalahan turbulensi, mesin
downwind (menurut arah angin) dibuat karena tidak memerlukan mekanisme
tambahan agar mereka tetap sejalan dengan angin, dan karena di saat angin
berhembus sangat kencang, bilah-bilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi
wilayah tiupan mereka dan dengan demikian juga mengurangi resintensi angin
Gambar 2.3 Turbin angin jenis upwind dan downwind
(Sumber : Mathew, 2006)
Kelebihan Turbin Angin Sumbu Horizontal
— Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di tempat-tempat yang memiliki geseran angin (perbedaan
antara laju dan arah angin antara dua titik yang jaraknya relatif
dekat di dalam atmosfir bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin,
setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar
20%.
Kelemahan Turbin Angin Sumbu Horizontal
— Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkut. Diperkirakan besar biaya transportasi bias
mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan turbin angin.
— TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang terampil.
— Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator.
— TASH yang tinggi bisa memengaruhi radar airport.
— Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu penampilan lansekap.
— Berbagai varian downwind menderita kerusakan struktur yang disebabkan oleh turbulensi.
2.3.2.Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)
Turbin angin sumbu vertikal/tegak (atau TASV) memiliki poros/sumbu
rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin
tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif.Kelebihan ini sangat berguna
di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi.VAWT mampu
mendayagunakan angin dari berbagai arah. Dengan sumbu yang vertikal,
generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu
menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan.Tapi ini
menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut.
Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat cair
atau gas) bisa saja tercipta saat turbinberputar. Karena sulit dipasang di atas
menara, turbin sumbu tegak sering dipasang lebih dekat ke dasar tempat ia
diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah bangunan.
Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga yang
tersedia adalahenergi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan obyek
yang lain mampumenciptakan aliran yang bergolak, yang bisa menyebabkan
berbagai permasalahan yangberkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan
bearing wear yang akanmeningkatkan biaya pemeliharaan atau mempersingkat
umur turbin angin. Jika tinggipuncak atap yang dipasangi menara turbin kira-kira
50% dari tinggi bangunan, inimerupakan titik optimal bagi energi angin yang
maksimal dan turbulensi angin yangminimal.
Gambar 2.4 Jenis turbin angin sumbu vertikal
Kelebihan Turbin Angin Sumbu Vertikal
— Tidak membutuhkan struktur menara yang besar
— Karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhkan mekanisme yaw.
— Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah
— TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan
keaerodinamisan yang tinggi sembari mengurangi drag pada
tekanan yang rendah dan tinggi
— 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
— TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah. — Turbinpada TASV mudah dilihat dan dihindari burung.
— TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH. Biasanya TASV mulai menghasilkan listrik pada 10km/jam
(6 m.p.h.)
— TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi dilarang dibangun.
— TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya
angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya
rusak di saat angin berhembus sangat kencang.
— TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil
keuntungan dari berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta
meningkatkan laju angin (seperti gunung atau bukit yang
Kelemahan Turbin Angin Sumbu Vertikal
— Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH karena drag tambahan yang dimilikinya saat turbinberputar
— TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi
— Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan
membutuhkan energi untuk mulai berputar
— Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya
memberi tekanan padabantalan dasar karena semua berat rotor
dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkanke puncak bantalan
meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup
2.4. Karakteristik Rotor Angin
Gambar 2.5 Karakteristik performance rotor angin
(Sumber : Mathew, 2006)
Efisiensi dimana sebuah rotor dapat mengekstrak daya dari angin
bergantung pada kesamaan dinamik antara rotor dan aliran angin. Karenanya,
C
Ppenampilan dari suatu rotor angin adalah biasanya dikarakterisasi oleh
variasi-variasi dalam koefisien daya nya dengan Tip Speed Ratio. Hubungan antara CP -
λ bisa disimpulkan untuk suatu desain rotor yang khas, itu dapat lebih lanjut diterjemahkan pada kurva daya kecepatan dari rotor untuk penerapan praktis.
Kurva CP – λ tertentu untuk rotor yang berbeda ditunjukakn pada gambar
2.5 Secara umum, awalnya koefisien daya turbin bertambah dengan tip speed
ratio yang mencapai puncak pada λ tertentu dan selanjutnya berkurang dengan
peningkatan dalam rasio kecepatan puncak. Variasi dalam Cp dengan λ tergantung
pada beberapa ciri disain rotor.Rotor dengan multibilah Amerika menunjukkan
koefisien daya yang paling rendah dan bekerja pada rasio kecepatan rendah
dengan angin. Nilai tertentu untuk koefisien daya puncaknya adalah 14% pada
rasio kecepatan puncak 0.8. Namun, hal tersebut memiliki soliditas yang tinggi
sehingga getaran awal yang tinggi membuatnya menjadi menarik untuk memompa
air. Turbin dengan baling-baling dua dan tiga bilah serta desain Darrieus bekerja
pada tip speed ratio yang lebih tinggi dan menunjukkan efisiensi yang lebih baik.
Dengan demikian, hal tersebut sesuai untuk generator elektrik tenaga angin.
Rotor Savonius dengan soliditas yang tinggi bekerja pada rasio kecepatan
puncak yang lebih rendah. Walaupun secara teoritis diperlihatkan bahwa efisiensi
puncak dari rotor tersebut tidak dapat melewati batas 20%, namun Savonius
dilaporkan memiliki efisiensi puncak 31% dalam test wind tunnel dan 37% di
udara bebas. Efisiensi mulai dari 25-35% dilaporkan dalam beberapa penelitian
tentang rotor. Nilai ini cukup impresif karena rotor lebih mudah dibuat dan biaya
yang lebih murah.
Albert Betz, ahli Fisika Jerman pada tahun 1962 sudah menentukan
batasan untuk koefisien daya maksimum untuk gulungan rotor yang ideal. Dia
menggunakan teori aksial momentum dalam bentuknya yang paling sederhana
untuk analisanya dan menyatakan bahwa koefisien daya teoritis maksimum dari
turbin angin, terutama di operasikan oleh gaya angkat yakni 16/27 (59.3 %). Hal
ini disebut dengan batasan bets. Pada sisi lain, koefisien daya yang diharapkan
dari hambatan mesin tersebut adalah 8/27. Oleh karena itu, mesin angkat lebih
hal ini merupakan nilai teoritis dan beberapa turbin hambat seperti rotor Savonius
yang menunjukkan efisiensi yang tinggi dalam evaluasi lapangan.
2.5. Teori Momentum Elementer Betz’
Teori momentum elementer Betz sederhana berdasarkan pemodelan aliran
dua dimensi angin yang mengenai rotor menjelaskan prinsip konversi energi angin
padaturbin angin. Kecepatan aliran udara berkurang dan garis aliran membelok
ketika melalui rotor dipandang pada satu bidang. Berkurangnya kecepatan aliran
udara disebabkan 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
dikonversikan menjadi bentuk energi lainnya.
Energi kinetik dari suatu massa udara m bergerak pada kecepatan v dapat
dinyatakan sebagai:
𝐸𝐸 = 1 2𝑚𝑚𝑣𝑣
2(Lit. 4 hal. 81) … … … . . (11)
mempertimbangkan suatu luas daerah tertentu A, dimana udara lewat dengan
kecepatan v, volume V melalui selama suatu satuan waktu yang tertentu, jadi yang
disebut dengan volume aliran adalah:
𝑉𝑉̇ = 𝑣𝑣𝐴𝐴 (Lit. 4 hal. 81) … . … … … (12)
dan laju aliran massa dengan density ρ adalah:
𝑚𝑚̇=𝜌𝜌𝑣𝑣𝐴𝐴 (Lit. 4 hal. 82). … … … (13)
persamaan yang menyatakan energi kinetik melalui penampang A pada setiap
satuan waktu dapat dinyatakan sebagai daya yang melalui penampang A adalah:
𝑃𝑃= 1 2𝜌𝜌𝑣𝑣
Energi dapat diambil dari angin dengan mengurangi kecepatannya. Artinya
kecepatan udara dibelakang rotor akan lebih rendah daripada kecepatannya.
Berarti kecepatan udara di belakang rotor akan lebih rendah daripada kecepatan
udara didepan rotor.
Energi mekanik yang diambil dari angin satuan waktu didasarkan pada
perubahan kecepatannya dapat dinyatakan dengan persamaan :
𝑃𝑃= 1 2𝜌𝜌𝐴𝐴1𝑣𝑣1
3 −1 2𝜌𝜌𝐴𝐴2𝑣𝑣2
3 =1
2𝜌𝜌(𝐴𝐴1𝑣𝑣1
3 − 𝐴𝐴2𝑣𝑣23)(Lit. 4 hal. 82) … … (15)
Gambar 2.6 Model Aliran dari Teori Momentum Beltz
(Sumber:Hau, 2006)
Maka:
𝑃𝑃=1 2𝑚𝑚̇ �𝑣𝑣1
2− 𝑣𝑣22�(Lit. 4 hal. 83)… … … (16)
dari persamaan (16) dapat disimpulkan bahwa daya terbesar yang diambil dari
angin adalah jika 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 semakin kecil, atau dengan kata lain rasio
harus semakin besar.
Persamaan lainnya yang diperlukan untuk mencari besarnya daya yang
dapat diambil adalah persamaan momentum :
𝐹𝐹 = 𝑚𝑚̇(𝑣𝑣1−𝑣𝑣2)(Lit. 4 hal. 83) … … … (17)
sesuai dengan hukum kedua Newton bahwa gaya aksi akan sama dengan gaya
oleh rotor yang menekan udara kearah yang berlawanan dengan arah gerak udara.
Daya yang diperlukan untuk menghambat aliran udara adalah :
𝑃𝑃 = 𝐹𝐹𝑣𝑣′ =𝑚𝑚̇(𝑣𝑣1−𝑣𝑣2)𝑣𝑣′(Lit. 4 hal. 83) … … … . . (18)
kedua persamaan diatas digabungkan menunjukkan hubungan :
1
Maka kecepatan aliran udara ketika melalui rotor adalah:
𝑣𝑣′ = 𝑣𝑣1+𝑣𝑣2
2 (Lit. 4 hal. 83) … … … (21)
Laju aliran massa menjadi:
𝑚𝑚̇ = 𝜌𝜌𝐴𝐴𝑣𝑣′ =1
2𝜌𝜌𝐴𝐴(𝑣𝑣1+𝑣𝑣2)(Lit. 4 hal. 83). . … … … . (22)
maka besarnya keluaran daya mekanik yang telah diubah adalah :
𝑃𝑃 = 1 4𝜌𝜌𝐴𝐴(𝑣𝑣1
2− 𝑣𝑣22)(𝑣𝑣1+𝑣𝑣2)(Lit. 4 hal. 84) … … … (23)
Untuk melengkapi uraian dari besarnya keluaran daya mekanik ini, harus
dibandingkan dengan daya yang terkandung pada aliran angin yang melewati
luasan area A yang sama, yaitu persamaan (13), besarnya rasio perbandingan
antara keluaran daya mekanik yang telah diubah dari energi angin dengan daya
yang terkandung pada angin Po disebut dengan “power coefficient” Cp dengan
persamaan :
Koefisien daya tersebut dapat diubah menjadi fungsi dari perbandingan kecepatan
𝐶𝐶𝑃𝑃 =𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑜𝑜 =
1 2�1− �
𝑣𝑣2
𝑣𝑣1� 2
� �1 +𝑣𝑣2
𝑣𝑣1�
(Lit. 4 hal. 84) … … … (25)
Koefisien daya hasil dari konversi daya angin ke daya mekanis turbin
tergantung pada perbandingan dari kecepatan angin sebelum dan sesudah
dikonversikan. Jikaketerkaitan ini di plot ke dalam grafik, secara langsung solusi
analitis juga dapat ditemukan dengan mudah. Dapat dilihat bahwa koefisien daya
mencapai maksimum pada rasio kecepatan angin tertentu seperti pada terlihat
pada gambar.
Gambar 2.7 Koefisien Daya Berbanding Dengan Rasio Kecepatan Aliran Sebelum dan Setelah Konversi Energi
(Sumber :Hau, 2006)
Dengan U2/U1 = 1/3, besarnya effisiensi teoritis atau ideal atau maksimum dari
turbin angin Cp adalah :
𝐶𝐶𝑃𝑃 = 16
27= 0,593 (Lit. 4 hal. 85) … … … . (26)
Denga kata lain, turbin angin dapat mengkonversikan tidak lebih dari 60%
tenaga total angin menjadi tenaga berguna. Betz adalah orang pertama yang
menemukan nilai ini, untuk itu nilai ini disebut juga dengan Betz factor.
Mengetahui bahwa koefisien daya maksimum yang ideal dicapai pada U2/U1=1/3,
𝑣𝑣′ =2
3𝑣𝑣1(Lit. 4 hal. 85) … … … (27)
dan kecepatan setelah melewati turbin U2 menjadi :
𝑣𝑣2 = 1
3𝑣𝑣1(Lit. 4 hal. 85) … … … . (28)
Gambar berikut menunjukkan asumsi bahwa roda turbin mempunyai
ketebalan a-b , tekanan masuk PO dan V1 dan pada bagian keluar P2 dan V2. V2
lebih kecil dari pada V1 karena energi kinetiknya telah diambil oleh sudu turbin.
Gambar 2.8Kondisi aliran udara melalui satu disk ideal membentuk konverter
tenaga dengan kemungkinan ekstraksi maksimum dari gaya mekanis
(Sumber : Hau, 2006)
2.6.GAYA AERODINAMIK PADA ROTOR
Teori momentum betz’s menunjukkan nilai yang ideal untuk daya yang di
ekstrak dari aliran udara tanpa mempertimbangkan desain dari rotor turbin itu
sendiri. Gaya aerodinamis yang digunakan rotor sangat mempengaruhi daya
mekanik yang dihasilkan. Ada dua macam gaya yang menggerakan rotor pada
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 sayap, 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.
2.6.1. Aerodinamik Hambatan (drag)
Menurut Hau (2006) jenis yang paling sederhana dalam mengkonversi
energi dapat dicapai dengan cara penerapan hambatan atau drag murni pada suatu
permukaan seperti pada gambar. Udara yang mengenai permukaan A
dengankecepatan Uw, maka daya yang dapat ditangkap P, dapat dihitung dari
aerodinamis hambatan D, luas penampang A dan kecepatan U adalah :
𝑃𝑃= 𝐷𝐷 ∙ 𝑈𝑈𝑟𝑟(Lit. 4 hal. 86) … … … (29)
Gambar 2.9 Kondisi aliran dan Gaya Aerodinamis pada Turbin Jenis Drag
(Sumber : Hau, 2006)
Mesin drag ideal terdiri dari alat dengan permukaan penghalang
digerakkan angin atau flaps bergerak paralel terhadap aliran angin merata dengan
kecepatan Uo. Perbedaan tekanan jarak lintas stasioner flap dijaga tegak lurus
terhadap kecepatan angin.
Untuk flap dengan luas sapuan A bergerak dengan kecepatan v, gaya drag
penggerak maksimum adalah:
𝐹𝐹𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 =𝜌𝜌𝐴𝐴
(𝑢𝑢𝑜𝑜− 𝑣𝑣)2
Koefisien hambat (drag) CD tak berdimensi adalah digunakan untuk
menggambarkan alat dilihat dari yang ideal, sehingga gaya hambat menjadi:
𝐹𝐹𝐷𝐷 = 𝐶𝐶𝐷𝐷 ∙ 𝜌𝜌𝐴𝐴
(𝑢𝑢𝑜𝑜− 𝑣𝑣)2
2 (Lit. 4 hal. 87) … … … . . (31)
Daya yang ditangkap flap adalah:
𝑃𝑃𝐷𝐷 =𝐹𝐹𝐷𝐷𝑣𝑣 =𝐶𝐶𝐷𝐷∙ 𝜌𝜌𝐴𝐴(𝑢𝑢𝑜𝑜 − 𝑣𝑣)2𝑣𝑣
Koefisien daya CPdidefenisikan dari persamaan (23) didapat: 𝑃𝑃𝐷𝐷𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 =
Nilai CD dari mendekati nol sampai titik maksimum, maksimum kira – kira 1,5
untuk bentuk cekung yang digunakan pada anemometer standard. Dengan
demikian, koefisien daya maksimum untuk drag machine adalah:
𝐶𝐶𝑃𝑃𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 ≈ �274�(1,5) = 6
27= 22% (Lit. 4 hal. 85). . … … … . (36)
Hal ini dibandingkan dengan kriteria Betz’ untuk turbin ‘ideal’ dengan 𝐶𝐶𝑃𝑃 = 16
27 = 59 % . Ditunjukkan bahwa turbin tipe lift memiliki koefisien daya 30% lebih
besar dari perhitungan yang mungkin dicapai berdasarkan pendekatan kriteria
Betz‟. Daya ekstraksi dari drag machine dapat ditingkatkan dengan
penggabungan flap atau dengan memperbaiki konsentrasi aliran angin. Cara
Tabel 2.1 Koefisien – koefisien Hambat yang Khas Bagi Berbagai Silinder Dalam
Aliran Dua Dimensi (sumber:Alvian, 2011)
Menurut Reksoatmodjo (2005), untuk penerapan teori Betz pada turbine
angin Savonius perlu memperhatikan penyimpangan-penyimpangan dari
asumsi-asumsi yang digunakan oleh Betz.
Pertama, Betz mengansumsikan jumlah sudu-sudu turbin tak terhingga,
sedangkan pada turbin Savonius jumlah sudu-sudu hanya dua.
Kedua, Betz mengasumsikan aliran udara laminar, sedangkan dalam
kenyataannya terutama pada kecepatan angin pada bilangan
sepenuhnya laminar sehingga pengaruh bilangan Reynold akan
menentukan besar-kecilnya koefisien hambatan Cd.
Jika sudu-sudu berbentuk setengah bola Cd = 1.42 kalau angin berhembus
pada sisi cekung dan Cd = 0.34 jika angin berhembus pada sisi cembung
(Bilangan Reynold 104 < NR <106) (Hughes dan Brighton, 1967:85 dalam
Reksoatmodjo, 2005). Untuk sudu – sudu berbentuk setengah silinder harga-harga
itu sama dengan 2.3 dan 1.2 (Bilangan Reynold 4 x 104) (Streeter, 1996).
2.6.2. Aerodinamik Angkat (lift)
Jika bentuk sudu rotor memungkinkan pemanfaatan aerodinamis lift,
koefisien daya yang lebih tinggi dapat dicapai. Analog dengan kondisi yang ada
dalam kasus pesawat airfoil, pemanfaatan gaya lift sangat meningkatkan efesiensi
(gambar 2.12).
Gambar 2.10 Gaya aerodinamis rotor turbin angin ketika dilalui aliran udara.
(Sumber: manwell. 2002)
2.7 Wind Pump (Pompa Tenaga Angin)
Sumber energi terbarukan yang paling umum digunakan untuk pemompaan
adalahangin.Tenaga angin dapat dimanfaatkan secara mekanik atau elektrik untuk
system pemompaan.Sejak lama energi angin telah dimanfaatkan untuk
menguras air dari lahan pertaniandiBelanda.Salah satu aplikasi dari energi angin
adalah pemompaan air.
Di Eropa, pompa air tenaga angin skala kecil yang terbuat dari kayu telah
lamajuga digunakan untuk memompa air laut dalam pembuatan garam. Kemudian
yangmenjadi sangat populer hingga saat ini adalah pompa air tenaga angin
mekanik—yangsekarang kita kenal dengan American typeyang terbuat dari besi
dengan jumlah sudubanyak. Ulasan ringkas mengenai sistem pompa air tenaga
angin dibahas di bawah ini
Pompa tenaga angin secara luas dapat digolongkan dengan 2 sistem yaitu
system mekanik dan system elektrik.
Gambar 2.11 Jenis jenis pompa yang digerakkan oleh angin secara mekanikal
(Sumber : Mathew, 2006)
2.7.1 Pompa Air Tenaga Angin Mekanik (Mechanical Wind Pumps)
Pompa angin mekanik biasanya menggunakan turbinangin tradisional yang
dapatberputar pada kecepatan angin yang relatif rendah. Turbinangin seperti ini
sering disebutold American windmill atau American type windmill (lihat Gambar
2.10).Pompa air tenaga angin jenis ini mulai digunakan di Amerika pada akhir
abad ke 19 untukkebutuhan air rumah tangga dan pembuatan rel kereta api.
seperti ini dibuat di Amerika.Desainnyasudah terbukti berhasil sehingga banyak
ditiru di seluruh dunia. Turbin angin jenis inimenggerakkan pompa piston yang
dihubungkan dengan gear.
Turbin angin tradisional biasanya mempunyai sudu sederhana yang terbuat
dari platmelengkung berjumlah banyak, sekitar 15-18. Yang lebih modern
sekarang menggunakansudu berbentuk airfoil dan jumlahnya tidak begitu banyak,
sekitar 6-8.Salah satu masalah pada penerapan pompa angin mekanik ini adalah
lokasi instalasi. Turbin angin harus dipasang langsung di atas borehole atau
sumber air.Sedangkan lokasisumber air yang baik belum tentu merupakan lokasi
sumber daya angin yang baik pula
Gambar 2.12. Diagram skematik pompa air tenaga angin mekanik.
(Sumber: Mathew,2006)
2.7.2 Pompa Air Tenaga Angin Elektrik (Electrical Wind Pumps)
Pemompaan air dengan turbin angin secara elektrikal menawarkan teknologi
yang lebihmenjanjikan.Turbin angin dapat mengahasilkan listrik baik AC maupun
DC, dan pompadapat langsung dihubungkan dengan langsung dengan motor AC
atau DC.
Pompasentrifugal dapat digunakan karena turbin angin listrik dirancang
untuk rotor dengansoliditas rendah (lihat Gambar 2.11). Dengan cara ini beberapa
• Tidak memerlukan batere atau inverter, karena pompa dapat
langsungdihubungkan dengan motor.
• Lebih mudah untuk menyelaraskan turbin angin dengan pompa air denganmengatur beban secara elektrikal bukan mekanikal.
• Memberikan kemudahan dalam penentuan tempat instalasi, karena turbin
angina dapat dipasang di mana saja yang anginnya kuat, sementara pompa
sendiridapat dipasang dimana sumber air berada. Kemudahan ini tidak
akandidapatkan apabila kita menggunakanpompa angin mekanik, karena
terkadangsumber daya air dan angin tidak berada ditempatyang sama.
Berbeda dengan kincir angin tradisional, turbin angin elektrikal menuntut
kecepatanangin yanglebih tinggi. Misalnya, untuk mulai memompa, turbin angin
kecil skala 1.5kW akan memerlukankecepatan angin rata-rata 4-5 m/s sedangkan
pompa angin mekanikhanya memerlukan 2.5-3.5m/s.
Turbin angin seperti ini mempunyai kinerja yang lebiheffisien pada
kecepatan tinggidaripada kecepatan rendah. Turbin angin seperti ini duakali lebih
effisien daripada kincir angintradisional, lebih kompetitif dari diesel, system
photovoltaic, dan kincir angin tradisional itusendiri.Karena bagian
yangbergerak/berputar lebih sedikit dibandingkan dengan kincir angintradisional,
Gambar 2.13. Diagram skematik pompa air tenaga angin elektrikal.
(Sumber: Mathew, 2006)
Dengan penjelasan tentang pompa tenaga angin diatas yang akan dibahas
selanjutnya adalah pompa tenaga angin mekanik yang menggunakan pompa
piston.
2.7.3 Turbin Angin Penggerak Pompa Piston.
Pompa piston banyak digunakan seperti pompa komersil lainnya. System ini
terdiri dari multiblade dengan soliditas tinggi, poros engkol, connecting rod, dan
pompa piston. Gerak putar turbin angin diterjemahkan pada gerak batang torak
oleh engkol. Batang penghubung mengoperasikan piston pompa naik dan turun
melalui silinder selama proses langkah. Dua katup check, membuka dan menutup
seiring langkah piston.
Ketika batang penghubung menggerakkan piston turun, pada katup sisi
keluar tertutup dan air terisi pada silinder. Kemudian pada saat piston bergerak
Gambar 2.14 Turbin angin menggerakkan pompa piston
(Sumber : Mathew, 2006)
Volume air yang keluar selama proses langkah dihasilkan dari daerah bagian
dalam silinder dan panjang langkah yang dilakukan selama proses langkah.
Dengan demikian, jika d adalah diameter dalam silinder dan s adalah panjang
langkah lalu, secara teoritis volume air yang di pompakan melalui saluran
discharge diberikan oleh:
𝑉𝑉𝑠𝑠 = 𝜋𝜋4𝑑𝑑2𝑠𝑠 (Lit. 6 hal. 127). … … … . (37)
Dari gambar, dapat dilihat bahwa:
𝑠𝑠= 2𝑟𝑟 (Lit. 6 hal. 127) … … … . . … … … (38)
Dimana r adalah panjang engkol. Debit yang dihasilkan dari katup discharge dapat
dihitung dengan:
𝑄𝑄= 𝜂𝜂𝑉𝑉𝜋𝜋 2𝑑𝑑
2𝑟𝑟𝜋𝜋 (Lit. 6 hal. 128) … … … (39)
Dimana 𝜂𝜂𝑉𝑉 adalah efisiensi volumetrik pompa dan N adalah putaran rotor
turbin. Biasanya, efisiensi volumetric pompa piston yang pada umumnya lebih
tinggi dari 90%.
Daya yang tersedia pada pompa (PH) dapat dihitung dengan :
𝑃𝑃𝐻𝐻 =𝜌𝜌𝑊𝑊𝜂𝜂𝑔𝑔𝑄𝑄ℎ
𝑃𝑃 (Lit. 6 hal. 128) … … … … . … … … (40)
Dimana:
𝜌𝜌𝑊𝑊 = Massa jenis air (kg/m3)
g = Tetapan gravitasi
h = Head total (m)
𝜂𝜂𝑃𝑃 = Efisiensi pompa (%)
2.7.4 Head total pompa
Head total merupakan energi persatuan berat yang harus disediakan oleh
gesek, dan kerugian-kerugian pada perlengkapan seperti katup (valve), belokan
(elbow), perubahan penampang dan lain-lain.
Head total pompa yang harus disediakan untuk mengalirkan jumlah air seperti di
rencanakan, dapat ditentukan dari kondisi instalasi yang akan dilayani oleh po
Gambar 2.15 Head Pompa
(Sumber: Sularso, 2004)
Head pompa dapat ditulis sebagai merikut:
𝐻𝐻= ℎ𝑎𝑎 +Δℎ𝑝𝑝 +ℎ𝑙𝑙 +𝑣𝑣𝑎𝑎 2
2𝑔𝑔(Lit. 10 hal 27 ) … … … . (41)
Dimana : H : Head total pompa (m)
ha : Head statis total (m)
Δhp :Perbadaan head tekanan pada keduapermukaan air (m)
hl : Kerugian head di pipa, katup, belokan, sambungan, dll.
v2/2g : Head kecepatan keluar (m)
g : Percepatan grafitasi ( = 9.8 m/s2)
Head statis total (ha) adalah perbedaan tinggi antara muka air disisi keluar
dan sisi isap ; tanda positif (+) dipakai apabila permukaan air pada sisi keluar
lebih tinggi daripada sisi isap.Adapun hubungan antara tekanan dan head tekan
dapat diperoleh dari rumus:
ℎ𝑝𝑝 = 10 ×𝑃𝑃𝛾𝛾𝑎𝑎 (Lit. 10 hal 27) … … … . … … … … . (42)
ℎ𝑝𝑝 = 1
Head losses (hl) yaitu head untuk mengatasi kerugian-kerugian yang terdiri
atas head losses di dalam pipa-pipa, dan head losses di dalam belokan-belokan,
katub-katub, dsb.
1. Head losses dalam pipa (kerugian mayor)
Untuk menghitung kerugian gesek di dalam pipa dapat dipakai rumus berikut
ini:
ℎ𝑓𝑓 =𝜆𝜆𝑔𝑔𝐿𝐿𝑣𝑣 2
𝑑𝑑2𝑔𝑔(Lit. 10 hal 28 ) … . . … … … . … … … … . (44)
Dimana: va = Kecapatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s)
hf = Head losses dalam pipa (m)
λg = Koefisien kerugian gesek dalam pipa
g = Perceptan gravitasi (9,8 m/s2)
L = Panjang pipa
d = Diameter dalam pipa (m)
Selanjutnya, untuk aliran yang laminer dan yang turbulen, terdapat rumus
yang berbeda. Sebagai patokan apakah suatu aliran itu laminer atau turbulen,
dipakai bilangan reynold:
𝑅𝑅𝑒𝑒 = 𝑣𝑣𝑎𝑎𝜐𝜐𝑑𝑑(Lit. 10 hal 28) … … … . … … … … . (45)
𝑅𝑅𝑒𝑒 = 𝜌𝜌𝑣𝑣𝑎𝑎𝑑𝑑
𝜐𝜐 (Lit. 10 hal 28 ) … . . … … … . … … … … . (46)
Dimana: Re = bilangan reynold (tak berdimensi)
v = kecepatan rata-rata aliran di dala pipa (m/s)
d = diameter dalam pipa (m)
v1 v2
Faktor gesekan tergantung dari bilangan renoldnya. Jika alira dalam pipa
tersebut laminar maka harga faktor gesekan (f ) dapat dicari dengan rumus:
𝑓𝑓= 64
𝑅𝑅𝑒𝑒(Lit. 10 hal 29) … … . … … . … … … … . (47)
Untuk aliran laminar, Re mempunyai harga maksimum sebesar 2000. Bila
bilangan reynold (Re) >2300 aliran dalam pipa adalah turbulen, maka faktor
gesekan f di dapat dari diagram moody. Head losses dalam jalur (kerugian minor).
2. Head losses pada perlengkapan pipa (kerugian minor)
Head losses pada perlengkapan pipa adalah kehilagan tekanan akibat
gesekan yang terjadi pada katub-katub, sambungan (elbow), instrument, dan pada
penampang yang tidak konstan. Kerugian head di tempat ini dapat dinyatakan
secara umum dengan rumus:
ℎ𝑓𝑓 = 𝑛𝑛×𝑓𝑓𝑣𝑣𝑎𝑎 2
2𝑔𝑔(Lit. 10 hal 32) … … … … . … … … … . (48)
Dimana: f = koefisien kerugian
g = Percepatan grafitasi
hf = Kerugian head (m)
n = jumlah perlengkapan pipa
Untuk koefisien kerugian pembesaran penampang pipa secara mendadak,
kerugian head dapat dihitung dengan rumus:
ℎ𝑓𝑓 = 𝑓𝑓(𝑣𝑣1− 𝑣𝑣2) 2
2𝑔𝑔 (Lit. 10 hal 35) … … . … … … . … … … … . (49)
Dimana f≈ 1
