3
BAB II
DASAR TEORI
Bab ini berisi dasar teori yang berhubungan dengan perancangan skripsi antara lain daya angin, daya turbin angin, TSR (Tip Speed Ratio), aspect ratio, overlap ratio, BHP (Break Horse Power), efisiensi turbin, generator, akumulator, dan anemometer.
Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara disekitarnya. Angin bergerak dari tempat
bertekanan udara tinggi ke bertekanan udara rendah. Karena adanya pemanasan oleh matahari, maka udara memuai. Tekanan udara yang telah memuai massa jenisnya menjadi lebih ringan sehingga naik. Apabila hal ini terjadi, maka tekanan udara turun. Udara disekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah. Udara menyusut menjadi lebih berat dan turun ke tanah. Diatas tanah udara menjadi panas lagi dan naik kembali. Aliran naiknya udara panas dan turunnya udara dingin ini dikarenakan konveksi.
Untuk mengantisipasi arah angin yang selalu berubah – ubah maka dipilih bentuk twisted savonius sebagai bentuk turbin. Bentuk twisted savonius dapat menangkap angin dari berbagai arah karena bentuk blade-nya yang melingkar, dan bagian yang memilin berfungsi untuk menahan angin sehingga bila mendapat angin yang tinggi misalnya 10 m/s atau 36 km/jam dapat mengalir ke blade seberangnya sehingga tidak membebani satu bagian sudu saja.
2.1. Twisted Savonius
Turbin darrieus memiliki keunggulan memiliki efisiensi yang tinggi sekitar 0,4 tetapi membutuhkan torsi tinggi untuk berputar yaitu pada tip speed ratio 4. Sehingga memerlukan tenaga angin yang besar agar dapat memutar turbin darrieus. Sedangkan turbin savonius memiliki keunggulan dapat berputar dengan torsi rendah dengan tip speed ratio sekitar 0,9 dan dapat berputar dengan angin dari segala arah tetapi memiliki
4
Gambar 2.1. Grafik hubungan TSR (α) terhadap efisiensi turbin (%)
konvensional
Gambar 2.2. (a) Turbin darrieus (b) Turbin savonius
5
dan jumlah massa yang melewati suatu tempat dapat diketahui dengan menggunakan rumus :
Maka daya angin dapat diketahui :
= Daya angin yang tersedia
= m. ; m = ρ.A.v
= (ρ.A.v).
= ρ. A.
6 2.3. DayaTurbin
Dengan mengukur torsi dan kecepatan putaran turbin, maka daya mekanik dapat dirumuskan :
Tip speed ratio adalah perbandingan kecepatan angin dengan kecepatan ujung
sudu. Semakin tinggi tip speed ratio maka akan mempengaruhi nilai dan bentuk
sudu.Nilai adalah suatu konstanta yang memiliki nilai 16/27 atau 0,593 bila sistem
mekanik turbin bekerja secara maksimal. Konstanta secara teori menunjukkan nilai
efisiensi maksimum yang dicapai oleh rotor turbin angin. [4]
Tip speed ratio (λ) =
(5)
Dimana :
ω = kecepatan sudut (rad/detik) d = jari – jari sudu (m)
7 2.5. Aspect ratio
Aspect ratio adalah perbandingan antara tinggi dengan diameter rotor. Dengan
memilih aspect ratio yang tepat akan mempengaruhi nilai daya yang bisa di dapatkan. Misalkan penelitian yang dilakukan oleh Kadam [1] yang menguji nilai aspect ratio dari 0,5 – 5 yang hasilnya semakin besar aspect ratio semakin besar juga koefisien daya yang didapatkan.
Gambar 2.3. Diagram Turbin Tampak Samping
Aspect ratio (α) =
(6)
Dimana : H = tinggi rotor
8 2.6. Overlap Ratio
Overlap Ratio adalah jarak celah pada sudu. Jarak celah ini agar memungkinkan
pemanfaatkan aliran fluida angin yang mengalir.
Gambar 2.3. Diagram Turbin Tampak Atas
Overlap ratio (β) =
(7)
dimana :
e = overlap (celah )
overlap adalah celah yang ada pada rotor, pada gambar ditunjukkan dengan lambang e
a = diameter shaft
diameter shaft adalah sumbu diameter yang digunakan pada rotor, pada gambar ditunjukkan dengan lambang a
= diameter rotor
Diameter rotor adalah panjang diameter rotor keseluruhan rotor, pada
9 2.7. Break Horse Power (BHP)
Untuk mengetahui daya turbin digunakan metode pencarian BHP. Karena untuk menggerakkan turbin selain massa dari keseluruhan turbin itu sendiri sebagai hambatan untuk bergerak generator yang terpasang pun memiliki minimal torsi untuk bergerak pada perancangan ini menggunakan generator yang memiliki torsi minimal 1,3 Nm. Break Horse Power ( BHP ) adalah daya turbin yang diukur ketika diberi beban generator ataupun perangkat tambahan lainnya. Brake yang dimaksud adalah suatu peralatan yang digunakan untuk memberikan beban pada turbin. Dalam percobaan nantinya BHP diukur dengan menggunakan motor listrik. Dengan mengukur besarnya tegangan yang dihasilkan, dapat diketahui besarnya daya generator [7]. Daya generator adalah daya keluaran pada generator dengan mengukur besarnya tegangan dan arus yang dihasilkan. Untuk mencari arus diperlukan beban sehingga arus dapat diketahui.
Hubungan antara daya mekanik dengan BHP :
Gambar 2.5. Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Daya Poros [7]
Dari grafik diketahui bahwa kecepatan angin berpengaruh terhadap daya poros
10
drag adalah gaya seret atau gaya hambatan ketika terjadi interaksi antara benda padat dengan benda gas.
τ = F.s (8)
Dari persamaan diatas kita dapat melihat bahwa semakin meningkatnya gaya mengakibatkan torsinya juga akan semakin meningkat, dan meningkatnya torsi juga akan meningkatkan BHP, dimana :
BHP = ωτ (9)
Dengan mengacu pada hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Andri [7] maka diketahui bahwa daya mekanik turbin sama denganBHP.
2.8. Efisiensi Turbin
Efisiensi turbin dapat diketahui dengan perbandingan antara daya mekanik turbin ketika diberi beban generator yang disebut BHP dengan daya anginsebagai tenaga penggerak turbin yaitu:
Ƞ
.100% (10)
Dimana :
BHP = Daya turbin ketika diberi beban generator
11 2.9. Generator
Generator adalah alat yang mengubah energi mekanik atau gerak menjadi energi listrik. Energi listrik yang dihasilkan berasal dari perubahan medan magnet yang terdapat di dalam generator. Magnet ini dapat berupa kumparan kabel-kabel terlilit yang dialiri arus listrik dengan cara induksi atau suatu magnet yang sifatnya permanen. Magnet yang berasal dari kumparan kabel-kabel mempunyai sifat kemagnetan sementara. Untuk menghasilkan magnet, kumparan kabel-kabel ini dialiri arus listrik dan dikenal dengan istilah induksi elektromagnetik. Kumparan kabel-kabel tersusun melilit sekitar plat konduktor.
Gambar 2.6. Generator
Jika lilitan kabel yang dialiri arus listrik dan memiliki sifat elektromagnetik ini bergerak (misalnya berputar) sehingga terjadi fluktuasi medan
12 2.10. Akumulator
Akumulator (aki) merupakan sumber tegangan DC maka diperlukan tegangan DC juga. Tegangan yang dibutuhkan untuk DC charger harus lebih besar dari tegangan akumulator, misalnya aki pada motor/mobil adalah 12,65 volt, maka tegangan charger minimal sekitar 13,5 volt. Mencharge aki bukanlah memasukan arus listrik kedalam pelat aki, tetapi hanya membersihkan pelat aki dari sulfation dengan cara memasukan arus listrik agar pelat aki bersih kembali.[10]
Gambar 2.7 Akumulator
Dalam perancangan ini menggunakan baterai Lithium-Ion(Li-Ion) sebagai penyimpan tegangan. Dengan spesifikasi 3,7V 4800mAH. Baterai Li-Ion adalah salah satu baterai yang dapat di isi ulang ( rechargeable ). Di dalam baterai ini, ion lithium bergerak dari elektroda negatif ke elektroda positif saat dilepaskan, dan kembali saat diisi ulang. Baterai Li-Ion memakai senyawa lithium sebagai bahan elektrodanya, berbeda dengan lithium metalik yang dipakai di baterai lithium non-isi ulang. Kelebihan dari baterai Li-Ion adalah :
1. Li-Ion tidak memiliki memory effect
Maksudnya adalah saat proses charging hanya menambah penyimpanan energi. Pada baterai jenis sebelumnya, proses charging sebenarnya melakukan dua tahap, discharge completely, mengosongkan semua isi dari baterai terlebih dahulu, lalu re-charging. Hal ini berarti proses charging Li-Ion membutuhkan waktu yang lebih sedikit daripada nickel-metal hydride ( NiMH ) atau jenis baterai sebelumnya.
2. Memiliki densitas energi yang baik.
13
3. Memiliki tingkat kehilangan daya yang kecil jika disimpan untuk jangka waktu yang lama yaitu 5% per bulan dibandingkan dengan NiMH yang 20% per bulan.
4. Memiliki siklus charge yang banyak.
Maksudnya adalah dapat digunakan ulang kali dan diisi berulang-ulang kali, umumnya sampai 1000 siklus.
Kekurangan dari baterai Li-Ion adalah :
1. Li-Ion sangan sensitif terhadap temperatur tinggi.
Panas akan membuat masa pemakaian Li-Ion lebih cepat habis, kurang dari masa pemakaian normal 3 tahun.
2. Kemampuan dari baterai akan mulai menurun segera setelah baterai meninggalkan pabrik.
2.11. Anemometer
Anemometer adalah alat untuk mengukur kecepatan udara atau kecepatan gas dalam fenomena terjadinya hembusan angin, contohnya untuk mengukur aliran udara di dalam saluran, atau juga pengukuran arus terbatasi, seperti angin atmosfer. Untuk menentukan kecepatan, anemometer mendeteksi perubahan di beberapa sifat fisik dari fluida atau efek fluida pada alat mekanis dimasukkan ke dalam aliran.[11]
Gambar 2.8 Anemometer
14
dari 0 sampai 60 m/s dengan ralat 3% dari pembacaan, suhu dari –60 °C – 100 °C dengan ralat 1 °C, dan tekanan udara dari 300 -1100 hPa dengan ralat 1,5 hPa. Pada anemometer ini tidak terdapat satuan Pa untuk mengukur tekanan udara, sehingga harus dikonversikan ke Pa terlebih dahulu ketika pengolahan data. Berikut adalah perbandingannya :
![Gambar 2.5. Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Daya Poros [7]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3336536.1754192/7.595.96.509.293.547/gambar-grafik-hubungan-kecepatan-angin-terhadap-daya-poros.webp)
