BAB II TINJAUAN PUSTAKA

(1)

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Energi Angin

Energy angin adalah salah satu potensi energy terbarukan yang dapat memberikan kontribusi signifikan terhadap kebutuhan energy listrik, terutama wilayah pelosok. Pembangkit energy angin yang biasa disebut pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB) ini bebas dari polusi dan sumber energinya tersedia secara alami di alam, nantinya pembangkit ini diharapkan dapat menjawab masalah lingkungan hidup dan ketersediaan sumber energi. Energi alternatif ini sangat cocok diterapkan didaerah pantai atau laut, dan gunung, yang memiliki kecepatan angin yang stabil, energy angin dapat dimanfaatkan dengan menggunakan kincir angin (wind turbine).

Prinsip kerja dari turbin angin adalah mengubah energi mekanis dari angin menjadi energi putar pada sudu turbin, putaran dari sudu turbin digunakan untuk memutar generator, hingga menghasilkan energi listrik. Semakin berkembangnya teknologi bentuk dari turbin anginpun ikut berkembang, salah satunya adalah turbin angin sumbu vertical, dimana keuntungan dari turbin angin tipe ini dapat menghasilkan torsi lebih besar daripada torsi yang didapatkan dari tipe turbin angin sumbu horizontal, dan dapat bekerja dengan baik meskipun aliran udara yang berhembus adalah turbulen (Saiful huda dan Irfan syarif Arief 2014 ).

2.1.1 Kecepatan Angin

Kecepatan angin dapat diukur dengan alat yang disebut Anemometer.

Anemometer digunakan untuk mengukur kecepatan angin yang berhembus pada lokasi turbin angin diaplikasikan. Karena data kecepatan angin sangat diperlukan, maka dibutuhkan data real rata – rata kecepatan angin daerah tersebut agar dapat disesuaikan dengan desain rotor blade turbin. Biasanya BMKG menggunakan satuan knot untuk pengukuran kecepatan angin. Tapi, dalam beberapa alat ukur, seperti anemometer, satuan yang dipakai adalah m/s. Dari data BMKG kabupaten Sumbawa Besar, kecamatan Batu Lanteh

(2)

umumnya mempunyai kecepatan angin rata-rata berkisar dari 3 s/d 5 meter per sekon (Dharma & Masherni, 2017a)

Tabel 2.1 Tingkat kecepatan angin dan fenomena angin

(Daryanto,Y. 2007. Kajian Potensi Angin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu)

Skala di atas digunakan untuk mengetahui tingkat kecepatan angin dilihat dari fenomena yang terjadi pada benda-benda sekitar.

(3)

Tabel 2.2 Kelas Angin dan Kecepatan Angin Kelas bayu Kecepatan bayu

( m/s )

Kecepatan bayu ( Km/jam)

Kecepatan bayu (Knot/jam)

1 0,00 ~ 0,02 0 0

2 0,3 ~ 1,5 1 ~ 5,4 0,58 ~ 2,92

3 1,6 ~ 3,3 5,5 ~ 11,9 3,11 ~ 6,42

4 3,4 ~ 5,4 12,0 ~ 19,5 6,61 ~ 10,5

5 5,5 ~ 7,9 19,6 ~ 28,5 10,7 ~ 15,4

6 80 ~ 10,7 28,6 ~ 38,5 15,6 ~ 20,8

7 10,8 ~ 13,8 38,6 ~ 49,7 21,0 ~ 26,8

8 13,9 ~ 17,1 49,8 ~61,5 27,0 ~ 33,3

9 17,2 ~ 20,7 61,6 ~ 74,5 33,5 ~ 40,3

10 20,8 ~ 24,4 74,6 ~ 87,9 40,5 ~ 47,5

11 24,5 ~ 28,4 88,0 ~ 102,3 47,7 ~ 55,3

12 28,5 ~ 32,6 102,4 ~117,0 55,4 ~ 63,4

13 >32,6 >118 63,4

(Daryanto,Y. 2007. Kajian Potensi Angin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu)

2.2 Gaya Angkat (Lift) dan Gaya Hambat (Drag)

Benda yang terkena aliran fluida nantinya mengalami gaya disebabkan oleh sentuhan antara benda tersebut dengan aliran angin pada permukaan. Gaya-gaya ini dapat dikelompokkan sebagai gaya hambat (drag) dan gaya angkat (lift). Gaya hambat udara (drag) merupakan gaya yang diakibatkan dari molekul-molekul serta partikel-partikel di permukaan udara yang sejajar dengan aliran fluida. Gaya-gaya timbul akibat adanya perbedaan kecepatan antara benda padat dengan fliuda. Gaya ini hanya terjadi pada benda yang melayang di udara. Pada benda yang tidak

(4)

bergerak gaya hambat udaranya nol. Jika benda bergerak maka gaya hambat udara ada dan alirannya berbanding berbalik dengan arah gerak serta menghambat gerak (itulah mengapa gaya ini disebut gaya hambat udara). Semakin besar gaya hambatnya maka semakin cepat benda akan bergerak.

Sedangkan gaya angkat yaitu gaya yang diperoleh dari airfoil (contoh biasanya pada baling- baling pesawat) atau turbin sumbu horizontal saat permukaan sudu diputar oleh angin. Gaya yang timbul tersebut dapat mengangkat sudu dengan arah yang searah dengan aliran angin. Gaya angkat nantinya akan membantu memutar perputaran turbin, sedangkan gaya hambat akan menampung perputaran dari sudu turbin. Perbedaan tekanan bagian atas dan bawah airfoil memberikan gaya angkat pada turbin. Semakin melengkung sayap atau sudu pada turbin angin maka gaya angkat yang dihasilkan semakin besar. Gaya ini terjadi akibat angin yang bersentuhan dengan permukaan sudu turbin.

2.3 Turbin Angin

Turbin angin yaitu kincir angin yang dimanfaatkan untuk pembangkit listrik. Turbin angin mulanya dibuat untuk melengkapi kebutuhan petani dalam melakukan penggilingan padi, pengairan sawah, dan lain sebagainya. Turbin angin dahulunya hanya terdapat di Belanda, Denmark serta negara Eropa lainnya juga dikenal dengan sebutan windmill. Sekarang pemanfaatan turbin angin banyak digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi listrik misalnya unruk lampu penerangan rumah tangga, dengan menggunakan sumber energi dari alam yang dapat diperbaharui juga disebut dengan istilah renewable energy. Meskipun sekarang ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menggantikan pembangkit listrik biasanya (Contohnya PLTGU, PLTA, dan PLTD).

Turbin angin ini adalah salah satu alat yang digunakan dalam sistem peralihan energi. Turbin angin memiliki prinsip kerja dengan merubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik yang berputaran pada sudu. Putaran sudu tersebut kemudian digunakan untuk beberapa hal sesuai dengan kebutuhan seperti memutar generator untuk menghasilkan listrik. Salah satu komponen utama dari turbin angin adalah sudu. Sudu berfungsi untuk mengubah gerak lurus arus angin menjadi gerak putar poros.

(5)

Berdasarkan bentuk sudu, turbin angin dibagi menjadi dua tipe, yaitu turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu vertikal ((Daryanto, 2007).

2.3.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal

Turbin angin sumbu horizontal adalah turbin yang sumbu rotasi sudunya sejajar terhadap permukaan. Turbin angin sumbu horizontal mempunyai poros, sudu utama dan generator listrik yang berada di bawah menara dan diarahkan menuju arah datangnya angin sebelum nantinya memutar sudu. Sudu turbin angin menangkap aliran angin sehingga dapat berputar, sedangkan turbin dalam skala besar umumnya menggunakan sensor angin dan motor yang mengubah sudu memfokus ke aliran angin.

Turbin angin sumbu horizontal dilihat dari jumlah sudunya 1. Turbin angin dengan satu sudu ( single blade)

2. Turbin angin dengan dua sudu (double blade) 3. Turbin angin dengan tiga sudu (three blade) 4. Turbin angin dengan banyak sudu (multi blade)

Turbin angin sumbu horizontal diperlihatkan pada gambar (2.1).

Gambar 2.1 Turbin angin sumbu horizontal Sumber: (Sathyajith Mathew , hal 17)

Turbin angin sumbu horizontal dibedakan menjadi dua, dilihat dari arah angin terhadap sudu yaitu:

1. Melawan angin 2. Downwind

(6)

Turbin angin jenis melawan angin memiliki sudu yang menghadap arah datangnya angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi/menurut arah angin.

Gambar 2.2 turbin Melawan angin dan Downwind Sumber : (Sathyajith Mathew , hal 18)

Normalya turbin jenis ini memiliki sudu berbentuk Airfoil seperti bentuk baling-baling pada pesawat, putaran sudu terjadi karena adanya gaya angkat pada sudu yang ditimbulkan oleh angin. Pada tipe turbin angin sumbu horizontal menggunakan gaya angkat sebagai gaya penggerak sudu.

Oleh karena itu kecepatan linier sudu dapat lebih besar dari pada kecepatan angin. Turbin angin ini cocok diaplikasikan pada kelas angin sedang dan tinggi, jenis ini banyak digunakan sebagai pembangkit listrik sekala banyak.

2.3.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal

Turbin angin sumbu vertikal terdapat poros atau sumbu rotor utama yang diatur sejajar dengan sudu turbin. Keuntungan yang didapatkan dari tipe ini adalah turbin tidak perlu diarahkan ke angin agar menjadi efisien.

Keuntungan ini sangat diperlukan di daerah yang arah anginnya tidak tetap.

Turbin angin sumbu vertikal mampu memanfaatkan angin dari berbagai arah. Generator serta gearbox bisa ditempatkan di permukaan tanah, jadi menara tidak perlu menanggung beban serta mempermudah diakses untuk keperluan perawatan. Tapi menyebabkan beberapa desain menghasilkan putaran yang bergetar.

(7)

Turbin angin sumbu vertikal juga memiliki kelebihan antara lain;

desain mudah, mudah dalam pemasangan, bisa dipasang tidak jauh dari permukaan, dan dapat menerima angin dari segala arah (turbulensi). Turbin sumbu vertikal yang sering digunakan adalah Savonius dan Darrieus.

Turbin savonius dalam pemanfaatannya menggunakan gaya hambat, sedangkan, Turbin Darrius dalam pemanfaatannya menggunakan gaya angkat (Dharma & Masherni, 2017b).

1. Turbin Savonius

Turbin Savonius adalah tipe turbin angin sederhana dan menerapkan prinsip kerja Anemometer. Kincir Savonius berputar akibat adanya gaya hambat (drag). Efisiensi yang bisa dicapai turbin angin jenis ini sekitar 30%.

Savonius ditemukan di Finlandia oleh seorang bernama Sigurd J. Savonius pada tahun 1922 dan berbentuk S apabila dilihat dari atas. Turbin jenis ini umumnya bergerak lebih lama dibandingkan jenis turbin angin sumbu horizontal, tetapi didapatkan hasil torsi yang besar. Kontruksi turbin sangat sederhana, terdapat dua buah sudu bahkan lebih dalam pengaplikasiannya ( gambar 2.3).

Gambar 2.3 turbin angin savonius. (Sumiati & Amri, 2014)

2. Turbin Darrieus

Turbin Darrieus ditemukan pada tahun 1931 oleh Georges Darrieus.

Turbin Darrieus adalah jenis dari turbin angin vertical dengan efisiensi tinggi, mampu menghasilkan putaran dan kecepatan angin yang tinggi hingga mendapat torsi besar. Turbin Darrieus menggunakan sudu dengan

(8)

bentuk rancangan aerodinamika, berdasarkan bentuk sudu prinsip kerja turbin ini memanfaatkan gaya angkat yang terjadi ketika permukaan aerodinamik yang dikenaialiran angin. Kekurangan utama turbin angin Darrieus yaitu memiliki torsi awal berputar kecil sehingga susah dalam melakukan putaran mula-mula, turbin Darrieus pada kenyataannya selalu membutuhkan alat bantuan untuk melakukan putaran mula-mula. Alat bantu yang digunakan biasa berupa motor listrik dan umumnya lebih sering menggunakan penggabungan antara turbin Savonius pada poros utama.

(Sumiati & Amri, 2014).

Gambar 2.4 turbin angin Darieus

2.4 Jenis Rotor Turbine Savonius

Bentuk turbin Savonius yang sering digunakan mempunyai sepasang bucket, dimana dirangkain mirip hurus “S” dan bagian atas dengan bawahannya berbentuk plat lingkaran. Berikut ini merupakan beberapa kategori dari sudu Savonius yang pernah dibuat dan dapat diaplikasikan dengan baik.

2.4.1 Rotor Savonius Dengan Dua Bucket

Berdasarkan prinsip aerodinamik, sudu turbin ini memanfaatkan gaya hambat saat mengubah energi angin dari aliran angin yang nanti bersentuhan dengan sudu turbin. ketermampatan hambat permukaan cengkung lebih besar dari pada permukaan lengkung. Oleh karenanya, sisi permukaan cengkung

(9)

setengah silinder yang terkena angin akan memberikan gaya hambat yang lebih besar daripada sisi lain sehingga sudu berputar. Setiap turbin angin yang memanfaatkan potensi angin dengan gaya hambat memiliki efisiensi yang terbatasi karena kecepatan sudu tidak dapat melebihi kecepatan angin yang melaluinya.

Ada tiga bentuk khusus sudu Savonius dengan konfigurasi dua Bucket, antara lain:

a. Bentuk tanpa overlap

Gambar 2.5 bucket tanpa overlap

bentuk sudu savonius yang ditunjukkan di atas tidak memiliki jarak celah antara kedua sudunya. Sudu ini memiliki kekuatan yang tinggi dikarenakan letak porosnya berada di tengah kedua bucket. Sudu dengan bentuk seperti ini memiliki efisiensi yang paling rendah dibandingkan bentuk lainnya.

b. Bentuk overlap

Gambar 2.6 dua bucket dengan overlap

(10)

Bentuk sudu Savonius yang ditunjukkan pada pambar di atas merupakan bentuk yang paling sering dijumpai. Model sudu ini terdapat celah antar kedua sudunya sehingga membuat aliran angin dapat meningkatkan putaran dan dapat mengurangi guncangan. Dengan bentuk overlap, rotor ini memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan bentuk sudu Savonius tanpa overlap.

c. Bentuk Bucket didefleksikan

Gambar 2.7 bucket berbentuk “L”

Bentuk sudu Savonius jenis ini memiliki bentuk mirip huruf “L”.

Sudu tersebut memiliki efisiensi yang lebih baik dibanding sudu jenis sebelumnya. Memiliki keunggulan dalam membelokkan aliran, juga bucket yang digunakan mampu bertindak seperti airfoill ketika aliran menabrak permukaan sudu dan menimbulkan sedikit gaya angkat.

Sehingga mampu meningkatkan efisiensi, tetapi jenis ini relatif sulit dalam proses produksi karena membutuhkan lembar logam yang dirol bukan dari potongan drum atau pipa.

(11)

2.4.2 Sudu dengan Multi Bucket

Gambar 2.8 sudu dengan multi bucket

Sebagian sudu jenis ini yang pernah dikembangkan antara lain sudu turbin dengan tiga, empat, bahkan lima sudu . Sudu turbin dengan tiga bucket atau lebih, lebih memiliki torsi awal yang baik daripada sudu turbine dengan dua bucket. Semakin banyak bucket yang digunakan, maka torsi awal yang dihasilkan akan semakin besar.

2.4.3 Sudu Turbine dengan Rotor Helix

Gambar 2.9 Sudu turbine Helix

Sudu turbine jenis dikembangkan oleh suatu perusahaan bernama

“Helix Wind” pertama kali dikenalkan tahun 2006, sudu ini mempunyai desain yang unik, yaitu berbentuk helix. Namun bentuk helix ini terdapat keunggulan antara lain, getaran yang dihasilkan relatif halus karena bentuk

(12)

torsinya relatif merata untuk setiap sudu. Tetapi sudu jenis ini memiliki bentuk yang rumit sehingga susah dalam proses produksi.

2.5 Bagian – Bagian Turbin Angin Savonius

Turbin jenis ini memiliki komponen utama dalam prosesnya agar dapat mendapatkan gaya, aliran angin yang timbil mengakibatkan sudu berputar pada porosnya. Putaran sudu diteruskan ke motor hingga dapat menghasilkan energi listrik yang akan didistrubusikan ke rumah- rumah. Bagian-bagian tersebut meliputi :

2.5.1 Sudu (Baling-baling)

Sudu adalah suatu komponen penting dari turbin angin yang langsung bersentuhan dengan aliran angin yang mengakibatkan gaya hambat dan gaya angkat pada waktu tertentu. Gaya hambat yang dihasilkan oleh sudu kemudian dimanfaatkan agar mendapatkan torsi dan memutar baling-baling. Desain sudu turbin dan kondisi operasi akan mempengaruhi besar kecilnya gaya angkat yang terjadi.

Konfigurasi sudu turbine digunakan dalam perancangan ini menggunakan 4 bilah baling-baling berbahan Aluminium. Dasar dalam penentuan menggunakan Aluminium adalah harga relatif lebih terjangkau, tidak berat, tahan terhadap berbagai kondisi, dan mudah didapatkan

Gambar 2.10 Baling-baling

(13)

2.5.2 Poros

poros memiliki peran untuk menerus putaran dari baling-baling ke motor. Poros yang digunakan harus mampu menahan beban putar dan lentur yang dihasilkan sudu saat beroperasi.

Desain turbin savonius menggunakan bahan dasar carbon yang memiliki kekuatan tarik diatas 58 kg/mm². Poros ini merupakan komponen penghubung antara baling-baling dan sudu, dan dapat mengurangi beban berlebih yang terjadi.

2.5.3 Menara

Menara adalah tumpuan penyangga beban dari semua komponen yang terdapat diatasnya, menara harus kuat mendukung turbin angin dalam mempertahankan berat serta mengurangi fibrasi yang terjadi baik itu dalam kondisi normal ataupun dalam kondisi taknormal. Tower penumpu dalam perancangan turbin untuk lampu penerangan rumah tangga ini memiliki lebar 1,8 m x 1,8 m dan tinggi towe 7 m. dan diameter atas tower mempunyai lebar 1 m x 1 m. Contoh tower bisa dilihat pada gambar 2.11

Gambar 2.11 Tower

(14)

2.5.4 Hub

Hub adalah alat yang menghubungkan baling-baling dengan poros.

Ralph A dari Australia menciptakan desain hub yang sederhana sehingga mudah dalam pembuatannya. Gambar diperlihatkan pada 2.12

Gambar 2.12 Hub

2.5.5 Bearing

Pada dasarnya bearing merupakan peralatan anti gesek. Faktor -faktor yang memberikan kontribusi terhadap tahanan gelinding misalnya:

1. Gesekan antara rolling elements dengan ring.

2. Gesekan antara rolling elements dengan sangkar.

3. Gesekan antara rolling elements dengan guide flanges (pada roller bearing).

4. Losses antara bagian-bagian bearing dengan pelumas.

Bantalan ini menunpu beban dari As agar putarannya yang dihasilkan tidak berisik, aman bisa digunakan dalam jangka waktu panjang. Bearing sebisanya kuar agar mampu menopang As dan komponen turbin lainnya agar dapat menunjang performa, sehingga sistem bekerja optimal. Gambar 2.13 dapat dilihat di bawah ini.

(15)

Gambar 2.13 Bantalan (Bearing) jenis Bola Radial

2.6 Persamaan yang digunakan

Karakter turbin angin bisa diperoleh dengan menggunakan rumus -rumus di bawah:

a. Daya kincir angin

Daya dihasilkan dari mengkonversi energi angin oleh turbin berbanding dengan pangkat tiga kecepatan angin. Daya dihasilkan turbine diperoleh dengan menggunakan rumus dibawah, (Erich Hau, 2000)

𝑃 = 𝐶𝑝. 𝐴. 𝜌. 𝑣³ (2.1)

Dimana :

Cp = koefisiensi daya A = luas penampang 𝜌 = kerapatan udara V³= kecepatan angin

Suatu kincir tidak akan dapat menyerap seluruh energi gerak yang diakibatkan oleh aliran fluida. Daya yang dibangkitkan dari putaran sudu turbine dapat dihitung dengan persamaan teori Betz. Percobaan Betz dapat dilihat pada Gambar (2.14) berikut: Hubungan Cp dan λ dengan Batas Betz.

(16)

Gambar (2.14) Hubungan Cp dan λ dengan Batas Betz

b. Tip Speed Ratio

Tip speed ratio rasio merupakan kecepatan ujung sudu dengan kecepatan angin terhadap gaya tangensial. Persamaannya sebagai berikut, (Erich Hau,2000)

𝜆 =

^𝜔.𝑟

𝑣

=

^{2𝜋.𝑛.𝑟}

60.𝑣 (2.2)

dimana:

ƛ : tip speed ratio

ω : kecepatan sudut (6,28 rad/sec) r : jari – jari rotor turbin angin (1,1 m) V : kecepatan angin (3 m/s)

c. Volume sudu dan berat sudu

Bahan yang dipakai adalah Aluminium dengan berat jenis 2700 kg/m³, Volume sudu dan berat jenis dapat ditentukan dari perhitungan berikut :

𝑉 =^{𝜋 .𝐷}

2 . 𝑡. 𝑠 (2.3)

(17)

Dimana :

D = diameter sudu t = tinggi sudu s = tebal sudu

V = volume sudu (m³) W = berat sudu (kg)

d. Putaran poros yang dihasilkan

Besarnya rpm (Rotasi Putaran Permenit) sudu dapat dipengaruhi oleh besaran aliran. Berikut adalah persamaan yang digunakan.

Rpm = 60^ƛ.v

𝜋.𝑑 (2.4)

Dimana:

ƛ : tip speed ratio v : kecepatan angin d : diameter turbin

e. Perhitungan Coefisien Power Turbin ( Cp )

Ketermanfatan daya adalah perbandingan antara aliran yang mampu dimanfatkan baling-baling. Sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut.

(Aryanto, Mara, & Nuarsa, 2013).

Cp = 1 ^𝑃

2 . 𝜌 .𝑉³.𝐴 (2.5)

Dimana :

Cp : koefisien daya turbin angin.

P : Daya dalam watt ρ : massa jenis udara V : kecepatan angin A : luas rotor turbin

f. Pemilihan ukuran As

As harus mampu menahan segala beban yang terjadi saat terjadi putaran, dapat dirumuskan sebagai berikut (sularso, kiyokatsu 1978 ).

(18)

• Tegangan geser yang diijinkan τα = ^𝜏𝑏

𝑆𝐹1.𝑆𝐹2 (2.6)

dimana :

Kekuatan Tarik S45C (σb) = 58 kg/mm² Sf1 = factor koreksi bahan 6,0

Sf2 = factor koreksi poros 1,3

τα = Tegangan geser yang diijinkan

• Momen puntir T = 9,74 x 10⁵^𝑝𝑑

𝑛 (2.7)

• Diameter As dibutuhkan ds = ⦋ ^5,1

𝜏𝛼𝐾𝑡. 𝐶𝑏. 𝑇⦌

1

3 (2.8)

g. Perhitungan pasak

• Gaya tangensial F = _𝑑𝑠^𝑇

⁄ 2 (2.9)

• Tegangan geser

τka= _{Sfk1 .Sfk2}^τb (2.10)

• Lebar dan panjang pasak

Lebar = 25% . ds (2.11)

Panjang = 0,75 . ds (2.12)

25% = lebar pasak dari diameter poros

0,75 = panjang pasak dibandingkan dengan diameter poros

(19)

h. Pemilihan bearing

Pada dasarnya bearing merupakan peralatan anti gesek putaran bekerja secara dalam kondisi aman. Bearing harus cukup kuat menahan putaran As, sudu, dan bagian-bagian lainnya bekerja dengan baik.

1. Rumus beban bearing pada poros

• Kecepatan keliling poros V = ^{π .D .n}

60 (2.13)

• Besar beban radial yang bekerja Fr = ^{102 .P}

𝑉 (2.14)

• Besarrnya beban ekivalen dinamis

P = X. V. Fr + Y. Fa (2.15)

2. Perhitungan umur bantalan

• Faktor kecepatan putaran bantalan fn = ( ^33,3

𝑛 )¹

3 (2.16)

• Faktor umur bantalan fh = 𝑓𝑛^C