BAB II ENERGI ANGIN t (sec)

Transkripsi

1 BAB II ENERGI ANGIN II. 1. Umum [] Angn merupakan udara yang berhembus dar suhu tngg ke suhu rendah akbat adanya perbedaan temperatur atmosfer. Perbedaan temperatur pada lokas yang berbeda (gars lntang) dar bum yang dsebabkan penynaran matahar yang tdak merata. Faktanya, atmosfer merupakan suatu mesn termodnamka yang besar dmana bagan dar energ yang datang drubah menjad energ knets secara mekans dar massa udara yang bergerak. Sektar % dar snar matahar yang mengalr ke bum dubah menjad tenaga angn, yang mana hasl akhrnya berubah menjad panas dkarenakan gesekan dengan lapsan batas atmosfer. Untuk mengmplementaskan energ angn tersebut sebaga sumber energ lstrk menjad satu dasar yang terpentng. Pada Gambar (.1) djelaskan bahwa kecepatan angn tersebut bervaras wnd drecton [crad] wndspeed [m/s] t (sec) Gambar.1 Kecepatan Angn Kecepatan dan arahnya berubah ubah secara terus menerus. Kta terbasa dengan hembusan angn yang kencang, terutama pada waktu cuaca bada. Untuk mengevaluas Unverstas Sumatera Utara

2 sumber daya untuk produks energ pada suatu lokas, aspek berkut n merupakan hal yang pentng dketahu : kecepatan angn rata rata pertahun. arah dar kecepatan angn selama setahun dan sehar. perubahan dar data tersebut selama beberapa tahun. ketergantungan kecepatan angn pada tnggnya permukaan datas tanah. Untuk menebak beban mekans pada suatu turbn angn, pengetahuan dar : Perubahan (skala waktu terpendek dar detk ke beberapa ment) dar kecepatan dan arah angn dalam waktu dan ruang merupakan dasar yang sangat pentng. kecepatan maksmum dan kemungknannya perstwa tersebut terjad. Pola angn sangat dpengaruh oleh tenaga Corols melalu rotas bum. Kra kra 1000 meter datas permukaan tanah tenaga yang domnan adalah perbedaan tekanan dan tenaga Corols, hal tersebut menunjukkan bahwa angn tdaklah tegak lurus tetap paralel dengan gars khayal d peta bum yang menghubungkan tempat tempat yang sama tekanan udaranya, dsebut angn Geostrophc. Gambar. menunjukkan bahwa model dasar dar sstem srkulas udara. Gambar. dbawah tdak memperhatkan dstrbus laut dan benua yang tdak sembang pada permukaan bum. Pada belahan bum bagan Utara secara relatf lebh banyak daratan dbandng lautan sementara pada bagan Selatan sebalknya. Perubahan yang lambat dar temperatur lautan (menyebabkan kapastas panas yang sangat besar) mengkut musm sementara temperatur daratan juga mengkut pola sang malam. Sstem Cuaca Global sangatlah rumt. Unverstas Sumatera Utara

3 Gambar. Srkulas Udara Global II.. Klasfkas Angn [11] Secara umum angn dapat dklasfkaskan kedalam dua kelas : 1. Angn Lokal. Angn Planetar, Angn Lokal. Hal dasar yang membedakan kedua jens angn n adalah cakupan alran dar angn tersebut. D sang har udara datas lautan lebh dngn dar pada udara d daratan. Snar surya menguapkan ar lautan dan dserap lautan penguapan dan absorbs snar surya d daratan kurang sehngga udara d atas lautan lebh panas. Dengan demkan udara d atas daratan mengembang jad rngan dan nak keatas. Udara dngn yang lebh berat turun mengs kekurangan udara d daratan maka terjadlah alran udara yang dsebut angn laut. D malam har, terjad perstwa sebalknya. Energ panas yang dserap permukaan bum sepanjang har akan dlepaskan lebh cepat oleh daratan (udara dngn). Sementara tu d lautan energ panas sedang dalam proses dlepaskan ke udara. Gerakan konvektf Unverstas Sumatera Utara

4 tersebut menyebabkan udara dngn dar daratan bergerak menggantkan udara yang nak d lautan sehngga terjad alran udara dar darat ke laut. Angn d lereng gunung terjad demkan pula. Angn lembah terjad ketka matahar terbt, puncak gunung adalah daerah yang pertama kal mendapat panas dan sepanjang har selama proses tersebut, lereng gunung mendapat energ panas lebh banyak darpada lembah. Sehngga menyebabkan perbedaan suhu antara keduanya. Udara panas dar lereng gunung nak dan dgantkan dengan udara dngn dar lembah. Akbatnya terjad alran udara dar lembah menuju gunung. Sedangkan pada sore har lembah akan melepaskan energ panas dan puncak gunung yang telah mendngn akan mengalrkan udara ke lembah. Alran udara tersebut dnamakan angn gunung. Konds konds lokal sepert danau, sepanjang tep panta, puncak gunung dan lan lan memankan peranan yang pentng (Gambar.3). Gambar.3. Sstem Srkulas Udara Global Angn Planetar. Tpe angn n terbag atas dua yatu angn barat dan tmur. angn barat (Monsun Asa) yatu angn yang berasal dar daratan Asa menuju wlayah Indonesa, dengan membawa uap ar lebh banyak dar basanya, sehngga sebagan wlayah Indonesa bagan Selatan Katulstwa serng banyak hujan atau bertepatan dengan musm hujan d Indonesa. Ketka matahar berada d sebelah Utara Katulstwa, maka daerah d Belahan Bum Utara mempunya suhu udara yang panas dengan tekanan udara cenderung rendah. Sehngga arah pergerakan angn dar Belahan Bum Utara (daratan Asa) menuju Belahan Unverstas Sumatera Utara

5 Bum Selatan (daratan Australa) dan angn tersebut basanya berasal dar arah barat menuju tmur. Sedangkan angn tmur (Monsum Australa) yatu angn yang berasal dar daratan Australa. Ketka matahar berada d Belahan Bum Selatan, maka Belahan Bum Selatan mempunya suhu yang panas dan tekanan udara yang tngg maka pergerakan angn dar Belahan Bum Selatan (daratan Australa) menuju Belahan Bum Utara (daratan Asa). Gambar.4 Angn Barat dan Tmur [14] II. 3. Persamaan Konvers Energ Angn Menurut fska klask energ knetk dar sebuah benda dengan massa m dan kecepatan v adalah : Ek knetk = ½ mv (.1) Dengan ketentuan kecepatan v tdak mendekat kecepatan cahaya. Hal n juga berlaku untuk angn yang merupakan udara yang bergerak. Parameter parameter dasar dar persamaan konvers angn adalah : II Daya Total Energ Angn Daya total alran angn yang masuk berbentuk area slnder (Gambar.5) dengan laju alran energ knetk Ek knetk [11] dmana nla massa m adalah : m = ρ A V (kg/s) (.1a) Maka energ knetk per detk P kn adalah : Ptotal = ½ (ρ A V) V = ½ ρ A V 3 (W) (.1b) Dmana : ρ = kerapatan udara (kg/m 3 ) Unverstas Sumatera Utara

6 A = daerah sapuan balng balng rotor (m ) V = Kecepatan angn tanpa gangguan (m/s) Gambar.5 Daerah Hembusan Angn II. 3.. Daya maksmum energ angn Dasumskan pada Gambar.6, a b adalah ketebalan sudu, tekanan dan kecepatan angn masuk sudu masng masng p [9] dan V, sedangkan tekanan dan kecepatan angn keluar sudu adalah pe dan Ve, dmana kecepatan keluar sudu lebh kecl dar kecepatan masuk sudu karena energ knetk angn telah dserap sudu. Udara masuk dantara daerah dan a danggap sebaga suatu sstem termodnamk dmana massa jens udara danggap konstan ( perubahan tekanan dan temperatur sangat kecl dbandngkan sektarnya ) dan tdak ada energ potensal serta tdak ada penambahan panas dan kerja yang dlakukan sstem. Persamaan energ untuk daerah masuk dan a adalah : V Va p v + = pav + (.) Dkalkan dengan denstas (ρ=1/v)maka : V Va p + ρ = pa + ρ (.a) Dengan cara yang sama daerah keluar b e : p e Ve Vb + ρ = pb + ρ (.b) Unverstas Sumatera Utara

7 Sudu Turbn Tekanan a pa b pe p pe pb a b e Kecepatan V Va Vt Vt Vb Ve a b Lebar Sudu e Gambar.6. Dagram tekanan dan kecepatan angn pada sudu rotor turbn Kemudan dengan menggabungkan persamaan (.a) dan (.b) dperoleh : p a p b = ( p V Va Ve Vb + ρ ( pe + ρ (.3) Dengan mengasumskan : V a = V b = V (karena tebal sudu relatf kecl dbandng jarak total) dan p e = p, maka persamaan (.3) datas dapat dsederhanakan menjad : p a V Ve pb = ρ (.4) Gaya aksal alran angn, F x yang mengena sudu dengan luas yang tegak lurus arah alran A, dberkan oleh : Fx = ( pa pb ) A (.5) Unverstas Sumatera Utara

8 V Ve F = x ρ A (.6) Gaya yang sebandng dengan perubahan momentum angn (ΔmV) dmana m = ρav t dan F x = m(v V e ), maka : V ρav ( ) = t V Ve ρa V e (.7) V 1 t = ( V ) + Ve (.8) Sekarang kta anggap sstem yang berada dantara dan e sebaga suatu sstem termodnamk total. Tdak ada perubahan energ potensal, energ dalam (T = T e ) dan energ alran (p V = p e V) serta tdak ada kalor yang dberkan ataupun yang keluar. Persamaan umum energ dapat dreduks menjad kerja alran steady dan energ knetk alran. V Ve W = Ek = Eke m (.9) Daya P adalah jumlah laju keras. Dar persamaan (.9) dperoleh : V = V P m e (.10) 1 Dar persamaan (.8) dan (.11) dperoleh : P = ρ AV ( ) t V Ve (.11) 1 P = ρ A( V )( ) 4 + Ve V Ve (.1) Berdasarkan persamaan.8, P total jka V t = V dan V e =0, artnya daya total angn dserap apabla pada saat mennggalkan sudu angn kehlangan seluruh kecepatannya. Sedangkan daya maksmum P max terjad apabla kecepatan ss keluar berupa V e.opt yang besarnya dapat dhtung. Pmax dhtung dengan mendferensalkan P pada persamaan.1 terhadap V e dan menjadkan turunannya sama dengan 0, maka : P V e = 0 (.13) 3V V V V = 0 (.14) e + e Persamaan.14 menghaslkan V e.opt untuk nla V e postf dmana : Unverstas Sumatera Utara

9 V 1 e. opt = V 3 (.15) Dengan mensubttuskan persamaan.15 ke persamaan.1 dperoleh : P 8 ρav 3 max = (.16) 7 II Efsens Teorts Efsens teorts atau efesens deal atau efsens maksmum, η max dar sebuah turbn angn adalah perbandngan antara daya maksmum P max yang dhaslkan terhadap total daya angn yang masuk turbn, P total. η max Pmax = Ptotal 8 ρav = ρav = 0,596 3 (.17) Dengan kata lan, secara teorts energ angn yang dubah turbn menjad kerja adalah sebesar 59,6 % dar total daya yang dberkan angn. Faktor 0,596 atau 16/7 dsebut dengan konstanta Betz dan basanya dpertmbangkan untuk mencapa efsens konvers angn semaksmum mungkn dar rotor turbn angn. II Daya Aktual Sepert halnya turbn uap dan turbn gas, sudu sudu turbn angn juga mempengaruh kecepatan, bergantung kepada sudut kecepatan masuk dan sudut kecepatan alran mennggalkan sudu. Efsens yang ddapat datas dengan mengasumskan konds deal sepanjang sudu masuk. Daya keluaran suatu turbn angn tergantung kepada daya yang dhaslkan oleh angn dan koefsen daya C p dmana hubungannya dtunjukkan pada persamaan.18 yatu : C p Daya Keluaran Turbn Angn = (.18) 1 3 ρav Atau daya aktual turbn angn hngga menghaslkan daya lstrk adalah : P akt = ηp total = η 1 ρav 3 (.19) Unverstas Sumatera Utara

10 dmana efsens total dar turbn angn (η) yang melput efsens aerodnamk rotor (C p ), transms, kontrol dan generator. Harga n berksar antara 30 % - 40 %. II. 4. Lapsan Batas Bum Aplkas energ angn pada lapsan atmosfr terdapat pada 100 m datas tanah. Pada lapsan n, angn tersebut dpengaruh oleh nteraksnya dengan permukaan bum, yang mana memlk efek utama yatu : Kecepatan Angn dkurang oleh efek geseran, semakn dekat ke permukaan ratarata kecepatan angn umumnya kurang dar ketnggan yang lebh tngg d lapsan n. Dsebut turbulans atau terjadnya hembusan, yatu. suatu stokastk, secara relatf varas frekwens tngg angn dar kecepatan angn. Terlepas dar turbulans dan sebalknya, ada varas frekwens yang lebh rendah dar kecepatan angn yang dsebabkan oleh efek sklus pag - malam, sstem bada, dan lan lan. II Dstrbus Rata - Rata Kecepatan Angn dengan ketnggan lapsan Batas bum [11] Dstrbus rata rata kecepatan angn dar permukaan bum 600 meter keatas, kecepatan angnnya bertambah dpengaruh oleh kepadatan permukaan bum. Semakn berada datas permukaan bum maka kecepatan angnnya pun semakn tngg untuk memutar turbn. Sebaga pendekatan untuk mencar perubahan kecepatan angn rata rata V H melalu ketnggan H dan hubungannya dengan kecepatan angn yang dukur V ref pada ketnggan standar dar pengukuran untuk nla yang dharapkan dar ketnggan poros turbn angn, sejumlah perhtungan sederhana dgunakan, mengandung parameter yang mencermnkan konds permukaan lokal. Kekasaran permukaan merupakan salah satu faktor utama untuk menghaslkan wndshear, lebh rendah meter dar atmosfr. Rumus sederhana n dalam bentuk eksponen : V V H ref = log log ( H z ) 0 ( Href z0 ) (.0) Dmana H ref adalah referens ketnggan pada rata - rata kecepatan angn. Nla parameter Z 0 adalah tngg dar kekasarnya permukaan (Gambar.7). Nlanya bervaras Unverstas Sumatera Utara

11 mula dar m untuk konds daerah kosong (laut) sampa 1 m untuk daerah perkotaan. Nla dar hanya menunjukkan konds yang benar benar kosong, tanpa adanya ombak. Untuk daerah sepert tanah lapang dan area terbuka dengan hanya beberapa pohon pohon atau semak belukar maka Z 0 = 0.03m (dbandngkan ke eksponen 1/7). Untuk daerah pertanan dengan lebh banyak penahan angn, bangunan (pertanan) yang tersebar maka mempunya nla Z 0 kra - kra 0.1, sementara untuk hutan dan daerah yang serupa nla nya 0.4. bergantung pada konds permukaan, dar 0.06 (konds sangat halus contohnya, laut) ke 0.6 (konds sangat kasar, contohnya, daerah perkotaan). Untuk stud umum, tanah lapang tdak dspesfkkan, nla 0.14 atau 1/7 serng dgunakan, mencermnkan tanah lapang yang tandus dengan sedkt semak belukar atau unsur - unsur lannya. Roughness class 0 z 0 ~ Roughness class z 0 ~ 0.03 Roughness class z 0 ~ 0.1 Roughness class 3 z 0 ~ 0.4 Gambar.7 Tpe tpe Kekasaran Permukaan Unverstas Sumatera Utara

12 II. 4.. Fluktuas Lebh [11] Spektrum Energ "van der Hoven " (Gambar.8) menunjukkan bahwa frekuens dapat ddeteks pada fluktuas angn. Kta dapat membedakan dengan jelas dua bagan tersebut dengan celah dtengahnya. Bagan kr menunjukkan perubahan cuaca dar har ke har. Bagan kanan menunjukkan fluktuas cepat dhubungkan secara langsung ko turbulans pada lapsan batas, kurang lebh tdak tergantung pada tpe cuaca. Fluktuas n menyebabkan beban dnamk pada komponen dan struktur dar turbn angn. Hal tersebut merupakan beberapa hal yang sedkt pentng untuk produks energ. Pada celah tersebut kta menemukan sklus antara 5 ment dan beberapa jam. Data perjam tersebut dkumpulkan oleh BMG (Badan Meteorolog dan Geofska). Analsa dar fluaktuas tersebut sangat perlu untuk mendapat tempat yang berpotens untuk dbangunnya turbn angn. Gambar.8 Spectrum Daya Van der Hoven dar fluktuas angn Unverstas Sumatera Utara

13 II. 5. Peta Angn [5] Sebaga contoh peta angn yang dtunjukkan pada Gambar.9, yang merupakan potensal kecepatan angn. Kecepatan angn dukur pada daerah datar. Gambar.9 Peta Angn Global Unverstas Sumatera Utara