BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 digilib.uns.ac.id BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Angin Salah satu energi terbarukan yang berkembang pesat di dunia saat ini adalah energi angin. Angin adalah udara yang bergerak karena adanya perbedaan tekanan udara di permukaan bumi ini. Angin akan bergerak dari suatu daerah yang memiliki tekanan tinggi ke daerah yang memiliki tekanan yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara terjadi akibat adanya perbedaan penerimaan radiasi sinar matahari (Tanti, 2011). Daerah yang banyak terkena pancaran sinar matahari akan memiliki temperatur yang lebih tinggi daripada daerah yang sedikit terkena pancaran sinar matahari, sehingga mengakibatkan terjadinya perbedaan suhu udara. Adanya perbedaaan suhu udara tersebut meyebabkan perbedaan tekanan, akhirnya menimbulkan gerakan udara (Nurchayati, 2009). Udara yang bergerak memiliki energi kinetik. Udara yang memiliki massa m dan kecepatan v akan menghasilkan energi kinetik sebesar: E = 1 2 mv2 (2.1) Dengan: E = energi kinetik (joule) m = massa (kg) v = kecepatan udara (m/s) Volume udara per satuan waktu (debit) yang bergerak dengan kecepatan v dan melewati daerah seluas A adalah: V = va (2.2) Massa udara yang bergerak dalam satuan waktu dengan kerapatan ρ, yaitu: m = ρv = ρva (2.3) Sehingga energi kinetik angin yang berhembus dalam satuan waktu (daya angin) adalah: P = 1 2 (ρav)(v2 ) P = 1 2 ρav3 (2.4) 5

2 digilib.uns.ac.id 6 Dengan: P = daya angin (Watt) ρ = massa jenis udara (ρ = 1,225 kg/m 3 ) A = luas penampang turbin (m 2 ) v = kecepatan udara (m/s) Besar daya tersebut adalah daya yang dimiliki oleh angin sebelum dikonversi atau sebelum melewati turbin angin. Dari daya tersebut tidak semuanya dapat dikonversi menjadi energi mekanik oleh turbin angin (Ajao dan Adeniyi, 2009). 2.2 Potensi Energi Angin Studi potensi pemanfaatan energi angin dimulai dengan kajian data sekunder dan observasi lapangan untuk mendapatkan data primer. Data sekunder dan hasil observasi dianalisa untuk dijadikan dasar rancangan umum sistem konversi energi angin. Untuk memperoleh data primer yang dapat dipercaya, harus diperhatikan letak aktual alat pengkur arah dan kecepatan angin (anemometer), jarak dan tinggi bangunan terdekat, vegetasi, pepohonan dan bukit-bukit terdekat yang dapat menjadi rintangan sehingga menimbulkan aliran berolak (Daryanto, 2007). Data kecepatan angin tersebut berguna untuk menentukan apakah lokasi tersebut cocok untuk dibangun sistem konversi energi angin. Analisa potensi angin dapat memberikan informasi mengenai: Pola angin berkala dalam periode tertentu Durasi kecepatan angin rendah dan kecepatan angin tinggi Kecepatan angin di daerah yang tidak jauh dengan lokasi pengukuran (pengambilan data primer) Berapa banyak energi yang dapat tersedia pertahunnya (Daryanto, 2007). Kecepatan angin pada tempat di mana sistem konversi turbin angin akan dipasang akan dianalisa dan dihitung berdasarkan data yang ada, baik dari data sekunder maupun hasil pengukuran sebagai dasar untuk perancangan turbin angin. Data angin yang tersedia dalam rata-rata per jam atau rata-rata per hari selama kurun waktu satu bulan dalam satu tahun akan diolah dengan menggunakan metode statistik standar pengolahan data angin commit dan akan to user disajikan dalam beberapa buah bentuk

3 digilib.uns.ac.id 7 grafik. Dalam tugas akhir ini, metode pengolahan data kecepatan angin menggunakan distribusi Weibull. 2.3 Distribusi Weibull Angin merupakan udara yang bergerak dan memiliki fluktuasi yang tinggi sehingga sulit untuk memprediksi keberadaan angin di suatu daerah. Untuk memprediksi keberadaan angin di suatu tempat dilakukan dengan mengumpulkan data kecepatan angin kemudian data tersebut diolah menggunakan pendekatan distribusi Weibull. Distribusi Weibull berguna untuk mendapatkan prediksi yang akurat mengenai potensi energi angin di suatu tempat dan mengetahui karakteristik pola kecepatan angin (Daryanto, 2007). Distribusi Weibull terdiri dari dua jenis fungsi yaitu probability density function f(v) dan cumulative distribution function F(V). Probability density function menunjukkan kemungkinan (probability) munculnya angin pada kecepatan angin (v) tertentu. Probability density function didefinisikan dengan persamaan, f(v) = k c (V c )k 1 exp ( ( V c )k ) (2.5) Cumulative distribution function menunjukkan fraksi atau kemungkinan dimana kecepatan angin lebih kecil atau sama dengan kecepatan angin referensi (v). Cumulative distribution function didefinisikan dengan persamaan, F(v) = 1 exp ( ( V c )k ) (2.6) Dengan k dan c masing-masing disebut sebagai parameter bentuk dan parameter skala yang harus dicari dari data hasil pengukuran (Mathew, 2006). Salah satu faktor terpenting dalam menganalisa potensi energi angin pada suatu daerah yaitu mencari nilai kecepatan angin rata-rata (Vm). Kecepatan angin rata-rata dapat dihitung dengan persamaan, n Vm = 1 Vi n i=1 (2.7) Dengan Vi adalah kecepatan angin dan n adalah jumlah data angin. Namun untuk perhitungan daya angin, kecepatan angin harus proporsional dengan daya angin. Sehingga Vm dihitung menggunakan persamaan, (Mathew, 2006)

4 digilib.uns.ac.id 8 Vm = ( 1 n 1 n 3 i=1 ) Vi3 (2.8) Ukuran dari variasi kecepatan angin dalam sejumlah data tertentu adalah standar deviasi (σv). Standar deviasi dihitung menggunakan persamaan, σv= n i=1 (Vi Vm)2 n Nilai standar deviasi yang kecil menunjukkan bahwa data tersebut seragam. (2.9) Setelah nilai Vm dan σv dihitung maka nilai k (parameter bentuk) dan c (parameter skala) dapat dicari menggunakan persamaan, k = ( σv Vm ) c = (2.10) Vm k (2.11) k Biasanya data pengukuran kecepatan angin hanya tersedia pada satu ketinggian tertentu saja sehingga belum cocok dengan ketinggian hub turbin angin. Oleh karena itu, data tersebut perlu dirubah agar sesuai dengan ketinggian hub turbin angin menggunakan persamaan berikut, (Oyedepo, 2012) V(ZR) = V(Z) ln(zr Z0 ) Dengan, ln( Z Z0 ) (2.12) V(ZR) = kecepatan angin pada ketinggian hub turbin angin (m/s) V(Z) = kecepatan angin pada ketinggian di lokasi pengukuran (m/s) ZR Z Z0 = tinggi hub turbin angin (m) = ketinggian lokasi pengukuran kecepatan angin (m) = kekasaran permukaan Kekasaran permukaan bisa mendekati nilai 0 untuk wilayah laut dan bisa bernilai 2 untuk wilayah perkotaan. Untuk permukaan datar dan halus pada wilayah pantai Z0 bernilai 0,005 (Mathew, 2006). Parameter bentuk (k) dan parameter skala (c) distribusi Weibull akan ikut berubah mengikuti fungsi ketinggian seperti pada persamaan berikut, (Oyedepo, 2012) c(h) = co ( h ho )n (2.13)

5 digilib.uns.ac.id 9 k(h) = ko[1 0,088 ln (ho/10) ]/[1 0,088 ln (h/ho) ] (2.14) Dengan, c(h) = parameter skala pada ketinggian hub turbin (m/s) c(o) = parameter skala pada ketinggian di lokasi pengukuran (m/s) k(h) = parameter bentuk pada ketinggian hub turbin k(o) = parameter bentuk pada ketinggian di lokasi pengukuran kecepatan angin h = tinggi hub turbin (m) h(o) = tinggi di lokasi pengukuran kecepatan angin (m) n = eksponen Nilai eksponen (n) dihitung menggunakan persamaan berikut, n = [0,37 0,088 ln (co)]/ [1 0,088 ln ( h )] (2.15) 10 Total energi yang tersedia berdasarkan kecepatan angin di suatu daerah, luasan area rotor, dan kurun waktu tertentu disebut energy density (ED). Energy density dihitung menggunakan persamaan, ED = ρ c3 3 2 Dengan, k Γ (3 k ) (2.16) ED = energi density (Watt) ρ = massa jenis udara (kg/m 3 ) c = parameter skala (m/s) k = parameter bentuk Setelah ED diketahui, energi yang tersedia selama periode tertentu (EI) dapat dihitung menggunakan persamaan, EI = ED T (2.17) dengan T adalah periode (Mathew, 2006). Selain kecepatan angin rata-rata, terdapat dua jenis kecepatan angin yang perlu dicari untuk memprediksi potensi energi angin yaitu kecepatan angin yang sering muncul (VF) dan kecepatan angin yang menghasilkan energi maksimal (VE) selama periode tertentu (Oyedepo, 2012). VF dan VE dirumuskan dengan persamaan,

6 digilib.uns.ac.id 10 1 VF = c ( k 1 ) k k VE = c (k+2) 1 k 1 kk (2.18) (2.19) Kecepatan angin yang sering muncul (VF) merupakan nilai tertinggi (peak) pada grafik probability density function sedangkan kecepatan angin yang menghasilkan energi maksimal (VE) dapat digunakan sebagai kecepatan angin desain atau rated wind speed pada perancangan turbin angin (Oyedepo, 2012). 2.4 Turbin Angin Energi angin adalah energi kinetik yang dapat dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain seperti mekanik atau listrik dengan menggunakan alat yang disebut turbin angin. Oleh karena itu, turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA). Tenaga angin mekanik yang sangat sederhana telah dikembangkan untuk penggilingan di Afganistan pada abad ketujuh. Sistem energi angin pembangkit listrik pertama kali dibangun di Amerika tahun 1888 dengan memodifikasi turbin angin untuk menggerakkan generator. Tahapan penting dalam pengembangan sistem tersebut dilakukan oleh ilmuwan Denmark bernama Dane Poul LaCour pada tahun Kemudian ratusan turbin angin empat sudu dengan soliditas rendah yang merupakan pelopor turbin angin untuk pengisian baterai. Pada akhir abad ke-19, turbin angin dengan desain yang kompleks telah menjadi sumber energi yang utama di Eropa sebagai refleksi kemajuan teknologi energi angin. Sekitar 20 ribu unit turbin angin telah dioperasikan di Perancis dan 90% kebutuhan industri di Belanda adalah dari turbin angin. Pada tahun 1920-an, sekitar 600 ratus ribu unit turbin angin sudu majemuk telah dioperasikan di Amerika. Tipe turbin angin Amerika itu kemudian menyebar dan paling banyak dikembangkan di seluruh dunia (Tresher dkk, 1998). Pengembangan desain sistem energi angin meningkat pesat tahun 1930-an dengan diterapkannya aerodinamika dan struktur pada pesawat terbang. Akan tetapi, dalam era industri hampir semua instalasi sistem energi angin yang dekat dengan

7 digilib.uns.ac.id 11 jaringan listrik menghilang dan digantikan oleh tenaga fosil yang lebih murah dan lebih praktis. Hanya sistem energi angin skala kecil yang masih digunakan secara terbatas untuk kebutuhan pedesaan dan untuk daerah terpencil. Minat terhadap sistem energi angin menguat kembali ketika harga minyak meningkat drastis dalam dasawarsa 1970-an. Sistem energi angin diproduksi kembali untuk segera digunakan. Riset dan pengembangan dilanjutkan dengan semua pendekatan yang dimungkinkan untuk meningkatkan prestasi dan keandalan sistem, seperti pengembangan turbin angin dengan starting torque yang rendah agar dapat beroperasi pada kecepatan angin yang rendah Prinsip Kerja Turbin Angin Turbin angin bekerja berdasarkan prinsip perubahan energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati rotor turbin angin. Ketika melewati rotor, angin mengalami pengurangan energi kinetik yang ditandai dengan berkurangnya kecepatan angin. Energi kinetik yang hilang ini dikonversikan menjadi energi mekanik yang memutar rotor turbin angin. Putaran rotor tersebut kemudian digunakan untuk beberapa hal sesuai dengan kebutuhan seperti memutar dinamo atau generator untuk menghasilkan listrik atau menggerakkan pompa untuk pengairan. Daya yang dihasilkan dari konversi oleh rotor turbin angin sebanding dengan pangkat tiga kecepatan angin. Daya yang dapat dihasilkan oleh rotor turbin angin adalah (Sidiq dan Ridwan, 2008). P = Cp 1 2 ρav3 (2.20) Dimana : P = daya keluaran rotor turbin angin (Watt) Cp = koefisien daya turbin angin ρ = massa jenis udara (kg/m 3 ) A = luas sapuan rotor (m 2 ) V = kecepatan angin (m/s) Menurut Albert Betz seorang ahli aerodinamika Jerman, efisiensi maksimal yang dapat dicapai oleh turbin angin adalah 16/27 atau 59,3%. Gambar 2.1 menunjukkan

8 digilib.uns.ac.id 12 hubungan antara koefisien performa (Cp) berbagai jenis turbin angin dengan kecepatan ujung sudu (tip speed ratio). Gambar 2.1 Grafik hubungan antara Cp dengan tip speed ratio (λ) berbagai jenis turbin angin (Khan, 2009) Jenis Turbin Angin Turbin angin dibedakan menjadi dua jenis, yaitu turbin angin sumbu horizontal (TASH) dan turbin angin sumbu vertikal (TASV). Turbin angin sumbu horizontal merupakan turbin angin dimana sumbu putarnya sejajar dengan tanah (Arwoko, 1999). Biasanya turbin jenis ini memiliki sudu berbentuk airfoil seperti bentuk sayap pada pesawat. Pada turbin ini, putaran rotor terjadi karena adanya gaya lift (gaya angkat) pada sudu yang ditimbulkan oleh aliran udara. Turbin ini cocok digunakan pada tipe angin sedang dan tinggi dan banyak digunakan sebagai pembangkit listrik skala besar. Berdasarkan jumlah sudu, turbin angin sumbu horizontal dapat dibedakan menjadi single bladed, two bladed, three bladed dan multi bladed seperti terlihat pada gambar 2.2. Jenis turbin yang saat ini populer untuk menghasilkan energy listrik adalah three bladed wind turbine.

9 digilib.uns.ac.id 13 Gambar 2.2 Berbagai jenis turbin angin sumbu horizontal (Mathew, 2006) Secara umum, kelebihan TASH yaitu memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan VAWT dan memiliki cut-in wind speed rendah. Kekurangannya yaitu turbin jenis ini memiliki desain yang lebih rumit karena rotor hanya dapat menangkap angin dari satu arah sehingga dibutuhkan pengarah angin (yaw mechanism) selain itu penempatan dinamo atau generator berada di atas tower sehingga perawatannya lebih sulit dan beban tower juga bertambah. Turbin angin sumbu vertikal (TASV) merupakan turbin angin dimana sumbu putarnya tegak lurus dengan tanah (Arwoko, 1999). Ada tiga tipe rotor pada turbin angin jenis ini yaitu: Savonius, Darrieus, dan H-rotor, seperti diperlihatkan pada gambar 2.3. Turbin Savonius memanfaatkan gaya drag sedangkan Darrieus dan H- rotor memanfaatkan gaya lift. Secara umum, kelebihan TASV yaitu memiliki torsi tinggi sehingga dapat berputar pada kecepatan angin rendah sehingga sangat cocok beroperasi pada daerah dengan kecepatan angin rendah sampai sedang. Generator ditempatkan dibagian bawah turbin sehingga mempermudah perawatan. TASV dapat menerima angin dari segala arah sehingga tidak memerlukan yaw mechanism atau pengarah angin dan juga tidak terlalu bising.

10 digilib.uns.ac.id 14 Gambar 2.3 Berbagai jenis turbin angin sumbu vertikal (Mathew, 2006) Kekurangan TASV untuk jenis Darrieus dan H-Rotor yaitu memiliki cut-in wind speed yang tinggi sehingga memerlukan gaya tambahan untuk memutar turbin pada saat awal beroperasi. Efisiensi TASV juga lebih rendah dibandingkan dengan TASH. TASV awalnya lebih berkembang untuk konversi energi mekanik, tetapi seiring dengan perkembangan desain, turbin tipe ini banyak digunakan untuk konversi energi listrik skala kecil. 2.5 Turbin Angin H-Rotor Turbin angin H-Rotor merupakan variasi dari tipe Darrieus. Turbin angin H- Rotor menggunakan prinsip gaya angkat untuk memutar sudu. Tipe H-rotor memiliki konstruksi yang sederhana apabila dibandingkan dengan tipe Darrieus. Turbin angin Darrieus menggunakan sudu yang ditekuk sedangkan tipe H-rotor menggunakan sudu yang lurus. Sudu pada H-Rotor dihubungkan ke poros menggunakan lengan atau biasanya disebut dengan strut, kemudian poros langsung dihubungkan dengan generator. Keuntungan lain dari tipe H-rotor yaitu tidak memerlukan mekanisme yaw karena dapat menerima angin dari segala arah. Bentuk sudu yang lurus atau non twisted juga memudahkan dalam hal produksi. Karena termasuk dalam turbin angin sumbu vertikal maka generator dapat diinstal di bawah sehingga memudahkan dalam hal perawatan. Selain itu tower juga tidak menopang beban generator sehingga struktur tower bisa lebih ringan. Gambar 2.4 commit adalah to turbin user angin tipe H-Rotor.

11 digilib.uns.ac.id 15 Gambar 2.4 Turbin angin H-Rotor Dalam merancang sebuah turbin angin H-Rotor terdapat parameter-parameter yang harus ditentukan dan diperhitungkan agar daya output turbin sesuai dengan yang diharapkan. Berikut ini adalah parameter-parameter yang harus ditentukan dalam perancangan turbin angin H-Rotor Jumlah Sudu (n) Untuk turbin angin tipe Darrieus, torque ripple dapat dikurangi apabila jumlah sudunya tiga atau lebih. Selain itu, variasi pembebanan yang merata pada turbin angin diperoleh apabila menggunakan jumlah sudu tiga atau lebih. Untuk jenis micro vertical axis wind turbine jumlah sudu optimal yang digunakan pada umumnya adalah tiga sudu (Hameed, 2012) Tip Speed Ratio (TSR) Tip speed ratio (TSR) merupakan perbandingan antara kecepatan putar turbin terhadap kecepatan angin. TSR dilambangkan dengan λ (Mittal, 2001). Untuk menghitung nilai TSR menggunakan persamaan, λmax = 4 π n dengan n adalah jumlah sudu (Hameed, 2012) Solidity (2.21) Solidity adalah perbandingan antara luas sudu dengan luas sapuan rotor. Solidity dapat dihitung menggunakan persamaan,

12 digilib.uns.ac.id 16 Solidity = Blade area = n c Rotor area D (2.22) dengan D adalah diameter turbin angin, n adalah jumlah sudu dan c adalah panjang chord sudu turbin angin (Koksal dkk, 2004). Nilai solidity berpengaruh pada material yang digunakan untuk membuat turbin angin dikarenakan berubahnya luasan turbin angin, kecepatan putar turbin angin di mana, semakin kecil nilai solidity maka kecepatan putar turbin angin akan semakin meningkat begitu juga sebaliknya, kemudian torsi yang dihasilkan oleh turbin angin akan semakin tinggi apabila nilai solidity juga meningkat (Kirke, 1998) Koefisien Power (Cp) Koefisien power adalah perbandingan antara daya yang keluar dari rotor dengan daya yang masuk pada rotor. Nilai koefisien daya tidak akan melebihi nilai ideal yaitu sbesar 0,593. Gambar 2.5 Grafik hubungan antara TSR dengan Cp dengan pertimbangan nilai solidity antara 0,05-0,40 (Koksal dkk, 2004)

13 digilib.uns.ac.id Diameter Rotor (D) Hubungan antara daya yang dihasilkan dan desain kecepatan angin dapat digunakan untuk menentukan diameter rotor sesuai persamaan (Blackwell dkk, 1977), P = 0,5 Cp ρ V 3 D 2 (2.23) dimana CP adalah koefisien power, ρ adalah massa jenis udara, V adalah kecepatan angin, dan D adalah diameter rotor Aspect ratio (AR) Aspect ratio adalah perbandingan antar panjang sudu (b) dengan panjang chord sudu (c). Semakin kecil nilai aspect ratio maka akan mengurangi performa rotor. Sudu yang panjang dan ramping (airfoil) dengan nilai aspect ratio yang tinggi sangat disarankan untuk turbin angin Darrieus tipe H-rotor (Islam dkk, 2008). Aspect ratio dirumuskan oleh persamaan berikut, Aspect ratio (AR) = Span length = b Chord length c (2.24) dengan b adalah panjang sudu dan c adalah panjang chord sudu Airfoil Airfoil adalah salah satu bentuk bodi aerodinamika sederhana yang berguna untuk memberikan gaya angkat tertentu terhadap suatu bodi dan dengan bantuan penyelesaian matematis sangat memungkinkan untuk memprediksi berapa besarnya gaya angkat yang dihasilkan oleh suatu bodi airfoil. Gambar 2.6 menunjukkan bagianbagian dari sebuah airfoil. Geometri airfoil memiliki pengaruh besar terhadap karakteristik aerodinamika dengan parameter penting berupa koefisien lift (CL) dan koefisien drag (CD) kemudian akan berkaitan dengan gaya angkat dan gaya hambat (Mulyadi, 2010). Suatu airfoil terdiri dari: Permukaan atas (Upper Surface) Permukaan bawah (Lower Surface) Mean camber line adalah tempat kedudukan titik-titik antara permukaan atas dan bawah airfoil yang diukur tegak lurus terhadap mean camber line Leading edge adalah titik paling depan pada mean camber line Trailing edge adalah titik paling belakang pada mean camber line

14 digilib.uns.ac.id 18 Camber adalah jarak maksimum antara mean camber line dan garis chord yang diukur tegak lurus terhadap garis chord Ketebalan (thickness) adalah jarak antara permukaan atas dan permukaan bawah yang diukur tegak lurus terhadap garis chord Gambar 2.6 NACA airfoil Airfoil simetris biasanya digunakan pada tipe turbin angin sumbu vertikal skala kecil. Airfoil simetris memiliki karakteristik drag dan lift yang sama pada bagian permukaan atas dan bawah. Keuntungan utama airfoil simetris adalah mampu menghasilkan gaya angkat selama satu putaran penuh (360 o ) ketika rotor berputar. Sudu akan menghasilkan gaya angkat saat angin berhembus dari arah manapun sehingga tidak perlu mengatur posisi sudu agar sejajar dengan arah angin (Hameed, 2012). Airfoil simetris khususnya NACA 0012, NACA 0015, dan NACA 0018 sering digunakan sebagai dasar pembuatan sudu Aerodinamika Sudu Analisa aerodinamika pada H-rotor cukup komplek walaupun bentuk rotornya tergolong sederhana. Pada saat angin mengenai sudu, tidak hanya kecepatan angin saja yang mempengaruhi gaya angkat dan gaya dorong pada sudu tetapi kecepatan angin relatif yang mempengaruhi. Selain itu terdapat pula kecepatan tangential dan kecepatan normal sudu. Beberapa persamaan matematika di bawah ini dapat digunakan untuk menganalisa aerodinamika pada sudu H-rotor. Sudut serang Sudut serang merupakan sudut yang terbentuk antara kecepatan tangential sudu dan kecepatan angin relatif. Seperti terlihat pada gambar 2.7, sudut serang dapat dicari menggunakan persamaan berikut ini.

15 digilib.uns.ac.id 19 sinθ α = tan 1 ( ) (2.25) TSR+cosθ Gambar 2.7 Segitiga kecepatan pada turbin angin H-Rotor Vc merupakan kecepatan tangential sudu dan dapat dihitung dengan persamaan, Vc = Rw + Va cosθ (2.26) Sedangkan Vn merupakan kecepatan normal dan dapat dihitung menggunakan persamaan, Vn = Va sinθ (2.27) Va merupakan kecepatan angin. Kecepatan relatif Dalam analisa segitiga kecepatan angin pada sebuah turbin angin, terdapat komponen penting yang menghasilkan commit gaya to angkat user dan gaya dorong yaitu kecepatan

16 digilib.uns.ac.id 20 angin relative (W). Kecepatan angin relatif merupakan resultan vektor antara kecepatan angin (V) dengan kecepatan tangential (Rw) seperti ditunjukkan pada gambar 2.8. Gambar 2.8 Penentuan kecepatan angin relatif Nilai β dan γ ditentukan menggunakan persamaan, V = Rw sin α sin β (2.28) sin β = sin 1 (( Rw ) sin α) (2.29) V γ = 180 (α + β) (2.30) Sedangkan kecepatan relatif (W) dihitung menggunakan persamaan, W 2 = V 2 + Rw 2 2VRw cos γ (2.31) Perhitungan gaya angkat dan gaya dorong Gaya angkat (L) adalah gaya yang tegak lurus dengan kecepatan relatif angin sedangkan gaya dorong (D) adalah gaya yang sejajar dengan kecepatan relatif angin seperti yang terlihat pada gambar 2.9. Gaya angkat dan gaya dorong dihitung menggunakan persamaan berikut (Anderson, 2010), L = 1 2 ρw2 CL c H (2.32) D = 1 2 ρw2 CD c H (2.33) Dengan, L = gaya angkat (N) D = gaya dorong (N) W = kecepatan relatif (m/s) CL = koefisien lift CD = koefisien drag c = panjang chord sudu (m) H = tinggi sudu (m)

17 digilib.uns.ac.id 21 Gaya normal (N) merupakan gaya yang tegak lurus dengan chord sudu sedangkan gaya axial (A) merupakan gaya yang sejajar dengan chord sudu seperti terlihat pada gambar 2.9. Gaya normal dan axial dihitung menggunakan persamaan berikut (Anderson, 2010), N = L cos α + D sin α (2.34) A = L sin α D cos α (2.35) Dengan, N = gaya normal (N) A = gaya axial (N) Gambar 2.9 Diagram gaya pada sudu turbin angin Generator Untuk menghasilkan energi listrik dari putaran poros, perangkat turbin angin harus menggunakan generator. Prinsip kerja generator adalah menjadikan medan magnet yang ada disekitar konduktor mengalami fluktuasi atau perubahan, sehingga timbul tegangan listrik. Magnet yang berputar disebut rotor dan konduktor yang diam disebut stator. Dari segi sifat kemagnetan, generator dibagi menjadi 2 jenis yaitu generator magnet tetap dan generator magnet sementara. Pada generator dengan magnet tetap, sifat kemagnetannya tidak berubah dan tidak mudah hilang. Untuk membangkitkan listrik dengan generator ini, dilakukan dengan memutar poros generator supaya

18 digilib.uns.ac.id 22 menyebabkan fluktuasi magnet dan dihasilkan tegangan listrik. Untuk generator magnet sementara sifat kemagnetannya mudah hilang. Sifat medan magnet yang terjadi pada generator ini dihasilkan dengan induksi. Untuk membangkitkan daya listrik, generator harus diberi arus listrik ketika kumparan magnetnya berputar. Dari segi arus listrik yang dihasilkan, generator dibagi 2, yaitu generator arus bolak-balik (AC) dan generator arus searah (DC). Generator arus bolak-balik (AC) menghasilkan tegangan yang arahnya bolak-balik dan bila dihubungkan dengan beban akan menimbulkan arus bolak-balik pula. Generator AC dapat menghasilkan daya pada putaran yang bervariasi bergantung pada spesifikasi rotor itu sendiri. Pada generator arus searah (DC) terdapat rectifier yang berfungsi untuk mengubah arus AC menjadi DC. Generator ini menghasilkan tegangan yang arahnya tetap dan bila dihubungkan dengan beban, akan menimbulkan arus searah pula. Pada umumnya generator arus searah dapat menghasilkan listrik pada putaran yang tinggi. Untuk digunakan pada turbin angin, jenis generator ini memerlukan transmisi untuk menaikkan putaran. Pada penelitian turbin angin ini, generator yang digunakan adalah generator AC dengan menggunakan magnet permanen. Generator jenis ini disebut juga Permanent Magnet Generator (PMG) yang dapat menghasilkan daya dan tegangan listrik pada putaran yang rendah. Gambar 2.10 Generator