BAB II TEORI DASAR. Angin adalah udara yang bergerak karena adanya perbedaan tekanan udara

Transkripsi

1 BAB II TEORI DASAR 2.1 Definisi Angin Angin adalah udara yang bergerak karena adanya perbedaan tekanan udara antara satu tempat dan tempat yang lain (Yusman, 2005). Adapun penyebab perbedaan tekanan udara adalah intensitas panas matahari. Udara yang terkena panas matahari akan mengembang sehingga tekanan udara menjadi rendah, sedangkan daerah yang tidak mendapat sinar matahari tekanan udaranya tinggi. Oleh karena itu, udara bergerak dari daerah yang bertekanan udara tinggi menuju daerah yang bertekanan udara rendah. Di permukaan bumi daerah yang mempunyai tekanan udara rendah adalah di daerah khatulistiwa karena selalu mendapat sinar matahari. Adapun di daerah kutub utara dan kutub selatan tekanan udaranya lebih tinggi. Oleh karena itu, aliran udara bergerak dari daerah kutub menuju daerah khatulistiwa. Hubungan antara tekanan udara dan arah angin dinyatakan dalam Hukum Buys Ballot bahwa udara mengalir dari daerah bertekanan maksimum ke daerah bertekanan minimum. Arah angin akan membelok ke kanan di belahan bumi utara dan membelok ke kiri di belahan bumi selatan. 6

2 7 Energi angin dapat dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Oleh karena itu, kincir atau turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA). Semua energi yang dapat diperbaharui seperti energi pada bahan bakar fosil kecuali energi pasang surut dan panas bumi berasal dari Matahari. Matahari meradiasi 1,74 x kilowatt jam energi ke Bumi setiap jam. Dengan kata lain, Bumi menerima 1,74 x watt daya. Sekitar 1-2 persen dari energi tersebut diubah menjadi energi angin. Jadi, energi angin berjumlah kali lebih banyak daripada energi yang diubah menjadi biomassa oleh seluruh tumbuhan yang ada di muka Bumi. 2.2 Jenis-jenis angin Tekanan udara berbeda-beda antartempat dan pada tempat tertentu dapat berubah secara dinamis. Perbedaan tekanan udara ini menyebabkan terjadinya angin. Oleh karena itu, angin juga sangat beragam bergantung tempatnya. Angin selalu diberi nama sesuai dengan arah asalnya. Ragam angin di bumi antara lain sebagai berikut : 1. Angin laut Angin laut adalah angin yang bertiup dari arah laut ke arah darat yang umumnya terjadi pada siang hari dari pukul sampai dengan pukul Angin ini biasa dimanfaatkan para nelayan untuk pulang dari menangkap ikan di laut.

3 8 Gambar 2.1 Proses terjadinya angin laut 2. Angin Darat Angin darat adalah angin yang bertiup dari arah darat ke arah laut yang umumnya terjadi pada saat malam hari dari jam sampai dengan jam Angin jenis ini bermanfaat bagi para nelayan untuk berangkat mencari ikan dengan perahu bertenaga angin sederhana. Gambar 2.2 Proses terjadinya angin darat

4 9 3. Angin Lembah Pada siang hari pemanasan lebih cepat terjadi pada lereng gunung sehingga temperaturnya lebih tinggi daripada di lembah. Oleh karena itu, tekanan udara di lereng gunung menjadi lebih rendah daripada di lembah sehingga terjadi pergerakan udara dari lembah menuju lereng gunung. Pergerakan udara itu disebut angin lembah. Gambar 2.3 Proses terjadinya angin lembah 4. Angin Gunung Pada malam hari terjadi keadaan sebaliknya, yaitu suhu udara di lereng gunung lebih rendah daripada di lembah sehingga tekanan udara di gunung lebih besar daripada di lembah. Oleh karena itu, terjadi pergerakan udara dari lereng gunung menuju lembah. Pergerakan udara itu disebut angin gunung.

5 10 Gambar 2.4 Proses terjadinya angin gunung 5. Angin Fohn Angin fohn terjadi apabila ada gerakan massa udara yang menaiki suatu pegunungan dengan ketinggian lebih dari meter. Massa udara yang mencapai puncak pegunungan akan mengalami kondensasi dan akhirnya timbul hujan pada satu sisi lereng. Adapun pada lereng yang lain tidak terjadi hujan karena terhalang tingginya pegunungan. Daerah yang tidak mengalami hujan disebut daerah bayangan hujan. Pada daerah bayangan hujan itu angin dari atas pegunungan akan bergerak menuruni lereng pegunungan dengan kecepatan tinggi. Hal itu menyebabkan naiknya suhu udara karena setiap turun 100 meter udara naik 1 o C. Dengan demikian angin yang turun bersifat panas dan kering. Angin itulah yang disebut angin local atau angin fohn atau angin terjun. Angin fohn yang terjadi di Indonesia antara lain sebagai berikut : a) Angin Bohorok di Deli. Angin itu dapat merusak perkebunan tembakau.

6 11 b) Angin Kumbang di Tegal dan Cirebon. Bagi daerah tersebut angin kumbang menguntungkan untuk pertumbuhan tanaman bawang karena di daerah sekitarnya menjadi tidak lembab. c) Angin Gending di Pasuruan dan Probolinggo, Jawa Timur. d) Angin Brubu di Sulawesi Selatan. e) Angin Wambraw di Biak, Papua. Gambar 2.5 Proses terjadinya angin fohn 6. Angin Musim Barat Angin Musim Barat/Angin Muson Barat adalah angin yang mengalir dari Benua Asia (musim dingin) ke Benua Australia (musim panas) dan mengandung curah hujan yang banyak di Indonesia bagian Barat, hal ini disebabkan karena angin melewati tempat yang luas, seperti perairan dan samudra. Contoh perairan dan samudra yang dilewati adalah Laut China Selatan dan Samudra Hindia. Angin Musim Barat menyebabkan Indonesia mengalami musim hujan.

7 12 7. Angin Musim Timur Angin Musim Timur/Angin Muson Timur adalah angin yang mengalir dari Benua Australia (musim dingin) ke Benua Asia (musim panas) sedikit curah hujan (kemarau) di Indonesia bagian Timur karena angin melewati celah-celah sempit dan berbagai gurun (Gibson, Australia Besar, dan Victoria). Ini yang menyebabkan Indonesia mengalami musim kemarau. 2.3 Kecepatan Angin Besar kecilnya kecepatan angin ditentukan oleh faktor-faktor sebagai berikut : 1. Besar kecilnya gaya gradient barometris. Gaya gradient barometris adalah besarnnya perbedaan tekanan udara antara 2 isobar yang bergerak 111 km dan dinyatakan dalam milibar (mb). Semakin besar perbedaan tekanan udara tersebut, maka akan semakin cepat angin bergerak. 2. Banyak sedikitnya hambatan. Faktor-faktor yang dapat menjadi hambatan gerakan angin antara lain relief permukaan bumi, gedung-gedung (bangunan), dan pohon-pohon. Semakin banyak rintangan yang menghalangi laju gerakan angin, maka akan semakin lambat kecepatan angin tersebut. Alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin adalah anemometer. Ada beberapa jenis anemometer, salah satu jenisnya adalah anemometer mangkok. Pada anemometer terdapat peralatan elektronik yang berfungsi mencatat gerakan angin. Pembacaan alat itu harus dilakukan dalam jangka waktu tertentu, misalnya harian.

8 Definisi Turbin Angin Turbin angin atau kincir angin mengubah energi kinetik angin ke kerja mekanis. Untuk memproduksi listrik bolak-balik (AC) sistem ini harus didesain untuk selalu beroperasi pada kecepatan sudut yang tetap dan kecepatan angin yang berubah-ubah agar didapat frekuensi yang konstan. Dalam perencanaan kincir angin, sangat penting untuk menjaga agar perbandingan daya dan berat sekecil mungkin. Ini mengurangi tegangan yang diakibatkan oleh gaya sentrifugal sudu. Secara teoritis jumlah daya yang bisa diserap oleh kincir dari angin adalah 59% untuk tubin dengan cerobong dan untuk turbin terbuka kira-kira 50-57% dari harga ini karena adanya kebocoran dan efekefek lain. Daya yang dihasilkan oleh kincir angin secara langsung tergantung dari luas daerah yang disapu oleh sudu dan gaya angin per satuan luas yang tegak lurus pada kecepatan angin sebanding dengan kecepatan angin pangkat tiga. Kincir angin adalah sebuah mesin yang digerakkan oleh tenaga angin untuk menumbuk biji-bijian, memompa air dan mengairi sawah. Kincir angin modern adalah mesin yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik, disebut juga dengan turbin angin. Turbin angin kebanyakan ditemukan di Eropa dan Amerika Utara. Naskah tertua tentang kincir angin terdapat dalam tulisan Arab dari abad ke-9 Masehi yang menjelaskan bahwa kincir angin yang dioperasikan di perbatasan Iran dan Afganistan sudah ada sejak beberapa abad sebelumnya, kadang disebut Persian windmill. Jenis yang sama juga digunakan di Cina untuk menguapkan air laut dalam memproduksi garam. Terakhir masih digunakan di Crimea, Eropa dan Amerika Serikat.

9 14 Energi angin adalah energi yang relatif bersih dan ramah lingkungan karena tidak menghasilkan karbon dioksida (CO2) atau gas-gas lain yang berperan dalam pemanasan global, sulphur dioksida dan nitrogen oksida (jenis gas yang menyebabkan hujan asam). Energi ini pun tidak menghasilkan limbah yang berbahaya bagi lingkungan ataupun manusia. Meski demikian, harap diingat bahwa sekecil apapun semua bentuk produksi energi selalu memiliki akibat bagi lingkungan. Hanya saja efek turbin angin sangat rendah, bersifat lokal dan mudah dikelola. Di samping itu turbin atau kincir angin memiliki pesona tersendiri dan menjadi atraksi wisata yang menarik, seperti misalnya saja kincir-kincir angin di negeri Belanda. 2.5 Jenis Jenis Turbin Angin Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH) Turbin angin sumbu horizontal memiliki rotor shaft dan generator yang berada di puncak menara dan harus searah dengan arah angin. Turbin angin yang berukuran lebih kecil diarahkan dengan menggunakan sirip, sedangkan untuk turbin angin berkapasitas besar menggunakan sensor dan motor servo untuk menggerakkan turbin agar menghadap dan searah dengan arah angin. Energi angin yang ditangkap oleh bilah-bilah sudu menghasilkan putaran yang rendah pada hub-nya. Oleh karenanya, sebagian besar turbin angin menggunakan gear box untuk mengubah putaran rendah yang dihasilkan bilah sudu menjadi lebih cepat dan sesuai untuk memutar generator. Bilah sudu yang digunakan biasanya terbuat dari bahan yang kuat untuk menghindari bilah sudu tersebut terdorong dan mengenai menara ketika berputar

10 15 pada saat angin kencang bertiup. Biasanya, jarak antara bilah sudu dan menara pun diatur. Bahkan kadang-kadang agak sedikit dimiringkan ke atas, agar kemungkinan tersebut semakin kecil. 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. Turbin angin propeler adalah jenis turbin angin dengan poros horizontal seperti baling- baling pesawat terbang pada umumnya. Turbin angin ini harus diarahkan sesuai dengan arah angin yang paling tinggi kecepatannya. Gambar 2.6 Turbin angin propeller

11 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) Turbin angin dengan sumbu vertikal bekerja dengan prinsip yang sama seperti halnya kelompok horizontal. Namun, sudunya berputar dalam bidang yang paralel dengan tanah, seperti mixer kocokan telur. Sesuai namanya, Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) mempunyai sumbu vertikal dengan bilah-bilah sudu paralel dengan sumbunya. Turbin angin sumbu vertikal memiliki efisiensi yang lebih kecil dibandingkan dengan Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) atau turbin angin sumbu horisontal. Turbin sumbu vertikal yang lazim digunakan adalah Savonius dan Darrieus. a b Gambar 2.7 (a). Darrieus dan (b). Savonius Savonius merupakan jenis turbin angin yang paling sederhana dan versi besar dari anemometer. Turbin Savonius dapat berputar karena adanya gaya tarik (drag). Efisiensi yang bisa dicapai turbin angin jenis ini sekitar 30%.

12 17 Turbin angin Darrieus mempunyai bilah sudu yang disusun dalam posisi simetri dengan sudut bilah diatur relatif terhadap poros. Pengaturan ini cukup efektif untuk menangkap berbagai arah angin. Berbeda dengan Savonius, Darrieus memanfaatkan gaya angkat yang terjadi ketika angin bertiup. Bilah sudu turbin Darrieus bergerak berputar mengelilingi sumbu. Adapun kelebihan dan kekurangan dari turbin angin sumbu vertikal yaitu : 1. Kelebihan TASV a) Tidak membutuhkan struktur menara yang besar b) Karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhk an mekanisme yaw c) Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah. d) TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang tinggi sehingga mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi. e) 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 f) TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH. Biasanya TASV mulai menghasilkan listrik pada 10km/jam (6 m.p.h.) g) TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih

13 18 rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat kencang. h) TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi dilarang dibangun. i) TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin (seperti gunung atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit), j) TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah. k) Kincir pada TASV mudah dilihat dan dihindari burung. 2. Kekurangan TASV a) Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar. b) TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi. c) Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar. d) Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup. 2.6 Tip speed ratio (TSR) TSR adalah perbandingan antara kecepatan ujung blade dengan kecepatan angin yang melewatinya. Bila TSR>1 artinya lebih banyak bagian blade yang

14 19 mengalami gaya angkat dan bila TSR<1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya dorong. Umumnya disain blade dengan dominasi gaya angkat memiliki efisiesi dan daya yang lebih tinggi. Tip speed ratio atau disimbolkan dengan λ, adalah rasio yang menunjukkan kinerja dari rotor. Dapat dirumuskan perbandingan dari kecepatan putar rotor dengan kecepatan angin didepan rotor. λ = ( ω R) / Va (2.1) Keterangan : λ = Tip Speed Ratio ω = Kecepatan anguler (RPM) R = Jari jari sudu (m) Va = Kecepatan angin (m/s) Dari rumus diatas, dapat disimpulkan bahwa yang mempengaruhi perhitungan Tip Speed Ratio (TSR) adalah kecepetan putar rotor dengan kecepatan angin di depan rotor. Terdapat dua tipe pada turbin angin sumbu vertikal yaitu tipe dorong dan tipe angkat. 1. Tipe Dorong Terjadi bila TSR<1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya dorong, contohnya pada mangkuk anemometer dan Turbin Angin Savonius. Memiliki bentuk yang bervariasi, seperti ember, dayung, layar, tangki. Rotornya berbentuk S (bila dilihat dari atas). Kecepatan maksimum blade yang dihasilkan hampir sama dengan kecepatan angin. Ujung blade tidak pernah bergerak lebih

15 20 cepat daripada kecepatan angin, sehinggapada ujungnya nilai TSR <1. Turbin jenis ini memiliki efisiensi daya yang rendah. 2. Tipe Angkat Terjadi bila TSR>1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya angkat, seperti pada turbin angin Darrius. Masing-masing blade memperlihatkan momen gaya angkat maksimum hanya dua kali setiap putaran dan daya keluarannya berbentuk sinusoida. Ukuran blade relatif besar dan tinggi, sehingga menimbulkan getaran. Biasanya memakai dua atau tiga blade. Turbin jenis ini menghasilkan lebih banyak daya output dan memiliki efisiensi tinggi. 2.7 Karakteristik Angin di Indonesia Letak geografis Indonesia sebagai negara tropis yang berada di garis khatulistiwa menyebabkan karakteristik angin di Indonesia sangat berbeda dengan karakteristik angin di negara-negara maju yang sudah banyak memanfaatkan tenaga angin sebagai pemasok energi listrik alternatifnya. Beberapa karakteristik angin di Indonesia, antara lain : 1. Arah angin yang sering berubah-ubah Rotor turbin angin tipe horisontal (HAWT) harus selalu berhadapan dengan datangnya angin, arah angin yang sering berubah-ubah akan mengganggu kesinambungan kerja turbin angin tipe ini sehingga diperlukan perangkat yaw controller yang cukup rumit. Sebaliknya, turbin angin tipe vertikal (VAWT) sama sekali tidak terganggu oleh arah angin yang berubah-ubah karena rotornya bisa menerima angin dari arah

16 derajat. Pada gambar terlihat bahwa dari arah manapun datangnya angin akan mampu menggerakkan rotor dari aerostellar. Gambar 2.8 Aerostellar 2. Sering terjadi turbulensi Pada turbin angin tipe horisontal, turbulensi angin yang terus menerus akan menyebabkan kelelahan material (fatigue) dan konstruksi turbin itu sendiri yang pada akhirnya akan menyebabkan kerusakan permanen. Pada turbin angin tipe sumbu vertikal (VAWT) seperti aerostellar turbulensi angin tidak mengganggu kinerjanya. Bahkan dalam beberapa kasus turbulensi angin ini dapat dimanfaatkan untuk mempercepat putaran rotor sehingga didapat energi listrik yang lebih besar. 3. Kecepatan rata-rata angin yang relatif rendah Turbin angin tipe sumbu vertikal (VAWT) seperti aerostellar dapat mulai menghasilkan energi listrik pada kecepatan angin kurang dari 2 meter/detik, jauh

17 22 lebih rendah daripada kecepatan angin yang diperlukan oleh turbin angin tipe horisontal untuk mulai menghasilkan energi listrik. Desain aerodinamika bilah-bilah rotor (rotor blades / aero fins) AEROSTELLAR didasarkan pada kombinasi konsep desain lift-type dengan semidrag-type sekaligus. Gambar 2.9 Desain aerodinamika semidrag-type Desain aerodinamika semidrag-type berfungsi untuk memberikan torsi awal pada rotor untuk mulai berputar walaupun kecepatan angin sangat rendah. Apabila rotor sudah mulai berputar, maka desain aerodinamika lift-type pada bilah rotor akan mempercepat putaran rotor bahkan lebih cepat dari kecepatan angin itu sendiri. Kecepatan putaran rotor yang dihasilkan sudah cukup memadai untuk generator mulai menghasilkan listrik sehingga tidak diperlukan lagi gearbox untuk mempercepat putaran generator yang sekaligus akan menaikkan tingkat efisiensi turbin angin aerostellar.

18 Teori Energi Di dalam teori energi listrik, untuk menghitung power atau daya angin yang dihasilkan dapat ditulis dalam persamaan matematik menjadi : P = 0,5.Cp.ρ.S.v 3 (2.2) Dimana : P = Daya atau power (watt) ρ = Massa jenis (1,225 Kg/m 3 ) S = Luas sapuan rotor (m 2 ) v Cp = Kecepatan angin (m/s) = Coefisien Power Berdasarkan rumus di atas, maka dapat disimpulkan bahwa daya yang dihasilkan oleh angin dipengaruhi oleh kecepatan angin, massa jenis yang menjadi ketetapan, coefisien power, serta luas sapuan rotor. Dimana luas sapuan rotor dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut : S = h x D (2.3) Dimana : S = Luas Sapuan Rotor h = Tinggi Sudu D = Diameter Sudu Pada rumus di atas, besarnya diameter dan tinggi sudu sangat mempengaruhi nilai luas sapuan pada rotor. Tegangan Induksi

19 24 Tegangan induksi yang dihasilkan oleh generator ini dapat dihitung dengan persamaan: E rms N ƒ Φ max N s N ph = Tegangan induksi (Volt) = Jumlah lilitan per kumparan = Frekwensi (Hz) = Fluks magnet (Wb) = Jumlah kumparan = Jumlah fasa A magn = Area magnet B max =Densitas fluks maksimum r o r i τ ƒ N m = Radius luar magnet = Radius dalam magnet = Jarak antar magnet = Jumlah magnet Br Lm = Densitas fluks magnet = Panjang magnet

20 25 δ = Jarak antara rotor dengan stator