BAB II LANDASAN TEORI

BAB II LANDASAN TEORI 2. Blade Falon Dasar dari usulan penelitian ini adalah konsep turbin angin yang berdaya tinggi buatan Amerika yang diberi nama Blade Falon. Blade Falon merupakan desain sudu turbin angin sumbu horisontal (TASH) yang dikembangkan oleh seorang peneliti asal amerika bernama Jeff Molly dengan prototype pertamanya bernama FALCON MACH III dengan tiga sudu dan prototype ke duanya FALCON MACH V dengan lima sudu. Pembuatnya TASH-Falon digunakan sebagai pembangkit listrik untuk memenuhi kebutuhan listrik di rumah serta sebagai pompa air untuk mengairi perkebunan. Gambar II. memperlihatkan prototype FALCON MACH III dengan tiga sudu. Gambar II. Prototype FALCON MACH III (Jeff Molly, 22) II-

II-2 2.2 Turbin Angin Turbin angin dalam bahasa sederhana kinir angin merupakan turbin yang digerakkan oleh angin yaitu udara yang bergerak diatas permukaan bumi. turbin angin pada awalnya juga dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, memompa air dan menggiling jagung. Penggunaan turbin angin terus mengalami perkembangan guna memanfaatkan energi angin seara efektif, terutama pada daerah - daerah dengan aliran angin yang relatif tinggi sepanjang tahun. Seperti Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Dapat dikelompokan menjadi dua berdasarkan sumbu turbin terhadap arah angin yaitu: Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH) dan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV). Perbedaannya dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Gambar II.2 Tipe Turbin Angin (Sumber: Nugraha, 2: II-8) Turbin angin mengambil energi angin dengan menurunkan keepatannya. Untuk bisa menapai daya yang efisien, maka sebuah turbin angin harus menahan angin %. Seara teoritis daya yang dapat di ekstrak oleh turbin angin adalah: Pt = ρa v ()

II-3 Dimana Pt adalah daya teoritis, v keepatan angin, ρ kerapatan udara dan A luas permukaan. Sebuah turbin angin yang optimal adalah sebuah turbin angin yang memiliki koefsien daya yang mendekati dengan batas Betz (Cp maks = 6/7 =,593). Semakin besar daya analitik yang didapatkan maka semakin besar pula koefesien dayanya. Koefisien daya dapat dituliskan sebagai berikut: Cp = (2) Untuk mengetahui nilai Cp maksimal yang mampu dihasilkan oleh sebuah turbin angin, maka perlu diketahui nilai Tip Speed Ratio yang dihasilkan. Tip Speed Ratio (λ) adalah perbandingan antara keepatan pada ujung/tip turbin dengan keepatan angin, ditulis seara matematik, yaitu: λ = (3) Dimana λ adalah Tip Speed Ratio (TSR), adalah keepatan putar sudu (rad/s), R adalah jari jari turbin (m), dan v adalah keepatan angin (m/s). 2.2. Turbin Angin Sumbu Horizontal Turbin angin sumbu horizontal (TASH) memiliki poros rotor utama dan generator listrik di punak menara. Turbin berukuran keil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin (baling-baling uaa) yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang digandengkan ke sebuah servo motor. Sebagian besar memiliki sebuah gearbox yang mengubah perputaran kinir yang pelan menjadi lebih epat berputar. Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, turbin biasanya diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat kaku agar mereka tidak terdorong menuju menara oleh angin berkeepatan tinggi. Sebagai tambahan, bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan sedikit dimiringkan.

II-4 Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur menara, dan realibilitas begitu penting, sebagian besar TASH merupakan mesin upwind (melawan arah angin). Meski memiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind (menurut jurusan angin) dibuat karena tidak memerlukan mekanisme tambahan agar mereka tetap sejalan dengan angin, dan karena di saat angin berhembus sangat kenang, bilah-bilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi wilayah tiupan mereka dan dengan demikian juga mengurangi resintensi angin dari bilah-bilah itu. 2.2.2 TASH Falon TASH-Falon mengau pada dasar sayap pesawat terbang dari segi bentuk, ara kerja, serta bahan yang digunakan. Kesamaannya dilihat dari beberapa bagian blade, seperti penggunaan winglet pada blade Falon yang biasa digunakan oleh pesawat-pesawat modern yang dimaksudkan untuk mengurangi Drag akibat adanya wing tip vortex pada ujung blade, bilah tirus (taper), serta bilah puntir (twist) yang dimaksudkan untuk mengurangi stall speed sehingga akan meningkatkan effisiensi turbin. Bentuk penampangnya berupa airfoil hal ini mengau berdasarkan prinsip tabung venturi. Prinsip ini menjelaskan bahwa airfoil akan mengalami perbedaan keepatan dan tekanan antara permukaan bawah dan permukaan atas. Hal ini menimbulkan gaya angkat (Lift) dan gaya-gaya aerodinamika lainnya. TASH- Falon memiliki 3 konfigurasi sudu yaitu 3, 4, dan 5 sudu. Gambar II.3 Bagian pada blade Falon (Jeff Molly,22)

II-5 2.2.3 NACA -H-5 Pada usulan penelitian ini, akan digunakan TASH-Falon dengan profil airfoil NACA -H-5. NACA -H-5 termasuk jenis Assymetri airfoil, karena permukaan atas dan bawah memiliki jarak kelengkungan yang berbeda. Sehingga tekanan yang ada di bawah permukaan lebih besar dari atas permukaan, dan terbentuklah gaya aerodinamika. Profil dipilih karena pada permukaan atas memiliki keserupaan dengan kurva pada penelitian sebelumnya. NACA -H-5 ini memiliki karakteristik seperti berikut thikness 4.7%, amber 5.5%, trailing edge angle 9.9 O, flatness 94.%, dan leading edge radius 3.3%. Gambar II.4 Profil airfoil NACA -H-5 (Sumber: worldofkrauss.om) Profil ini belum pernah digunakan pada turbin angin sebelumnya akan tetapi biasa digunakan pada rotorraft (Sumber: www.ae.illinois.edu.html). 2.3 Sifat Udara Udara adalah kumpulan dari partikel-partikel (molekul, atom, ion dan sejenisnya) yang bergerak seara aak. Karena muatan-muatan partikel-pertikel tersebut, maka terjadi saling mempengaruhi diantara partikel tersebut sehingga timbulnya gaya yang disebut gaya antar molekul (intermoleular fore). Sifat-sifat udara yang banyak digunakan dalam proses perhitungan adalah suhu, tekanan, massa jenis, kekentalan dan keepatan.

II-6 2.4 Bilangan Reynold Keserupaan tingkat keadaan mekanika fluida adalah ara penarian jawaban dari suatu masalah dengan pengujian model yang diperkeil sedemikian rupa sehingga jawaban dari model dapat digunakan dengan beberapa aturan untuk mendapatkan jawaban dari masalah sebenarnya. Bilangan Reynold suatu aliran terhadap dimensi panjang (hord) airfoil dapat dituliskan sebagai berikut: R = (4) Dimana ρ adalah massa jenis fluida (kg/m 3 ), v adalah keepatan udara (m/s), adalah panjang hord suatu airfoil (m), dan µ adalah viskositas dari sebuah fluida (kg/m.s). 2.5 Gaya Aerodinamika Akibat adanya interaksi aliran udara dengan profil airfoil sehingga mengakibatkan terbentuknya koefisien gaya-gaya aerodinamika. Jika solusi adalah kuantitas skalar tekanan P dan atau skalar tegangan geser permukaan tampak pada Gambar II.5. pada setiap titik pada kontur airfoil, seperti Gambar II.5 Distribusi tekanan dan tegangan geser pada permukaan airfoil (Sumber: Anderson, 992)

II-7 maka, distribusi koefisien tekanan (pressure oeffiient) koefisien geser permukaan (skin frition oeffiient) berikut P dan distribusi f, dapat dituliskan sebagai Cp = ~ (5) ~ Cf = ~ (6) Dengan mengintegrasi distribusi C p dan C f dari leading edge sampai trailing edge airfoil, akan diperoleh koefisien normal C n dan koefisien aksial (sejajar) C a terhadap hordline, serta koefisien momen C m, yang dapat dituliskan sebagai berikut (Anderson, 992): n f, f, (7) a f, f, (8) m 2 2 x 2 f, y f, 2 f, f, Berdasarkan persamaan (7) dan (8) serta Gambar II.6, x y (9)

II-8 v Gambar II.6 Hubungan Gaya normal, aksial dengan gaya angkat dan gaya hambat maka koefisien gaya angkat (Lift oeffiient) (Drag oeffiient) dapat dituliskan sbagai berikut: d l, koefisien gaya hambat l n os a sin () d n sina os () m, 4hord m l (2) 4 2.5. Gaya angkat (Lift) Gaya angkat (Lift) L terjadi akibat perbedaan tekanan udara antara permukaan bagian bawah dan permukaan bagian atas. Perbedaan tekanan ini mengakibatkan adanya gaya yang bekerja dari tekanan tinggi ke tekanan rendah. Persamaan gaya angkat dapat dirumuskan sebagai berikut: (3)

II-9 2.5.2 Gaya hambat (Drag) Gaya hambat (Drag) D termasuk salah satu dari gaya aerodinamika yang timbul bersamaan dengan gaya angkat. Drag dari sebuah airfoil dihasilkan frition Drag dan pressure Drag. Frition Drag terjadi akibat adanya gesekan fluida dengan permukaan airfoil sedangkan pressure Drag terjadi akibat adanya flow separation. Persamaan gaya hambat dapat dirumuskan sebagai berikut: D = ρ v S C (4) Dimana ρ adalah massa jenis fluida (kg/m 3 ), v adalah keepatan aliran udara (m/s), S adalah luas penampang (m 2 ). 2.6 Computational Fluid Dynamis (CFD). Computational Fluid Dynamis (CFD) adalah simulasi dari sistem fluid engineering menggunakan modeling (formulasi problem fisis matematik) dan metode numerik (metode diskretisasi, solver, parameter numerik, dan generasi grid, dll) 2.7 Teori Mekanika 2.7. Kerja Dalam berbagai hal kerja didefinisikan sebagai hasil dari vektor gaya dan perpindahan. Oleh karena itu kerja merupakan besaran skalar. Kerja adalah salah satu bentuk energi, yakni yang berpindah dari suatu sistem ke sistem lainnya melalui gaya yang mengakibatkan pergeseran posisi benda. Gambar II.7 Gaya yang menyebabkan perpindahan benda sejauh x

II- Perpindahan energi semaam ini dikenal sebagai kerja mekanik atau disebut kerja saja. Persamaan kerja yang diakibatkan suatu benda adalah sebagai berikut: W = F x d (5) Dimana W adalah kerja yang bekerja pada suatu benda (Joule), F adalah gaya yang bekerja pada suatu benda (Newton), dan d ( yang di alami benda (m). x) adalah perpindahan 2.7.2 Torsi Walaupun torsi dan kerja memiliki satuan yang sama, disini terdapat perbedaan dari hal yang di alami benda tersebut. Torsi atau biasa disebut momen merupakan gaya yang terjadi pada suatu benda dengan jarak tertentu sehingga mengakibatkan benda berputar sejauh lintasannya. Gambar II.8 Torsi Torsi pada Suatu Benda Akibat adanya gaya yang bekerja pada tip blade dengan diameter yang telah ditentukan, mengakibatkan TASH-Falon berputar dan mengalami torsi. Persamaan dari torsi atau momen yang di alami benda adalah sebagai berikut: T = n x r x F (6) Dimana T adalah torsi yang di alami benda (N.m), n adalah jumlah sudu pada turbin angin, r adalah jarak yang tegak lurus dari gaya yang bekerja (m), dan F adalah gaya yang bekerja pada benda tersebut (N).

II- 2.7.3 Segitiga keepatan Analisis dasar tentang efek dari blade yang di aliri oleh aliran udara dapat dinyatakan melalui segitiga keepatan. Gambar II.9 menjelaskan konsep dasar dari segitiga keepatan pada turbin angin. Gambar II.9 Segitiga keepatan pada turbin Pada aliran udara menuju turbin di aklerasikan dengan keepatan pada blade. Sehingga keepatan masuk pada turbin mengalami peningkatan. Untuk keepatan masuk turbin dapat dirumuskan oleh rumus dibawah ini: U = v + ωr (7) Sedangkan keepatan keluar turbin dirumuskan seperti berikut: U = v + ωr (8) Dimana U ri adalah keepatan udara masuk ke turbin, Ure adalah keepatan udara keluar ke turbin, v adalah keepatan aliran udara, ωr adalah keepatan blade yang berputar. 2.8 Daya Daya pada suatu benda terjadi karena adanya interaksi antara torsi yang terjadi pada suatu benda dengan keepatan putar yang di alami benda tersebut.

II-2 Daya ini dihasilkan dari aktifitas sebuah generator, yaitu alat yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Daya juga bisa di definisikan sebagai kerja yang dihasilkan per satuan waktu. Hubungan antara torsi dengan daya adalah sebagai berikut: Pa = T x ω (9) Dimana P adalah daya yang di alami benda (N.m/s), T adalah torsi yang di alami benda (N.m), ω adalah keepatan sudut yang di alami benda.