BAB II LANDASAN TEORI Proses perancangan suatu alat ataupun mesin yang baik, diperlukan perencanaan yang cermat dalam pendesainan dan ukuran. Teori teori yang berhubungan dengan alat yang dibuat perlu dijadikan landasan dalam proses merancang alat ataupun mesin, sehingga dapat menghasilkan rancangan alat ataupun mesin yang baik. 2.1. Energi Angin Energi angin merupakan energi alami yang ada dibumi, energi ini sudah lama dikenal dan dimanfaatkan oleh umat manusia. Nelayan dan pelaut menggunakan energi angin untuk berlayar pada zaman dahulu. Saat ini kincir angin banyak dirancang untuk pembangkit listrik, dengan Generator sebagai alat pengubah dari energy mekanik menjadi energy listrik. Angin merupakan udara yang bergerak disebabkan adanya perbedaan tekanan. Udara akan mengalir dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan lebih rendah. 8
9 Perbedaan tekanan udara dipengaruhi oleh sinar matahari. Daerah yang banyak terkena paparan sinar matahari akan memiliki temperatur yang lebih tinggi daripada daerah yang sedikit terkena paparan sinar matahari. Menurut hukum gas ideal, temperatur berbanding terbalik dengan tekanan, dimana temperatur yang tinggi akan memiliki tekanan yang rendah, dan sebaliknya. Kecepatan angin dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya letak tempat dimana kecepatan angin di dekat khatulistiwa lebih cepat dari yang jauh dari garis khatulistiwa. Semakin tinggi tempat, semakin kencang pula angin yang bertiup, hal ini disebabkan oleh pengaruh gaya gesekan yang menghambat laju udara. Di permukaan bumi, gunung, pohon, dan topografi yang tidak rata lainnya memberikan gaya gesekan yang besar. Semakin tinggi suatu tempat, gaya gesekan ini semakin kecil. Gambar 2.1 Peta potensi angin Indonesia Sumber: http://www.bmkg.go.id/bmkg_pusat/informasi_cuaca/prakiraan_angin.bmkg, (27 Desember 2014 )
10 Angin di wilayah Indonesia sebelah utara ekuator umumnya bertiup dari utaratimur laut, sedangkan diwilayah selatan ekuator umumnya bertiup dari arah barat daya barat laut dengan kecepatan angin berkisaran antara 05 20 knots (09-36 km/jam). Kecepatan angin 15 knot ( 37 km/jam) : Laut Andaman Samudera Hindia Barat Sumatra hingga Selatan Jawa Barat Laut Cina Selatan Laut Jawa bagian Timur Laut Sulu Laut flores 2.2. Kincir Angin Kincir angin adalah sebuah alat yang mampu memanfaatkan kekuatan angin untuk dirubah menjadi kekuatan mekanik. Dari proses itu memberikan kemudahan berbagai kegiatan manusia yang memerlukan tenaga yang besar seperti memompa air untuk mengairi sawah atau menggiling biji-bijian. Kincir angin modern adalah mesin yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik, disebut juga dengan turbin angin. Berdasarkan posisi porosnya kincir angin di bagi menjadi 2 (dua), yaitu kincir angin poros vertical dan poros vertical dan kincir angin poros horizontal. Sedangkan tugas ini adalah perancangan kincir angin poros vertical.
11 2.2.1 Jenis jenis Kincir Angin Turbin angin dibagi menjadi dua kelompok utama berdasarkan arah sumbu : 1. Horizontal Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH) memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin (baling-baling cuaca) 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 kincir yang pelan menjadi lebih cepat 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 berkecepatan tinggi. Sebagai tambahan, bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan sedikit dimiringkan. 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 arah angin) dibuat karena tidak memerlukan mekanisme tambahan agar mereka tetap sejalan dengan angin, dan karena di saat angin berhembus sangat kencang, bilahbilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi wilayah tiupan mereka dan dengan demikian juga mengurangi resintensi angin dari bilah-bilah itu.
12 Kelebihan turbin angin sumbu horizontal Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di tempat-tempat yang memiliki geseran angin (perbedaan antara laju dan arah angin) antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfir bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%. Kekurangan turbin angin sumbu horizontal Menara yang tinggi serta bilah yang panjang sulit diangkut dan juga memerlukan biaya besar untuk pemasangannya, bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan turbin angin. TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang terampil. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator. Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu pemandangan. Berbagai varian downwind menderita kerusakan struktur yang disebabkan oleh turbulensi.
13 Gambar 2.2 Turbin angin sumbu horizontal Sumber : http://4.bp.blogspot.com/- fy6bqaecfzy/t_z3j45qrfi/aaaaaaaaar0/sg53sqmbn5m/s1600/turbin+angin+su mbu+horisontal.jpg (27 Desember 2014 ) 2. Vertikal Kendala penggunaan turbin angin adalah kecepatan angin dan arah angin yang berubah-ubah sepanjang waktu. Oleh karena itu, turbin angin yang baik adalah turbin yang dapat menerima angin dari segala arah selain itu juga mampu bekerja pada angin dalam kecepatan yang rendah salah satunya Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV). Turbin ini memiliki efisiensi yang lebih kecil dibandingkan dengan turbin angin sumbu horizontal. Ada berbagai type TASV yang sering digunakan diantaranya adalah Tipe Savonius, Tipe Darrieus, dan Tipe H-Rotor.
14 a. Type Darrieus TASV ditemukan oleh seorang insinyur Perancis George Jeans Maria Darrieus yang dipatenkan pada tahun 1931. Ia memiliki 2 bentuk turbin yang digunakan diantaranya adalah Eggbeater/ Curved Bladed dan Straightbladed TASV. Sketsa dari kedua variasi konsep Darrieus ditunjukkan dalam gambar dibawah. Kincir angin Darrieus TASV mempunyai bilah sudu yang disusun dalam posisi simetri dengan sudu bilah yang diatur relatif terhadap poros. Pengaturan ini cukup efektif untuk menangkap berbagai arah angin. Berbeda dengan Savonius, kincir angin Darrieus bergerak dengan memanfaatkan gaya angkat yang terjadi ketika angin bertiup. Bilah sudu turbin Darrieus bergerak berputar mengelilingi sumbu. b. Type H-rotor ditunjukkan pada gambar 2.3 bagian B, dikembangkan di Inggris melalui penelitian yang dilakukan selama 1970-1980an, diuraikan bahwa mekanisme yang digunakan pada pisau berbilah lurus (Straight-bladed) Darrieus TASV tidak diperlukan, ternyata ditemukan bahwa efek hambatan yang diciptakan oleh sebuah pisau akan membatasi kecepatan aliran angin. Oleh karena itu, H-rotor akan mengatur semua kecepatan angin untuk mencapai kecepatan putaran optimalnya. c. Tipe Savonius TASV seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.4 bagian C, diciptakan oleh seorang insinyur Finlandia SJ Savonius pada tahun 1929. Kincir TASV ini merupakan jenis yang paling sederhana dan menjadi versi besar dari anemometer. Kincir Savonius dapat berputar karena adanya gaya dorong dari angin, sehingga putaran rotorpun tidak akan melebihi kecepatan angin. Meskipun daya koefisien untuk jenis turbin angin bervariasi antara 30% sampai
15 45%, menurut banyak peneliti untuk jenis Savonius biasanya tidak lebih dari 25%. Jenis turbin ini cocok untuk aplikasi daya yang rendah dan biasanya digunakan pada kecepatan angin yang berbeda. Kelebihan Turbin Angin Sumbu Vertikal Tidak membutuhkan struktur menara yang besar. Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah. Memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah balingbaling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi. 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 TASV. TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH. Biasanya TASV mulai menghasilkan listrik pada 10 km/jam (6 m.p.h.) TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat kencang. TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi dilarang dibangun. TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin (seperti gunung
16 atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit). TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah. Kekurangan Turbin Angin Vertikal Aksis Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar. TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi. Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar. 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. Gambar 2.3 variasi turbin angin sumbu vertikal Sumber : http://www.energybc.ca/images/images/profiles/wind/vawts.png (27 Desember 2014)
17 Keterangan gambar 2.3 : A. Turbin angin vertikal tipe darrieus B. Turbin angin vertical tipe-h C. Turbin angin vertical tipe savonius 2.3. Mekanika Fluida Mekanika fluida merupakan cabang dari mekanika terapan yang berkenaan dengan tingkah laku fluida dalam keadaan diam dan bergerak. Fluida merupakan zatzat yang mampu mengalir dan menyesuaikan diri dengan bentuk wadahnya. Fluida dapat digolongkan ke dalam cairan dan gas. Perbedaan-perbedaan utama diantara keduanya, yaitu: (1) cairan bersifat inkompresibel, dan gas bersifat kompresibel, (2) cairan mengisi volume tertentu, sedangkan gas dengan massa tertentu mengembang sampai mengisi seluruh bagian wadahnya. Secara umum fluida dibedakan menjadi dua bagian, yaitu fluida statik dan fluida dinamik. Fluida statik menyelidiki fluida dalam keadaan diam dimana berat fluida merupakan satu-satunya sifat yang penting. Sedangkan fluida dinamik menyelidiki fluida dalam keadaan bergerak (aliran fluida). Terdapat tiga konsep penting dalam fluida dinamik, yaitu: (1) prinsip kekentalan massa, menghasilkan persamaan kontinuitas, (2) prinsip energi kinetik, dan (3) prinsip momentum. Ada dua jenis aliran fluida yaitu aliran laminer dan aliran turbulen. Dalam aliran laminer partikel-partikel fluidanya bergerak di sepanjang lintasan-lintasan lurus dan tidak saling bersilangan. Sedangkan pada aliran turbulen partikel-partikel bergerak secara serampangan kesemua arah.
18 Gambar 2.4 aliran fluida Sumber : http://image.thepaper.cn/www/image/4/248/109.jpg (27 Desember 2014) 2.4. Rumus Perhitungan Berikut ini adalah beberapa rumus perhitungan yang mendukung perancangan dan pengujian kincir angin. 2.4.1. Perhitungan Perancangan 2.4.1.1.Menentukan Dimensi Sudu Turbin Angin Dimensi sudu turbin angin dapat ditentukan dengan mengasumsikan daya yang dihasilkan dengan kecepatan angin yang ada. Dengan rumus daya (P) pada turbin angin sebagai berikut: P = Cpr 0,5 ρav 3... (2.8) (Eric Hau, Wind Turbines Fundamentals 2005 : 94)
19 2.4.1.2. Menentukan Rotor Power Coeficient (Cpr) Rotor Power Coeficient, koefisien daya akan dihitung dengan menggunakan teori strip untuk rasio kecepatan rotor tertentu. Ini memberikan koefisien daya rotor untuk kecepatan angin yang berbeda pada kecepatan rotor tetap atau untuk kecepatan rotor yang berbeda pada satu kecepatan angin. Cpr = λ Cq... (2.9) 2.4.1.3. Menentukan Tip Speed Ratio (TSR) (Eric Hau, Wind Turbines Fundamentals 2005 : 99) Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin bebas. Untuk kecepatan angin nominal tertentu, tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan putar rotor. λ = πdn... (2.10) 60v (Eric Hau, Wind Turbines Fundamentals2005 : 94)
20 Grafik dibawah ini merupakan variasi nilai tip speed ratio dan koefisien daya (CP) dari berbagai macam turbin. Gambar 2.5 Hubungan Antara Cpr dan TSR Sumber : http://forthewind.weebly.com/uploads/5/0/9/2/5092174/4673258_orig.jpg, (27 Desember 2014) 2.4.1.4. Menentukan Rotor Torque Coeficient (Cq) Rotor Torque Coeficient (Cq) adalah torsi yang dihasilkan oleh rotor turbin yang digunakan untuk menghitung Rotor Power Coeficient (Cpr). Rotor Torque Coeficient (Cq) dapat dicari dengan grafik sebagai berikut: Gambar 2.6 Koefisien Rotor Dari Beberapa Turbin Angin Sumber : http://s3.amazonaws.com/magoo/abaaagsjiai-12.jpg (27 Desember 2014)
21 2.4.2. Kekuatan Poros Elemen mesin ini merupakan bagian yang sangat penting, poros berfungsi sebagai tempat sudu terpasang dan penghubung utama terjadi perubahan energy, dari energy kinetic menjadi listrik yang sebelumnya melalui generator. Karena yang dipilih adalah turbin vertical maka poros dipasang secara vertikal, sehingga mendapat beban puntir yang besar. Perhitungan diameter poros : Pd = fc P... (2.11) T = 9,74 x 10 5P d... (2.12) n τ a = σ b Sf 1. Sf 2... (2.13) (Sularso, Kiyokatsu 1983:7) Dimana : Pd : Daya Rencana f c P T n τ a : Faktor Koreksi : Daya : Torsi : putaran poros : Tegangan geser σ b : regangan yang dizinkan
22 2.4.3. Bantalan Poros Sudu Turbin Elemen mesin ini merupakan merupakan penumpu poros beban, sehingga putaran dan gerakannya menjadi halus, aman serta berumur panjang. Perhitungan perencanaan bantalan : Ld = (h) (rpm) (60 min/h)... (2.14) (Robert L.Mott 2004: 573) Dimana: Ld : Umur bantalan h : waktu (jam) C = Pd (Ld/10 6 ) 1/k... (2.15) (Robert L.Mott 2004: 574) Dimana: C : Beban dinamik (lb) Pd : beban ekivalen bantalan K : 3.0 untuk bantalan gelinding. P = VX R + Y T... (2.16) (Robert L.Mott 2004: 576)
23 Dimana: P : Beban ekuivalen (lb) V : Faktor putaran (1.0 karena ring dalam yang berputar) R : Beban radial yang berlaku T : Beba aksial yang berlaku X : Faktor radial Y : Faktor aksial Setelah perhitungan poros, didapat diameternya maka ditentukan pemilihan nomor bantalan sesuai dengan diameter dalam, dan rumah bantalan pada poros turbin. Nomor bantalan dapat dilihat pada tabel 2.1
24 TABEL 2.1 NOMOR BANTALAN. Sumber : Sularso, Kiyokatsu (143).