BAB II DASAR TEORI Bab ini berisi dasar teori yang berhubungan dengan perancangan skripsi antara lain daya angin, daya turbin angin, TSR (Tip Speed Ratio), aspect ratio, overlap ratio, BHP (Break Horse Power), efisiensi turbin, generator, akumulator, dan anemometer. Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara disekitarnya. Angin bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke bertekanan udara rendah. Karena adanya pemanasan oleh matahari, maka udara memuai. Tekanan udara yang telah memuai massa jenisnya menjadi lebih ringan sehingga naik. Apabila hal ini terjadi, maka tekanan udara turun. Udara disekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah. Udara menyusut menjadi lebih berat dan turun ke tanah. Diatas tanah udara menjadi panas lagi dan naik kembali. Aliran naiknya udara panas dan turunnya udara dingin ini dikarenakan konveksi. Untuk mengantisipasi arah angin yang selalu berubah ubah maka dipilih bentuk twisted savonius sebagai bentuk turbin. Bentuk twisted savonius dapat menangkap angin dari berbagai arah karena bentuk blade-nya yang melingkar, dan bagian yang memilin berfungsi untuk menahan angin sehingga bila mendapat angin yang tinggi misalnya 10 m/s atau 36 km/jam dapat mengalir ke blade seberangnya sehingga tidak membebani satu bagian sudu saja. 2.1. Twisted Savonius Turbin darrieus memiliki keunggulan memiliki efisiensi yang tinggi sekitar 0,4 tetapi membutuhkan torsi tinggi untuk berputar yaitu pada tip speed ratio 4. Sehingga memerlukan tenaga angin yang besar agar dapat memutar turbin darrieus. Sedangkan turbin savonius memiliki keunggulan dapat berputar dengan torsi rendah dengan tip speed ratio sekitar 0,9 dan dapat berputar dengan angin dari segala arah tetapi memiliki efisiensi yang rendah yaitu sekitar 0,19. Dengan menggabungkan keunggulan dari turbin darrieus dan turbin savonius maka terbentuk turbin twisted savonius yang diharapkan memiliki efisiensi tinggi dengan kebutuhan torsi yang kecil. 3
Gambar 2.1. Grafik hubungan TSR (α) terhadap efisiensi turbin (%) konvensional (a) (b) Gambar 2.2. (a) Turbin darrieus (b) Turbin savonius 4
2.2. Daya Angin dirumuskan: Energi kinetik dari sebuah benda dengan massa m dan kecepatan v dapat E = m. (1) dimana : E = energi dari udara (J) m = massa udara (kg) v = kecepatan angin (m/detik) dan jumlah massa yang melewati suatu tempat dapat diketahui dengan menggunakan rumus : = ρ.a.v (2) dimana : = kelajuan aliran massa udara (kg/detik) ρ = kerapatan udara (kg/ ) A= luas penampang yang menumbuk ( v = kecepatan angin (m/detik) Maka daya angin dapat diketahui : = Daya angin yang tersedia = m. ; m = ρ.a.v = (ρ.a.v). = ρ. A. = ρ. A. (watt) (3) 5
2.3. DayaTurbin dirumuskan : Dengan mengukur torsi dan kecepatan putaran turbin, maka daya mekanik dapat = ω.τ (4) dimana : ω = kecepatan sudut (rad/detik) ω = ; N = jumlah putaran τ = torsi (Nm) τ =.d = gaya sentripetal (N) = m. ( ) = ω.d (meter/detik) d = jari jari turbin (m) 2.4. Tip Speed Ratio (TSR) Tip speed ratio adalah perbandingan kecepatan angin dengan kecepatan ujung sudu. Semakin tinggi tip speed ratio maka akan mempengaruhi nilai dan bentuk sudu.nilai adalah suatu konstanta yang memiliki nilai 16/27 atau 0,593 bila sistem mekanik turbin bekerja secara maksimal. Konstanta secara teori menunjukkan nilai efisiensi maksimum yang dicapai oleh rotor turbin angin. [4] Tip speed ratio (λ) = (5) Dimana : ω = kecepatan sudut (rad/detik) d = jari jari sudu (m) v = kecepatan angin (m/s) 6
2.5. Aspect ratio Aspect ratio adalah perbandingan antara tinggi dengan diameter rotor. Dengan memilih aspect ratio yang tepat akan mempengaruhi nilai daya yang bisa di dapatkan. Misalkan penelitian yang dilakukan oleh Kadam [1] yang menguji nilai aspect ratio dari 0,5 5 yang hasilnya semakin besar aspect ratio semakin besar juga koefisien daya yang didapatkan. Gambar 2.3. Diagram Turbin Tampak Samping Aspect ratio (α) = (6) Dimana : H = tinggi rotor = diameter rotor 7
2.6. Overlap Ratio Overlap Ratio adalah jarak celah pada sudu. Jarak celah ini agar memungkinkan pemanfaatkan aliran fluida angin yang mengalir. Gambar 2.3. Diagram Turbin Tampak Atas Overlap ratio (β) = (7) dimana : e = overlap (celah ) overlap adalah celah yang ada pada rotor, pada gambar ditunjukkan dengan lambang e a = diameter shaft diameter shaft adalah sumbu diameter yang digunakan pada rotor, pada gambar ditunjukkan dengan lambang a = diameter rotor Diameter rotor adalah panjang diameter rotor keseluruhan rotor, pada gambar ditunjukkan dengan lambang 8
2.7. Break Horse Power (BHP) Untuk mengetahui daya turbin digunakan metode pencarian BHP. Karena untuk menggerakkan turbin selain massa dari keseluruhan turbin itu sendiri sebagai hambatan untuk bergerak generator yang terpasang pun memiliki minimal torsi untuk bergerak pada perancangan ini menggunakan generator yang memiliki torsi minimal 1,3 Nm. Break Horse Power ( BHP ) adalah daya turbin yang diukur ketika diberi beban generator ataupun perangkat tambahan lainnya. Brake yang dimaksud adalah suatu peralatan yang digunakan untuk memberikan beban pada turbin. Dalam percobaan nantinya BHP diukur dengan menggunakan motor listrik. Dengan mengukur besarnya tegangan yang dihasilkan, dapat diketahui besarnya daya generator [7]. Daya generator adalah daya keluaran pada generator dengan mengukur besarnya tegangan dan arus yang dihasilkan. Untuk mencari arus diperlukan beban sehingga arus dapat diketahui. Hubungan antara daya mekanik dengan BHP : Gambar 2.5. Grafik Hubungan Kecepatan Angin Terhadap Daya Poros [7] Dari grafik diketahui bahwa kecepatan angin berpengaruh terhadap daya poros yang dihasilkan. Pada awal sampai akhir grafik hubungan antara kecepatan angin terhadap daya poros pada jumlah sudu yang sama mengalami kecenderungan yang meningkat. Semakin meningkatnya kecepatan angin akan menyebabkan semakin besar momentum angin yang menumbuk turbin setiap detiknya, maka perbedaan tekanan antara bagian depan sudu dengan bagian belakang sudu meningkat, sehingga gaya drag yang dihasilkan semakin meningkat pula, dimana gaya drag berbanding lurus dengan torsi[7]. Arti drag menurut KBBI adalah seret atau hambatan. Jadi bisa diartikan gaya 9
drag adalah gaya seret atau gaya hambatan ketika terjadi interaksi antara benda padat dengan benda gas. τ = F.s (8) Dari persamaan diatas kita dapat melihat bahwa semakin meningkatnya gaya mengakibatkan torsinya juga akan semakin meningkat, dan meningkatnya torsi juga akan meningkatkan BHP, dimana : BHP = ωτ (9) Dengan mengacu pada hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Andri [7] maka diketahui bahwa daya mekanik turbin sama denganbhp. 2.8. Efisiensi Turbin Efisiensi turbin dapat diketahui dengan perbandingan antara daya mekanik turbin ketika diberi beban generator yang disebut BHP dengan daya anginsebagai tenaga penggerak turbin yaitu: Ƞ.100% (10) Dimana : BHP = Daya turbin ketika diberi beban generator = Daya angin yang tersedia 10
2.9. Generator Generator adalah alat yang mengubah energi mekanik atau gerak menjadi energi listrik. Energi listrik yang dihasilkan berasal dari perubahan medan magnet yang terdapat di dalam generator. Magnet ini dapat berupa kumparan kabel-kabel terlilit yang dialiri arus listrik dengan cara induksi atau suatu magnet yang sifatnya permanen. Magnet yang berasal dari kumparan kabel-kabel mempunyai sifat kemagnetan sementara. Untuk menghasilkan magnet, kumparan kabel-kabel ini dialiri arus listrik dan dikenal dengan istilah induksi elektromagnetik. Kumparan kabel-kabel tersusun melilit sekitar plat konduktor. Gambar 2.6. Generator Jika lilitan kabel yang dialiri arus listrik dan memiliki sifat elektromagnetik ini bergerak (misalnya berputar) sehingga terjadi fluktuasi medan magnet, maka akan timbul gaya gerak listrik dan beda tegangan listrik. Selain berasal dari kumparan lilitan kabel yang dialiri arus listrik supaya terjadi kemagnetan yang sifatnya sementara, magnet pada generator juga dapat berupa magnet permanen.magnet permanen ini diletakkan di dalam generator dan mengelilingi plat konduktor. Ketika terjadi fluktuasi medan magnet karena adanya putaran dari plat konduktor atau magnet permanen tersebut, maka terjadi gaya gerak listrik dan beda tegangan listrik. Kelebihan pemakaian magnet permanen dibandingkan magnet induksi adalah pada permanen magnet beda tegangan yang terjadi lebih besar, putaran plat konduktor atau magnet dapat lebih rendah untuk menghasilkan beda tegangan, dan tidak perlu adanya arus listrik induksi. [5] 11
2.10. Akumulator Akumulator (aki) merupakan sumber tegangan DC maka diperlukan tegangan DC juga. Tegangan yang dibutuhkan untuk DC charger harus lebih besar dari tegangan akumulator, misalnya aki pada motor/mobil adalah 12,65 volt, maka tegangan charger minimal sekitar 13,5 volt. Mencharge aki bukanlah memasukan arus listrik kedalam pelat aki, tetapi hanya membersihkan pelat aki dari sulfation dengan cara memasukan arus listrik agar pelat aki bersih kembali. [10] Gambar 2.7 Akumulator Dalam perancangan ini menggunakan baterai Lithium-Ion(Li-Ion) sebagai penyimpan tegangan. Dengan spesifikasi 3,7V 4800mAH. Baterai Li-Ion adalah salah satu baterai yang dapat di isi ulang ( rechargeable ). Di dalam baterai ini, ion lithium bergerak dari elektroda negatif ke elektroda positif saat dilepaskan, dan kembali saat diisi ulang. Baterai Li-Ion memakai senyawa lithium sebagai bahan elektrodanya, berbeda dengan lithium metalik yang dipakai di baterai lithium non-isi ulang. Kelebihan dari baterai Li-Ion adalah : 1. Li-Ion tidak memiliki memory effect Maksudnya adalah saat proses charging hanya menambah penyimpanan energi. Pada baterai jenis sebelumnya, proses charging sebenarnya melakukan dua tahap, discharge completely, mengosongkan semua isi dari baterai terlebih dahulu, lalu re-charging. Hal ini berarti proses charging Li-Ion membutuhkan waktu yang lebih sedikit daripada nickel-metal hydride ( NiMH ) atau jenis baterai sebelumnya. 2. Memiliki densitas energi yang baik. Maksudnya adalah baterai jenis Li-Ion memiliki kepadatan energi yang baik sehingga mampu menyimpan daya lebih besar. 12
3. Memiliki tingkat kehilangan daya yang kecil jika disimpan untuk jangka waktu yang lama yaitu 5% per bulan dibandingkan dengan NiMH yang 20% per bulan. 4. Memiliki siklus charge yang banyak. Maksudnya adalah dapat digunakan berulang-ulang kali dan diisi berulangulang kali, umumnya sampai 1000 siklus. Kekurangan dari baterai Li-Ion adalah : 1. Li-Ion sangan sensitif terhadap temperatur tinggi. Panas akan membuat masa pemakaian Li-Ion lebih cepat habis, kurang dari masa pemakaian normal 3 tahun. 2. Kemampuan dari baterai akan mulai menurun segera setelah baterai meninggalkan pabrik. 2.11. Anemometer Anemometer adalah alat untuk mengukur kecepatan udara atau kecepatan gas dalam fenomena terjadinya hembusan angin, contohnya untuk mengukur aliran udara di dalam saluran, atau juga pengukuran arus terbatasi, seperti angin atmosfer. Untuk menentukan kecepatan, anemometer mendeteksi perubahan di beberapa sifat fisik dari fluida atau efek fluida pada alat mekanis dimasukkan ke dalam aliran. [11] Gambar 2.8 Anemometer Pada perancangan ini menggunakan anemometer edisi saku dari kestrel dengan seri kestrel 4000. Anemometer ini memiliki spesifikasi dapat mengukur kecepatan angin 13
dari 0 sampai 60 m/s dengan ralat 3% dari pembacaan, suhu dari 60 C 100 C dengan ralat 1 C, dan tekanan udara dari 300-1100 hpa dengan ralat 1,5 hpa. Pada anemometer ini tidak terdapat satuan Pa untuk mengukur tekanan udara, sehingga harus dikonversikan ke Pa terlebih dahulu ketika pengolahan data. Berikut adalah perbandingannya : 1 hectopascal (hpa) = 100 pascal (Pa) 14