BAB I LANDASAN TEORI 1.1 Fenomena angin Angin adalah udara yang bergerak akibat adanya perbedaan tekanan udara dengan arah aliran angin dari tempat yang memiliki tekanan lebih tinggi ke tempat yang bertekanan lebih rendah atau dari wilayah yang memiliki suhu atau temperatur lebih rendah ke wilayah yang memiliki suhu lebih tinggi tinggi. Dalam hal ini perbedaan tekanan dan suhu menjadi kunci pergerakan arah angin. Angin akan bergerak dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan rendah. Atau dari daerah dingin ke daerah panas. Angin memiliki hubungan yang erat dengan sinar matahari karena daerah yang terkena banyak paparan sinar matahari akan memiliki suhu yang lebih tinggi serta tekanan udara yang lebih rendah dari daerah lain di sekitarnya. Udara panas yang telah memuai menjadi lebih ringan sehingga bergerak naik. Apabila hal ini terjadi, udara dingin di sekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah tersebut. Udara dingin menyusut menjadi lebih berat dan turun ke permukaan bumi, di atas permukaan bumi udara menjadi panas dan kembali naik. Hal ini yang menyebabkan terjadinya angin. Angin juga dapat disebabkan oleh pergerakan benda sehingga mendorong udara di sekitarnya untuk bergerak ke tempat lain.[3] Angin juga dapat diciptakan dengan menggunakan berbagai alat mulai dari yang sederhana hingga yang rumit. Secara sederhana angin dapat I-6
diciptakan sendiri dengan menggunakan telapak tangan, kipas, koran, majalah, dan benda lain yang pipih dengan cara dikibaskan. Sedangkan secara I-7
rumit angin dapat kita buat dengan kipas angin listrik, pengering tangan, hair dryer, pompa angin, dan lain sebagainya. Meskipun pada kenyataan angin tidak dapat dilihat bagaimana wujudnya, namun masih dapat diketahui keberadaannya melalui efek yang ditimbulkan pada benda - benda yang mendapat hembusan angin. Seperti ketika kita melihat dahan-dahan pohon bergerak atau bendera yang berkibar kita tahu bahwa ada angin yang berhembus. Dari mana angin bertiup dan berapa kecepatannya dapat diketahui dengan menggunakan alat alat pengukur angin. Alat alat pengukur angin tersebut adalah : 1. Anemometer, yaitu alat yang mengukur kecepatan angin. 2. Wind vane, yaitu alat untuk mengetahui arah angin. 3. Windsock, yaitu alat untuk mengetahui arah angin dan memperkirakan besar kecepatan angin. Biasanya ditemukan di bandara bandara. Selain dengan menggunakan alat alat pengukur angin, arah dan kecepatan angin juga dapat diukur/diperkirakan dengan menggunakan tabel Skala Beaufort seperti ditunjukan pada tabel 2.1 Tabel 2. 1 Tabel Skala Beaufort Skala Kategori Satuan Satuan Keadaan di daratan Keadaan di lautan Beaufort dalam dalam km/jam knots 0 Udara Tenang 0 0 Asap bergerak secara vertikal 1~3 Angin lemah 19 10 Angin terasa di wajah; daun-daun berdesir; kincir angin bergerak oleh angin 4 Angin sedang 20~29 11~16 mengangkat debu dan menerbangkan kertas; cabang pohon kecil bergerak Permukaan laut seperti kaca riuk kecil terbentuk namun tidak pecah; permukaan tetap seperti kaca Ombak kecil mulai memanjang; garisgaris buih sering terbentuk
5 Angin segar 30~39 17~21 pohon kecil berayun; gelombang kecil terbentuk di perairan di darat 6 Angin kuat 40~ 50 22~ 27 cabang besar bergerak; siulan terdengar pada kabel telepon; payung sulit digunakan 7 Angin ribut 51~ 62 28 ~33 pohon-pohon bergerak; terasa sulit berjalan melawan arah angin 8 Angin ribut 63~ 75 34~ 40 ranting-ranting patah; sedang semakin sulit bergerak maju 9 Angin ribut 76~ 87 41~ 47 kerusakan bangunan kuat mulai muncul; atap rumah lepas; cabang yang lebih besar patah 10 Badai 88~ 102 48~ 55 jarang terjadi di daratan; pohon-pohon tercabut; kerusakan bangunan yang cukup parah gelombang yang pecah mulai bergulung; buih yang terbesar Ombak ukuran sedang; buih berarak-arak Ombak besar mulai terbentuk, buih tipis melebar dari puncaknya, kadangkadang timbul percikan Laut mulai bergolak, buih putih mulai terbawa angin dan membentuk alur-alur sesuai arah angin Gelombang agak tinggi dan lebih panjang; puncak anginnya semakin jelas alur-alurnya Gelombang tinggi terbentuk buih tebal berlajur-lajur; puncak gelombang roboh bergulunggulung; percik-percik air mulai mengganggu penglihatan Gelombang sangat tinggi dengan puncak memayungi; buih yang ditimbulkan membentuk tampaltampal buih raksasa yang didorong
11 Badai kuat 103 ~117 56~ 63 sangat sering terjadikerusakan yang menyebar luas angin, seluruh permukaan laut memutih; gulungan ombak menjadi dahsyat; penglihatan terganggu Gelombang amat sangat tinggi (kapalkapal kecil dan sedang terganggu pandangan karenanaya), permukaan laut tertutup penuh tampal -tampal putih buih karena seluruh puncak gelombang menghamburkan buih yang terdorong angin; penglihatan terganggu 12+ Topan 118 64 Udara tertutup penuh oleh buih dan percik air; permukaan laut memutuh penuh oleh percik-percik air yang terhanyut angin; penglihatan amat sangat terganggu 1.2 Turbin Angin Turbin angin mengambil energi angin dengan menurunkan kecepatannya. Untuk bisa mencapai 100% efisien, maka sebuah turbin angin harus menahan 100% kecepatan angin yang ada, dan rotor harus terbuat dari
piringan solid dan tidak berputar sama sekali, yang artinya tidak ada energi kinetik yang akan dikonversi. Energi angin bisa ditangkap dengan dua atau tiga buah bilah sudu yang didesain seperti sayap pesawat terbang. Untuk mendapatkan kecepatan angin yang cukup tinggi, konstan, dan tidak terlalu banyak turbulensi biasanya turbin angin dipasang di atas sebuah menara pada ketinggian 30 meter atau lebih. Bilah sudu yang digunakan berfungsi seperti sayap pesawat udara. Ketika angin bertiup melalui bilah tersebut, maka akan timbul udara bertekanan rendah di bagian bawah dari sudu, Tekanan udara yang rendah akan menarik sudu bergerak ke area tersebut. Gaya yang ditimbulkan dinamakan gaya angkat. Besarnya gaya angkat biasanya lebih kuat dari tekanan pada sisi depan bilah, atau yang biasa disebut tarik. Kombinasi antara gaya angkat dan tarik menyebabkan rotor berputar seperti propeler dan memutar generator. Turbin angin bisa digunakan secara stand-alone, atau bisa dihubungkan ke jaringan transmisi atau bisa dikombinasikan dengan sistem panel surya. Untuk perusahaan listrik, sejumlah besar turbin angin dibangun berdekatan untuk membentuk pembangkit listrik tenaga angin. Secara teori, efisiensi maksimum yang bisa dicapai setiap desain turbin angin adalah 59%, artinya energi angin yang bisa diserap hanyalah 59%. Jika faktor-faktor seperti kekuatan dan durabilitas diperhitungkan, maka efisiensi sebenarnya hanya 35-45%, bahkan untuk desain terbaik. Terlebih lagi jika ditambah inefisiensi sistem wind turbin lengkap, termasuk generator, bearing, transmisi daya dan sebagainya, hanya 10-30% energi angin yang bisa dikonversikan ke listrik.[4] 1.3 Jenis Jenis Turbin Angin Jenis turbin angin dapat dibedakan ke dalam dua tipe berdasarkan sumbunya, yaitu :
1. Turbin angin sumbu horizontal 2. Turbin angin sumbu vertikal 1.3.1 Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) Gambar II. 1 Turbin angin Sumbu Vertikal [5] 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 horizontal. Ada beberapa kelebihan yang dimiliki oleh turbin sumbu vertikal, antara lain : aman, mudah membangunnya, bisa dipasang tidak jauh dari tanah, dan lebih baik dalam menangani turbulensi angin. Generator dan gearbox bisa ditempatkan tidak jauh dari permukaan tanah. Hal ini meringankan beban tower dan memudahkan perawatan. Turbin sumbu vertikal yang lazim digunakan adalah Savonius dan Darrieus.
1.3.1.1 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 adalah sekitar 30%. 1.3.1.2 Darrieus 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. 1.3.2 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH) Gambar II. 2 Turbin Angin sumbu Horizontal [6] 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 atau keperluan lainnya. 1.4 Dasar perhitungan VAWT Daya yang dihasilkan pada poros suatu turbin angin merupakan transformasi energi kinetik yang terdapat pada aliran angin. Aliran angin yang bergerak dengan kecepatan tertentu memiliki besaran energi kinetik yang dapat diserap oleh susunan blade dari turbin angin. Melalui persamaan 2.1, dapat dihitung secara matematis berapa besar energi kinetik yang terkandung pada massa udara yang bergerak dengan kecepatan V [m/s]. [N/m]..(2.1) Dimana volume aliran Ṽ melewati luas penampang A dengan kecepatan aliran V tertentu sehingga : [ /s]. (2.2) Jika massa jenis udara yang mengalir yaitu ρ, maka debit massa udara dapat dihitung : [kg/s]. (2.3) Karena nilai ρ merupakan fungsi tekanan serta temperatur udara, maka dapat diketahui dari persamaan 2.4 berikut : [kg/m3]... (2.4) Dimana,
ρ(z) = Air density as a function of altitude [kg/m3] P0 = Standard sea level atmospheric density [1.16 kg/m3] R = Specific gas constant for air [287.05 J/kg.K] G = Gravity constant [9.81 m/s 2 ] T = Temperature [K] Z = Altitude above sea level [m] Dengan demikian dapat dihitung daya maksimal aliran angin dalam satuan Watt melalui persamaan 2.5. [W]... (2.5) Besar daya yang diperoleh dari persamaan 2.5 merupakan daya murni maksimum yang dihasilkan oleh aliran angin. Sedangkan daya yang dapat dibangkitkan dari putaran rotor suatu turbin angin Savonius dapat dihitung melalui pendekatan teori Betz. Percobaan Betz dapat dilihat pada Grafik II.1 berikut. Grafik II. 1 Perbandingan Cp dan TSR pada tiap Tipe Turbin
Berdasarkan teori Betz yang divisualisasikan dalam bentuk grafik pada Gambar II.4, menjelaskan ketidakmungkinan suatu desain turbin angin yang memiliki coeffisien power (Cp) diatas 56%. Hal ini dapat diartikan bahwa desain turbin angin terbaik tipe apapun tidak akan menghasilkan efisiensi rotor diatas 56%. Suatu turbin angin tidak akan mampu menyerap seluruh energi kinetik yang berada dalam aliran angin, dan kapasitas penyerapan maksimal hanya 56%. Nilai efisiensi 56% juga sering disebut Betz Limit. Nilai Cp untuk satu tipe turbin angin tidak selalu sama karena nilai Cp merupakan fungsi dari tip speed ratio atau ë. Untuk mengetahui nilai Cp maksimal yang mampu dihasilkan oleh sebuah turbin angin, maka perlu diketahui terlebih dahulu berapa nilai tip speed ratio yang dihasilkan. Melalui persamaan 2.6 dapat dilakukan perhitungan terhadap nilai tip speed ratio. v Dimana, ω = Kecepatan sudut = 2 π rpm / 60 R = Radius rotor [m] V = Kecepatan aliran angin [m/s] Dengan diketahuinya nilai dapat ditarik suatu garis lurus vertikal untuk mengetahui berapa nilai Cp maksimum. Pada turbin angin Savonius dengan tinggi rotor H serta radius rotor R, dikenai aliran angin berkecepatan V, diketahui memiliki daya teoritis maksimum sebagai berikut : Teoritis...[W] (2.7) Ŵteoritis merupakan daya maksimum yang dihasilkan oleh poros rotor turbin angin Savonius ketika menyerap energi kinetik aliran angin. Dengan demikian dapat diketahui efisiensi sebuah turbin angin Savonius sebagai berikut : η
Ŵteoritis Harga Torsi (Q) dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut:...(2.9) Dimana : Q = Momen torsi rotor Savonius [Nm] Cq = Koefisien momen torsi rotor Savonius ρ = Massa jenis udara [kg/ ] u = Kecepatan angin [m/s] dsv = Diameter rotor Savonius [m] hsv = Tinggi rotor Savonius [m] [7]