BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sebagai Sumber angin telah dimanfaatkan oleh manusaia sejak dahulu, yaitu untuk transportasi, misalnya perahu layar, untuk industri dan pertanian, misalnya kincir angin untuk pompa air, penggilingan gandum, pengairan lahan pertanian, dan kegiatan lainnya. Dewasa ini energi angin telah dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan listrik manusia yang kian hari semakin meningkat. Rendahnya tingkat polusi yang dihasilkan menjadikan angin semakin populer dimanfaatkan sebagai sumber energi yang paling banyak dikembangkan di seluruh dunia. adalah udara yang bergerak. Udara tersebut berpindah dari daerah yang bertekanan tinggi ke daerah yang tekanan udaranya rendah sebagaimana diperlihatkan pada Gambar II.1. Tekanan udara yang berbeda diakibatkan oleh adanya gaya gravitasi, perbedaan suhu, serta perputaran bumi pada porosnya. Karena angin merupakan pergerakan udara yang memiliki massa dan bergerak dengan kecepatan tertentu, sehingga angin akan memiliki potensi berupa energi dan daya. H > L < Daerah Tekanan Tinggi Gambar II. 1 Daerah Tekanan Rendah Arah pergerakan angin 2.1.1 Kinetik kinetik angin adalah besaran energi yang terkait dengan besaran kecepatan dan massa. tersebut dapat dinyatakan dalam besaran matematis sebagaimana diperlihatkan pada pers. (2.1) (2.1) Ek m v = energi kinetik angin (joule) = massa udara (kg) = kecepatan angin (m/s) dimana persamaan untuk massa udara: (2.2) ρ = massa jenis udara (kg/m 3 ) V = volume udara (m 3 ) Besarnya volume udara yang melalui turbin angin dalam waktu tertentu bergantung pada luas sudu permukaan turbin dan panjang lintasan yang ditempuh angin, yaitu: (2.3) A = luas sudu permukaan turbn angin (m 2 ) x = panjang lintasan yang ditempuh angin (m) II-1
Dengan mensubstitusi persamaan (2.2) dan (2.3) ke persamaan (2.1) maka akan didapat persamaan energi kinetik: (2.4) 2.1.2 Daya Potensi daya yang dimiliki oleh angin adalah: (2.4) P w = daya angin (watt/ m 2 ) ρ = massa jenis udara (kg/m 3 ) v = kecepatan angin (m/s) 2.2 Teknologi Pemanfaatan Sumber Daya angin banyak dimanfaatkan dalam berbagai bentuk, yaitu dengan cara mengkonversi energi angin tersebut, yang lebih dikenal dengan istilah Sistem Konversi (SKEA). SKEA adalah sistem yang mengubah energi angin menjadi bentuk energi lain yang lebih berguna, misalnya mekanik, listrik, dan sebagainya. Ada dua jenis SKEA yang dikenal dan yang paling banyak dimanfaatkan saat ini, yaitu SKEA yang menggunakan kincir angin dan SKEA yang menggunakan turbin angin. Klasifikasi SKEA menurut jenisnya ditunjukkan pada Gambar II.2. Kincir Mekanik Rotasi Peralatan Mekanis Sumber Eergi Mekanik Rotasi Listrik Turbin Generator Peralatan Listrik Gambar II. 2 Diagram blok klasifikasi jenis SKEA Kedua jenis SKEA, turbin angin dan kincir angin, mengubah energi angin menjadi energi mekanik rotasi. Dengan memanfaatkan energi mekanik ini, maka peralatan-peralatan yang terhubung dengan kincir maupun turbin dapat digunakan sebagai pompa, peralatan penggilingan, juga sebagai penggerak utama generator pada pembangkit listrik tenaga angin untuk menghasilkan listrik. 2.3 Pembangkit Listrik Tenaga Pembangkit listrik tenaga angin atau dikenal juga dengan sebutan pembangkit listrik tenaga bayu adalah sistem yang mengubah energi kinetik yang terdapat pada udara yang bergerak dengan kecepatan tertentu menjadi energi listrik yang berguna dan dapat dimanfaatkan. angin yang ditangkap oleh sudu-sudu turbin angin diubah menjadi energi mekanik rotasi oleh turbin. Rotor turbin yang terhubung dengan generator berputar secara bersamaan dan menghasilkan listrik. listrik yang dihasilkan kemudian dikontrol untuk disimpan pada sistem penyimpanan energi listrik dan kemudian dialirkan atau disuplai ke beban seperti yang diperlihatkan pada Gambar II. 3. II-2
Turbin & Generator Beban Sistem Konversi Sistem Pengatur Sistem Penyimpan Gambar II. 3 Skema pemanfaatan pembangkit listrik tenaga angin Secara garis besar, pada pembangkit listrik dengan kecepatan angin rendah dan berfluktuasi, cara kerjanya sama dengan pembangkit listrik tenaga angin lainnya. Namun perbedaannya, turbin angin kecepatan rendah beroperasi pada daerah yang mempunyai kecepatan angin rata-rata yang rendah. Oleh karena itu, untuk mendapatkan keluaran energi listrik yang maksimal, dilakukan modifikasi pada beberapa peralatan seperti pada sudu-sudu, sistem transmisi, generator, dan peralatan pendukung lainnya. 2.3.1 Sistem Pengaturan Bagian ini berfungsi untuk mengubah energi mekanik rotasi hingga menjadi energi listrik. Komponennya terdiri dari sudu turbin, transmisi, dan generator. a. Sudu Turbin Sudu turbin merupakan komponen dari turbin angin yang berfungsi untuk menangkap energi angin yang kemudian digunakan untuk menggerakkan turbin. Bentuk sudu itu sendiri sangat berpengaruh terhadap daya mekanik yang akan dihasilkan. Terdapat dua jenis turbin angin yang paling dikenal saat ini. Turbin angin poros vertikal, seperti terlihat pada Gambar II. 4 (a), yang biasanya digunakan pada daerah yang kecepatan anginnya rendah dan turbin angin dengan poros horizontal, yang terlihat pada Gambar II. 4 (b), yang digunakan pada daerah dengan kecepatan angin yang relatif tinggi. (a) Gambar II. 4 (b) (a) Turbin angin poros vertikal, (b) Turbin angin poros horizontal b. Transmisi Transmisi berfungsi untuk mempercepat maupun memperlambat putaran poros generator, tergantung keperluan. Tapi, biasanya transmisi digunakan untuk meningkatkan kecepatan putaran rotor generator saat kecepatan putaran turbin yang dihasilkan dari energi angin belum mencukupi. Sistem transmisi II-3
yang paling sering digunakan adalah system pulley dan v-belt seperti diperlihatkan pada Gambar II.5 (a) dan sistem roda gigi seperti pada gambar Gambar II.5 (b). Dengan menggunakan perbandingan roda gigi (gear ratio) ataupun pulley pada turbin dan rotor, maka kecepatan putar yang dihasilkan turbin akan dapat dimaksimalkan oleh rotor pada generator. (a) (b) Gambar II.5 (a) Belt dan pulley, (b) Roda gigi c. Generator Generator merupakan bagian yang paling penting dalam sebuah sistem turbin angin karena generator berfungsi untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Biasanya rotor pada generator terhubung langsung dengan turbin, sehingga turbin menjadi penggerak utamanya. listrik yang dihasilkan generator bisa berupa arus searah (DC) ataupun arus bolak-balik (AC) tergantung jenis generator yang akan dipakai. Ada dua cara yang dapat dilakukan dalam merancang generator agar menghasilkan energi listrik yang sesuai dengan yang diharapkan, yaitu: 1. Menambah jumlah kumparan medan atau menggunakan magnet permanen yang kuat. 2. Meningkatkan putaran rotor sesuai dengan rating generator. Sebagian besar generator dibuat dengan memilih salah satu atau menggabungkan kedua cara tersebut, namun untuk generator yang digunakan pada turbin angin biasanya dipilih cara kedua, yaitu dengan meningkatkan putarannya sehingga generator tidak terlalu besar dan berat. Generator yang dipakai pada tugas akhir ini akan dibahas lebih lebih lanjut pada subbab berikutnya. 2.3.2 Sistem Pengaturan Sistem ini berfungsi untuk mengatur energi listrik yang dihasilkan generator dan disimpan dalam baterai. Ada beberapa komponen yang terdapat dalam sistem pengaturan ini, yaitu: a. Rectifier Alat ini berfungsi untuk menyearahkan arus, yaitu mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC). Rectifier digunakan bila generator menghasilkan arus bolak-balik (AC), sehingga sebelum energi listrik yang dihasilkan disimpan ke dalam baterai, maka harus diubah terlebih dahulu menjadi arus searah. II-4
b. Inverter Inverter adalah alat yang berfungsi untuk mengubah arus listrik searah (DC) menjadi arus listrik bolak-balik (AC). Sedikit berbeda dengan rectifier yang dipasang sebelum energi listrik disimpan dalam baterai, inverter digunakan pada keluaran baterai. Alat ini dibutuhkan saat beban yang disuplai merupakan beban AC. c. Sensor Sensor merupakan komponen tambahan pada sistem pengaturan. Pemakaiannya disesuaikan dengan kebutuhan. Sensor yang sering digunakan pada sistem turbin angin adalah sensor cahaya, yaitu Light Dependent Resistor (LDR) seperti yang terlihat pada Gambar II.6. Sensor ini berfungsi sebagai pemutus hubungan antara baterai dengan beban. Gambar II. 6 Sensor cahaya jenis Light Dependent Resistor (LDR) Cara kerjanya sama seperti resistor pada umumnya, namun nilai resistansinya berubah tergantung cahaya yang diterimanya. Contoh penggunaannya yaitu pada lampu yang otomatis padam pada saat hari terang dan akan menyala pada saat gelap. 2.3.3 Sistem Penyimpanan Untuk mengantisipasi agar energi listrik tetap tersedia pada saat tidak ada angin, maka diperlukan alat yang berfungsi untuk menyimpan energi listrik. Alat yang digunakan pada sistem penyimpanan ini adalah baterai aki (accumulator) sperti yang ditunjukkan pada Gambar II.7. Ada beberapa alasan mengapa aki digunakan sebagai media penyimpanan energi listrik, yaitu: Kapasitas bisa disesuaikan dengan kebutuhan Tegangan yang dikeluarkan stabil Mudah diperoleh Perawatan mudah Harga relatif terjangkau Gambar II. 7 Baterai aki (accumulator) 2.4 Dinamo Sepeda 2.4.1 Pendahuluan Dinamo sepeda tergolong ke dalam generator, yaitu alat yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dengan prinsip induksi elektromagnetik. Dinamo sepeda merupakan generator sinkron dengan kapasitas yang kecil tergantung spesifikasinya, misalnya 6V 6W, 12V 6W, 12V 12W, dan lain-lain. Pada sepeda, alat ini memanfaatkan putaran roda speda untuk menghasilkan II-5
listrik yang akan menyuplai beban berupa lampu seperti terdapat pada Gambar II.8. Gambar II. 8 Dinamo sepeda Tegangan keluaran yang dihasilkan dinamo bergantung pada besarnya putaran sepeda yang memutar rotor dinamo. Semakin cepat putaran, semakin tinggi RPM rotor dinamo, maka semakin besar pula tegangan yang dihasilkan. Pada saat berputar dengan kecepatan desainnya, tegangan yang dihasilkan adalah 13-14 volt. Dengan nilai tegangan itu, maka beban berupa lampu 12 volt dapat menyala. Bila putaran ban sepeda sangat kencang maka tegangan yang dihasilkan juga sangat besar, sehingga beban berupa lampu tersebut dapat putus atau rusak jika tidak ada tambahan jumlah beban lainnya. Oleh karena itu dinamo sepeda biasanya dirancang berdasarkan kecepatan putar ban agar dapat menghasilkan tegangan yang sesuai dengan bebannya. 2.4.2 Konstruksi Dinamo Sepeda Konstruksi dinamo sepeda sama seperti konstruksi generator sinkron pada umumnya. Namun, pada bagian rotornya menggunakan magnet permanen sehingga tidak memerlukan lagi arus eksitasi dari luar. 1. Stator Stator terdiri dari inti stator dan kumparan stator yang diletakkan pada frame depan dan belakang. Inti stator dibuat dari beberapa lapis plat besi tipis. Inti stator ini akan mengalirkan flux magnet yang disuplai oleh inti rotor, sehingga flux magnet akan menghasilkan efek yang maksimum pada saat melalui kumparan stator. Namun, penggunaan inti besi ini akan membuat magnet pada rotor menjadi tertarik menuju inti stator yang akan membuat rotor tidak berputar bebas. 2. Rotor Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet. Rotor berputar bersama poros, karena gerakannya maka disebut dengan medan magnet berputar. Medan magnet tersebut dihasilkan oleh medan magnet permanen yang menempel pada rotor. Oleh karena itu dinamo sepeda tidak lagi memerlukan arus dari luar. 3. Air Gap Celah udara pada generator merupakan tempat berpindahnya fluks magnet pada magnet permanen dan menginduksi ke kumparan stator. Sehingga pada celah udara ini terjadi mekanisme perpindahan atau konversi energi dari mekanik menjadi energi listrik. Tentunya besar atau lebarnya celah udara ini mempengaruhi penginduksian kekumparan stator. Pada umumnya beban yang disuplai oleh dinamo merupakan beban AC, oleh karena itu tegangan keluaran dari dinamo ini tidak perlu diubah menjadi tegangan DC. Tetapi jika beban yang ingin disuplai merupakan beban II-6
DC, maka diperlukan rangkaian penyearah untuk merubah tegangan AC menjadi DC. II-7