3

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.

4

Gambar 2.1. Grafik hubungan TSR (α) terhadap efisiensi turbin (%)

konvensional

Gambar 2.2. (a) Turbin darrieus (b) Turbin savonius

(a) (b)

5

2.2. Daya Angin

Energi kinetik dari sebuah benda dengan massa m dan kecepatan v dapat

dirumuskan:

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)

6

2.3. DayaTurbin

Dengan mengukur torsi dan kecepatan putaran turbin, maka daya mekanik dapat

dirumuskan :

= 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)

7

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

8

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

9

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

10

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

11

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]

12

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.

13

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 berulang-

ulang 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

14

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)