7/17/2019 Energi

1/18

Universitas Sumatera Utara

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Energi Angin

Energi merupakan suatu kekuatan yang dimiliki oleh suatu zat sehingga

zat tersebut mempunyai pengaruh pada keadaan sekitarnya. Menurut mediumnya

dikenal banyak jenis energi. Diantaranya, energi gelombang, energi arus laut,

energi kosmos, energi yang terkandung pada senyawa atom, dan energi-energi

lain yang bila dimanfaatkan akan berguna bagi kebutuhan manusia. Salah satudari energi tersebut adalah energi angin yang jumlahnya tak terbatas dan banyak

digunakan untuk meringankan kerja manusia. Angin memberikan energi gerak

sehingga mampu menggerakkan perahu layar, kinir angin, dan bisa dimanfaatkan

menjadi pembangkit listrik yaitu berupa turbin angin. !eberadaan energi angin ini

terdapat di lapisan atmosfer bumi yang banyak mengandung partikel udara dan

gas. "apisan troposfer merupakan lapisan atmosfer terendah bumi dan dilapisan

ini semua peristiwa uaa termasuk angin terjadi.

Energi angin adalah energi yang terkandung pada massa udara yang

bergerak. Energi angin berasal dari energi matahari. #emanasan bumi oleh sinar

matahari menyebabkan perbedaan massa jenis $%& udara. #erbedaan massa jenis

ini menyebabkan perbedaan tekanan pada udara sehingga akan terjadi aliran fluida

dan menghasilkan angin. !ondisi aliran angin dipengaruhi oleh medan atau

permukaan bumi yang dilalui oleh aliran angin dan perbedaan temperatur

permukaan bumi.

2.1.1 Asal Energi Angin

'ampir semua energi terbarukan yaitu energi pasang surut, arus dan

gelombang air, bahkan energi fosil berasal dari energi matahari. Matahari

meradiasikan (,)* + (()joule energi ke permukaan bumi setiap detiknya. Sekitar

( hingga energi yang datang dari matahari diubah menjadi energi angin.

2.1.2 Kandungan Energi Dalam Angin

7/17/2019 Energi

2/18

/entuk energi yang terdapat pada angin yang dapat diekstraksi oleh turbin

angin adalah energi kinetiknya. Angin adalah massa udara yang bergerak.

/esarnya energi yang terkandung pada angin tergantung pada keepatan angin

dan massa jenis angin atau udara yang bergerak tersebut. 0ika diformulasikan,

besar energi kinetik yang terkandung pada angin atau udara bergerak yang

bermassa m dan berkeepatan v adalah 1

E 2(mv

k

3333333333333333333333..$.(&

Dimana1

Ek 2 Energi kineti $joule&

m 2 massa udara $kg&

4 2 keepatan angin $m5s&

Energi kinetik yang terdapat pada angin berbanding lurus dengan massa

jenis udara $%& dan berbanding lurus dengan kuadrat dari keepatannya.

2.1.3 Pengukuran Angin

#arameter yang diukur pada proses kon4ersi energi angin pada umumnya

adalah keepatan dan arahnya. !eepatan angin diukur dengan menggunakan alat

anemometer. Anemometer mempunyai banyak jenis dan salah satunya adalah

anemometer tangan.

Anemometer tangan terdiri dari semaam kipas keil pada ujungnya yang

akan berputar ketika dilalui oleh angin . 0umlah putaran setiap waktu direkam dan

dinyatakan dalam besaran keepatan angin. #embaaan skala keepatan angin

dapat dilakukan dengan melihat skala pembaa yang terdapat pada anemometer.

6riggs-#utnam membuat indeks keepatan angin berdasarkan deformasi

yang terjadi pada pohon seperti tampak pada gambar berikut 1

7/17/2019 Energi

3/18

6ambar .( 7ndeks beserta deformasi yang terjadi pada pohon $Sumber 1 8ind9urbine 9ehonology&

2.2 Potensi Angin Di Indonesia

/erdasarkan data keepatan angin di berbagai wilayah, sumberdaya energi

angin 7ndonesia berkisar antara ,: ; :,: m5detik pada ketinggian * meter di atas

permukaan tanah. Dengan keepatan tersebut sumberdaya energi angin 7ndonesia

termasuk dalam kategori keepatan angin kelas rendah hingga menengah. Seara

keseluruhan, potensi energi angin 7ndonesia diperkirakan menapai

7/17/2019 Energi

4/18

9abel..( #otensi energi terbarukan di 7ndonesia

Jenis energi Sumer da!a Setara Ka"asitas ter"asang

Air =*: + (> /?E ):,) 68 * M8#anas bumi (< + (> /?E ), 68 = M8Mini5Mikrohidro *:= M8 *:= M8 =* M8/iomassa *

7/17/2019 Energi

5/18

karena itu, untuk riset turbin angin akan diari sebuah desain dan bahan beserta

analisanya untuk membuat turbin angin lebih baik dari sebelumnya.

2.3.1 De#enisi dan Pengelom"okan Turin Angin

9urbin angin adalah sebuah alat yang memanfaatkan energi kinetik angin

dan mengubahnya kedalam bentuk energi gerak putaran rotor dan poros generator

untuk menghasilkan energi listrik. Energi gerak yang berasal dari angin akan

diteruskan menjadi gaya gerak dan torsi pada poros generator yang kemudian

akan dihasilkan energi listrik. 9urbin angin adalah mesin penggerak yang

memanfaatkan angin sebagai penggeraknya.

/erdasarkan arah sumbu geraknya, turbin angin terbagi menjadi , yaitu1turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu 4ertikal. 9urbin angin

sumbu horizontal memiliki sumbu putar yang sejajar dengan tanah. 9urbin angin

sumbu 4ertikal memiliki sumbu putar yang arahnya tegak lurus dengan tanah.

/erdasarkan prinsip gaya aerodinamik yang terjadi pada rotor, turbin

angin terbagi yaitu drag dan lift. #engelompokan berdasarkan prinsip

aerodinamik pada rotor adalah apakah turbin angin menangkap energi angin

dengan hanya memanfaatkan gaya drag dari aliran udara yang melalui rotor ataumemanfaatkan gaya lift yang dihasilkan dari aliran udara yang melalui bentuk

aerodinamis sudu. Dua kelompok ini memiliki perbedaan yang jelas pada

keepatan putar rotornya. otor turbin angin jenis drag berputar dengan keepatan

putar rendah sehingga disebut juga turbin angin putaran rendah. otor turbin

angin jenis lift pada umumnya berputar pada keepatan putar tinggi bila

dibandingkan dengan jenis drag sehingga disebut juga sebagai turbin angin

putaran tinggi. Setiap jenis turbin angin memiliki peranangan, kekurangan dankelebihan masing-masing.

2.3.2 Turin Angin Sumu $ori%ontal

9urbin angin sumbu horizontal mempunyai sumbu putar yang terletak

sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan arah

angin.!omponen utama turbin angin sumbu horizontal meliputi 1 Sudu $blade&,

ekor $tail&, tiang penyangga $tower&, dan alternator.

7/17/2019 Energi

6/18

/erdasarkan letak rotor terhadap arah angin, turbin angin sumbu

horizontal dibedakan menjadi dua maam yaitu1

(. Upwind

.Downwind

9urbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya

angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi

arah datang angin.

6ambar .@ !omponen utama turbin angin sumbu horizontal $Sumber1 8ind

/lade otor Bonstrution, 'ugh #iggot&

2.3.3 Turin Angin Sumu &ertikal

9urbin angin sumbu 4ertikal adalah jenis turbin angin yang pertama dibuat

manusia. #ada awalnya, putaran rotornya hanya memanfaatkan efek magnus yaitu

karena adanya selisih gaya drag pada kedua sisi rotor atau sudu sehingga

menghasilkan momen gaya terhadap sumbu putar rotor. Salah satu ontoh turbinangin sumbu 4ertikal jenis drag adalah turbin angin sa4onius, yang mana terdiri

dari dua atau tiga lembar pelat yang dilengkungkan pada arah tangensial yang

sama terhadap sumbu putar. 9urbin angin poros 4ertikal atau yang lebih dikenal

memiliki iri utama yaitu keberadaan poros tegak lurus terhadap arah aliran angin

atau tegak lurus terhadap permukaan tanah.

!euntungan dari konsep turbin angin sumbu 4ertikal adalah lebih

sederhana peranangan dan pembuatannya dibandingkan turbin angin sumbu

7/17/2019 Energi

7/18

horizontal. !euntungan-keuntungan tersebut diantaranya adalah memungkinkan

penempatan komponen mekanik, komponen elektronik, transmisi roda gigi, dan

generator dekat dengan permukaan tanah. otor turbin angin sumbu 4ertikal

berputar tanpa dipengaruhi arah datangnya angin sehingga tidak membutuhkan

mekanisme pengatur arah $seperti ekor& seperti pada turbin angin sumbu

horizontal.

/eberapa jenis turbin angin sumbu 4ertikal adalah sebagai berikut1

a. Sa4onius otor

9urbin angin dengan konstruksi sederhana yang ditemukan oleh sarjana

Cinlandia bernama Sigurd 0. Sa4onius $(

7/17/2019 Energi

8/18

maka tipe ' menggunakan bilah lurus. /ilah ini dihubungkan ke poros

menggunakan batang atau lengan, kemudian poros langsung dihubungkan dengan

generator.

6ambar .* 0enis-0enis 9urbin Angin Sumbu ertikal $Sumber1 8ind 9urbines,

Eri 'au&

#erbandingan antara turbin angin tipe Sa4onius, Darrieus dan 9ipe ' dapat dilihat

pada 9abel ..

9abel . #erbandingan !arakteristik 9urbin Angin Sa4onius, Darrieus dan 9ipe '

Sa'onius Darrieus Ti"e $

- Dapat berputar pada

keepatan angin rendah

- #roses manufaktur

mudah

- !oefisien daya rendah

- !oefisien daya lebih tinggi

- 9elah dibuat dalam skala besar

- 9idak dapat mulai berputar

sendiri $self start&

- 9idak dapat diatur keepatan

putarnya lewat pengaturan sudut

serang

- #roses manufaktur susah dan

mahal

- Desain sederhana

- !oefisien daya kurang lebih

sama dengan Darrieus

- #roses manufaktur mudah

- Dapat dilakukanpitchingpad

bilah sudu

- 0urnal atau referensi belum

banyak ditemukan

7/17/2019 Energi

9/18

Sumber 1 h tt p 15 5ne w i d ea o f w ind tu r b i ne.w o r dp r e s s .o m 5 ta g 5t u r b i n - an g i n -4 e rti k a l5

2.( Airfoil

Airfoil ABA $National Advisory Committee for Aeronautics& adalah

salah satu bentuk bodi aerodinamika sederhana yang berguna untuk dapat

memberikan gaya angkat tertentu terhadap suatu bodi lainnya dan dengan bantuan

penyelesaian matematis sangat memungkinkan untuk memprediksi berapa

besarnya gaya angkat yang dihasilkan oleh suatu bodi airfoil. 6eometri airfoil

memiliki pengaruh besar terhadap karakteristik aerodinamika dengan parameter

penting berupa B", dan kemudian akan terkait dengan lift $gaya angkat yang

dihasilkan& $Mulyadi, (&.

'ingga sekitar #erang Dunia 77, airfoil yang banyak digunakan adalah

hasil riset 6ottingen. Selama periode ini banyak pengajuan airfoil dilakukan

diberbagai negara, namun hasil riset ABA lah yang paling terkemuka. #engujian

yang dilakukan ABA lebih sistematik dengan membagi pengaruh efek

kelengkungan dan distribusi ketebalan atau thikness serta pengujiannya

dilakukan pada bilangan eynold yang lebih tinggi dibanding yang lain. 'al ini

sering dirangkum oleh beberapa parameter seperti1 ketebalan maksimum,

maksimum bentuk melengkung, posisi ma+ ketebalan, posisi maks bentuk

melengkung, dan hidung jari-jari. Seperti terlihat pada gambar .: suatu airfoil

terdiri dari1

G #ermukaan atas $Upper Surface&

G #ermukaan bawah $Lowerer Surface&

G

ean camber line adalah tempat kedudukan titik-titik antara permukaanatas dan bawah airfoil yang diukur tegak lurus terhadap mean camber

line itu sendiri.

G Leading edge adalah titik paling depan pada mean camber line, biasanya

berbentuk lingkaran dengan jari-jari mendekati , .

G !railing edge adalah titik paling belakang pada mean camber line

G Camber adalah jarak maksimum antara mean camber line dan garis chord

yang diukur tegak lurus terhadap garis chord"

http://newideaofwindturbine.wordpress.com/tag/turbin-angin-vertikal/http://newideaofwindturbine.wordpress.com/tag/turbin-angin-vertikal/http://newideaofwindturbine.wordpress.com/tag/turbin-angin-vertikal/http://newideaofwindturbine.wordpress.com/tag/turbin-angin-vertikal/

7/17/2019 Energi

10/18

G !etebalan $thickness& adalah jarak antara permukaan atas dan permukaan

bawah yang diukur tegak lurus terhadap garis chord.

6ambar .: ABA airfoil geometry

Sumber1http155 m i h ae lsus e no .blo g spot . o m 5(( 5

7/17/2019 Energi

11/18

6ambar .> #enampang sudu $ Sumber1 8ind 9urbines, Erih 'au&

7stilah drag merupakan gaya yang berasal dari energi angin yang

mendorong lurus sudu searah dengan arah angin. 6aya drag pada dasarnya

digunakan oleh turbin angin sa4onius. 6aya ini menyebabkan sudu bergerak.

amun, gerakan rotor yang terjadi sangat rendah dan sudu yang sebenarnya

bergerak melawan arah angin akan memperlambat gerak rotor. Selain itu, terdapat

gaya lain berupa lift yang selalu bekerja pada sudut airfoil yang mengarahkan

sudu terangkat akibat gerak angin. Sudu turbin angin sumbu horizontalmengalami gaya lift dan gaya drag& namun gaya lift jauh lebih besar dari gaya

drag sehingga rotor turbin ini lebih dikenal dengan rotor turbin tipe lift.

6ambar .) Cenomena drag dan lift $Sumber1

http155 m i h ae lsus e no .bl og spot . o m 5((5

7/17/2019 Energi

12/18

Fntuk mempermudah perhitungan fenomena drag dan lift, maka dengan

metode numeri $6erhart&, diperkenalkanlah drag and lift coeffient $koefisien

gaya hambat dan gaya angkat& yang dilambangkan dengan BD dan B". /esarnya

B" dan BD bergantung dari bentuk melintang sudu yang digunakan dan sudut

serang $&. Seara matematis, hubungan gaya drag dan lift dengan koefisiennya

dapat dirumuskan sebagai berikut1

#D

2

( .CD%U

( .

A33333333333333333333$.*&

#L 2 CL%U

A33333333333333333333$.:&

Dimana % adalah massa jenis udara,A adalah luas penampang sudu, dan U adalah

keepatan angin.

'ubungan antara B" dan BD terhadap sudut serang $& diukur dan

ditentukan seara eksperimen dan sudah dibukukan dalam suatu atalog.

6ambar .= Skematik gaya drag dan lift pada sudu turbin angin $Sumber1 Ekawira

!. apitupulu&

!eterangan gambar1

7/17/2019 Energi

13/18

L 2 gaya lift sudu $&

D 2 gaya drag sudu $&

N 2 keepatan sudut elemen sudu $rad5s&

r 2 radius turbin $m&

2 sudut serang sudu $&

c 2 keepatan absolut elemen sudu $resultan 4ektor v' dengan u'&

c ( v')*O + cosI,- + *sinI,-./0- $.>&

v' 2 keepatan angin $m5s&

u' 2 keepatan tangensial elemen sudu $m5s&

u' ( rN $.)&

B a t a t a n 1 - gaya lift L tegak lurus terhadap komponen keepatan c

- gaya drag Dparalel terhadap komponen keepatan c

2.+ Power Coeffient dan Tip Speed Ratio

Desain aerodinamik pada turbin angin memerlukan banyak pengetahuan

fisika dasar tentang hukum kon4ersi energi. Seorang peranang akan menghadapipermasalahan tentang hubungan antara bentuk sudu, jumlah sudu, dan sifat-sifat

aerodinamik.

/etPz memudahkan teori momentum pada sudu turbin dengan ara

pemodelan aliran dua dimensi. Aliran udara ini akan menyebabkan defleksi pada

airfoil. 6erakan dari angin ini akan menggerakkan sudu sehingga timbul gerak

putar pada sudu turbin.

%ower Coefficient $Bp& adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan

seara mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan oleh

gaya lift pada aliran udara. Seara matematis, hubungan ini dapat dituliskan1

( .%A$v(

L v2 &$v1 J v2 &

C 2%

%,2 * (

%Av @

3333333333333..$.=&

% ( v v

C 2 2 (L

(J % 333333333333......$.

7/17/2019 Energi

14/18

Dimana1

Cp 2 koefisien daya

% 2 daya mekanik yang dihasilkan rotor $watt&

%1 2 daya mekanik total yang terkandung dalam angin yang melalui sudu $watt&

% 2 massa jenis udara $kg5m&

A 2 luas penampang bidang putar sudu $m&

v/ 2 keepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor $m5s&

v- 2 keepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor $m5s&

6ambar .< #emodelan /etzP untuk aliran angin

$Sumber1 0ohn 9widell dan 9ony 8eir Q)R, hal )*&

Energi yang terkandung pada spin $putaran sudu& akan mengurangi

proporsi penggunaan energi total yang terkandung pada aliran. Seara teori

momentum,power coefficient dari turbin harus lebih keil daripada harga yang

ditentukan oleh /etzPs $sekitar ,:

7/17/2019 Energi

15/18

u 2 keepatan tangensial dari ujung sudu $m5s&

4w 2 keepatan angin $m5s&

atau tip speed ratio,

!ip speed ratio, O 2d n>v 3333333333333333 $.((&

dimana d adalah diameter sudu, n adalah putaran rotor atau sudu, dan 4 adalah

keepatan angin.

6ambar .( !ur4a hubungan !ip speed ratio $O& terhadap rotor power coefficient

$B#& pada berbagai jumlah sudu $Sumber1 8ind 9urbines, Erih 'au&

!eepatan aksial 2apada rotor turbin angin dengan keepatan tangensial u

pada radius dari penampang sudu dikombinasikan menjadi keepatan aliran total

2r.

Elemen dasar pada kur4a daya rotor adalah power coefficient $B#& yangmerupakan fungsi dari tip speed ratio untuk semua spesifikasi turbin atau mesin

angin. #ada beberapa sumber buku power coefficient didefinisikan sebagai rotor

power coefficient *B#&, sehingga besarnya nilai B# dan B# adalah sama. #ada

penampang sudu terdapat sudut serang $angle of attack& dan sudut pith sudu.

Sudut serang adalah parameter aerodinamik dan sudut pith sudu adalah untuk

parameter desain.

7/17/2019 Energi

16/18

#erhitungan keseimbangan gaya meliputi tidak hanya pada drag dan lift

airfoil murni, tetapi juga meliputi semua komponen drag dan lift lain yang

terdapat di sekitar sudu. esultan Drag merupakan fungsi dari koefisien lift lokal

dan aspek rasio dari sudu. #erhitungan drag dan lift aerodinamik lokal, menurut

teori momentum pada sudu $teori /etzPs&, terkait distribusi gaya aerodinamik

sepanjang sudu. 9erdapat dua komponen, yaitu1 satu pada bidang putaran rotor

yang dinamakan dengan distribusi gaya tangensial, dan satu lagi adalah distribusi

gaya dorong.

#ada dasarnya besar tekanan yang terjadi antara pangkal $top& dengan

ujung $tip& sudu adalah berbeda.

Dengan mengetahui sudut pith sudu, dapat ditentukan besarnya lebarsudu. /esarnya lebar sudu merupakan fungsi dari sudut pith dan tip speed ratio.

#ada prosesnya, setiap sudu memiliki lapisan angin tertentu. Fntuk jari-jari r yang

keil, jumlah angin yang melapisi sudu tentu akan lebih keil. Seara matematis,

besarnya sudu $hord& dapat dinyatakan dengan1

C 2(>S3$3 5 r &

7/17/2019 Energi

17/18

vw 2 keepatan angin

C% 2 koefisien daya rotor

% 2 massa jenis udara

%3 2 daya rotor

T 2 Efisiensi elektrik dan mekanik

6ambar .(( !ur4a hubungan !ip5speed ratio terhadap3otor power coefficient

$B#& pada berbagai jenis turbin angin. $Sumber1 8ind 9urbines, Erih 'au&

2. *enerator

Fntuk menghasilkan energi listrik dari putaran turbin, perangkat turbin

angin harus menggunakan generator. 6enerator adalah alat yang digunakan untuk

menghasilkan energi listrik. #rinsip kerja generator adalah menjadikan medan

magnet yang ada disekitar konduktor mengalami fluktuasi atau perubahan,

sehingga timbul tegangan listrik. Magnet yang berputar disebut rotor dan

konduktor yang diam disebut stator.

Dari segi sifat kemagnetan, generator dibagi menjadi jenis, yaitu

generator magnet tetap dan generator magnet sementara. #ada generator dengan

7/17/2019 Energi

18/18

magnet tetap, sifat kemagnetannya tidak berubah dan tidak mudah hilang. Fntuk

membangkitkan listrik dengan generator ini, dilakukan dengan memutar poros

generator supaya menyebabkan fluktuasi magnet dan dihasilkan tegangan listrik.

Fntuk generator magnet sementara sifat kemagnetannya mudah hilang. Sifat

medan magnet yang terjadi pada generator ini dihasilkan dengan induksi. Fntuk

membangkitkan daya listrik, generator harus diberi arus listrik ketika kumparan

magnetnya berputar.

Dari segi arus listrik yang dihasilkan, generator dibagi , yaitu generator

arus bolak balik $AB& dan generator arus searah $DB&. 6enerator arus bolak balik

$AB& menghasilkan tegangan yang arahnya bolak balik dan bila dihubungkan

dengan beban akan menimbulkan arus bolak balik pula. 6enerator AB dapatmenghasilkan daya pada putaran yang ber4ariasi bergantung pada spesifikasi rotor

itu sendiri.

#ada generator arus searah $DB& terdapat rectifier yang berfungsi untuk

mengubah arus AB menjadi DB. 6enerator ini menghasilkan tegangan yang

arahnya tetap dan bila dihubungkan dengan beban, akan menimbulkan arus searah

pula. #ada umumnya generator arus searah dapat menghasilkan listrik pada

putaran yang tinggi. Fntuk digunakan pada turbin angin, jenis generator inimemerlukan transmisi untuk menaikkan putaran.

#ada penelitian turbin angin ini, generator yang digunakan adalah

generator AB dengan menggunakan magnet permanen. 6enerator jenis ini disebut

juga %ermanent agnet 6enerator $#M6& yang dapat menghasilkan daya dan

tegangan listrik pada putaran yang rendah.