6

Bab 2

Dasar Teori

2.1. Prinsip Konversi Energi Angin

Energi kinetik dalam benda bergerak dirumuskan dengan persamaan 2

21 mvE = (2.1)

dimana:

m : massa udara yang bergerak (kg)

v : adalah kecepatan angin (m/s).

Energi kinetik yang terkandung dalam angin inilah yang ditangkap oleh turbin

angin untuk memutar rotor. Untuk menganalisis seberapa besar energi angin yang

dapat diserap oleh turbin angin, digunakan teori momentum elementer betz.

2.1.1. Teori Momentum Elementer Betz

Teori momentum elementer Betz sederhana berdasarkan pemodelan aliran

dua dimensi angin yang mengenai rotor menjelaskan prinsip konversi energi angin

pada turbin angin. Kecepatan aliran udara berkurang dan garis aliran membelok

ketika melalui rotor dipandang pada satu bidang. Berkurangnya kecepatan aliran

udara disebabkan sebagian energi kinetik angin diserap oleh rotor turbin angin.

Pada kenyataannya, putaran rotor menghasilkan perubahan kecepatan angin pada

arah tangensial yang akibatnya mengurangi jumlah total energi yang dapat

diambil dari angin.

Walaupun teori elementer Betz telah mengalami penyederhanaan, namun

teori ini cukup baik untuk menjelaskan bagaimana energi angin dapat dikonversi

menjadi bentuk energi lainnya.

Dengan menganggap bahwa kecepatan udara yang melalui penampang A

adalah sebesar v, maka aliran volume udara yang melalui penampang rotor pada

setiap satuan waktu adalah

V& = vA (2.2) dimana:

7

V& = laju volume udara (m3/s)

v = kecepatan angin (m/s)

A = luas area sapuan rotor (m2)

Dengan demikian, laju aliran massa dapat dirumuskan dengan persamaan:

m& = ρvA (2.3) dimana

ρ = massa jenis udara (kg/m3)

persamaan yang menyatakan energi kinetik yang melalui penampang A pada

setiap satuan waktu dapat dinyatakan sebagai daya yang melalui penampang A

adalah:

AvP 321 ρ= (2.4)

dimana:

P = daya mekanik (Watt)

Energi kinetik dapat diambil dari angin dengan mengurangi kecepatannya.

Artinya kecepatan udara di belakang rotor akan lebih rendah daripada kecepatan

udara di depan rotor. Energi mekanik yang diambil dari angin setiap satuan waktu

didasarkan pada perubahan kecepatannya dapat dinyatakan dengan persamaan:

)( 32

3112

13222

13112

1 vvAvAvAP −=−= ρρρ (2.5)

dimana:

P = daya yang diekstraksi (Watt)

ρ = massa jenis udara (kg/m2)

A1 = luas penampang aliran udara sebelum melalui rotor (m2)

A2 = luas penampang aliran udara setelah melalui rotor (m2)

v1 = kecepatan aliran udara sebelum melewati rotor (m/s)

v2 = kecepatan aliran udara setelah melewati rotor (m.s)

dengan asumsi massa jenis tidak mengalami perubahan maka sesuai hukum

kontinuitas sebagai berikut:

2211 vAvA ρρ = (2.6)

8

• Erich Hau [1]

Gambar 2.1 kondisi aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik aliran bebas

maka:

)( 2121 vvmP −= & (2.7)

dari persamaan tersebut dapat disimpulkan bahwa daya terbesar yang diambil dari

angin adalah jika v2 bernilai nol, yaitu angin berhenti setelah melalui rotor,

namun hal ini tidak dapat terjadi karena tidak memenuhi hukum kontinuitas.

Energi angin yang diubah akan semakin besar jika v2 semakin kecil, atau dengan

kata lain rasio v1/v2 harus semakin besar.

Persamaan lainnya yang diperlukan untuk mencari besarnya daya yang

dapat diambil adalah persamaan momentum

)( 21 vvmF −= & (2.8)

dimana:

F = gaya (N)

m& = laju aliran massa udara (kg/s)

sesuai dengan hukun ke-2 Newton bahwa gaya aksi akan sama dengan gaya

reaksi, gaya yang diberikan udara kepada rotor akan sama dengan gaya hambat

oleh rotor yang menekan udara ke arah yang berlawanan dengan arah gerak udara.

Daya yang diperlukan untuk menghambat aliran udara adalah:

')(' 21 vvvmFvP −== &

dimana:

9

v’ = kecepatan aliran udara pada rotor (m/s)

Kedua persamaan diatas digabungkan menunjukkan hubungan

')()( 2122

212

1 vvvmvvm −=− &&

sehingga

)(' 2121 vvv −= (2.9)

maka kecepatan aliran udara ketika melalui rotor adalah

2

)(' 21 vvv −= (2.10)

laju aliran massa menjadi

)(' 2121 vvAAvm −== ρρ& (2.11)

2.1.2. Koefisien Daya

Koefisien daya adalah hal penting dalam merancang turbin angin karena

menunjukkan berapa besar energi angin yang dapat diekstraksi dari energi kinetik

angin yang melalui penampang rotor. Koefisien daya sangat mempengeruhi

kinerja turbin angin, dan dipengaruhi oleh konstruksi turbin angin dan prinsip

konversi energinya.

Keluaran daya dari rotor dinyatakan dengan

))(( 2122

214

1 vvvvAP −−= ρ (2.12)

sedangkan daya yang melewati penampang rotor adalah

AvP 312

10 ρ= (2.13)

perbandingan antara daya keluaran motor terhadap daya total yang melalui

penampang rotor disebut koefisien daya cp.

Av

vvvvAPPc p 3

121

2122

214

1

0

))((ρ

ρ −−== (2.14)

dimana:

cp = koefisien daya (power coefficient)

P = Daya mekanik yang dihasilkan rotor (Watt)

P0 = Daya mekanik total yang terkandung dalam angin yang melalui A

(Watt)

10

persamaan di atas kemudian disederhanakan menjadi:

1

2

2

1

221

0

11vv

vv

PPc p +⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−== (2.15)

dengan memasukkan nilai v2/v1, maka cp dapat disajikan dalam bentuk tabel

berikut:

- Erich Hau [1]

Gambar 2.2 Koefisien daya terhadap rasio kecepatan aliran udara dengan demikian cp akan bernilai maksimum jika v2/v1 = 1/3, ini disebut dengan

Betz’s limit, dimana nilai koefisien daya tidak akan melebihi nilai ideal yaitu

sebesar 0.593.

2.1.3. Gaya Aerodinamik Pada Rotor

Ada dua macam gaya yang menggerakkan rotor pada turbin angin, yaitu

gaya lift dan drag. Gaya lift adalah gaya pada arah tegak lurus arah aliran yang

dihasilkan ketika fluida bergerak melalui benda yang berpenampang airfoil. Jika

penampang airfoil menyapu udara dengan kecepatan tertentu maka tekanan udara

pada bagian atas sayap akan lebih kecil dari bagian bawah pesawat, hal ini

menyebabkan adanya gaya angkat pada sayap tersebut yang disebut gaya lift.

11

Sedangkan gaya drag adalah gaya hambat yang arahnya berlawanan dengan arah

gerak benda.

Turbin angin jenis drag umumnya memiliki koefisien daya yang relatif

rendah karena banyak terjadi rugi-rugi yang ditimbulkan oleh turbulensi yang

terjadi. Kecepatan putar rotornya juga relatif rendah. Turbin angin jenis lift

memiliki koefisien daya yang relatif besar dan kecepatan sudut rotor yang relatif

tinggi dibandingkan dengan turbin angin jenis drag.

Gaya lift dan drag bergantung pada koefisien lift CL dan koefisien drag

CD, juga berbanding lurus dengan kecepatan angin. Luas penampang sudu dan

sudut serang juga mempengaruhi besarnya gaya lift L dan drag L yang timbul. Lift

dan drag dapat dihtung dengan menggunakan persamaan:

2

2AvCL L

ρ= (2.16)

dan

2

2AvCD D

ρ= (2.17)

dimana:

L = gaya lift (N)

D = gaya drag (N)

• Erich Hau [1]

Gambar 2.3 Gaya aerodinamik yang dialami sudu ketika dilalui aliran udara

12

2.2. Jenis-Jenis Turbin Angin

Turbin angin sebagai mesin konversi energi angin dapat digolongkan

berdasarkan prinsip aerodinamik yang dimanfaatkan rotornya dan berdasarkan

konstruksinya. Berdasarkan prinsip aerodinamik yang digunakan, turbin angin

dibagi menjadi 2 kelompok yaitu:

1. Jenis Drag (prinsip konversi energi memanfaatkan selisih koefisien drag)

2. Jenis Lift (prinsip konversi energi memanfaatkan gaya lift)

Sedangkan bila dibedakan berdasarkan arah sumbu rotasi rotor, turbin angin

dibagi menjadi dua kelompok yaitu:

1. Turbin angin sumbu vertikal

2. Turbin angin sumbu horizontal/ Turbin angin aksial

Pengelompokan berdasarkan prinsip aerodinamik pada rotor yang

dimaksud adalah apakah turbin angin menangkap energi angin dengan hanya

memanfaatkan gaya drag dari aliran udara yang melalui rotor atau memanfaatkan

gaya lift yang dihasilkan dari aliran udara yang melalui penampang aerodinamis

sudu. Dua kelompok ini memiliki perbedaan yang jelas pada kecepatan putar

rotornya. Rotor turbin angin jenis drag berputar dengan putaran rendah sehingga

disebut juga turbin angin putaran rendah. Rotor turbin angin jenis lift pada

umumnya berputar pada kecepatan tinggi jika dibandingkan dengan jenis drag

sehingga disebut juga sebagai turbin angin putaran tinggi.

Turbin angin digolongkan menjadi dua kelompok berdasarkan arah sumbu

rotornya yaitu turbin angin sumbu vertikal dan turbin angin aksial atau turbin

angin sumbu horizontal. Turbin angin sumbu vertikal memiliki sudu yang

bergerak pada sumbu putar yang tegak lurus dengan tanah. Turbin angin aksial

atau turbin angin sumbu horizontal memiliki sudu yang berputar pada sumbu

putar yang sejajar dengan tanah. Ada beberapa rancangan untuk masing-masing

tipe, dan masing-masing memiliki keuntungan dan kekurangan.

2.2.1. Turbin Angin Sumbu Vertikal

Turbin angin sumbu vertikal adalah jenis turbin angin yang pertama dibuat

manusia. Pada awalnya putaran rotornya hanya memanfaatkan efek magnus yaitu

13

karena adanya selisih gaya drag pada kedua sisi rotor sehingga menghasilkan

momen gaya terhadap sumbu putar rotor. Satu diantara contoh turbin angin sumbu

vertikal jenis drag adalah turbin angin savonius, terdiri dari dua atau tiga lembar

pelat yang dilengkungkan pada arah tangensial yang sama terhadap sumbu putar.

Turbin angin sumbu vertikal modern menerapkan bentuk yang

aerodinamis pada rotornya untuk menghasilkan momen gaya. Contohnya adalah

turbin angin Darrieus. Pada turbin angin Darrieus, sudu dibentuk melengkung dan

berputar menyapu ruangan seperti tali yang berputar pada sumbu vertikal. Hal ini

menyebabkan bentuk geometri sudunya rumit dan sulit untuk dibuat. Rotor turbin

angin Darrieus pada umumnya terdiri atas dua atau tiga sudu. Variasi dari turbin

angin Darrieus adalah yang disebut dengan Turbin angin H. Tersusun dari dua

atau tiga sudu lurus yang dihubungkan dengan struktur rangka ke poros.

Keuntungan dari konsep turbin angin sumbu vertikal adalah sederhana

dalam perancangannya, diantaranya memungkinkan menempatkan komponen

mekanik dan komponen elektronik, transmisi roda gigi dan generator dekat

dengan permukaan tanah. Rotor turbin angin sumbu vertikal berputar tanpa

dipengaruhi arah angin sehingga tidak mebutuhkan mekanisme pengatur arah

seperti pada turbin angin aksial.

- Erich Hau [1]

Gambar 2.4 Varian turbin angin sumbu vertikal

14

Pada penerapannya, turbin angin Savonius digunakan pada keperluan kecil

dan sederhana, terutama untuk memutar pompa air. Turbin angin Savonius tidak

sesuai digunakan untuk pembangkit listrik dikarenakan tip speed ratio dan faktor

daya yang relatif rendah. Dengan rancangan aerodinamik yang optimal, turbin

angin savonius akan mencapai faktor daya yang terbesar 0,25. Turbin angin

Darrieus dapat digunakan untuk pembangkit listrik karena memiliki putaran yang

lebih tinggi dan faktor daya yang lebih besar dibandingkan turbin angin Savonius.

2.2.2. Turbin Angin Aksial

Turbin angin aksial atau turbin angin sumbu horizontal mempunyai

konstruksi yang khas, yaitu sumbu putar terletak sejajar dengan permukaan tanah,

selain itu sumbu putar rotornya selalu searah dengan arah angin. Konsep turbin

angin aksial adalah menyerupai baling-baling yang menangkap energi angin dan

mengubahnya menjadi energi gerak rotasi poros.

Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin, turbin angin aksial dibedakan

menjadi dua macam yaitu:

1. Upwind

2. Downwind

Turbin angin jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah datangnya

angin sedangkan turbin angin jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi

arah datang angin.

Arah angin

Upwind downwind Gambar 2.5 Turbin angin jenis upwind dan downwind

15

Terdapat beberapa karakteristik pada pengembangan turbin angin aksial

yang menjadi perhatian besar dalam perancangannya, diantaranya:

1. Pada rancangan rotor, putaran rotor dan daya output dapat dikendalikan

dengan mengatur sudut pitch (yaitu sudut kemiringan sudu terhadap

bidang tangensial putaran rotor). Selain itu, pengaturan sudut pitch sudu

rotor adalah cara yang paling efektif untuk mengatasi kecepatan angin

yang terlalu tinggi dan kondisi angin yang ekstrim, terutama pada turbin

angin berukuran besar.

2. Kinerja turbin angin sangat dipengaruhi oleh aspek aerodinamis sudu.

Bentuk sudu yang aerodinamis akan memberikan efisiensi yang tinggi.

Efisiensi yang tinggi akan diperoleh jika gaya lift yang dihasilkan besar

dan gaya drag kecil.

Rotor pada turbin angin aksial terdiri dari sejumlah sudu yang berputar

menyapu bidang yang tegak lurus dengan arah angin. Turbin angin aksial jenis

windmill memiliki sudu dengan jumlah banyak dan ukuran yang lebar, putarannya

rendah dan faktor daya yang dicapai relatif rendah. Rotor turbin angin aksial

modern memiliki tiga, dua, atau satu sudu yang terhubung ke poros. Bentuk sudu

pada umumnya tirus atau parabolik, dengan bentuk penampang airfoil guna

mendapatkan perbandingan lift terhadap drag yang besar.

2.3. Merancang Rotor

Rotor terdiri dari komponen yang keseluruhannya berputar ketika

beroperasi. Tempat terjadinya ekstraksi energi kinetik angin menjadi energi

mekanik rotasi rotor.

2.3.1. Pemilihan Diameter Rotor dan Jumlah Sudu

Diameter rotor yang dipilih berkaitan dengan besar luaran daya yang

diinginkan. Hugh Piggots merumuskan persamaan untuk menentukan diameter

rotor jika daya dan putaran generator telah diketahui:

3

547D P

nλ⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (2.18)

16

dimana:

D = diameter rotor (m)

P = luaran daya yang diinginkan (Watt)

λ = tip speed ratio

Selain luaran daya, kecepatan angin mula juga menjadi pertimbangan

pemilihan diameter rotor. Semakin besar diameter rotor, maka kecepatan angin

minimal yang diperlukan untuk memutar rotor menjadi lebih kecil.

Pemilihan jumlah sudu berkaitan dengan rasio kecepatan ujung (tip speed

ratio) yang diinginkan dan juga aspek keindahan. Jumlah sudu yang banyak akan

menghasilkan tip speed ratio yang kecil, sedangkan jumlah sudu yang lebih

sedikit akan mengasilkan tip speed ratio yang besar. Jumlah sudu yang umum

pada turbin angin adalah satu sudu, dua sudu, atau tiga sudu, namun ada juga yang

menggunakan hingga 20 sudu.

2.3.2. Tip speed ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio kecepatan ujung rotor

terhadap kecepatan angin bebas. Untuk kecepatan angin nominal yang tertentu, tip

speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan putar rotor. Turbin angin tipe lift

akan memiliki tip speed ratio yang relatif lebih besar dibandingkan dengan turbin

angin tipe drag.

Tip speed ratio dihitung dengan persamaan:

vDn

60πλ = (2.19)

dimana:

λ = tip speed ratio

D = diameter rotor (m)

n = putaran rotor (rpm)

v = kecepatan angin (m/s)

Grafik berikut menunjukkan variasi nilai tip speed ratio dan koefisien

daya cp untuk berbagai macam turbin angin.

17

- Erich Hau [1]

Gambar 2.6 Nilai koefisien daya dan tip speed ratio untuk berbagai turbin angin

2.3.3. Profil Airfoil

Profil airfoil adalah elemen penting dalam konversi energi angin. Profil

airfoil memberikan nilai koefisien drag yang kecil jika dibandingkan dengan lift

yang diberikan. Terdapat beberapa variabel yang dinyatakan dalam

menggambarkan bentuk airfoil diantaranya panjang profil airfoil (chord),

ketebalan (thickness), dan kelengkungan (chamber). Bentuk airfoil untuk turbin

angin pada umumnya melengkung pada bagian atas dan lebih datar atau bahkan

cekung pada bagian bawah, ujung tumpul pada bagian depan dan lancip pada

bagian belakang. Bentuk airfoil yang demikian menyebabkan kecepatan udara

yang melalui sisi atas akan lebih tinggi dari sisi bawah sehingga tekanan udara di

bagian atas akan lebih kecil daripada kecepatan udara di bagian bawah.

Penampang sudu dengan profil airfoil memungkinkan efisiensi yang

tinggi. Untuk turbin angin, profil airfoil yang digunakan bergantung pada

18

beberapa pertimbangan diantaranya aspek koefisien daya yang ingin dicapai,

aspek estetika, dan aspek keterbuatan.

• Eric Hau [1]

Gambar 2.7 Berbagai bentuk airfoil yang berkembang saat ini.

2.3.4. Geometri Sudu

Ada empat macam bentuk sudu secara umum yaitu persegi panjang

(rectangular), tirus (linear taper), tirus terbalik (reverse linear taper), tirus

parabolik (parabolic taper).

• Eric Hau [1]

Gambar 2.8 Geometri sudu bentuk tirus

Bentuk sudu tirus memiliki efisiensi yang lebih besar daripada bentuk

persegi panjang, dan bentuk tirus parabolik memiliki efisiensi lebih besar daripada

bentuk tirus lurus. Bentuk sudu yang memiliki efisiensi paling kecil adalah bentuk

tirus terbalik, umumnya digunakan untuk pompa air ladang.

Bentuk sudu adalah fungsi dari tip speed ratio, diameter rotor, dan jumlah

sudu. Elemen-elemen penting yang dipilih dalam merancang sudu adalah bentuk

planform sudu, lebar sudu (chord) c, jari-jari pangkal (root radius), tebal sudu,

19

dan sudut pitch. Hugh Piggots [3] memberikan formulasi untuk menentukan lebar

sudu sebagai fungsi jarak dari pusat rotasi dengan memakai pendekatan Betz:

BrRRC 29)/(16

λπ⋅⋅

= (2.20)

dengan:

C = lebar sudu (chord) (m)

R = jari-jari rotor (m)

r = jarak dari pusat rotasi (m)

B = jumlah sudu

Untuk menentukan sudut pitch β dapat digunakan persamaan:

αλ

β −⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

rR

32arctan (2.21)

dengan:

α = sudut serang (derajat)

R = jari-jari rotor (m)

r = jarak dari pusat rotasi (m)

λ = tip speed ratio

• Eric Hau [1]

Gambar 2.9 Elemen Kecepatan yang terjadi pada sudu

Arah angin untuk setiap elemen berbeda, disebut apparent wind direction.

Besarnya apparent wind wr merupakan resultan dari kecepatan angin bebas dan

kecepatan tangensial elemen rotor yang dinyatakan dengan persamaan:

20

2

1 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+= λ

Rrvwr (2.22)

dengan:

wr = kecepatan angin resultan (m/s)

v = kecepatan angin bebas (m/s)

λ = tip speed ratio

r = jarak elemen dari pusat rotasi (m)

R = jari-jari rotor (m)

Dan arah apparent wind dihitung dengan persamaan:

λrRarctan=Φ (2.23)

dengan:

ф = sudut apparent wind (derajat)

R = Jari-jari rotor (m)

r = jarak elemen dari pusat rotasi (m)

λ = tip speed ratio

• Eric Hau [1]

Gambar 2.10 Gaya-gaya yang terjadi pada sudu

Gaya-gaya yang terjadi pada rotor adalah gaya tangensial dan gaya aksial.

Gaya tangensial dan gaya aksial diperoleh dengan persamaan:

Φ+Φ= sincos DLFt (2.24)

Φ−Φ= cossin DLFa (2.25)

21

dimana:

Ft = gaya tangensial (N)

Fa = gaya aksial (N)

L = gaya lift (N)

D = gaya drag (N)

Ф = sudut apparent wind (derajat)

Gaya tangensial yang terjadi pada setiap stasiun direpresentasikan dalam bentuk

momen gaya terhadap pusat rotasi dengan persamaan:

rFt=σ (2.26)

dimana:

σ = momen gaya (Nm)

r = jarak elemen terhadap pusat rotasi (m)

• Eric Hau [1]

Gambar 2.11 kondisi kecepatan dan gaya yang terjadi pada sudu

2.3.5. Fenomena Stall

Stall dapat dipahami sebagai fenomena ketika sudut serang sangat besar

atau kecepatan aliran terlalu besar sehingga udara tidak bisa mengalir laminar,

aliran udara tidak bisa menyentuh bagian belakang sudu sehingga terjadi separasi

22

aliran pada bagian belakang sudu. Situasi ini secara signifikan menurunkan lift

dan meningkatkan drag sehingga putaran rotor terhambat.

• Eric Hau [1]

Gambar 2.12 Fenomena stall pada kondisi angin dan sudut pitch tertentu menyebabkan separasi aliran udara

Fenomena stall dapat dimanfaatkan sebagai pengereman pasif maupun

aktif, karena rotor akan mengurangi kecepatannya pada kecepatan angin yang

tinggi. Hal ini menguntungkan, karena menghindari putaran tinggi artinya

mengurangi resiko kegagalan. Pengaturannya dilakukan secara pasif bergantung

kecepatan angin maupun secara aktif menggunakan mekanisme pengatur sudut

pitch.

2.4. Pemilihan Sistem Transmisi Daya

Ketika putaran rotor dan daya motor sudah ditentukan, maka generator

yang digunakan dipilih. Generator yang tersedia di pasaran memiliki karakteristik

yang berbeda satu sama lain. Setiap generator memiliki kondisi kerja masing-

masing meliputi: putaran kerja nrate, daya kerja Nrate, peak ratio, dan sebagainya.

Untuk meneruskan daya yang dihasilkan rotor ke generator, perlu sistem transmisi

yang konfigurasinya disesuaikan dengan kebutuhan daya yang ditransmisikan,

putaran, dan konfigurasi turbin angin.

Sistem transmisi daya dapat dikelompokkan menjadi tiga kelompok

menurut rasio putaran masukan dan keluarannya yaitu:

23

1. Direct Drive

2. Speed Reducing

3. Speed Increasing

Direct drive yang dimaksud adalah transmisi daya langsung dengan

menggunakan poros dan pasangan kopling. Yang penting dalam sistem transmisi

direct drive adalah tidak ada penurunan atau peningkatan putaran. Sistem

transmisi speed reducing adalah sistem transmisi daya dengan penurunan putaran,

putaran keluar lebih rendah daripada putaran masuk. Sistem transmisi ini

digunakan untuk meningkatkan momen gaya. Yang terakhir adalah sistem

transmisi speed increasing, yaitu putaran keluar lebih tinggi dari putaran masuk,

terjadi kenaikan putaran dengan konsekuensi momen gaya keluar menjadi lebih

kecil.

Pada penerapannya, sistem transmisi direct drive hanya menggunakan

poros dan kopling jika diperlukan. Konstruksi direct drive lebih sederhana

dibandingkan yang lainnya dan tidak memerlukan banyak ruang. Sedangkan

untuk penerapan sistem transmisi speed reducing dan speed increasing diperlukan

mekanisme pengubah putaran seperti pasangan roda gigi, atau sabuk dan puli.

Turbin angin yang putaran rotornya berada dalam selang putaran kerja

generator, maka transmisi daya yang digunakan adalah direct drive, rotor

menggerakkan generator secara langsung. Sedangkan transmisi pengubah putaran

yang biasa digunakan adalah transmisi speed increasing karena pada umumnya

putaran yang diperlukan generator lebih tinggi daripada putaran rotor.

2.5. Perancangan Konstruksi Turbin Angin

Bagian apa saja yang membangun turbin angin sangat dipengaruhi oleh

banyak faktor diantaranya ukuran turbin angin, teknologi yang digunakan, biaya

yang tersedia, dan banyak faktor lainnya. Namun dalam tugas akhir ini, bagian

penting dari turbin angin yang akan dibuat adalah:

1. Rotor yang terdiri dari:

a. Sudu

b. Batang dan Sistem pengaturan sudut pitch

24

c. Hub

2. Transmisi daya yang terdiri dari:

a. Poros

b. Kopling

c. Mekanisme pengereman

d. Roda gigi/sabuk dan puli (Jika diperlukan)

3. Unit kelistrikan:

a. Generator

b. Unit kontrol

c. Rangkaian elektronik berupa kabel, slip-ring, dan lain-lain

4. Penopang

a. Rangka/base

b. Menara

c. Nacelle

5. Ekor

Ada beberapa komponen lainnya yang diperlukan untuk meningkatkan

kinerja dan menambah nilai estetika, diantaranya:

1. Mekanisme gerakan menggeleng turbin angin (yawing mechanism)

2. Mekanisme pengereman (pada rancangan ini memanfaatkan perubahan

kedudukan ekor)

3. Hidung

2.5.1. Sudu

Tiga buah sudu terbuat dari kayu ringan yang dilapisi fiberglass,

batangnya dipasangkan pada hub secara memutar dengan sudut 120º antara

masing-masing sudu. Proses pembuatannya dengan membuat penampang airfoil

dengan chord dan sudut pitch yang sudah tertentu pada setiap selang 125 mm.

Pola yang sudah terbentuk kemudian digabungkan menjadi volume yang memiliki

kontur sesuai dengan profil yang telah dibuat pada setiap stasiun.

25

2.5.2. Batang sudu

Batang sudu adalah bagian dari rotor yang menempel pada hub dan

terhubung dengan sudu. Batang sudu ditempatkan pada area yang tidak tersapu

oleh sudu. Panjang batang sudu ini dapat bervariasi bergantung pada radius

terkecil sudu.

2.5.3. Hub

Hub adalah bagian tempat menempelnya tiga buah sudu dengan posisi

sudut yang terbagi merata. Hub adalah bagian yang menghubungkan rotor dengan

poros, artinya hub adalah bagian penting yang mentransmisikan daya mekanik

dari rotor ke poros.

Dalam pembuatannya, sangat mungkin terjadi unbalance pada rotor.

Massa unbalance ini akan mengakibatkan getaran yang besar jika tidak diatasi.

Satu diantara cara mengatasi unbalance adalah dengan menambahkan massa

counter-balance pada rotor, hub adalah tempat yang sesuai untuk menempatkan

massa counter-balance pada rotor.

2.5.4. Generator

Generator adalah bagian yang sangat penting dalam rantai konversi energi

angin menjadi energi listrik. Ketika rotor mengubah energi kinetik angin menjadi

energi mekanik rotasi rotor, generator mengubah energi mekanik gerak rotasi

rotor menjadi energi listrik.

Terdapat beberapa macam generator yang dapat digunakan. Berdasarkan

arah arus yang dikeluarkan, generator dibagi menjadi dua macam yaitu:

1. Generator arus searah (DC)

2. Generator arus bolak-balik (AC)

Generator arus searah (DC) menghasilkan tegangan yang arahnya tetap

dan jika dihubungkan dengan beban, akan menghasilkan arus yang searah pula.

Pada umumnya generator arus searah dapat menghasilkan listrik pada putaran

yang tinggi. Untuk digunakan pada turbin angin, jenis generator ini memerlukan

transmisi untuk menaikkan putaran.

26

Generator arus bolak-balik (AC) menghasilkan tegangan yang arahnya

bolak-balik, jika dihubungkan dengan beban akan menimbulkan arus yang bolak-

balik pula. Generator AC dapat menghasilkan daya pada putaran yang bervariasi

bergantung pada spesifikasi generator itu sendiri.

Besar putaran minimal yang diperlukan generator AC untuk dapat

menghasilkan listrik dan besar putaran kerja bergantung pada jumlah kumparan

dalam generator, semakin banyak jumlah kumparan maka semakin kecil putaran

minimal dan putaran kerjanya. Jumlah kumparan merupakan kelipatan dari jumlah

kutub yang dimiliki generator. Generator AC pada umumnya memiliki tiga kutub

yang masing-masing kutub memiliki selisih fasa 120° satu dengan yang lainnya.

Generator yang dipilih adalah generator AC yang menggunakan magnet

permanen. Generator ini disebut Permanent Magnet Generator (PMG) yang dapat

mengahasilkan daya pada putaran yang cukup rendah. PMG dipasangkan pada

base (dudukan) menggunakan baut.

2.5.5. Rangka/base

Base yang dimaksud adalah bagian tempat dipasangkannya generator dan

ekor. Pada base terdapat mekanisme gerakan menggeleng (yaw mechanism) yang

terhubung ke tiang. Base dirancang mampu menanggung beban berupa gaya

gravitasi dari instrumen yang menempel maupun gaya thrust oleh angin terhadap

rotor. Jika terjadi unbalance pada elemen yang berotasi, maka base akan

mendapat beban dinamik yang besarnya bergantung pada kondisi unbalance serta

putaran sistem.

2.5.6. Ekor

Ekor berfungsi untuk menjaga arah rotor agar selalu menghadap arah

angin. Ekor diletakkan di belakang, yaitu lokasi yang berlawanan dengan letak

rotor terhadap sumbu yaw mechanism. Pada umumnya ekor diletakkan pada jarak

yang cukup jauh dari yaw mechanism sehingga angin yang menerpa ekor cukup

untuk memberinya gaya, agar arahnya senantiasa menjauhi arah datangnya angin,

27

dengan demikian rotor akan selalu menghadap arah datangnya angin secara

frontal.

2.5.7. Menara

Menara adalah struktur yang paling panjang terbuat dari baja, ukuran

panjangnya bergantung pada ketinggian yang dibutuhkan oleh turbin angin.

Ukuran dan konstruksi tiang menyesuaikan dengan besarnya beban yang harus

ditanggung menara.

Terdapat beberapa macam struktur menara yang digunakan untuk

menopang turbin angin yaitu:

1. Menara massif

2. Menara Trusses

3. Tiang

Menara massif biasanya terbuat dari beton yang diperkuat baja. Bentuk

silindris menjadi ciri khas menara ini. Jenis menara ini biasa digunakan pada

turbin angin berukuran besar.

Jenis kedua adalah susunan rangka baja. Menara tersusun dari batang-

batang baja yang tersusun kokoh untuk menanggung beban di atasnya.

Jenis yang lainnya adalah tiang yang ditegakkan dan ditopang dengan

kabel baja pada tiga atau empat sisinya. Tiang hanya menanggung beban aksial

pada arah gravitasi sedangkan kabel digunakan untuk menanggung beban pada

arah lainnya. Struktur ini adalah struktur yang paling sederhana dan murah

dibandingkan dengan struktur lainnya.

2.5.8. Yaw Mechanism

Turbin angin sumbu horizontal harus mampu menggerakkan sumbu rotor

agar rotor selalu menghadap pada arah datangnya angin optimum. Mekanisme

yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan ini adalah mekanisme gerakan

menggeleng atau yaw mechanism. Mekanise gerakan menggeleng ditempatkan

antara base dan tiang. Dengan dua buah bantalan gelinding (roll bearing) dan

sebuah poros, gerakan menggeleng dapat dilakukan dengan leluasa.

28

2.5.9. Hidung

Hidung berfungsi diantaranya untuk melindungi hub dan sambungan-

sambungan pada hub dan poros dari panas dan hujan (mengurangi perusakan oleh

korosi). Hidung dibuat dengan bentuk yang mengurangi drag atau generasi

turbulensi pada pusat rotor karena pembelokkan arah aliran. Hidung juga dibuat

untuk mempercantik penampilan turbin angin dan mengurangi tahanan angin yang

terjadi jika tanpa hidung.

2.6. Sistem Kelistrikan

Sistem kelistrikan adalah bagian dari rantai konversi energi angin menjadi

bentuk energi listrik. Sistem kelistrikan dapat menjadi lebih rumit dan lebih mahal

daripada bagian yang lain.

Ian Woovenden [7] memberikan penyederhanaan dalam memahami sistem

kelistrikan turbin angin. Sistem kelistrikan ini dibedakan menjadi:

1. sistem kelistrikan lepas dari jaringan (off-grid wind-electric system)

2. sistem kelistrikan terhubung jaringan dengan dengan baterai (grid

tied wind-electric system with battery backup)

3. sistem kelistrikan tehubung jaringan tanpa baterai (batteryless grid

tied wind-electric system)

4. sistem kelistrikan langsung tanpa baterai (direct-drive batteryless

wind-electric system)

2.6.1. Sistem Kelistrikan Lepas Jaringan

Sistem listrik angin lepas jaringan berbasis pada penggunaan baterai.

Sistem ini dipilih jika penggunaan energi tidak terhubung dengan jaringan atau

akan mahal jika terhubung dengan jaringan karena memerlukan perangkat

tambahan.

Sistem lepas jaringan terbatas dalam kapasitas oleh ukuran sumber

pembangkitan listrik, sumber energi angin, dan kapasitas baterai.

29

Gambar 2.13 Sistem kelistrikan lepas jaringan

2.6.2. Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan dengan Baterai

Menghubungkan sistem kelistrikan turbin angin dengan jaringan dan

baterai adalah sistem yang terbaik untuk penggunaan rumah tangga. Kapasitas

listrik tidak terbatas dan kelebihan listrik dapat dijual masuk ke dalam jaringan.

Ketika jaringan listrik padam, kapasitas baterai (meskipun terbatas) dan turbin

tetap dapat menyuplai energi listrik untuk baban rumah tangga. Kekurangannya

adalah sistem ini mahal untuk diterapkan di rumah tangga.

Gambar 2.14 Sistem kelistrikan terhubung jaringan dengan baterai

2.6.3. Sistem Kelistrikan Terhubung Jaringan Tanpa Baterai

Menghubungkan sistem kelistrikan turbin angin dengan jaringan tanpa

menggunakan baterai merupakan pilihan yang efektif untuk aspek biaya dan

lingkungan. Sistem ini mengeliminasi baterai yang mahal harganya maupun

pemeliharaannya, juga secara signifikan mengurangi efisiensi sistem. Kekurangan

Beban rumahController Inverter

Dummy Load Baterai

Beban rumahController Inverter

Dummy Load Switcher

Baterai

KWH Meter

30

sistem ini adalah jika jaringan listrik padam, tidak ada sumber energi cadangan

untuk mengatasi kekurangan listrik.

Sistem tanpa baterai dapat meningkatkan efisiensi secara signifikan jika

dibandingkan dengan sistem yang menggunakan baterai. Hal ini karena inverter

dapat menyesuaikan beban angin lebih baik, menjalankan turbin angin pada

kecepatan maksimal dan mengekstrak energi angin lebih besar.

Gambar 2.15 Sistem kelistrikan terhubung jaringan tanpa baterai

2.6.4. Sistem Kelistrikan Tanpa Baterai

Jenis ini adalah sistem kelistrikan turbin angin yang paling umum,

biasanya digunakan untuk memompa air. Turbin angin dihubungkan dengan

pompa air melalui kontroler atau langsung. Ketika angin bertiup, pompa air

menaikkan air ke tangki penyimpanan. Penggunaannya dapat untuk irigasi

ataupun keperluan lainnya.

Turbin angin

kontroler

beban

Gambar 2.16 Sistem kelistrikan tanpa baterai

Beban Kontroler Inverter

Dummy Switcher

KWH