BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Definisi Energi Angin

Angin merupakan udara yang bergerak akibat adanya rotasi bumi dan juga

karena adanya perbedaan tekanan udara dengan arah aliran angin dari tempat yang

memiliki tekanan tinggi ke tempat yang bertekanan rendah atau dari daerah yang

memiliki suhu atau temperatur rendah ke wilayah bersuhu tinggi. Apabila dipanaskan,

udara memuai. Udara yang telah memuai menjadi lebih ringan sehingga naik. Apabila

hal ini terjadi, tekanan udara turun karena udaranya berkurang. Udara dingin

disekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah tadi. 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.

Gambar I-1 Gerakan angin yang terlihat dari foto satelit (Wikipedia,2012)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 sehingga menyebabkan

terjadinya aliran udara. Hal tersebut terbukti ketika siang hari angin akan bergerak lebih

cepat daripada malam hari dan juga pada daerah khatulistiwa angin akan bergerak lebih

cepat dikarenakan daerah sekitar khatulistiwa, yaitu pada busur 0°, adalah daerah yang

mengalami pemanasan lebih banyak dari matahari dibanding daerah lainnya di Bumi.

Angin juga dapat disebabkan oleh pergerakan benda sehingga mendorong udara

di sekitarnya untuk bergerak ke tempat lain. Seperti halnya dijalan tol, kendaraan yang

melintas di jalan tol dapat menimbulkan gerakan angin.

2.2 Turbin Angin

Turbin angin atau kincir angin merupakan alat yang dapat mengkonversi energi

angin menjadi energi mekanik. Dimana turbin digerakkan oleh angin dan kemudian

menggerakan generator untuk menghasilkan energi listrik.

Pada awalnya turbin angin banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan

para petani dalam melakukan penggilingan padi dan memompa air bagi keperluan

irigasi. Turbin angin atau kincir angin pertama kali digunakan untuk membangkitkan

listrik dibangun oleh P. La Cour dari Denmark diakhir abad ke-19. Turbin angin atau

lebih dikenal dengan sebutan windmill terdahulu banyak digunakan di Denmark,

Belanda, dan Negara-negara Eropa lainnya.

Penggunaan turbin angin saat ini terus mengalami perkembangan guna

memanfaatkan energi angin secara efektif, sebagai energi alternatif yang terbarukan.

Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik

masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi. Cara kerja dari turbin angin

cukup sederhana, dimana energi angin yang memutar turbin, diteruskan untuk memutar

rotor pada generator dibelakang bagian turbin angin, sehingga akan menghasilkan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

energi listrik. Energi listrik ini biasanya akan disimpan kedalam baterai sebelum dapat

dimanfaatkan. Secara sederhana sketsa kincir angin adalah sebagai berikut:

Gambar I-2 Sketsa sederhana kincir angin

2.3 Jenis-Jenis Turbin Angin

Jenis-jenis turbin angin berdasarkan letak sumbu atau poros perputarannya

dapat dibedakan menjadi dua tipe, yaitu :

1. Turbin angin sumbu horizontal

2. Turbin angin sumbu vertikal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)

Turbin angin sumbu horizontal adalah turbin angin yang berputar mengelilingi

sumbu horizontal. Turbin jenis ini memiliki blade yang menghasilkan aerodynamic lift

pada saat angin melewatinya dan hanya dapat memanfaatkan aliran udara dari satu

arah. Turbin angin sumbu horizontal (TASH) memiliki poros rotor utama dangenerator

listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling

angin (baling-baling cuaca) yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada

umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang digandengkan ke sebuah servo

motor. Sebagian besar memiliki sebuah gearbox yang mengubah perputaran kincir

yang pelan menjadi lebih cepat berputar

Gambar I-3 Turbin angin sumbu horizontal

Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi dibelakangnya, turbin angina

biasanya diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat kaku

agar mereka tidak mendorong menuju menara oleh angina berkecepatan tinggi. Sebagai

tambahan, bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan sedikit

dimiringkan. Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur menara, dan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

realibilitas begitupenting, sebagian besar TASH merupakan mesin upwind (melawan

arah angin). Meskimemiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind (menurut

jurusan angin) dibuatkarena tidak memerlukan mekanisme tambahan agar mereka tetap

sejalan denganangin, dan karena di saat angin berhembus sangat kencang, bilah

bilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi wilayah tiupan mereka dan dengan

demikian juga mengurangi resintensi angin dari bilah-bilah itu.

2.3.1.1 Keunggulan Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)

Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di

tempat-tempat yang memiliki geseran angin (perbedaan antara laju dan arah angin

antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfer bumi. Di sejumlah lokasi

geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%.

2.3.1.2 Kelemahan Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)

a. Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit

diangkut.

b. TASH yang tinggi sulit dipasang.

c. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang

berat, gearbox, dan generator.

d. TASH yang tinggi bisa mempengaruhi radar airport.

e. Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu

penampilan lansekap.

f. Berbagai varian downwind menderita kerusakan struktur yang disebabkan

oleh turbulensi.

g. TASH membutuhkan mekanisme control yaw tambahan untuk membelokkan

kincir kea rah angin.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.2 Turbin Angin Sumbu Vertikal

Sesuai dengan namanya, Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) mempunyai

sumbu vertikal dengan bilah-bilah sudu paralel dengan sumbunya. Turbin angin ini

berputar mengelilingi sumbu vertical. Turbin angin sumbu vertikal memiliki efisiensi

yang lebih kecil dibandingkan dengan Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH). Tetapi

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. Turbin sumbu vertikal yang lazim digunakan adalah

Savonius dan Darrieus.

Gambar I-4 Turbin angin sumbu vertikal

Turbin angin sumbu vertikal/tegak (atau TASV) memiliki poros/sumbu rotor

utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus

diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat

yang arah anginnya sangat bervariasi. TASV mampu mendayagunakan angin dari

berbagai arah.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat

tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk

keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga

putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat

melalui fluida (zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat kincir berputar.

Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu tegak sering dipasang lebih

dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah bangunan.

Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga yang tersedia

adalah energi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan obyek yang lain

mampu menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa menyebabkan berbagai

permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear

yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau mempersingkat umur turbin angin.

Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara turbin kira-kira 50% dari tinggi

bangunan, ini merupakan titik optimal bagi energi angin yang maksimal dan turbulensi

angin yang minimal

2.3.2.1 Keunggulan Turbin Angin Sumbu Vertikall (TASV)

a. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.

b. Karena bilah-bilah rotornya vertical, tidak dibutuhkan mekanisme yaw

c. Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan

bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.

d. TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat

secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang

tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi.

e. TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f. TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan

putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih

rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin kencang.

g. TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi

dilarang dibangun.

h. TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.

i. Kincir pada TASV mudah dilihat dan dihindari burung.

2.3.2.2 Kelemahan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

a. Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH

karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.

b. TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di

elevasi yang lebih tinggi.

c. Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan

energi untuk mulai berputar.

d. Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi

tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada

bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya

dorong ke bawah saat angin bertiup.

2.4 Rotor Savonius

Turbin angin Savonius ditemukan oleh sarjana Finlandia bernama Sigurd J.

Savonius (1922). Turbin dengan konstruksi sederhana ini termasuk dalam kategori

TASV. Turbin Savonius memiliki rotor dengan bentuk dasar setengah silinder. Konsep

turbin angin Savonius cukup sederhana, prinsip kerjanya berdasarkan differential drag

windmill. Pada perkembangan selanjutnya, Savonius rotor tidak lagi berbentuk setengah

silinder tetapi telah mengalami modifikasi guna peningkatan performance dan efisiensi.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar I-5 Turbin Savonius berbentuk setengah silinder

2.4.1 Rotor Savonius L

Rotor turbin Savonius L memiliki dua sudu dengan dua bentuk yang merupakan

hasil modifikasi dari savonius U dengan kombinasi datar dan lengkungan seperempat

lingkaran. Pada rancangan rotor Savonius L ini, angin yang menumbuk salah satu bilah

rotor diharapkan mengalir ke bilah rotor lainnya melalui celah dekat poros sehingga

menyediakan daya dorong tambahan pada bilah rotor ini.

Gambar I-6 Rotor Savonius U dan rotor Savonius L (Soelaiman, 2006)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Melalui penambahan diameter, titik pusat gaya dorong angin pada rotor angin

pada rotor akan bergerak menjauh poros rotor. Hal ini dimaksudkan untuk

mendapatkan torsi yang lebih besar. Rancangan rotor Savonius tipe L diinspirasi oleh

paten pengembangan rotor Savonius oleh Sadaaki dengan nomor paten JP2003293928

seperti ditunjukkan oleh gambar II-7. Dari gambar paten ini jelas terlihat bahwa bentuk

rotor Savonius setengah lingkaran (Savonius U), aliran udara di kedua sisi bilah sama

besar, sementara pada rancangan kedua (Savonius L) aliran udara pada sisi bilah yang

lurus lebih besar dibandingkan pada sisi bilah lengkung seperempat lingkaran.

Gambar I-7 Rotor Savonius L (Sadaaki, et al.,2003)

2.5 Sistem Konversi Energi Angin (SKEA)

Sistem konversi energi angin merupakan suatu sistem yang bertujuan untuk

mengubah energi potensial angin menjadi energi mekanik poros oleh rotor untuk kemudian

diubah lagi oleh alternator menjadi energi listrik. Prinsip utamanya adalah mengubah

energi listrik yang dimiliki angin menjadi energi kinetik poros. Besarnya energi yang dapat

ditransferkan ke rotor tergantung pada massa jenis udara, luas area dan kecepatan angin.

Hal ini selanjutnya akan dibahas melalui persamaan-persamaan pada dasar-dasar

perhitungan rotor savonius.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.6 Dasar - Dasar Perhitungan Rotor Savonius

Energi kinetik untuk suatu massa angin m yang bergerak dengan kecepatan v yang

nantinya akan diubah menjadi energi poros dapat dirumuskan sebagai berikut:

⁄ [ ⁄ ........................................................... (2.1)

Keteranagan :

= energi kinetik (N/m)

= massa udara yang bergerak (kg)

= kecepatan angin (m/s)

Energi kinetik yang terkandung dalam angin inilah yang ditangkap oleh turbin

angin untuk memutar rotor.

Dengan menganggap suatu penampang melintang A, dimana udara dengan

kecepatan v mengalami pemindahan volume untuk setiap satuan waktu, yang disebut

dengan aliran volume V sebagai persamaan:

[ ⁄ ] ..................................................................... (2.2)

Keteranagan :

= laju volume ( ⁄ )

= kecepatan angin (m/s)

= luas area sapuan rotor (

Jika massa jenis udara yang mengalir yaitu ρ, maka debit massa udara dapat

dihitung :

[ ⁄ ] ................................................................................ (2.3)

Karena nilai ρ merupakan fungsi tekanan serta temperatur udara, maka dapat

diketahui dari persamaan 2.4 berikut :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

⁄ (exp) [ ⁄ ] [ ⁄ ] .......................... (2.4)

Keteranagan :

= Air density as a function of altitude ( ⁄ )

= Standard sea level atmospheric density ( ⁄ )

R = Specific gas constant for air ( ⁄ )

= Gravity constant ( ⁄ )

T = Temperature (K)

Z = Altitude above sea level (m)

Persamaan-persamaan diatas menunjukkan energi kinetik dan aliran massa yang

melewati suatu penampang melintang A sebagai energi P yang ditunjukkan dengan

mensubstitusi persamaan (2.3) ke persamaan (2.1) menjadi:

P = ⁄ [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.

2.6.1.1 Teori Betz

Teori Betz atau lebih dikenal dengan batas Betz (Betz limitm diambil dari

ilmuan Jerman Albert Betz) merupakan angka batas 16/27 = 59.3%. Angka ini secara

teori menunjukkan efisiensi maksimum yang dapat dicapai oleh rotor turbin angin.

Percobaan Betz dapat dilihat pada Gambar I-8 berikut.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar I-8 Performance of main conventional wind machine

Berdasarkan teori Betz yang divisualisasikan dalam bentuk grafik pada Gambar

I-8, menjelaskan ketidakmungkinan suatu desain turbin angin yang memiliki coeffisien

power (Cp) diatas 59.3%. Hal ini dapat diartikan bahwa desain turbin angin terbaik tipe

apapun tidak akan menghasilkan efisiensi rotor diatas 59.3%. Suatu turbin angin tidak akan

mampu menyerap seluruh energi kinetik yang berada dalam aliran angin, dan kapasitas

penyerapan maksimal hanya 59.3%. Nilai efisiensi 59.3%. inilah yang sering disebut Betz

Limit.

Nilai Cp untuk satu tipe turbin angin tidak selalu sama karena nilai Cp merupakan

fungsi dari tip speed ratio atau λ. 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.

λ = ⁄ ................................................................................. (2.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Keteranagan :

= kecepatan sudut = 2 π rpm / 60

R = Radius rotor (m)

V = kecepatan aliran angin ( ⁄ )

Dengan diketahuinya nilai λ 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 :

[W] .................................................... (2.7)

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 :

=

× 100% ............................................................ (2.8)

Harga Torsi ( ) dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut:

= [Nm] .............................................. (2.9)

Keteranagan :

= momen torsi rotor Savonius (Nm)

= koefisien momen torsi rotor Savonius

= massa jenis udara ( ⁄ )

= kecepatan angin ( ⁄ )

= diameter rotor Savonius (m)

= tinggi rotor Savonius (m)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.7 Autodesk Inventor

Autodesk Inventor merupakan sebuah perangkat lunak permodelan 3D mekanik

untuk menciptakan prototype digital 3D yang biasa digunakan dalam visualisasi, desain

dan simulasi produk. Autodesk Inventor bersaing dengan SolidWork dan SolidEdge

serta dengan Pro/ENGINEER, CATIA dan NX (Unigraphics).

2.8 CFD (Computational Fluid Dynamic)

Semua jenis CFD pada dasarnya menggunakan persamaan dasar dinamika

fluida yaitu persamaan kontinuitas, momentum dan energi. Persamaan-persamaan ini

merupakan pernyataan matematis untuk tiga prinsip dasar fisika :

1. Hukum kekekalan massa (the cinservation of mass)

2. Hukum kedua newton (newton’s second law of motion)

3. Hukum kekekalan energi

Filosofi berikut selalu diikuti guna mendapatkan persamaan dasar gerak fluida :

1. Memiliki prinsip fisika dasar dari hukum-hukum fisika (hukum kekekalan

massa, hukum kedua newton, hukum kekekalan energi)

2. Menerapkan prinsip-prinsip fisika di dalam model aliran

Dari penerapan, dapat diuraikan persaam matematis yang meliputi prinsip-

prinsip fisika dasar.

CFD merupakan ilmu sains dalam penyelesaian numerik dinamika fluida. CFD

adalah pendekatan ketiga dalam studi dan pengembangan dinamika selain pendekatan

teori dan eksperimen murni.

Adapun beberapa keuntunngan yang dapat diperoleh dengan menggunakan

perangkat lunak CFD yaitu :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a. Meminimalisasi waktu dan biaya dalam mendesain produk, bila proses desain

tersebut dilakukan dengan uji eksperimen dengan akurasi yang tinggi.

b. Memiliki kemampuan sistem studi yang dapat mengendalikan percobaan sulit

atau tidak mungkin bila dilakukan dengan eksperimen.

c. Memiliki kemampuan studi dibawah kondisi berbahaya pada saat atau sesudah

melewati titik kritik (termasuk studi keselamatan dan skenario kecelakaan).

d. Keakuratannya akan selalu dikontrol dalam proses desain.

Aplikasi dari CFD untuk penyelesain masalah aliran pada turbin telah

mengalami kemajuan cukup pesat pada belakangan ini. Dengan CFD memungkinkan

untuk memprediksi fenomena aliran fluida yang jauh lebih kompleks dengan tingkat

akurasi yang berbeda-beda.

Dalam desain kerjanya, problem yang ada perlu dideskripsikan keadaan

software CFD dengan menggambarkan model yang akan dianalisis. Selanjut, dalam

solver problem yang akan dihitung dengan pendekatan persamaan Navier Strokes. Dari

hasil perhitungan kemudian didapatkan hasil output dari running program CFD

CFD merupakan analisa sistem yang mencakup aliran fluida, perpindahan

panas, dan fenomena yang terkait. Seperti reaksi kimia dengan menggunakan

simmulasi berbasis computer (numeric). Teknik ini sangat berguna dan dapat

diaplikasikan pada bidang industri maupun non-industri. Kode CFD terstrukur atas

logaitma numerik, sehingga dapat digunakan untuk menyelesaikan problem pada suatu

aliran fluida. Code Computational Fluida Dynamic terbagi atas tiga elemen utama yaitu

:

1. Pre Processor (CFX Build)

2. Solver Manager

3. Post Processor (Visualize)

Pre Processor Solver Manager Post Processor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.9 CFD-Numeca

Sofware CFD-Numeca adalah perangkat lunak yang biasa digunakan untuk

simulasi, desain, dan pengoptimalan aliran fluida dan perpindahan panas di sekitar

struktur seperti psawat, mobil, dan bangunan. New cluster akan menggunakan software

Numeca dan peelitian engineer untuk menjalankan simulasi CFD yang lebih besar

untuk konsumen dasar Numeca internasional dan untuk banyak proyek penelitian

partner Numeca dengan universitas departemen, laboratorium penelitian, dan industri.