TURBIN ANGIN
MAKALAH
UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH
Mesin Konversi Energi
yang dibina oleh Bapak Prof. Dr. Ir Djoko Kustono, M.Pd.
Oleh:
Abdul Qodir Al-Jailany 140511606550
Silas Prayoga Putra 140511603625
Wahyu Puspa Wijaya 140511602945
UNIVERSITAS NEGERI MALANG
FAKULTAS TEKNIK
JURUSAN TEKNIK MESIN
PROGRAM STUDI S1 PENDIDIKAN TEKNIK MESIN
November 2016
KATA PENGANTAR
Assalamualaikum wr.wb
Puji Syukur kehadirat Allah SWT, karena atas berkat dan rahmat-Nya, makalah Turbin Angin dapat disusun dengan baik. Makalah ini disusun demi memenuhi tugas struktural dari mata kuliah Mesin Konversi Energi dengan dosen pengampu yaitu Bapak Prof. Dr. Ir. Djoko Kustono, M.Pd.
Makalah ini disusun guna memudahkan pembelajaran materi Mesin Konversi Energi pada materi yang berkaitan dengan turbin angin. Diawali dengan pembahasan tentang definisi dan sejarah tentang turbin angin. Kemudian membahas tentang klasifikasi turbin angin. Beranjak pada prinsip kerja dan konstruksinya serta instalasi pemasangannya. Teori dasar berdasarkan kaidah Fisika juga dibahas disertai tentang unjuk kerja (efisiensi) pada turbin tersebut. selain itu perawatan, modifiksi, aplikasi, kelebihan kekurangan tentang turbin angin serta perkembangannya dari tahun ke tahun akan dibahas dalam makalah ini.
Makalah ini memang terlihat belum sempurna. Oleh karena itu penulis sangat berharap akan adanya kritik dan saran yang sifatnya membangun serta mampu mendorong penulis untuk menulis lebih baik lagi dalam penyusunan-penyusunan makalah berikutnya. Sekian dari penulis semoga apa yang ada dalam makalah ini dapat membantu dan menambah wawasan. Akhir kata.
Wassalamualaikum wr.wb
Malang, 11 November 2016
Penulis
\
DAFTAR ISI
Kata Pengantar i
Daftar Isi ii
1. Pendahuluan
1.1 Latar Belakang 1 1.2 Rumusan Masalah 4 1.3 Tujuan 5
2. Pembahasan
2.1 Definisi Turbin Angin 6 2.2 Sejarah Turbin Angin 8
2.3 Klasifikasi Turbin Angin 9
2.4 Prinsip Kerja dan Konstruksi Turbin Angin 18
2.5 Instalasi Pemasangan Turbin Angin 22
2.6 Teori Dasar Turbin Angin 34
2.7 Efisiensi Turbin Angin 45
2.8 Perawatan Turbin Angin 49
2.9 Perkembangan Turbin Angin dari Tahun Ke Tahun 49
2.10 Modifikasi Turbin Angin 53
2.11 Kelebihan dan Kekurangan Turbin Angin 55
2.12 Aplikasi Turbin Angin 58
3. Penutup
3.1 Simpulan 58
4. Daftar Rujukan 61
5. Soal-Soal Turbin Angin 62
1. Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
Energi merupakan salah satu kebutuhan yang menjadi prioritas utama dalam kehidupan manusia. Begitu banyak jenis energi yang digunakan manusia seperti energi listrik, energi panas, energi potensial, energi kinetik, dll. Namun, perlu diketahui bahwa energi tersebut berasal dari sumber energi yang telah tersedia di bumi. Secara umum sumber energi di bumi dibagai atas dua macam yakni sumber energi yang dapat diperbarui dan sumber energi yang tidak dapat diperbarui. Seiring perkembangan zaman termasuk juga perkembanagan teknologi, manusia lebih sering memanfaatkan sumber energi yang tidak dapat diperbarui sebagi sumber utama mereka. Alhasil jumlah dari sumber energi tersebut sudah berkurang dapat diperkirakan akan segera habis. Menanggulangi hal tersebut, maka saat ini sangat digalakkan adanya pembaharuan di dunia sumber energi dengan memanfaatkan sumber energi terbarukan yang dapat dihasilkan terus-menerus (sumber energi alternatif).
Berbicara mengenai sumber energi alternatif, dipernyataan sebelumnya juga telah dijelaskan bahwa saat ini tren penggalakan penggunaan sumber energi alternatif benar-benar sedang dilakukan. Mulai dari pengembangan sumber energi tenaga surya, energi air, energi angin, energi panas bumi, bahkan hingga daur ulang sampah. Hal ini dilakukan di seluruh belahan dunia dengan harapan manusia segera beralih menggunakan energi alternatif dan energi fosil setidaknya mampu diselamatkan sebelum benar-benar mengalami kepunahan total
Meninjau kembali tentang macam-macam sumber energi terbarukan, energi angin merupakan salah satu energi yang berpotensi besar untuk dijadikan pasokan kebutuhan energi bagi umat manusia. Menurut artikel dari Universitas Sumatra Utara (2011) energi yang diberikan dari angin berupa energi gerak yang mampu dimanfaatkan untuk penggerakan perahu layar, kincir angin, hingga pembangkit tenaga listrik. Keberadaan angin pada lapisan bumi terletak pada lapisan atmosfer yang memiliki kandungan partikel udara yang cukup tinggi. Lebih tepatnya pada lapisan troposfer yang mana merupakan lapisan atmoser terendah di bumi dan merupakan tempat terjadinya angin.
Energi gerak yang dihasilkan oleh angin diakibatkan oleh rotasi bumi dan perbedaan tekanan udara disekitarnya. Pemanasan bumi oleh sinar matahari menyebabkan perbedaan massa jenis udara. Menurut Putranto, dkk
(2011:19) matahari meradiasikan sekitar 1,74 x 1014 kW jam energi ke bumi setiap jamnya dan bumi menerima daya 1,74 x 1017 watt. Kemudian energi tersebut diubah menjadi bentuk energi angin kurang lebih antara 1-2%. Hal ini menunjukkan bahwa energy angin berjumlah 50-100 kali lebih banyak daripada enerhi yang diubah menjadi biomassa oleh sluruh tumbuhan yang ada dimuka bumi.
Sedangkan jika dilihat dari segi proses terbentuknya aliran angin tersebutHal ini dikarenakan panas matahari membuat udara memuai. Udara yang memuai akan memiliki massa jenis yang lebih ringan sehingga ia akan naik ke atas. Ketika hal itu terjadi, maka sebenarnya udara mengalami penuruan tekanan dan membuat udara di sekitarnya juga mengalir ke tempat yang bertekanan rendah. Pada akhirnya udara akan menyusut dan menjadi lebih berat hingga turun ke atas permukaan tanah. Di atas tanah tersebut udara akan menjadi panas kembali dan berulanglah fenomena di atas. Aliran naiknya udara panas dan turunnya udara dingin tersebut diakibatkan oleh perpindahan panas secara konveksi (Putranto, dkk 2011:18). Selain itu kondisi aliran angin seperti yang dijelaskan sebelumnya juga dipengaruhi oleh dua faktor yakni medan atau permukaan bumi yang dialiri oleh aliran angin tersebut dan temperatur bumi.
Gambar Aliran Angin
Berdasarkan penjelasan tersebut sudah dapat dipastikan bahwa energi angin akan terus berdaur ulang dan tidak akan pernah habis. Hal inilah yang menjadikan energi angin menjadi salah satu rujukan energi terbarukan terutama di Indonesia. Bagi Indonesia sendiri potensi energi angin yang paling banyak digunakan adalah untuk pembangkit tenaga listrik. Hal ini mengingat Indonesia masih sangat kekurangan pasokan listrik. Selain itu pemilihan pemanfaatan energi angin sebagai sumber pembangkit tenaga listrik juga dikarenakan potensi wilayah Indonesia yang dikatakan cukup baik untuk pembangunan pembagkit tenaga listrik. Seperti yang tercatat pada data potensi energi angin di wilayah Indonesia berdasarkan hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) tahun 2005 (dalam Putranto,dkk 2011:13) sebagai berikut.
Terlihat pada data di atas dari seluruh wilayah Indonesia yang paling berpotensi adalah pulau Sulawesi, pulau-pulau sunda kecil, pulau Jawa, dan area pantai selatan Jawa. Data tersebut masih berguna dan juga tetap menjadi patokan pada penelitan-penelitian di tahun-tahun selanjutnya. Terbukti pada penelitian dalam artikel jurnal milik Isdiyarto, dkk (2014:17) menyatakan bahwa potensi energ angin di Indonesia umumnya berkecapatan lebih dari 5 m/s. hasil pemetaan badan LAPAN pada 120 lokasi wilayah dengan jangkauan di atas 5 m/s adalah NTT, NTB, Sulsel, dan Pantai Selatan Jawa. Adapun kecepatan 4 m/s hingga 5 m/s tergolong skla menengah denga potesi kapasitas 10-100 kW
Mengetahui hal tersebut, maka tidak salah lagi jika Indonesia berpeluang besar untuk memanfaatkan energi angin ini menjadi sumber sistem pembangkit tenaga listrik. Dalam hal pengkonversian energi kinetik menjadi energi listrik, di sinilah peran penting sebuah turbin angin dibutuhkan. Hal ini sama seperti yang tertulis pada tempo.com pada tanggal 17 Februari 2016. Seorang dosen muda UMS menyatakan bahwa Indonesia sangat berpotensi untuk mengembangkan turbin angin guna memenuhi kebutuhan listrik Indonesia. Di samping karena Indonesia sendiri memiliki letak yang mendukung yakni dekat dengan Samudra Hindia yang notabene merupakan wilayah dengan hembusan angin yang kencang. Menindaklanjuti hal tersebut, ternyata pemerintah pun sadar akan betapa pentingnya memanfaatkan potensi besar ini. Pada tangga 7 April 2016 pemerintah mengumumkan berita pada website Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral bahwa PLTB 70 MW di Kabupaten Sidrap, Sulawesi Selatan siap dan segera dibangun. Melihat posisi wilayah yang dituju pemerintah sendiri dan dikaitkan dengan tabel potensi angin di wilayah Indonesia ternyata memiliki kesamaan. Hal ini menunjukkan memang benar adanya bahwa Indonesia memiliki peluang besar untuk pengembangan turbin angin khususnya dalam urusan pembangkit listrik tenaga angin (bayu).
Oleh karena itu, melihat peluang besar yang diberikan leh Indonesia, maka sangat penting bagi generasi muda Indonesia khusunya pelajar dan mahasiswa untuk mengembangkan dan meningkatkan terus pemahaman akan turbin angin itu sendiri sebagai salah satu alat konversi energi angin. Hal itu dapat dimulai dari pemahaman awal mula adanya turbin angin, makna dari turbin angin itu sendiri, klasifikasi, prinsip kerja, siklus, cara perawatan, hingga tahapan perkembangan turbin angin dari masa ke masa. Hal ini ditujukan agar ke depan mampu memberikan insipirasi dan inovasi untuk terus mengembangkan turbin angin sabagai salah satu mesin konversi energi yang efektif dan efisien. Melihat keterangan-keterangan sebelumnya bahwa ke depan sudah dapat dipastikan energi angin pun akan menjadi primadona energi terbarukan di dunia. Tidak hanya ditingkat dunia, tetapi di wilayah Indonesia pun dengan dimulainya proyek-proyek pembangunan tentang pemanfaatan turbin angin secara otomatis harapan pemerintah ke depan hal ini dapat terus berkembang pula seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi.
1.2 Rumusan Masalah
Bagaimana dikripsi tentang definisi turbin angin?
Bagaimana sejarah turbin angin?
Bagaimana klasifikasi turbin angin?
Bagaimana prinsip kerja dan konstruksi turbin angin?
Bagaimana instalasi pemasangan turbin angin?
Bagaimana diskripsi teori dasar turbin angin?
Bagaimana efisiensi turbin angin?
Bagaimana perawatan turbin angin?
Bagaimana perkembangan turbin angin dari tahun ke tahun?
Bagaimana modifikasi turbin angin?
Bagamana deskripsi kelebihan dan kekurangan turbin angin sebagai PLTB?
Bagaimana aplikasi turbin angin dalam kehidupan manusia?
1.3 Tujuan
Mendiskripsikan definisi turbin angin.
Mendiskripsikan sejarah turbin angin.
Mendiskripsikan klasifikasi turbin angin.
Mendiskripsikan prinsip kerja dan konstruksi turbin angin.
Mendiskripsikan instalasi pemasangan turbin angin.
Mendiskripsikan teori dasar turbin angin.
Mendiskripsikan efisiensi turbin angin.
Mendiskripsikan perawatan turbin angin.
Mendiskripsikan perkembangan turbin angina dari tahun ke tahun.
Mendiskripsikan modifikasi turbin angin.
Mendiskripsikan kelebihan dan kekurangan turbin angin sebagai PLTB.
Mendiskripsikan aplikasi turbin angina dalam kehidupan manusia
Pembahasan
2.1 Definisi Turbin Angin
Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (Contoh: PLTD, PLTU, dll), namun turbin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak dapat diperbaharui (Contoh: batubara, minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik (id.wikipedia.org).
Dalam konteks produksi listrik, turbin angin ini juga dikenal sebagai generator angin. Sebuah turbin angin terdiri dari rotor, baling-baling yang melekat pada rotor, generator dan struktur menara. Rotor adalah elemen dari turbin angin yang mengumpulkan energi dari angin. Baling-baling dari turbin angin melekat pada pusat rotor. Baling-baling ini diputar oleh aliran angin dengan menggunaan desain aerodinamis yang rumit. Tingkat putaran baling-baling tergantung pada kecepatan angin dan bentuk baling-balinganya. Agar menghasilkan listrik diperlukan generator, yang mengubah energi kinetik menjadi listrik. Dalam turbin angin komersial terdapat gearbox yang ditempatkan di antara rotor dan generator, untuk mengubah kecepatan putaran rendah baling-baling ke rotasi kecepatan tinggi yang diperlukan untuk memproduksi listrik. Kecepatan rotasi turbin angin biasanya antara 40-400 rpm (rotasi per menit) sedangkan untuk menghasilkan listrik kita membutuhkan 1200-1800 rpm.
Turbin angin dipasang di atas struktur menara tinggi (biasanya di atas 80 meter) untuk dapat beroperasi pada ketinggian yang diperlukan. Turbin angin memanfaatkan aliran angin pada ketinggian yang lebih tinggi karena kecepatannya yang lebih tinggi dan lebih konstan (karena pengaruh penurunan drag). Listrik dihasilkan ketika baling-baling pada turbin angin diputar oleh aliran angin, yang membuat rotor berputar. Rotor mentransfer kekuatan ke generator (melalui gearbox) yang pada gilirannya mentransmisikan daya yang telah dikonversi ke sebuah transformator dan akhirnya ke jaringan grid. Sebuah turbin angin komersial dapat menghasilkan daya listrik berkisar antara 1,5-7 MW, tergantung pada ukuran, desain, dan aliran angin di lokasinya dipasang.
Turbin angin biasa didirikan di darat (dikenal sebagai turbin angin darat) maupun di laut (turbin angin lepas pantai). Turbin angin darat memiliki kelebihan yakni biaya instalasi yang murah dibandingkan turbin angina lepas pantai. Namun, turbin angin lepas pantai memiliki keuntungan dari segi hembusan angin yang lebih konstan, karena banyak ditemukan di laut. Selain itu, juga memungkinkan untuk dipasang dengan kapasitas yang lebih besar.
Pada skala produksi yang besar, turbin angin listrik diinstal dalam bentuk ladang angin. Ladang angin besarnya dapat mencapai beberapa mil persegi dan terdiri dari beberapa ratus turbin angin. Ladang angin yang terletak di darat disebut ladang angin darat dan ladang angin yang diletakkan di laut disebut ladang angin lepas pantai. Lokasi turbin angin yang terbaik adalah yang memiliki hembusan konstan, kecepatan angin yang non-turbulen minimal 10m/h (16km/h), dan terletak di dekat sebuah sistem transmisi.
Sebelum membangun ladang angin, biasanya dilakukan pemamtauan angina kurang lebih selama satu tahun. Pengukuran dilakukan pada tempat dan ketinggian yang berbeda. Data yang dikumpulkan akan menentukan desain, ketinggian, lokasi turbin angin di ladang angin, dan jarak antar turbin angin. Sebuah gardu juga diperlukan di lokasi tersebut, tempat semua listrik yang dihasilkan dari turbin angin individu (tegangan menengah) dikumpulkan dan ditransmisikan dalam sistem transmisi lokal (ditransformasikan ke tegangan tinggi) (www.indoenergi.com).
2.2 Sejarah Turbin Angin
Pada awal 3500 SM, orang Mesir adalah orang-orang pertama yang diketahui menggunakan kekuatan angin. Mereka menciptakan layar untuk kapal mereka untuk mendorong mereka menyusuri Sungai Nil. Konsep memanfaatkan angin untuk kerja mekanik perlahan berevolusi. Walaupun, masih diperdebatkan dimana tempat kelahiran kincir angin tetapi perkembangan dan inovasi terus berlanjut. Babel menggunakan tenaga angin untuk irigasi selama abad ke-17 SM, abad ke-4 SM karya klasik Sanskirt membuat referensi alat yang digunakan angin untuk mengangkat air. Kincir angin didokumentasikan pertama tahun 200 SM yang dibuat oleh Persia untuk melilitkan gandum. Kincir angin awal ini memiliki desain akses vertikal dengan layar yang terbuat dari alang-alang atau kayu dan biasanya memiliki tinggi 5-9 meter. Kincir angin diperkenalkan di Kekaisaran Romawi sekitar 250 AD. Kincir angin menjadi umum di Eropa sekitar abad ke-11. Kincir angin Belanda yang digunakan di Delta Sungai Rhine untuk menyediakan drainase pada abad ke-14.
Pada tahun 1300 Masehi, turbin angin sumbu horisontal pertama merintis jalan pengembangan turbin angin, pertama hanya untuk menggiling biji-bijian sebelum kemudian digunakan untuk keperluan irigasi.Kincir angin membantu mereka dalam irigasi dimana air akan di pompa dari Belanda untuk dikirimkan ke Perancis. Turbin angin pertama kali digunakan untuk pembangkit listrik di Juli 1887 di Skotlandia di mana turbin digunakan untuk mengisi baterai untuk penerangan rumah James Blyth, seorang sarjana Skotlandia. Hal tersebut memberi jalan pengembangan turbin angin otomatis untuk menghasilkan listrik pertama yang dikembangkan oleh ilmuwan Amerika Charles F Brush di Cleveland, Ohio, USA hanya beberapa bulan kemudian. Pada saat ini, pembangkit listrik dari turbin angin dianggap tidak ekonomis kecuali untuk negara berpenduduk jarang.
Pengembangan turbin angin terus berlanjut, dan pada tahun 1900, Denmark sendiri memiliki sekitar 2500 kincir angin untuk berbagai keperluan seperti penggilingan, memompa, dan pembangkit listrik dengan sekitar 30 MW hasil. Pada saat itu, turbin angin terbesar didirikan dengan tinggi menara 24 meter dan diameter rotor 23 meter dan memiliki 4 pisau. Pada tahun 1908, AS memiliki 72 kincir angin dengan kapasitas total 25 MW. Dengan timbulnya perang dunia 1, AS memproduksi 100.000 kincir angin untuk digunakan pertanian tujuan misalnya memompa air.
Uni Soviet pada tahun 1931 mengembangkan turbin angin di Yalta, yang kemudian memberi jalan untuk turbin angin modern. Turbin angin dengan generator 100 KW yang ditempatkan di menara 30 meter dan terhubung ke sistem distribusi 6,3 kV lokal. Turbin angin ini memiliki faktor kapasitas tahunan 32% yang dekat dengan turbin angin modern. Pertama turbin angin berkapasitas megawatt dipasang awal 1941 di Vermont. Namun, setelah 1100 jam operasi turbin angin ini gagal tapi tidak diperbaiki karena sumber daya yang terbatas selama Perang Dunia II. Pertama turbin angin modern yang terhubung ke jaringan utilitas di Inggris dikembangkan oleh John Brown & perusahaan pada tahun 1952 di Orkney Islands. (centurionenergy.net/wind-turbine-history )
2.3 Klasifikasi Turbin Angin
Berdasarkan sumbu putaran rotor, turbin angin dapat digolongkan menjadi dua klasifikasi utama yaitu vertical axis wind turbine (VAWT) dan horizontal axis wind turbine (HAWT). Sedangkan apabila dilihat dari fungsi aerodinamisnya, maka rotor turbin dibagi menjadi dua tipe. Pertama adalah tipe drag yang mana memanfaatkan gaya hambat sebagai penggerak rotor. Kedua adalah tipe lift yang memanfaatkan gaya angkat sebagai gaya penggerak rotor. Gaya ini terjadi akibat angin yang melewati profil rotor (Dewi, 2010:25).
Turbin tipe HAWT memiliki sirip pengarah pada bagian belakang yang berguna untuk mengarahkan rotor agar senantiasa tegak lurus dengan arah angin. Berbeda dengan konstruksi HAWT, VAWT didesain agar tidak terpengaruh arah angin, dalam artian VAWT mampu untuk menangkap angin dari arah manapun. Selain itu, tipe VAWT ini juga dikenal memiliki tingkat kebisingan rendah serta memiliki keunggulan dalam hal perawatan karena generator dapat diletakkan di bagian bawah. Akan tetapi, untuk skala besar, konstruksi poros VAWT ini sangat sulit dibuat karena harus mampu menahan beban yang besar hanya dengan satu poros vertikal saja.
Secara teori turbin angin poros vertikal (VAWT) memiliki effisiensi yang sama dengan turbin angin poros horizontal (HAWT) jika turbin-turbin tersebut bekerja pada kecepatan angin yang konstan. Namun, pada prakteknya turbin yang masuk dalam kategori VAWT seringkali memiliki effisiensi yang lebih rendah dari turbin-turbin tipe HAWT. Hal ini dikarenakan adanya variasi kecepatan angin yang meningkat seiring dengan naiknya ketinggian. Namun, turbin jenis VAWT ini akan lebih menunjukkan keunggulan jika dibuat dalam skala kecil karena variasi angin terhadap ketinggian kecil.
HAWT (horizontal axis wind turbine)
HAWT atau dalam bahasa Indonesia adalah turbin angin sumbu horizontal. Merupakan turbin angin yang memiliki poros rotor utama dan generator 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. Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi di belakangnya, turbin biasanya diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat kaku agar mereka tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi. Sebagai tambahan, bilah-bilah itu diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan sedikit dimiringkan. Dikarena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur menara, dan realibilitas begitu penting, sebagian besar TASH merupakan mesin upwind (melawan arah angin). Meski memiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind (menurut jurusan angin) dibuat karena tidak memerlukan mekanisme tambahan agar mereka tetap sejalan dengan angin, 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. Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin angin TASH terjadi karena adanya gaya angkat (lift) dan gaya drag. Namun, gaya lift jauh lebih besar daripada gaya drag, sehingga turbin ini pun disebut turbin tipe lift (
epirintis.undip.ac.id). Dilihat dari jumlah sudu, turbin angin sumbu horizontal terbagi menjadi [4]:
Turbin angin satu sudu (single blade)
Turbin angin dua sudu (double blade)
Turbin angin tiga sudu (three blade)
Turbin angin banyak sudu (multi blade)
Up Wind Down Wind
Sedangkan bila ditinjau dari segi kelebihan dan kekurangannya, berikut akan dijelaskan.
Kelebihan. 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%.
Kekurangan. Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkut, TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang tampil, konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator, TASH yang tinggi bisa memengaruhi radar airport, ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu penampilan lansekap, berbagai varian downwind menderita kerusakan struktur yang disebabkan oleh turbulensi, TASH membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan kincir ke arah angin.
VAWT (vertical axis wind turbine)
VAWT atau turbin angin sumbu vertikal memiliki 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. VAWT 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. Mengenai rotor turbin, ia bergerak tanpa dipengaruhi arah datangnya angina sehingga TASV tidak membutuhkan mekanisme pengatur arah seperti ekor pada TASH. Berdasarkan tiper rotor, TASV dibagi atas tiga jenis yakni savonius, darrieus, dan H rotor. Ketiga tipe tersebut jika dikelompokkan kembali berdasarkan prinsip aerodinamisnya maka savonius memanfaatkan gaya drag sedangkan darrieus dan H rotor memanfaatkan gaya lift (Dewi, 2010:26)
Savonius Rotor
Rotor savonius dikembangkan pertama kali oleh J. Savonius pada tahun 1920 an. Konsep awalnya dikembangkan oleh Flettner. Bentuk rotor savonius dibuat dari sebuah silinder yang dipotong pada sumbu bidang sentral menjadi dua bagian dan bagian tersebut disusun menyilang menyerupai huruf S. (epirintis.undip.ac.id).
Desain Rotor Savonius
Turbin jenis ini secara umumnya bergerak lebih perlahan dibandingkan jenis turbin angin sumbu horizontal, tetapi menghasilkan torsi yang besar.
Rotor Savonius dengan Dua Sudut
Perhatikan gambar di atas, rotor tersebut memungkinkan aliran fluida mengalir tegak lurus terhadap bidang sudu bagian cembung dan bagian cekung. Koefisien drag untuk aliran tegak lurus dengan bidang cembung sebesar 1.2, sementara koefisien drag untuk sisi cekung hampir sebesar dua kalinya yaitu 2.1. Dikarenakan gaya drag yang dihasilkan pada bagian cekung lebih besar, hal ini akan mempengaruhi torsi putaran Savonius. Rotor yang bekerja dibawah pengaruh gaya drag umumnya mempunyai torsi awal yang besar tetapi memiliki efisiensi yang lebih kecil bila dibandingkan dengan rotor yang bekerja dengan gaya lift. Karena keuntungan inilah banyak orang memanfaatkan sebagai penggerak awal dari turbin poros vertikal tipe lift seperti yang dilakukan oleh R.gupta, R.Das dan K.K. Sharma dalam penelitiannya menggabungkan turbin Savonius-Darius. Selain itu perkembangan lainnya juga terlihat pada variasi sudu savonius yang berbentuk U dan L (Dewi, 2012:27). Pada desain savonius U aliran kedua sisi bilah sama besar, sementara pada desai L aliran udara pada sisi bilah yang lurus lebih besar dibandingkan pada sisi bilah lengkung seperempat lingkaran.
Darrieus Rotor
Turbin angin Darrieus pada umumnya dikenal sebagai turbin eggbeater. Turbin angin Darrieus pertama kali ditemukan oleh Georges Darrieus pada tahun 1931. Turbin angin Darrieus merupakan turbin angin yang menggunakan prinsip aerodinamik dengan memanfaatkan gaya lift pada penampang sudu rotornya dalam mengekstrak energi angin. Turbin Darrieus memiliki torsi rotor yang rendah tetapi putarannya lebih tinggi dibanding dengan turbin angin Savonius sehingga lebih diutamakan untuk menghasilkan energi listrik. Namun turbin ini membutuhkan energi awal untuk mulai berputar. Oleh karena itu, pada aplikasinya dibutuhkan perangkat bantuan, biasanya digunakan motor listrik atau gabungan dengan turbin angin savonius pada poros utama. Rotor turbin angin Darrieus pada umumnya memiliki variasi sudu yaitu dua atau tiga sudu. Selain itu rotor turbin angin ini mengaplikasikan blade dengan bentuk dasar aerofil NACA. (repository.usu.ac.id, 2011). Oleh karena itu, prinsip kerja pada darrieus dapat dijelaskan dan disederhanakan sebagai berikut. Pertama, asumsikan arah angin datang dari depan rotor baling-baling. Ketika pergerakan rotor lebih cepat menyamai dengan kecepatan angin yang tak terganggu yaitu ratio kecepatan blade dengan kecepatan angin bebas, tsr > 3. Gambar 4 menunjukan garis vektor percepatan dari bentuk airfoil baling-baling pada posisi angular yang berbeda-beda.
Dengan:
Panah biru – kecepatan angin relatif.
Panah merah – kecepatan relatif ke baling-baling.
Panah hitam – resultan kecepatan udara relatif ke baling-baling.
Panah hijau – gaya angkat (lift force).
Panah abu-abu – gaya seret (drag force).
Dengan nilai tsr yang tinggi, baling-baling akan "memotong" melalui angin dengan sudut serang (angle of attack) yang kecil. Resultan gaya angkat (lift) akan membantu perputaran baling-baling, sedangkan gaya seret (drag) akan melawan perputaran dari baling-baling itu. Ketika gaya angkat nol pada sisi kiri (0˚) dan sisi kanan (180˚) dengan baling-baling simetris bergerak pararel menuju arah angin, torsi berubah menjadi negatif disekitar posisi ini. Mendekati posisi depan (90˚) dan posisi dibelakang (270˚), komponen dari gaya 15 angkat (lift) lebih besar dibandingkan gaya seret (drag) sehingga menghasilkan torsi. Torsi total per satu putaran akan bernilai positif jika baling-baling diposisikan pada tempat yang tepat sehingga rotor akan berputar pada arah yang benar (Suseno. 2011).
H-rotor
Tipe H- rotor merupakan variasi dari tipe darrieus. Keduanya sama-sama menggunkan prinsip gaya angkat untuk menggerakkan sudu. Tipe ini jauh lebih simpel, billa tipe darrieus menggunakan bilah yang ditekuk, maka tipe H menggunkan bilah lurus. Bilah ini dihubungkan ke poros menggunakan batang atau lengan, kemudian poros langsung dihubungkan dengan generator.
Sedangkan bila ditinjau dari segi kelebihan dan kekurangannya, berikut akan dijelaskan.
Kelebihan. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar, karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhkan mekanisme yaw, perawatan lebih mudah karena letaknya lebih dekat dengan tanah, memiliki sudut airfoil yang lebih tinggi memberikan keaerodinamisan yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi, desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar, 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 berhembus sangat kencang, tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah,
Kekurangan. Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar, TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi, memiliki torsi awal yang rendah, 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 Prinsip Kerja dan Konstruksi Turbin Angin
Sistem pembangkit listrik tenaga angin ini merupakan pembangkit listrik yang menggunakan turbin angin (wind turbine) sebagai peralatan utamanya. Dalam skala utility memiliki berbagai ukuran, dari 100 kilowatt sampa dengan beberapa megawatt.Turbin besar dikelompokkan bersama-sama ke arah angin, yang memberikan kekuatan massal ke jaringan listrik. turbin kecil tunggal, di bawah 100 kilowatt dan digunakan pada rumah, telekomunikasi, atau pemompaan air. Turbin kecil kadang-kadang digunakan dalam kaitannya dengan generator diesel, baterai dan sistem fotovoltaik. Sistem ini disebut sistem angin hibrid dan sering digunakan di lokasi terpencil di luar jaringan, di mana tidak tersedia koneksi ke jaringan utilitas.
Adapun prinsip dasar kerja dari pemanfaatan energi angin ini adalah mengubah energi dari angin menjadi energi putar pada kincir angin, lalu kincir angin digunakan untuk memutar generator yang akhirnya akan menghasilkan listrik. Sebenernya prosesnya tidak semudah itu, karena terdapat berbagai macam sub-sisterm (konstruksi/bagian-bagian utama) yang dapat meningkatkan safety dan efesiensi dari turbin angin itu sendiri. Menurut whypgen-bppt.com (2013) bagian-bagian tersebut terdiri dari:
Blade (Baling-baling/sudu)
Rotor turbin angin terdiri atas baling-baling berfungsi untuk menerima energi kinetik dari angin dan merubanya menjadi energi mekanik putar pada poros penggerak. Pada setiap turbin memiliki jumlah sudu yang bermacam-macam. Ada yang berjumlah satu, dua, tiga, bahkan lebih dari itu.
Rotor Hub
Merupakan bagian dari rotor yang berfungsi untuk menghubungkan sudu atau baling-baling dengan poros utama.
Pitch (Kontrol Pitch Sudu)
Bagian yang dapat dikatakan sebagi pengontrol kecepatan rotor dan menjaga rotor berputar dalam angin baik angin yang terlalu tinggi ataupun rendah. Lebih tepatnya mengatur posisi sudut serang pada sudu turbin angin ketika angina bertiup pada turbin tersebut.
Brake
Fungsi utama brake adalah menjaga putara poros setelah gearbox agar bekerja pada titik aman saat terdapat angin yang besar. Alat ini perlu dipasanga karena sebuah generator memiliki titik kerja aman dalam operasinya. Generator juga akan menghasilkan energy listrik maksimal pada saat bekerja di titik kerja yang telah ditentukan. Namun, jika angin berhembus kencang dan diluar dugaan, maka hal tersebut akan membuat poros berputar kencang. Apabila hal tersebut tidak diatasi maka akan merusak generator. Dampak dari kerusakan tersebut adalah, overheat, rotor breakdown, kawat pada generator putus (Romadoni, 2013)
Low speed shaft
Merupakan poros rotor yang berfungsi memindahkan daya dari rotor ke generator. Pemindahan daya dapat secara langsung ataupun melalui mekanisme transmisi gearbox. Selain itu juga berfungsi mengubah poros rotor kecepatan rendah sekitar 30-60 rpm.
Gear Box
Gear menghubungkan antara poros berkecapatan tinggi dengan poros berkecepatan rendah. Hal ini dikarenkan rotor hanya mampu bergerak dengan kecepatan rendah sedangkan generator membutuhkan kecepatan yang tinggi untuk menghasilkan listrik. Seperti yang diketahui sebelumnya rotor berkecepatan rendah hanya berputar sekita 30-60 rpm, sedangkan kebutuhan putaran pada generator adalah 1000-1800 rpm.
Generator
Komponen utama dan terpenting dalam turbin angin. Hal ini dikarenkan fungsinya sebagai pengubah energi mekanik hasil putaran poros menjadi energi listrik. Alat ini bekerja pada induksi elektromagnetik untuk menghasilkan tegangan listrik atau arus listrik. Generator yang sederhana biasa teridiri atas konduktor dan magnet. Konduktor tersebut biasanya terlilit kawat melingkar. Dalam poros generator terhubung pada sekumpulan magnet permanen yang dikelilingi oleh magnet dan salah satu bagiannya berputar relative terhadap yang lain dan menginduksi konduktor.
Controller
Alat pengontrol seluruh kinerja turbin. Alat ini mengontrol turbin dimulai dari angina dengan kecepatan 8-16 mph dan menutup mesin pada keceptan angina sekitar 55 mph. alasan penutupan mesin tersebut karena dengan kecepatan yang melebih 55 mph dapat merusak turbin angin.
Anemometer
Bagian yang digunakan untuk mendeteksi dan mengukur kecepatan angina, sebagai inputan kepada system control untuk mengendalikan opersional pada kondisi optimum.
Wind Vane (Wind Direction Sensor)
Merupakan alat yang digunakan untuk mendeteksi peruabahan arah angin. Biasanya juga terhubung dengan yaw drive untuk menggerakkan turbin sesuai dengan kondisi arah angin yang telah terdeteksi.
Nacelle
Bagian yang berbentuk kotak besar yang duduk di menara turbin angina. Berfungsi sebagai rumah tempat seluruh komponen turbin angin seperti generator, gear box, controller, kabel, yaw drive, poros, dll.
High speed shaft
Poros rortor putaran tinggi yang berfungsi untuk memindahkan daya dari gear box ke generator.
Yaw drive
Rotor sistem geleng berfungsi untuk menempatkan komponen turbin angin yang berada di atas menara menghadap optimal terhadap arah angin mengkuti perubahan arah angin.
Yaw motor
Fungsi utamanya hanya sebagai penggerak yaw drive.
Tower
Menara berfungsi sebagai tiang penyangga yang fungsinya untuk menopang rotor, nasel, dan semua komponen turbin angin. Menara dapat bertipekan latis atau pipa turbular, baik yang dibantu penopang tali pancang atau yang berdiri sendiri.
Menurut Romadoni (2013) terdapat komponen lain yakni penyimpan energi. Alat ini digunakan untuk menyimpan energi sebagai back up energi listrik. Hal ini dikarenakan keterbatasan atas ketersediaan energi angin (tidak sepanjang hari angin akan selalu tersedia). Selain itu, juga dapat digunakan sebagi usaha preventif jika kebutuhan listrik masayarakat meningkat. Sebab jika kecepatan angina sauatu daerah tersebut tiba-tiba menurun, maka back up energi ini dapat digunakan sebagai pemasok energi listrik bagi masyarakat.
Selain itu, turbin angin juga memiliki rectifier-inverter. Rectifier berarti penyearah. Hal ini dikarenakan fungsinya yaitu dapat menyearahkan gelombang AC yang dihasilkan oleh generator menjadi gelombang DC. Sedangkan inverter berarti pembalik. Ketika dyaa dari penyimpanan baterai atau aki menghasilkan gelombang DC, maka gelombang itu harus diubah menjadi gelombang AC karena kebanyakan kebutuhan rumah tangga menggunakan catu daya AC (id.wikipedia.org).
2.5 Instalasi Pemasangan Turbin Angin
Pembahasan sebelumnya telah mengupas rinci mengenai konstruksi turbin angin baik tipe horizontal maupun vertikal. Namun, pada pembahasan kali ini akan lebih ditekankan pada instalasi pemasangan turbin horizontal. Walaupun pada tahap persiapan, misalnya pada tahap persiapan medan dan penentuan kecepatan angin hal ini tetap berlaku pada instalasi pemasangan turbin tipe vertikal. Berikut penjelasannya menurut id.wikihow.com:
Merencanakan Turbin
Tentukan kecepatan rata-rata angin pada lokasi yang ingin dibangun.
Agar dapat menghasilkan daya listrik yang ekonomis, turbin yang efisien setidaknya membutuhkan antara 11 hingga 16 km/jam. Secara umum turbin angin akan bekerja secara maksimal pada kecepatan antara 29 hingga 32 km/jam. Lebih jelasnya berikut terdapat tabel kondisi angin menurut Putranto, dkk (2011:20).
Jika dilihat berdasarkan tabel, maka angka yang berwarna merah merupakan angka-angka kecepatan angin yang baik digunakan untuk instalasi turbin angin. Selain berdasarkan tabel, cara penentuan lain juga dapat melalui pemeriksaan peta secara daring. Kemudian menggunakan anemometer untuk mengukur kecepatan angin di wilayah yang diinginkan. Pengukuran tersebut dilakukan setiap hari untuk beberapa saat agar didapatkan hasil yang optimal. Jika ternyata pada daerah pilihan tersebut kecepatan angin yang diperoleh cukup konsisten, maka lakukan pengukuran selama sebulan meskipun perubahan musin dapat mempengaruhinya. Kemudian, hitung nilai rata-rata kecepatan untuk melihat apakah lokasi pilihat tersebut merupakan lokasi yang tepat untuk pemasangan turbin angin.
Pelajari izin mendirikan bangunan yang berhubungan dengan turbin angin.
Izin pada setiap wilayah berbeda, oleh karena itu akan lebih baik jika bertanya langsung pada pemerintahan setempat. Beberapa izin mengharuskan jarak minimal di antara turbin dan juga seberapa jauh jarak turbin dengan garis properti. Bahkan mungkin tinggi turbin juga dibatasi. Selain itu, sebelum membangun alangkah baiknya jika berdiskusi terlebih dahulu dengan warga setempat yang bertempat tinggal dekat dengan wilayah yang dipilih. Hal ini dapat digunakan sebagai saran awal sebelum membangun karena dapat mendengarkan kecemasan mereka tentang turbin dan menyelesaikan semua salah paham yang mungkin muncul akibat kebisingan, gangguan saluran radio, serta penerimaan saluran televisi.
Lakukan evaluasi ruang untuk turbin angin yang ingin dibangun
Meski tidak perlu menggunakan banyak ruang untu membangun, tetapi setidaknya siapkan ruang sebesar 0,2 hektar untuk turbin yang menghasilkan daya hingga 0,3 kW dan 0,4 hektar untuk turbin yang menghasilkan 10 kW. Selain itu, ruang vertikal pun harus cukup memenuhi agar ketika membangu turbin yang tinggi bangunan dan pepohonan sekitarnybtidak menghaangi angin.
Pilih antara bilah turbin angin yang dibuat sendiri atau yang telah siap pakai.
Bilah yang digunakan dan pengaturannya akan mempengaruhi desain turbin. Bilah-bilah ini harus diukur dan dipasang dengan benar agar turbin bisa bekerja secara efisien. Jika ternyata bilah yang dipilih adalah bilah rakitan pribadi, maka dapat digunakan kayu atau bagian bersilang dari pipa PVC. Instruksinya dapat ditemukan dari pencarian internet atau buku. Kemudian, jika membangun atau membeli bilah pastikan terdapat 3 buah bilah pada turbin tersebut. menggunakan jumlah genap seperti 2 atau 4 dapat membuat turbin lebih mungkin bergetar ketika berputar. Menambahkan lebih banyak bilah juga dapat meningkatkan daya tetapi turbin juga akan berputar lebih pelan.
Pilih generator
Turbin angin harus disambungkan ke generator untuk menghasilkan listrik. Sebagian generatr mengandung arus DC, sehingga harus disambungkan ke pemicu daya agar generator tersebut mampu menghasilkan arus bolak-balik AC dan dapat digunakan untuk menyalakan peralatan rumah. Namun, jika memilih opsi untuk menggunakan generator AC tidaklah bermasalah, meski mungkin motor ini tidak mengandung daya mangnetis yang cukup untuk menghasilkan arus listrik yang kuat. Pada dasarnya generator sangat bergantung pada gerakan bilah dan daya magnetis untuk menghasilkan listrik. Namun, sebagian para pemula langsung menggunkan generator siap pakai sebagai salah satu opsi termudah. Jika keputusan pemilihan generator jath pada generator DC, maka cari generator yang bertegangan tinggi dan kecepatan putarannya rendah. Setidaknya mampu menghasilkan sekurang-kurangkanya 12 volt secara konsisten. Generator juga harus dihubungkan dengan tangki baterai yang berusia pajang dan pengontrol daya serta inverter. Hal ini penting agar inverter dan baterai terlindung dari korslet. Selain itu cara ini juga mampu memberikan daya bagi inverter ketika angina tidak banyak bertiup.
Memasang Poros dan Jari-Jari Sumbu Vertikal
Pasang poros yang tersedia
Cara pemasangan dapat dilakukan dengan teknik pengelasan, tetapi kebanyakan peralatan turbin angin dijual dengan keadaan poros yang telah terpasang. Pastikan menggunakan perlengkapan K3 yang lengkap ketika melakukan pengelasan. Proses penyatuan komponen- komponen pada poros ini dapat membantu mempermudah pembangunan turbin per bagian karena lebih efisien.
Selipkan hub ke tempatnya pada poros
Agar tidak terjadi benturan dan pengikisan antar hub dan poros, maka letakkan bearing diantaranta. Tempelkan di ujung poros yang menonjol dari piringannya, kemudian selpkan ke piringan tersebut hingga terjepit di bagian poros yang lebih tebal. Setelahnya selipkan hub pada bearing agar bagian-bagian tiangnya menghadap ke atas. Ketika memasang poros dan bearing beri jarak sekitar 102 mm. Hal ini untuk mencegah ketika turbin terletak pada daerah angin berkecapatan tinggi, karena dimungkinkan turbin kan menekuk sehingga bilah-bilahnya dapat merusak poros.
Pasangkan flensa jari bawah ke hub
Flensa seharusnya memiliki lubang agar tiang hub bisa melewatinya, serta bagian-bagian menonjol sebagai tempat memasng. Sejajarkan flensa dengan tiang-tiang hub dan pasangkan keduanya. Setelah flensa terpasang secara meratam kecangkan dengan mur. Pasang mur dengan tangan terlebih adhulu kemudian kencangkan dengan kunci inggris.
Sambungkan semua jari-jarinya
Satu bilah turbin memilii dua jari-jari, sehingga jika memiliki tiga bilah turbin maka jari-jarinya berjumlah enam. Gunakan baut untuk menyambungkan jari-jari ke tab flense bawah dan alat pengatur jarak spacer untuk memisahkannya dari atas. Kemudian selipkan baut melewati lubang di salah satu tab flense, pasangkan jari-jari, gunakan spacer, pasang jari-jari kedua pada baut, kemudian jepit semua jari-jari dan spacer denga flense atas. Bentuk flense atas dan bawah harus sama, begitupun dengan jumlah tab pemasangannya. Kencangkan baut pada flense atas dengan menggunakan tangan, kemudian kencangkan baut lainnya. Ulangi proses tersebut hingga seluruh bilah turbin terpasang. Setelah semua baut terpasang pada flense atas, kencangkan menggunakan kunci inggris. Pastika flense atas, bawah, dan jari-jari kokoh serta mudah diputar dengan hub pada bearing-nya. Guakan senyawa pengikat, sebagai usaha untuk memperkuat sambungan baut pada jari-jari bilah turbin.
Pasangkan empat tiang pada flense atas
Tiang-tiang tersebut harus berulir sepanjang 6 cm dan setebal 0,635 cm. Pasang tiang-tiang tersebut dengan tangan pada bagian puncak flense atas, sehingga setiap bautnya tersebar secara merata disekitar batang poros turbin. Pemasangan tiang-tiang tersebut harus dalam jarak yang cukup jauh agar semuanya tegak dan kokoh. Tiang harus menonjol keluar dari flense pada jarak yang sama. Pastika semua tiang terpasaang kokoh dan gunakan senyawa pengikat agar lebih kuat.
Memasang Magnet Sumbu Vertikal
Pasangkan rotor magnet bawah pada tiang-tiangnya
Pasang piringan bawah rotor magnet pada keempat tiang yang sudah dikencangkan di flense. Pastikan magnet mengahdap ke atas. Berhati-hatilah selama pemasangan karena daya magnetisnya yang sangat kuat dan bisa menyebabkan cedera.
Pasang spacer pada tiang-tiang turbin
Spacer dapt menggunakan potongan tuba meta berdiameter 0,375 cm sepanjang 3,175 cm untuk menciptakan ruang. Selipkan di atas tiang yang menonjol dari rotor magnet. Spacer harus memiliki pnjang yang seimbang, jika tidak dapat membengkokkan diska magnet ata dan hal ini sangat mempengaruhi efisiensi turbin secara negatif. Harus ada ruang yang tersisa lebih dari 2,5 cm di atas spacer pada tang. Dengan begitu, mur bisa dikencangkan pada rotor magnet dan semua bagian diantaranya.
Letakkan stator di atas rotor magnet bawah
Stator merupakan sekumpulan kabel tembaga yang vital bagi semua jenis generator. Tiang-tiang yang mengelilingi sumbu poros harus menonjol ke atas melewati bagian tengah stator. Stator memerlukan tiga kelompok kabel berukuran 24 denga masing-masing dibalut sebanyak 320 kali.
Pasang rotor magnet atas
Pastikan harus berhati-hati, karena ini merupaka salh satu komponen yang berbahaya dari turbin angin. Tumpukka emapt papan pada stator di kedua sisi sumbu tengah. Papan dasar harus lebih tebal dari papan atasnya harus lebih tipis. Gunakan papan ukuran 5 x 10 cm untuk papan atas. Pegang rotor magnet atas sehingga jari-jari tangan berada pada celah diantara papan yang ditumpuk. Turunkan perlahan kea rah rotot bawah. Cobalah menyejajarkan rotor atas dengan tiang-tiang turbin saat melakukan hal ini. Bidang magnetis akan menempel ke diska atas dan menariknya kea rah papan yang sudah diletakkan. Kemudian, turunkan rotor magnet atas ke tiang dengan menyelipkan papan satu per satu. Pertama-tama angkat satu papan atas kemudian yang satunya. Ulangi proses pada papan bawah untuk melakukan maneuver sehingga rotor magnet atas berada pada posisi yang benar. Lalu gunakan mur pada tiang untuk mengecangkan posisi rotor. Setelah selesai rotor atas harus bersandar pada spacer, dengan hanya sedikit bagian tiang yang menonjol di puncaknya.
Menyelesaikan Turbin
Singkirkan kerangka dari porosnya
Selanjutnya poros harus disambungkan ke menara. Tarik semua bagian rangka dari poros dalam gerakan yang mengarah ke atas. Kemudian letakkan rangka di area kerja dengan sisi hub menghadap ke atas.
Sambungkan flense poros ke menara dengan las
Pasangkan piringan metal ke atas pipa logam yang kokoh dan tebal. Pastikan pipa bisa menahan daya angina yang dihasilkan turbin. Menara harus dipasang pada lokasi yang kuat. Mungkin dapat dailakukan penuangan beton pada bagian fondasi menara agar lebih stabil.
Pasang pembatas poros dan jari-jari
Pembatas harus mengelilingi poros seperti kerah baju. Kemudian gunakan baut untuk memasangnya ke menara. Lalu potong tiang berulir dengan diameter 0,375 cm menjadi emapat bagian sama panjang (11,25 cm). gunakan senyawa pengikat, kemudian mur serta washer untuk memasangkannya pada pembatas. Hadapkan ke atas. Letakkan mur pada tiang berdiameter 0,375 cm, sekitar ¾ dari bagian puncaknya. Mur ini digunakan untuk menyesuaikan posisi stator sementara tiang mempertahankannya.
Letakkan roler pada poros
Oleskan sedikit minyak pada bearing sebelum melakukannya. Selipkan bearing berulir ke poros agar bersandar pada bagian dasarnya.
Pasangkan rangka utama turbin
Angkat rangka utama agar hub menghadap ke depan dan pasangkan ke poros dengan posisi bearing berulir di bawahnya. Lubang pemasang pada stator harus sejajar dengan tiang-tiang berulir yang dikencangkan pada pembatas. Ketika rangka telah berada posisi yang benar pasang bearing berulir lain ke bagian atas hub dan beri minyak. Di atasnya pasangkan mur segi enam dan kencangkan dengan jari. Namun jika mur susah diputar, lepaskan hingga ruangnya sejajar dengan lubang pada batang poros. Selipkan pin tani di lubang dan gunakan tang untuk membengkokkannya agar mur dapat dikencangkan.
Kencangkan pula stator dan selesaikan turbin menggunakan tutup berminyak
Pasang satu mur segi enam untuk setiap tiang agar stator kencang pada rangka turbin. Lalu, dengan kunci inggris, sesuaikan posisi mur yang mengapit stator hingga tepat berada diantara kedua rotor magnet. Setelah posisi stator benar, tambahkan tutup berminyak di puncak hub. Turbin telah selesai.
Memasang Komponen-Komponen Listrik pada Turbin
Hubungkan pengontrol arus ke baterai atau sirkuit.
Hal ini dilakukan untuk mencegah korslet pada turbin. Dengan demikian rangka yang telah disiapkan tidak akan rusak.
Sambungkan kawat berlapis ke pengontrol arus
Kawat akan mentransfer daya dari generator ke pengontrol arus. Dari sinilah listrik kemudian masuk ke baterai atau sirkuit. Kawat ini harus seperti kawat yang berada di bagian dalam kabel daya, dengan keduanya terikat dalam insulasi yang serupa. Gunakanlah sambungan tua dengan bagian colokan yang dilepas.
Pasang kawat lapis melewati tiang menara dan bagian dasarnya.
Masukkan ke dalam menara hingga mencapai rangka turbin di atas. Gunakan benang atau selotip untuk membantu memosisikan kawat dalam menara. Kemudian, sambungkan kawat ini generator.
Sambungkan baterai atau sirkuit
Setelah generator terhubung dengan pegontrol daya dan melewati bagian dasar menara, menandakan instalasi turbin telah selesai. Berkonsultasilah dengan ahli listrik professional kapanpun ketka mengikat sumber listrik eksternal dengan sirkuit rumah utama.
2.6 Teori Dasar Turbin Angin
Sistem Konversi Energi
Angin merupakan udara yang bergerak yang disebabkan oleh perbedaan tekanan. Perbedaan tekanan tersebut dipengaruhi oleh sinar matahari. Hal ini menandakan bahwa perbedaan tekanan diakibatkan oleh suhu. Menurut hukum termodinamika, suhu atau temperatur berbanding terbalik dengan tekanan yang mana temperatur yang lebih tinggi akan memiliki tekanan yang rendah dan sebaliknya. Berkaitan dengan pernyataan bahwa angin adalah udara yang bergerak, maka hal ini menandakan bahwa angin menghasilkan energi kinetik. Energi kinetik tersebut akan diubah menjadi energi mekanik oleh rotor pada turbin untuk kemudian diubah lagi menjadi energi listrik oleh altenator (generator) (Putranto, dkk 2011: 24).
Energi kinetik pada suatu massa angin m yang bergerak dengan kecepatan v dapat dirumuskan pada persamaan berikut:
Ek=12mv2 (Nm) (1.1)
Energi inilah yang nantinya akan ditangkap oleh turbin angin untuk memutar rotor. Kemudian pada suatu luasan area rotor berupa penampang melintang A, dimana angin dengan kecepat v mengalami pemindahan volume V untuk tiap satuan dapat dirumuskan melalui persamaan berikut.
V=vA (m3/s) (1.2)
Sedangkan pada massa angin yang didasarkan pada kerapatan angin dapat dirumuskan sebagai berikut.
m= ρV=ρvA (kg) (1.3)
Berdasarkan persamaan-persamaan tersebut didapatkan persamaan energi kinetik angin yang berhembus dalam satuan waktu (daya angin).
Pw=12ρAvv2=12ρAv3 (watt) (1.4)
Namun, perlu diketahui bahwa turbin memiliki beberapa jenis dengan karakter yang berbeda-beda, oleh karena itu faktor daya sebagai fungsi TSR untuk setiap jenis turbin juga berbeda-beda. Menurut Dewi (2010:19) hal ini berhubungan dengan teori momentum Elementer Betz. Albert Betz merupakan aerodinamikawan asal Jerman yang telah memperkenalkan teori tentang turbin angina. Menurut Betz dalam buku karangannya yang berjudul "Die Windmuhlen im Lichte neurer Forschung. Die Naturwissenschaft." (1927), ia berasumsi bahwa suatu turbin mampu memiliki sudu-sudu yang tak terhingga jumlahnya dan tanpa hambatan. Selain itu, ia juga mengasumsikan bahwa aliran udara di depan dan di belakang rotor memiliki kecepatan yang seragam (aliran laminar).
Menurut sistem konversi energi angin, energi mekanik turbin hanya dapat diperoleh dari energi kinetik yang tersimpan dalam aliran angin. Hal menandakan bahwa tanpa adanya perubahan aliran masssa udara, kecepatan angin di belakang turbin hasrus mengalami penurunan. Kemudian pada saat yang bersamaan luas penampang yang dilewati angin haruslah lebih besar, sesuai dengan persamaan kontinuitas. Perhatikan gambar berikut.
(Dewi, 2010:19)
Jika v1 adalah kecepatan angin di depan rotor, v adalah kecepatan angin melewati rotor, dan v2 adalah kecepatan angin di belakang rotor, maka daya mekanik turbin diperoleh dari selisih energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati turbin. Berikut perubahan persamaan daya mekanik turbin.
PT=12ρA1v13-12ρA2v23 (1.5)
PT=12ρ(A1v13-A2v23)
Sedangkan persaman kontinuitas adalah sebagai berikut.
A1v1=A2v2 (1.6)
Sehingga,
PT=12ρA1v1(v12-v22) (1.7)
PT=12m(v12-v22) (1.8)
Berdasarkan persamaan di atas maka disimpulkan bahwa untuk mendapat daya mekanik maksimum, v2 harus bernilai nol tetapi pada kenyataan hal itu tidaklah mungkin. Sehingga untuk mendapatkan daya maksimum, maka diperlukan suatu nilai perbandingan rasio antara v1 dan v2. Rasio tersebut didapatkan dari sautu persamann yang menunjukkan daya mekanik turbin. Gaya yang bekerja pada turbin menurut gambar sebelumnya adalah
FT=m(v1-v2) (1.9)
Maka daya turbin adalah
PT=FTv=m(v1-v2)v (1.10)
Jika persamaan 1.8 dan 1.10 digabungkan, maka akan menjadi
12mv12-v22=m(v1-v2)v
12m(v1+v2)(v1-v2)=m(v1-v2)v
v=12m(v1+v2)(v1-v2)m(v1-v2)
v=12(v1+v2) (1.11)
Persamaan tersebut menunjukkan bahwa aliran pada turbin sebanding dengan v1 dan v2. Sehingga persamaan aliran massa angin pun berubah menjadi:
m=ρvA=12ρA (v1+v2) (1.12)
Daya mekanik turbin menjadi:
PT=12m(v12-v22)
PT=12(12ρA (v1+v2))(v12-v22)
PT=14ρA(v12-v22)(v1+v2) (1.13)
Kemudian perbandingan daya turbin dan daya angin disebut sebagai factor daya (Cp), berikut persamaannya.
Cp=PTPw=14ρA(v12-v22)(v1+v2)12ρAv3 (1.14)
Faktor daya dapat diperoleh maksimum jika v1v2=13 yang menghasilkan nilai sebesar 0,593. Meski asumsi ideal tetap dipertahankan dalam arti aliran dianggap tanpa gesekan dan daya keluaran dihitung tanpa mempertimbangkan jenis turbin, maka daya maksimum yang dapat diperoleh dari energi angin hanya sebatas 0,593 yang artinya kurang lebih hanya sekitar 60% saja daya angin yang dapat dikonversi menjadi daya mekanik. Angka ini kemudian dijadikan sebagai factor Betz. Selain digunakan pada mesin turbin angina, fator Betz juga digunakan pada mesin carnot untuk mesin-mesin termodinamika.
Mengingat kembali bahwa pada pembahasan sebelumnya juga menyatakan bahwa faktor daya merupakan fungsi dari TSR, maka sangat perlu juga membahas tentang TSR tersebut. TSR atau Tip Speed Ratio adalah perbandingan kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin bebas (Putranto, dkk, 2011:25). Pada kecepatan angin nominal tertentu TSR akan berpengaruh pada kecepatan putar rotor. Turbin pada tipe lift akan memiliki TSR yang relatif lebih besar dibandingkan dengan turbin angin tipe drag. Berikut dalah persamaan TSR yang perlu diketahui.
λ=ωRvw (1.15)
Dengan:
λ = TSR
ω = kecepatan sudut turbin (rad/s)
R = jari-jari turbin (m)
vw= kecepatan angin (m/s)
Selain persamaan tersebut TSR juga dapat dihitung dengan persamaan berikut.
λ=blade tip speedvw (1.16)
Blade tip speed adalah kecepatan ujung blade, yang memiliki persamaan berikut.
blade tip speed=n.π.D60 (1.17)
Dengan D adalah diameter turbin.
Faktor daya sebgai fungsi TSR pastilah memiliki perbedaan antara satu turbin dengan lainnya. Hal ini karena begitu banyak macam turbin angin denga tipe dan karakteristik yang berbeda. Berikut gambar garafik factor daya dan TSR.
Kurva/ Grafik hubungan TSR dan Cp
Gaya Aerodinamik pada Turbin
Sudu atau rotor pada turbin angin berfungsi untuk menghasilkan putaran akibat gaya angin yang nantinya akan menggerakkan poros turbin dan poros generator. Akibat pergerakan poros-poros tersebut maka energi angin akan dikonversikan menjadi energi listrik. Permukaan sudu turbin diusahakan memiliki tingkat kekerasan yang cukup baik sehingga gaya lift yang dihasilkan tinggi. Bagian pangkal sudu dicengkeram oleh hub dan diperkuat dengan baut. Sedangkan untuk jari-jari sudu merupakan jarak dari sudu dari permukaan poros rotor hingga ujung dari sudu.
Pada turbin angin, daya yang dihasilkan berasal dari distribusi tegangan geser pada permukaan sudu yang dipresentas dengan adanya gaya tekan (drag) yang arahnya sejajar dengan arah aliran fluida dan gaya angkat (lift) yang arahnya tegak lurus dengan arah aliran fluida (repository.usu.ac.id, 2011:10). Kedua gaya tersebut membuat rotor berputar dan juga memiliki beberapa fakto yang mempengaruhinya yakni seperti bentuk sudu, luas permukaan bidang sentuh, sudut serang, serta kecepatan angin. Kedua gaya tersebut diperjelas dengan rumus matematis sebagai berikut.
FD=dFx=p cosθdA+τwsinθdA
FL=dFy=p sinθdA+τwcosθdA (1.18)
Dimana P merupakan tekanan yang terjadi pada permukaan sudu akibat gaya aliran udara dan θ merupakan sudut yang terbentuk dari arah aliran udara terhadap sumbu normal sudu. Perhatikan penampang sudu berikut.
Penampang Sudu (repository.usu.ac.id)
Gaya tekan drag merupakan gaya yang berasal dari energi angin yang mendorong lurus sudu searah dengan angin. Pada dasarnya gaya ini digunakan pada turbin jenis savonius, sehingga sudu-sudunya dapat bergerak. Namun, gerakan sudu tersebut sangat rendah dan sebenarnya pergerakannya pun melawan aran angin. Selain terdapat pula gaya lift yang bekerja pada sudu airfoil dan mengarahkan sudu terangkat akibat gerakan angin. Pada jenis turbin horizontal gaya yang bekerja adalah gaya lift dan gaya drag, meskipun gaya lift jauh lebih besar daripada gaya drag. Perhatikan gambar fenomena drag dan lift berikut.
Fenomena drag dan lift (repository.usu.ac.id)
Pembahasan sebelumnya telah menyinggung persamaan untuk gaya tekan dan gaya lift. Namun, untuk mempermudah perhitungannya maka digunakanlah metode numeric Gerhart yang memperkenalkan koefisien gaya drag dan lift. Koefisien tersebut dilambangkan dengan CL dan CD. Besar keduanya tegantung pada sudu yang digunakan dan sudut serang (a). berikut persamaannya.
FD=12CDρAU2
FL=12CLρAU2 (1.19)
Dimana ρ adalah massa jenis angin, A adalah luas penampang sudu, dan U adalah kecepatan angin. Menurut Dewi (2010:28) kecepatan angin yang dimaksud adalah kecepatan efektir dengan vr=vw-v.
Hubungan antara CD dan CL terhadap sudut serang (a) diukur dan ditentukan secara eksperien dan sudah ada dalam sebuah katalog (repository.usu.ac.id, 2011:12)
Skematik gaya drag dan lift (repository.usu.ac.id)
Keterangan:
L : gaya lift (N)
D : gaya drag (N)
ω : kecepatan sudut pada rotor (rad/s)
R : radius turbin (m)
a : sudut serang rotor
c : kecepatan absolute elemen rotor (reultan antar v'dan u')
c = v'{( λ + cosθ)2 + (sinθ)2}1/2
v' : kecepatan angina (m/s)
u' : kecepatan tangensial elemen sudu (u' = r ω)
Mekanika Fluida
Angin merupakan salah satu jenis dari fluida selain air, oleh karena itu prinsip-prinsip pada turbin angin pun juga memuat unsur mekanika fluida di dalamnya. Mekanika fluida adalah salah satu cabang dari ilmu mekanika terapan yang berhubungan dengan tingkah laku fluida baik yang bertipe statis maupun dinamis. Pada dasarnya fluida merupakan zat yang mudah mengalir dan menyesuaikan diri dengan bentuk wadahnya. Namun, antara wujud cair dan gas masih memiliki perbedaan walaupun keduanya merupakan fluida. Pertama gas merupakan fluida yang kompresibel, sedangkan zat cair bersifat inkrompresibel. Kedua zat cair mengisi volume tertentu, sedangkan gas dengan massa tertentu akan mengembang dan mengisi seluruh bagian wadahnya (Dewi, 2010:29).
Pada pembahasan sistem konversi energi terutama pada pembahasan faktor daya yang berhubungan dengan elementer Betz, Albert Betz mengasumsikan bahwa aliran udara di depan dan di belakang rotor memiliki kecepatan yang seragam (aliran laminar). Aliran laminar merupakan salah satu jenis aliran viscous. Pembahasan aliran tersebut masuk dalam ranah fluida dinamik. Pada dasarnya aliran dibedakan atas dua jenis. Pertama adalah aliran inviscid. Aliran inviscid diasumsikan nol walaupun sebenarnya fluida dengan viskositas nol tidak akan pernah dijumpai. Kedua adalah aliran viscous. Aliran tersebut memiliki viskositas yang ditandai dengan munculnya efek gesekan yang signifikan dan biasanya terjadi dekat dengan permukaan yang padat. Sedangkan viskositas itu sendiri merupakan kemampuan menahan suatu fluida terhadap deformasi, baik itu tegangan geser atau tegangan tarik.
Daerah aliran invicid dan viscous
(epirintis.undip.ac.id, 2011:3)
Seperti yang dikatakan sebelumnya bahwa aliran laminar adalah aliran viscous. Sebenarnya terdapat jenis lain selain aliran laminar yakni aliran turbulen. Aliran laminar merupakan aliran fluida yang pergerakannya membentuk lapisan-lapisan bergaris alir dan tidak berpotongan satu sama lain. Kecepatan gerak aliran ini relatif rendah dan sejajar serta memiliki batasan-batsan berisi aliran fluida. Laminar juga merupakan ciri dari fluida yang alirannya berpindah dengan menggelinding ataupun terangkat. Pada laju aliran rendah, aliran laminar tergambar seperti filamen panjang yang mengalir dan juga memiliki bilangan Reynold lebih kecil dari 2300 (epirintis.undip.ac.id, 2011:5). Sedangkan aliran turbulen merupaka aliran fluida yang partikel-partikelnya bergerak acak dan tidak stabil dengan keceptan berfluktuasi yang saling interaksi.akibatnya garis alir antar partikel fluida
saling berpotongan. Besarnya gerakan turbulen bervariasi dari mikro hingga makro. Bilangan Reynold yang dimilikinya lebih besar dari 4000.
Bilangan Reynold merupakan koefsisen yang menyatakan perbandingan gaya-gaya inersia terhadapt gaya kekentalan atau viskos. Bialangi ini merupakan bilangan yang tidak berdimensi. Kategori bilangan Reynold terdiri dari tiga hal yakni Re<2300 maka aliran tersebut adalah laminar, Re antara 2300 hingga 400 merupakan aliran transisi, dan Re>4000 adalah aliran turbulen. Namun terdapat pula persamaan bilangan Re untuk pipa-pipa bundar yang mengalir penuh yakni.
Re=vDρμ=vDv (1.20)
Dimana,
Re : bilangan Reynold
v : kecepatan aliran (m/s)
D : diameter pipa (m)
ρ : massa jenis fluida (kg/m3)
μ : kekentalan mutlak (Pa.s)
v : μρ kekentalan kinematic fluida (m2/s)
Namun, jika saluran tidak berbentuk pipa maka diameter pipa diganti dengan diameter hidraulik (Dh)
Dh=4AP (1.21)
Dimana,
A : luas potongan melintang aliran (m2)
P : perimeter (keliling lingkaran) (m)
Airfoil
Airfoil merupakan salah satu bentuk bodi aerodinamika sederhana yang berguna untuk memberikan gaya angkat terhadap bodi lainnya dengan bantuan penyelesaian matematis dan sangat memungkinkan untuk memprediksi berapa besarnya gaya angkat yang dihasilkan oleh suatu bodi airfoil. Geometri aerofil sangat berpengaruh terhadap parameter gaya lift yakni CL.
Perkembangan aerofil ini telah ada sejak zaman perang dunia ke II. Namun, aerofil dengan hasil riset yang terkemuka hanya milik NACA (National Advisory Committee for Aeronautics). Hal ini dikarenakan pengujian yang dilakukan NACA lebih sistematik dengan membagi pengaruj efek kelengkungan dan distribusi ketebalan serta pengujian pada bilangan Reynold yang lebih tinggi daripada lainnya. Semua pengujian tersebut dirngkum dalam beberapa parameter yakni:
Permukaan atas (upper surface)
Permukaan bawah (lower surface)
Mean camber line, tempat kedudukan titik-titik antara permukaan atas dan bawah airfoil yang diukur tegak lurus terhadap mean camber line itu sendiri.
Leading edge, titik paling depan pada mean camber line, berbentuk lingkaran dengan jari-jari mendekati 0,02 c
Trailing edge, titik paling belakang mean camber line
Camber, jarak maks antara mean camber line dan garis chord yang diukur tegak lurus terhadap garis chord
Thickness, jarak antara permukaan atas dan bawah yang diukur tegak lurus terhadap garis chord (repository.usu.ac.id, 2011: 10)
2.7 Efisiensi Turbin
Efisiensi turbin angin atau biasa disebut juga unjuk kerja turbin angin dipengaruhi oleh beberapa faktor. Pada artikel yang tertulis dalam digilib.its.ac.id efisiensi turbin angin pada dasarnya ditunjukkan oleh kurva keofisien daya (Cp). Namun, sebelum memabahas tentang koefisien Betz tersebut Farid (2014:19) menyatakan bahwa besarnya daya turbin angin dipengaruhi oleh besarnya torsi dan tinggi putaran poros. Tinggi putaran poros sangat terkait dengan rotasi benda tegar. Sebuah benda dikatakan mengalami gerak rotasi apabila semua titik pada benda bergerak mengitari poros benda tersebut, seperti kipas angin. Benda tersebut juga dianggap sebagai benda tegar. Benda tegar (rigid body) dapat didefinisikan sebagai benda yang mempunyai bentuk dan ukuran yang definit dan tidak berubah.
Pada gerak rotasi, benda mengalami pergeseran, kecepatan, dan percepatan sudut. Hal ini juga merupakan analogi dengan pergeseran, kecepatan, dan percepatan linear pada gerak translasi. Titik-titik yang berbeda pada suatu benda tegar yang berotasi bergerak dengan jarak yang berbeda selama selang waktu tertentu akan bergantung pada seberapa jauh titik tersebut terhadap sumbu rotasi. Namun, karena benda tersebut tegar, maka semua titik berotasi melalui sudut yang sama dalam waktu yang sama pula. Kecepatan sudut akan bernilai positif jika benda berotasi ke arah penambahan sudut, begitupun sebaliknya. Kecepatan sudut itu sendiri (ω) merupakan limit dari kecepatan sudut rata-rata ωrt saat Δt mendekati nol. Kecepatan sudut juga didefinisikan sebagai perbandingan antara Δθ=θ2-θ1 terhadap Δt. Kemudian, ketika kecepatan benda tegar tersebut mengalami perubahan maka benda tersebut mengalami percepatan sudut (a). jika sudut θ dlam radian, maka satuan kecepatan sudut adalh radian per sekon (rad/s) atau putaran per menit (rpm). Jika ingin mengkonversi rpm menjadi rad/s maka dapat dihitung dengan persamaan ini 1 rpm = 22π60rad/s (Dewi, 2010:33)
Selain tinggi putaran poros faktor lain yang mempengaruhi daya adalah besarnya torsi. Torsi merupakan ukuran kuantitatif dari kecenderungan sebuah gaya yang dapat mengubah gerak rotasi dari suatu benda. Torsi memiliki hubungan sebanding dengan momen inersia dan percepatan putar benda. Sehingga dapat dihitung dengan persamaan berikut
τ=Ia (1.22)
Jika torsi tersebut terdapat pada masing-masing partikel, maka hal itu disebabkan oleh gaya total yang bekerja pada partikel tersebut, sehingga torsi juga dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut.
τ=v2R3λ2 (1.23)
Sedangkan pada turbin angin, besarnya torsi bergantung pada kecepatan angina dan sudu turbin. Hal itu dapat dilihat pada persamaan berikut. (Anwar dalam (Dewi, 2010:35))
PT=τω (1.24)
Mengetahui bahwa besarnya daya dipengaruhi oleh besar torsi dan tinggi putaran, maka diperlukan beberapa parameter terkait untuk dapat menganalisisnya. Sesuai pernyataan sebelumnya bahwa efisiensi turbin ditunjukkan dalam kurva koefisien daya atau Cp. Namun, Cp itu sendiri didapatkan dari perbandingan daya mekanik turbin dan daya angin (daya output). Pada dasarnya Betz hanya membatasi koefisien daya tersebut hingga 59% saja seperti pada HAWTs. Perhatikan gambar berikut.
Grafik Betz Limit
Baling-baling yang menggunakan gaya seret (drag), seperti Savonius dan American multi-blade mempunyai ratio kecepatan yang rendah dan koefisien power dari baling-baling yang menggunakan gaya angkat (lift) yaitu HAWT dan
Darrieus. Kurva yang datar dari rotor baling-baling menunjukan bahwa rotor bisa menjaga efisiensi tinggi di suatu jangka panjang dari putaran rotor selagi kurva tajam dari rotor darrieus mengalami penurunan efisiensi yang drastis ketika putaran rotor bergerak dari jarak optimum yang sempit. Rotor Darrieus dengan
koefisien power rendah pada interval tsr rendah mengindikasikan kemampuan self-starting lemah.
Setelah mengetahui nilai Cp tersebut maka perhitungan daya energi angin tidak lagi menggunkan persamaan
P = ½ ρAv³ (1.25)
Melainkan menggunakan persamaan berikut.
P = Cp½ ρAv³ (1.26)
Hal ini dikarenakan pada kondisi nyata untuk mendapatkan daya angina yang sesungguhnya faktor efisiensi dari mekanik turbin dan juga dari generator masih diperhitungkan, sehingga dipergunakalah koefisien Cp.
Selain daya angin, unjuk kerja turbin angin juga dapat diketahui dari nilai BHP nya. BHP atau Brake Horse Power merupakan daya dari turbin yang diukur setelah mengalami pembebanan oleh generator, gearbox, pompa (Farid, 2014:3). Brake yang dimaksud adalah suatu peralatan yang digunakan untuk memberika beban pada turbin sehingga putarannya dapat terjaga konstan. Jika hal ini dilakukan dalam percobaan maka pembebanan dapat digunakan generator listri dengan mengukur besar tegangan yang dihasilkan melalui persamaan berikut.
Pgenerator = V.I (1.27)
Dimana:
Pgenerator = daya generator listrik
V = Tegangan listrik
I = Arus listrik
Sedangkan untuk BHP dapat dihitung dengan rumus berikut.
BHP=Pgeneratorηgenerator (1.28)
Untuk ηgenerator didapatkan dari persamaan
η=PLPT (1.29)
Dengan,
PL = daya beban
PT = daya mekanik turbin
Sesuai pernyataan tentang BHP yang merupakan daya hasil pembebanan, ternyata faktor beban pun tidak hanya dipengaruhi dari generator, gearbox, atau bahkan pompa. Artikel dalam digilib.its.ac.id menyatakan bahwa dalam menentukan beban rotor turbin angin juga harus melihat efisiensi rotor. Efisiensi rotor itu sendiri tidak akan menentukan efisiensi sistem energi angin penggabungan rotor seperti pembebanan yang dilakukan oleh pompa dan generator yang akan mengurangi keseluruhan efisiensi. Kurva output power untuk suatu sistem yang terdiri dari generator dan rotor bukan tergantung pada efisiensi individual melainkan kecocokan antara kedua komponen itu. Gambar di bawah ini menunjukan torsi rotor pada kecepatan angin yang berbeda. Kurva yang berwarna adalah beban/torsi yang diperlukan untuk memutar generator pada rpm yang berbeda.
Beban Rotor Turbin Angin
Perhatikan kurva torsi rotor pada kecepatan angin 6/m dengan tipe medium load. Ketika rotor diam untuk kecepatan angin 6 m/s, putaran rotor akan bergerak dari nol ke rpm dari perpotongan antara dua kurva dan keseimbangan. Rotor akan menghasilkan torsi mengikuti kurva 6m/s sampai torsi rotor seimbang dengan torsi beban pada persimpangan. Jadi, dengan melihat kurva torsi
rotor untuk kecepatan bervariasi, perpotongan dari kurva ini akan membentuk putaran operasi riil dari turbin angin pada kecepatan angin yang bervariasi. Bagaimanapun, rotor/torsi beban pada perbedaan kecepatan angin bukanlah output power yang nyata. Output riil akan menurun kaitannya dengan kerugian dalam
konversi dan komponen mekanis generator. Gambar diatas juga menampilkan dua beban yang lain, yaitu light dan heavy load. Light load akan menyebabkan rotor
beroperasi pada putaran yang tinggi (tsr tinggi) yang mengakibatkan tidak maksimalnya efisiensi rotor sedangkan heavy load menyebabkan rotor berputar pelan (tsr rendah) yang mana tidak maksimalnya efisiensi rotor.
Setelah mengetahu beberapa faktor pembebanan termasuk pula BHP dan daya angin, hal lain yang terkait dengan unjuk kerja adalah perhitungan torsi. Dengan memanfaatkan hasil perhitungan BHP maka torsi dapat diketahui dengan membagi BHP dengan kecepatan sudut, seperti persamaan berikut.
T= BHPω (1.30)
Dimana,
ω= 2πn60 rad/s (1.31)
Kemudian, dari nilai BHP pun dapat diketahui efisiensi turbin angina dengan persamaan berikut.
η= BHPPinput (1.31)
2.8 Perawatan Turbin Angin
Perawatan dan pembaharuan dilakukan di beberapa bagian, seperti di bagian kincir, atau atap. Bagian kincir perlu diperbaharui setiap 30 tahun, bagian atap setiap 60 tahun dan bagian yang berbahan dasar kayu harus diganti setiap 10-20 tahun. Maka dari itu perawatan pada kincir angin terbilang cukup mahal karena harga setiap komponen sangat mahal. Walaupun begitu kita juga bisa mengontrol secara periodik komponen penting yang lainnya seperti generator, controller, gear box dll.
2.9 Perkembangan Turbin Angin dari Tahun ke Tahun
Pada saat ini, sistem pembangkit listrik tenaga angin mendapat perhatian yang cukup besar sebagai sumber energi alternatif yang bersih, aman, serta ramah lingkungan serta kelebihan-kelebihan lain yang telah disebutkan sebelumnya di atas.Turbin angin skala kecil mempunyai peranan penting terutama bagi daerah-daerah yang belum terjangkau oleh jaringan listrik .Pemanfaatan energi angin merupakan pemanfaatan energi terbaru yang paling berkembang saat ini. Berdasarkan data dari WWEA (World Wind Energi Association), sampai dengan tahun 2007 perkiraan energi listrik yang dihasilkan oleh turbin angin mencapai 93,85 GW dan menghasilkan lebih dari 1% dari total kelistrikan secara global. Amerika, Spanyol dan China merupakan negara terdepan dalam pemanfaatan energi angin.Diharapkan pada tahun 2010, total kapasitas pembangkit listrik tenaga angin secara global mencapai 170 GigaWatt.
sawing machine windmills technology
Perkembangan turbin angin di Belanda
Pada awalnya, kincir angin digunakan untuk mengeringkan daerah tanggul (Polder Mill).Hal ini dikarenakan Belanda adalah negara yang sering mengalami banjir karena tanah mereka lebih rendah dari laut sehingga mereka mengembangkan teknologi kincir angin untuk mengalirkannya lagi ke laut. Dalam beberapa abad, negara ini menjadi sangat bergantung kepada kincir angin. Hingga pada abad ke-14, mereka mengembangkan teknologi kincir angin untuk membantu penggilingan jagung, mengolah marmer,pembuatan minyak, pembuatan kertas, dan pemotongan kayu dari Jerman dan Norwegia.
Bentuk-bentuk dari kincir angin pun beragam.Ada yang berbentuk menara (Stellingmolen), menempel ke tanah (Grondzeiler), ada yang tertancap di bangunan lain (Wipmolen), dan masih banyak yang lainnya. Hingga saat ini tercatat masih ada 1.195 kincir angin yang masih aktif bekerja di Belanda dan bahkan kincir angin ini pernah membuat kota di Belanda, Zaansteerk, menjadi daerah perindustrian pertama di dunia.
Perkembangan turbin angin di Indonesia
Indonesia, negara kepulauan yang 2/3 wilayahnya adalah lautan dan mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu ± 80.791,42 Km merupakan wilayah potensial untuk pengembangan pembanglit listrik tenaga angin, namun sayang potensi ini nampaknya belum dilirik oleh pemerintah. Sungguh ironis, disaat Indonesia menjadi tuan rumah konfrensi dunia mengenai pemanasan global di Nusa Dua, Bali pada akhir tahun 2007, pemerintah justru akan membangun pembangkit listrik berbahan bakar batubara yang merupakan penyebab nomor 1 pemanasan global.
Namun, pada akhir tahun 2007 telah dibangun kincir angin pembangkit dengan kapasitas kurang dari 800 watt dibangun di empat lokasi, masing-masing di Pulau Selayar tiga unit, Sulawesi Utara dua unit, dan Nusa Penida, Bali, serta Bangka Belitung, masing-masing satu unit. Kemudian, di seluruh Indonesia, lima unit kincir angin pembangkit berkapasitas masing-masing 80 kilowatt (kW) mulai dibangun. Mengacu pada kebijakan energi nasional, maka pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB) ditargetkan mencapai 250 megawatt (MW) pada tahun 2025.
PLTB (pembangkit listrik tenaga bayu) saat ini cukup menjadi primadona di dunia barat dikarenakan potensi angin yang mereka miliki (daerah sub tropis) sangat besar.Berangsur-angsur tapi pasti, PLTN mulai diganti dengan penggunaan PLTB ataupun pembangkit renewable lainnya.Perlu diingat di lokasi-lokasi tersebut size kapasitas PLTB mereka sudah besar – besar (Min 1 MW).PLTB ukuran kecil seperti di Nusa penida dengan kapasitas 80 kW sangat teramat jarang sekarang ini. Untuk di Indonesia, dengan iklim tropisnya mungkin akan cukup sulit untuk menemukan daerah dengan potensi angin (distribusi anginnya)yang konstan/baik. Ada beberapa daerah di Indonesia yang katanya memiliki kecepatan angin cukup tinggi (gust wind) berdasarkan survei yang dilakukan selama 3 bulan, tapi hal ini tidak berguna bagi PLTB bila kecepatan angin itu hanya cuma bertahan beberapa menit/detik saja dan kemudian hilang. Perlu adanya survei/studi berkesinambungan yang memerlukan data selama minimal satu tahun untuk mevalidasi potensi angin didaerah tersebut. Rata-rata PLTB yang dijual di pasaran untuk kapasitas kecil (kurang dari 100 kW), cut in dan cut out mereka adalah 3 dan 25 m/s dengan kecepatan optimumnya adalah 12 m/s.
Didunia saat ini banyak ditemukan PLTB stand alone yang beredar dipasaran (utk ukuran 10 kW). Penggunanya adalah daerah-daerah terpencil yang tidak tersentuh oleh ataupun terlalu mahal untuk dihubungkan oleh grid.Kebanyakan dari mereka tidak pure hanya menggunakan PLTB tapi juga menggunakan PV.Selain karena disebabkan kebutuhan listrik yang cukup besar juga disertai dengan diversikasi energi apabila tiba-tiba tidak terdapat angin yang cukup.Untuk memenuhi kebutuhan listrik di Indonesia saat ini untuk daerah-daerah terpecil seperti di kepulauan-kepulauan, diperlukan hybrid system antara potensi renewable energy yang ada dilokasi (seperti PLTB-PV-baterai, PV-PLTMH-Fuel Cell, dll).Akan tetapi perlu menjadi catatan, semua teknologi untuk penggunaan energi-energi tersebut masih cukup mahal bila dilihat dari kelayakan ekonominya terutama FC dan PV.
2.10 Modifikasi Turbin Angin
Seiring perkembangan teknologi dan ilmu pengetahuan serta penelitian para ilmuan maka begitu banyak inovasi dan modifikasi yang telah dibuat trutama pada rotor turbin angina. Seperti beberapa contoh modifikasi rotor atau sudu pada turbin angin tipe savonius. Berikut penjelasannya menurut epirintis.undip.ac.id.
Rotor Savonius dua bucket
Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin ini memanfaatkan gaya hambat
(drag) saat mengekstrak energi angin dari aliran angin yang melalui sudu turbin. Koefisien hambat permukaan cekung lebih besar dari pada permukaan cembung. Oleh sebab itu, sisi permukaan cekung setengah silinder yang dilalui angin akan memberikan gaya hambat yang lebih besar daripada sisi lain sehingga rotor berputar. Setiap turbin angin yang memanfaatkan potensi angin dengan gaya hambat memiliki efisiensi yang terbatasi karena kecepatan sudu tidak dapat melebihi kecepatan angin yang melaluinya. Pada dasarnya savonius dua bucket memiliki tiga variasi lagi yakni.
Konfigurasi tanpa overlap
Rotor ini memiliki kekuatan yang tinggi karena letak porosnya yang
Tepat berada di tengah kedua bucketnya. Rotor ini memiliki efisiensi yang paling rendah.
Konfigurasi dengan overlap
Konfigurasi rotor seperti ini sering dijumpai . jenis ini memiliki ceah antar bucket sehingga membuat arah angina yang dapat meningkatkan putaran dan dapat mengurangi getaran. Efisiensi pada rotor ini memiliki efisiensi yang lebih tinggi daripada jenis konfigurasi tanpa overlap.
Konfigurasi dengan bucket didefleksikan
Konfigurasi ini berbentuk L.keunggulannya dapat membelokkan fluida dan memiliki efisiensi yang lebih baik dari jenis-jenis sebelumnya. bucket seperti diatas mampu bertindak seperti airfoil ketika fluida menabrak tepi rotor dan menimbulkan sedikit gaya lift. Dengan demikian mampu meningkatkan efisiensi. Tetapi tipe diatas relatif sulit untuk dibuat karena membutuhkan lembaran logam yang di rol, bukan dari potongan drum atau pipa.
Rotor Savonius Multi bucket
Rotor Savonius dengan tiga bucket atau lebih, cenderung memiliki torsi awal yang baik daripada rotor savonius dengan dua bucket. Semakin banyak bucket yang digunakan, maka torsi awal yang dihasilkan akan semakin besar
Rotor Savonius Rotor Helix
Tipe ini pertama kali dikenalkan tahun 2006 oleh perusahaan Helix Wind. Bentuk desain helix yang unik memiliki keuntungan antara lain memiliki getaran yang halus karena variasi torsinya relative merata untuk setiap bucket dan memiliki torsi yang baik. Namun rotor ini memiliki geometri yang relative rumit, sehingga sulit dalam pembuatan (epirintis.undip.ac.id).
2.11 Kelebihan dan Kekurangan Turbin Angin sebagai PLTB
Keuntungan utama dari penggunaan pembangkit listrik tenaga angin secara prinsipnya adalah disebabkan karena sifatnya yang terbarukan. Hal ini berarti eksploitasi sumber energi ini tidak akan membuat sumber daya angin yang berkurang seperti halnya penggunaan bahan bakar fosil. Oleh karenanya tenaga angin dapat berkontribusi dalam ketahanan energi dunia di masa depan. Tenaga angin juga merupakan sumber energi yang ramah lingkungan, dimana penggunaannya tidak mengakibatkan emisi gas buang atau polusi yang berarti ke lingkungan. Namun dalam penetapan ladang angina membutuhkan waktu yang cukup lama yakni satu hingga empat tahun, termasuk izin proyek pembangunannya.
Emisi karbon ke lingkungan dalam sumber listrik tenaga angin diperoleh dari proses manufaktur pembangunan pembangkit tenaga listrik, tetapi dalam operasinya membangkitkan listrik, secara praktis tidak menghasilkan emisi yang berarti. Jika dibandingkan dengan pembangkit listrik dengan batubara, emisi karbon dioksida pembangkit listrik tenaga angin ini hanya seperseratusnya saja. Namun begitu, pembangkit listrik tenaga angin ini tidak sepenuhnya ramah lingkungan, terdapat beberapa masalah yang terjadi akibat penggunaan sumber energi angin sebagai pembangkit listrik, diantaranya adalah dampak visual , derau suara, beberapa masalah ekologi, dan keindahan.
Dampak visual biasanya merupakan hal yang paling serius dikritik. Penggunaan ladang angin sebagai pembangkit listrik membutuhkan luas lahan yang tidak sedikit dan tidak mungkin untuk disembunyikan. Penempatan ladang angin pada lahan yang masih dapat digunakan untuk keperluan yang lain dapat menjadi persoalan tersendiri bagi penduduk setempat. Selain mengganggu pandangan akibat pemasangan barisan pembangkit angin, penggunaan lahan untuk pembangkit angin dapat mengurangi lahan pertanian serta pemukiman. Hal ini yang membuat pembangkitan tenaga angin di daratan menjadi terbatas.
Efek lain akibat penggunaan turbin angin adalah terjadinya derau frekuensi rendah. Putaran dari sudu-sudu turbin angin dengan frekuensi konstan lebih mengganggu daripada suara angin pada ranting pohon. Selain derau dari sudu-sudu turbin, penggunaan gearbox serta generator dapat menyebabkan derau suara mekanis dan juga derau suara listrik. Derau mekanik yang terjadi disebabkan oleh operasi mekanis elemen-elemen yang berada dalam nacelle atau rumah pembangkit listrik tenaga angin. Dalam keadaan tertentu turbin angin dapat juga menyebabkan interferensi elektromagnetik, mengganggu penerimaan sinyal televisi atau transmisi gelombang mikro untuk perkomunikasian.
Penentuan ketinggian dari turbin angin dilakukan dengan menganalisa data turbulensi angin dan kekuatan angin. Derau aerodinamis merupakan fungsi dari banyak faktor seperti desain sudu, kecepatan perputaran, kecepatan angin, turbulensi aliran masuk. Derau aerodinamis merupakan masalah lingkungan, oleh karena itu kecepatan perputaran rotor perlu dibatasi di bawah 70m/s. Beberapa ilmuwan berpendapat bahwa penggunaan skala besar dari pembangkit listrik tenaga angin dapat merubah iklim lokal maupun global karena menggunakan energi kinetik angin dan mengubah turbulensi udara pada daerah atmosfir.
Pengaruh ekologi yang terjadi dari penggunaan pembangkit tenaga angin adalah terhadap populasi burung dan kelelawar. Burung dan kelelawar dapat terluka atau bahkan mati akibat terbang melewati sudu-sudu yang sedang berputar. Namun dampak ini masih lebih kecil jika dibandingkan dengan kematian burung-burung akibat kendaraan, saluran transmisi listrik dan aktivitas manusia lainnya yang melibatkan pembakaran bahan bakar fosil. Selain itu, ladang angin lepas pantai memiliki masalah tersendiri yang dapat mengganggu pelaut dan kapal-kapal yang berlayar. Konstruksi tiang pembangkit listrik tenaga angin dapat mengganggu permukaan dasar laut. Hal lain yang terjadi dengan konstruksi di lepas pantai adalah terganggunya kehidupan bawah laut. Efek negatifnya dapat terjadi seperti di Irlandia, dimana terjadinya polusi yang bertanggung jawab atas berkurangnya stok ikan di daerah pemasangan turbin angin. Studi baru-baru ini menemukan bahwa ladang pembangkit listrik tenaga angin lepas pantai menambah 80 – 110 dB kepada noise frekuensi rendah yang dapat mengganggu komunikasi ikan paus dan kemungkinan distribusi predator laut.
Dalam operasinya, pembangkit listrik tenaga angin bukan tanpa kegagalan dan kecelakaan. Kegagalan operasi sudu-sudu dan juga jatuhnya es akibat perputaran telah menyebabkan beberapa kecalakaan dan kematian. Kematian juga terjadi kepada beberapa penerjun dan pesawat terbang kecil yang melewati turbin angin. Reruntuhan puing-puing berat yang dapat terjadi merupakan bahaya yang perlu diwaspadai, terutama di daerah padat penduduk dan jalan raya. Kebakaran pada turbin angin dapat terjadi dan akan sangat sulit untuk dipadamkan akibat tingginya posisi api sehingga dibiarkan begitu saja hingga terbakar habis. Hal ini dapat menyebarkan asap beracun dan juga dapat menyebabkan kebakaran berantai yang membakar habis ratusan acre lahan pertanian. Hal ini pernah terjadi pada Taman Nasional Australia dimana 800 km2 tanah terbakar. Kebocoran minyak pelumas juga dapat teradi dan dapat menyebabkan terjadinya polusi daerah setempat, dalam beberapa kasus dapat mengkontaminasi air minum.
Meskipun dampak-dampak lingkungan ini menjadi ancaman dalam pembangunan pembangkit listrik tenaga angin, namun jika dibandingkan dengan penggunaan energi fosil, dampaknya masih jauh lebih kecil. Selain itu penggunaan energi angin dalam kelistrikan telah turut serta dalam mengurangi emisi gas buang (konversi.wordpress.com).
2.12 Aplikasi Turbin Angin
Aplikasi turbin angin yang paling umum untuk era sekarang adalah sebagai sistem pembangkit tenaga listrik. Sebagai contoh di Belanda, turbin angin digunakan untuk pembangkit tenaga listrik yang dapat menyalakan generator listrik di kota-kota. Selain itu, turbin angin dapat diaplikasikan untuk proses pemotongan kayu. Dengan menggunakan turbin, maka generator yang digunakan untuk menyalakan mesin gergaji.
Pada bidang pertanian, turbin angin digunakan sebagai penyaluran air dalam irigasi. Turbin angin dibuat untuk dapat mengalihkan aliran air dari satu parit atau saluran irigasi menuju ke saluran lainnya. Selain itu, turbin angin juga membantu dalam proses penggilingan padi. Generator turbin angin digunakan untuk menyuplai listrik dan menyalakan alat penggiling padi. Sehubungan dengan itu turbin angina pun mampu mengeringkan hasil panen yaitu dengan cara meletakkan hasil panen pada bilah-bilah turbin dan dibiarkan berputar. Hal ini mampu membantu meniriskan air yang masih tersisa pada hasil panen tersebut (benergi.com).
Penutup
3.1 Simpulan
Turbin angin adalah sebuah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik, turbin angin juga digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat dengan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Sejarah turbin angin pertama kali digunakan untuk pembangkit listrik, tetapi saat ini pembangkit listrik dari turbin angin dianggap tidak ekonomis kecuali untuk negara berpenduduk jarang. Klasifikasi turbin angin secara umum dibagi menjadi dua, yakni: turbin angina sumbu horizontal dan tubin angina sumbu vertical. Sedangkan berdasarkan gaya aerodinamis pada rotor dibagi dua, yakni: rotor lift dengan memanfaatkan gaya angkat atau gaya lift, dan rotor drag yang memanfaatkan gaya tekan. Turbin TASH dibagi atas banyaknya sudu memiliki empat jenis yaitu: satu sudu, dua sudu, tiga sudu, dan multi sudu. Sedangkan konstruksi berdasarkan arah angina di bagi menjadi dua: turbin TASH up win (melawan arah angina), dan turbin TASH down win (searah angina). Turbin TASV dibagi menjadi 3 savonius, darieus, dan rotor H.
Prinsip kerja turbin angina pada intinya mengubah energi kinetik angina menjadi energi mekanik pada poros turbin, ditransfer menjadi energi listrik oleh generator. Instalasi pemasangan turbin angina ada 5, yakni: merencanakan turbin, memasang poros dan jari-jari sumbu vertical, memasang magnet sumbu vertical, menyelesaikan turbin, dan memasang komponen-komponen listrik pada turbin. Ada beberapa teori dasar turbin angina yaitu sistem konversi energi, gaya aero dinamis, mekanika fluida, desain aerofil. Efisiensi tubin di pengaruhi oleh kurva koefisien daya (Cp). Besarnya (Cp) digunakan untuk menentukan daya angina. Daya angina di pengaruhi oleh tinggi putaran poros dan besarnya torsi. Selain itu dalam menentukan efisiensi juga menggitung BHP (Brake Hourse Power). BHP merpakan daya hasil pembebanan yang dipengaruhi oleh beban generator,gear box, bahkan pompa. Nilai BHP diperoleh dari nilai perbandingan daya generator dan efisiensi generator. Kemudian nilai tersebut digunakan untuk menghitung torsi turbin dan efisiensi turbin.
Perawatan turbin angin di perlukan pembaharuan di beberapa bagian, setiap beberapa tahun kedepan. Pada perkembangan turbin saat ini, sistem pembangkit listrik tenaga angina mendapat perhatian yang cukup besar sebagai sumber alternatif yang bersih, aman, serta ramah lingkungan. Pada modifikasi turbin angina ini ada beberapa modifikasi rotor atau sudu pada turbin angin tipe savonius, yakni: rotor savonius dua bucket, rotor savonius multi bucket, dan rotor savonius rotor helix. Kelebihan turbin angina yaitu emisi karbon dan ramah lingkungan, kekurangan turbin angina yaitu: biaya terlalu mahal, lahan yang diperlukan harus sangat luas, dan susah untuk mendapatkan hembusan angin yang diperlukan. Aplikasi turbin angin yang paling umum untuk era sekarang adalah sebagai sistem pembangkit tenaga listrik.
DAFTAR RUJUKAN
Dewi, Marizka Lustia. 2010. Analisis Kinerja Turbin Angin Poros Vertikal Dengan Modifikasi Rotor Savonius L Untuk Optimasi Kinerja Turbin, (Online), (http://eprints.uns.ac.id/8109/1/144401308201009461.pdf, diakses 1 November 2016).
Isdiyarto, dkk. 2014. Model Pembangkit Listrik Tenaga Angin Dan Surya Skala Kecil Untuk Daerah Perbukitan, (Online), (journal.unnes.ac.id Home Vol 12, No 1 (2014), diakses pada 2 November 2016).
Putranto, Adityo dkk. 2011. Rancang Bangun Turbin Angin Vertikal Untuk Penerangan Rumah Tangga, (Online), (http://eprints.undip.ac.id/34839/1/Rancang_Bangun_Turbin_Angin_Vertikal_unt_RT.pdf, diakses 1 November 2016).
Romadoni, Lugi. 2013. Pembangkit Listrik Tenaga Angin, (Online), (http://lugiromadoni.blogspot.co.id/, diakses pada 2 November 2016).
Suseno, Michael. 2011. Turbin Angin, (Online), (http://michael-suseno.blogspot.co.id/2011/09/turbin-angin.html, diakses pada 2 November 2016).
repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/39452/4/Chapter%20II.pdf.
http://eprints.undip.ac.id/41638/16/BAB_II.pdf.
https://tekno.tempo.co/read/news/2016/02/17/061745753/bagaimana-potensi-pengembangan-turbin-angin-di-indonesia.
http://www2.esdm.go.id/berita/energi-baru-dan-terbarukan/323-energi-baru-dan-terbarukan/8336-pltb-70-mw-akan-segera-dibangun-di-sidrap.html
https://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin.
http://www.indoenergi.com/2012/06/pengetahuan-dasar-mengenai-turbin-angin.html.
http://whypgen-bppt.com/id/teknologi-whypgen/item/757-bagian-bagian-turbin-angin.html.
http://centurionenergy.net/wind-turbine-history.
http://id.wikihow.com/Membangun-Turbin-Angin.
https://konversi.wordpress.com/category/green-energy/wind-energy/benergi.com.
http://benergi.com/manfaat-kincir-angin-dalam-kehidupan-sehari-hari.
LAMPIRAN
SOAL-SOAL
Soal-soal turbin angin
Komponen turbin angin yang berfungsi sebagai pengaman pada saat putaran angin terjadi sangat tinggi..?
Gearbox
Brake system
Inverter
Ekor turbin
Anemometer
Pada gambar diatas adalah termasuk modifikasi jenis turbin?
Savonius tanpa overlap
Savonius dengan overlap
Darrieus tipe H
Savonius Standar
Savonius Helix
Dalam prinsip kerja turbin angin terdapat tiga urutan konversi energi yang perlu diketahui yakni
Energi potensial- energi energi mekanik- energi listrik
Energi mekanik - energi kinetik - energi listrik
Energi kinetik – energi mekanik- energi listrik
Energi kinetik – energi potensial – energi listrik
Energi mekanik – energi potensial – energi listrik
Turbin Darrius menggunakan prinsip aerodinamik yang memanfaatkan gaya
Drag
Lift
Dorong
Gravitasi
Fluktuai
Gaya yang berasal dari energi angin yang mendorong lurus sudu searah dengan angin adalah
Drag
Lift
Tekan
Fluktuasi
Gravitasi
Essay
Menurut arah sumbu rotasinya, turbin angina dibedakan menjadi 2 bagian, yaitu turbin angina sumbu vertikal (TASV) dan turbin angina sumbu horizontal (TASH). Jelaskan!
Jawab:
Turbin angina sumbu vertikal (TASV) atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT), memiliki poros atau sumbu rotor utama yang tegak lurus. kelebihan utama poros tegak adalah turbin tidak harus diarahkan ke angina. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. VAWT mampu memperdayagunakan angina dari berbagai arah.
Turbin angina sumbu horizontal (TASH) atau Horizontal Axis Wind Turbin (HAWT), disebut juga tipe propeller (seperti baling-baling). Memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin angina ini harus di arahkan sesuai dengan arah angina yang paling tinggi kecepatannya, sehingga pada umumnya menggunakan sebuah sensor angina yang di gandengkan ke sebuah servo motor atau YAW.
Efisien turbin pada dasarnya ditunjukkan oleh kurva koefisien Cp yang besarnya oleh Betz hanya dibatasi pada 59%. Jelaskan!
Jawab:
Efisiensi turbin juga didasarkan pada daya turbin. Daya turbin tidak mampu berdiri sendiri dalam perhitungan dasarnya. Hal ini dikarenakan turbin memiliki beberapa macam bentuk sudu. Oleh karena itu, Betz memberikan kurva koefisien Cp yang sebenarnya merupakan faktor daya. Pada kurva tersebut faktor daya pada setiap jenis turbin berbeda. Besarnya Cp berdasarkan perbandingan daya turbin dan daya angin. Namun, Betz hanya membatasi pada nilai 59%, dikarenakan meski asumsi ideal tetap dipertahankan dalam arti aliran dianggap tanpa gesekan dan daya keluaran dihitung tanpa mempertimbangkan jenis turbin, maka daya maksimum yang dapat diperoleh dari energi angin hanya sebatas 0,593 (59,3%) saja.
Jika angin berhembus pada kecepatan 36 km/jam melewati sudu turbin yang memiliki luas area 20 m2 daya angin yang dihasilkan sebesar 90 kW. Tentukan kerapatan angin dan faktor daya jika diketahui daya turbin sebesar 40,5 kW!
Diketahui : v = 36 km/ jam
= 36000 m/ 3600 s
= 10 m/s
A = 20 m2
Pw = 90 kW
PT = 40,5 kW
Ditanyakan : Besarnya ρ dan Cp?
Jawab
Pw=12ρAv3 ---- ρ=2PwAv3
ρ=2PwAv3
ρ=2.9000020.103
ρ=9kgm3
Cp=PTPw
Cp=40,5 kW90 kW
Cp=40,5 kW90 kW
Cp=0,45 ×100%=45 %