4

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Angin

Angin adalah aliran udara dalam jumlah yang besar diakibatkan oleh rotasi bumi

dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Angin bergerak dari

tempat bertekanan udara tinggi ke bertekanan udara rendah. Apabila dipanaskan, udara

memuai. Udara yang telah memuai menjadi lebih ringan sehingga naik. Apabila hal ini

terjadi, tekanan udara turun kerena udaranya berkurang. Udara dingin di sekitarnya

mengalir ke tempat yang bertekanan rendah tadi. Udara menyusut menjadi lebih berat

dan turun ke tanah. Di atas tanah udara menjadi panas lagi dan naik kembali. Aliran

naiknya udara panas dan turunnya udara dingin ini dinamakan konveksi.

Menurut ilmu fisika Angin merupakan energi kinetik dari sebuah benda dengan

massa m dan kecepatan v dirumuskan sesuai dengan rumus berikut, dengan ketentuan

kecepatan v tidak mendekati kecepatan cahaya.

(2.1)

Dimana :

E = energi dari udara (Joule)

m = massa udara (kg)

v = kecepatan angin (m/s)

rumus di atas juga berlaku untuk angin yang merupakan udara yang bergerak. Jika suatu

“blok” udara memiliki penampung A dan bergerak dengan kecepatan v, maka jumlah

massa yang melewati suatu tempat dapat dilihat pada rumus berikut:

(2.2)

m = kelajuan aliran massa udara (kg/s)

ρ = kerapatan udara (kg/m3)

A = luas penampang (m2)

5

(2.3)

d = diameter sudu (m)

h = tinggi sudu (m)

v = kecepatan angin (m/s)

Dengan demikian maka energi yang dapat dihasilkan per-satuan waktu adalah sesuai

dengan rumus berikut:

(2.4)

2.2. Daya yang diekstrak oleh angin

Daya angin yang diekstrak adalah beda antara kekuatan angin pada hulu dan

hilir kekuatan angin. Dirumuskan sebagai berikut:

* +*

+ (2.5)

Dimana:

Po = daya mekanis yang diekstrak (Watt)

V = kecepatan angin pada hulu (m/s)

Vo = kecepatan angin pada hilir (m/s)

Aliran massa per-detik merupakan perkalian antara massa jenis udara dan kecepatan

rata-rata, yang dirumuskan sebagai berikut:

* +

(2.6)

Sehingga didapat daya yang diekstrak oleh mekanik dari rotor, yang dimana untuk

meng-drive generator dan dirumuskan sebagai berikut:

,

( )

-(

) (2.7)

Jika dihubungkan dengan ekspresi aljabar sebelumnya maka akan di dapat rumusan

sebagai berikut:

6

,

. /( .

/ )

- (2.8)

Jadi daya yang telah terekstrak oleh bilah dirumuskan sebagai berikut:

(2.9)

Dimana :

(

)( (

) )

(2.10)

2.3. Area Sapuan Rotor

Dilihat kembali dari rumus daya, bahwa daya keluaran dari turbin angin

berbanding lurus dengan luas area sapuan rotor. Untuk turbin horisontal, luas sapuan

areanya dirumuskan sebagai berikut:

(2.11)

Dimana :

D = rotor diameter (m)

Sedangkan untuk turbin vertikal mengacu pada turbin Darrieus sumbu vertikal,

penentuan area sapuan sangat komplek dan melibatkan integral elips. Dengan demikian,

mengacu dari bentuk bilah berbentuk parabola digambarkan dengan rumusan simpelnya

adalah sebagai berikut:

( )( ) (2.12)

2.4. Turbin Angin

Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida.

Turbin Angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik.

Turbin angin dibagi menjadi 2 jenis yaitu turbin angin sumbu horisontal (TASH) dan

turbin angin sumbu vertikal (TASV).

7

Gambar 2.1 turbin angin sumbu horisontal

Gambar 2.2 turbin angin sumbu vertikal

Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) merupakan turbin angin sumbu tegak yang

gerakan poros dan rotor sejajar dengan arah angin, sehingga rotor dapat berputar pada

semua arah angin. Ada tiga tipe rotor pada turbin angin jenis ini, yaitu: Savonius,

8

Darrieus, dan H rotor. Turbin Savonius memanfaatkan gaya drag sedangkan Darrieus

dan H rotor memanfaatkan gaya lift.

Sama halnya seperti HAWT, VAWT juga mempunyai beberapa kelebihan dan

kekurangan. Kelebihannya, yaitu memiliki torsi tinggi sehingga dapat berputar pada

kecepatan angin rendah, dinamo atau generator dapat ditempatkan di bagian bawah

turbin sehingga mempermudah perawatan, tidak bising, dan kerja turbin tidak

dipengaruhi arah angin. Kekurangannya yaitu kecepatan angin di bagian bawah sangat

rendah sehingga apabila tidak memakai tower akan menghasilkan putaran yang rendah,

dan efisiensi lebih rendah dibandingkan HAWT. VAWT awalnya lebih berkembang

untuk konversi energi mekanik, tetapi seiring dengan perkembangan desain, turbin tipe

ini banyak digunakan untuk konversi energi listrik skala kecil.

2.5. Turbin Ventilator

Turbin Ventilator adalah alat sejenis exhaust fan atau roof fan, dimana fungsi

alat tersebut adalah menghisap udara panas, debu, dan juga berfungsi sebagai alat

ventilasi atau sirkulasi udara. Turbin Ventilator Otomatis tidak memakai tenaga listrik,

bebas perawatan, dan dapat bekerja selama 24 jam.

Gambar 2.3 Turbin ventilator

2.6. Generator

Generator listrik adalah mesin yang mengubah energi mekanik menjadi energi

listrik. Ditemukan pertama kali oleh Faraday pada tahun 1831. Cara kerja generator

9

listrik menggunakan induksi elektromagnet, yaitu dengan memutar kumparan dalam

medan magnet sehingga menimbulkan induksi. Besarnya GGL induksi tergantung pada

kecepatan putarnya.

(2.13)

Ɛ = Gaya gerak listrik

N = jumlah lilitan

B = kuat medan magnet

A = luas penampang kumparan

ɷ = kecepatan putaran

Gambar 2.4 Generator AC

2.7. Regulator

Pengatur tegangan (Regulator Voltage) berfungsi menyediakan suatu tegangan

keluaran dc tetap yang tidak dipengaruhi oleh perubahan tegangan masukan, arus beban

keluaran, dan suhu. Pengatur tegangan adalah salah satu bagian dari rangkaian catu daya

DC. Pengatur tegangan dikelompokkan dalam dua kategori, pengatur linier dan

switching regulator. yang termasuk dalam kategori pengatur linier, dua jenis yang

umum adalah pengatur tegangan seri (Series Regulator) dan pengatur tegangan parallel

(Shunt Regulators). Dua jenis pengatur diatas dapat diperoleh untuk keluaran tegangan

positif maupun negatif. Sedangkan untuk switching regulator terdapat tiga jenis

konfiguarsi yaitu, step-up, step-down dan inverting.

10

Gambar 2.5 Regulator DC to DC

2.7.1. Step Down Regulator

Step-down regulator atau dikenal juga dengan Buck regulator memiliki

cara kerja yaitu dengan mengubah nilai tegangan masukan ke nilai tegangan

keluaran yang lebih rendah. Nilai masukan yang dihasilkan dapat di hitung

dengan persamaan berikut :

(2.14)

Dimana :

D = Duty cycle (%)

Vo = Tegangan keluaran volt)

Vin = tegangan masukan (volt)

Keuntungan pada konvigurasi buck antara lain adalah efisiensi yang tinggi,

rangkaiannya sederhana, tidak memerlukan transformer,riak ripple pada

tegangan keluaran yang rendah sehingga penyaring atau filter yang di butuhkan

pun relatif kecil.

Kekurangan yang ditemukan misalnya adalah tidak adanya isolasi antara

masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkat ripple

yang tinggi pada arus masukan.

2.7.2. Step Up Regulator

Step-up regulator atau dikenal juga dengan Boost regulator memiliki cara

kerja yaitu dengan menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi dari

11

tegangan masukannya. Besarnya tegangan keluaran yang dihasilkan dapat

dihitung menggunakan persamaan.

( ) (2.15)

Dimana :

D = Duty cycle (%)

Boost juga memiliki rangkaian yang sederhana, tanpa transformer dan tingkat

ripple yang rendah pada arus masukan. Tetapi boost tidak memiliki isolasi

antara masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkat

ripple yang tinggi pada tegangan keluaran.

2.8. Arduino

Arduino adalah pengendali mikro single-board yang bersifat open-source, yang

diturunkan dari wiring platform, yang dirancang untuk memudahkan penggunaan

elektronik dalam berbagai bidang. Pada Perangkat keras memiliki prosesor atmel AVR

dan pada perangkat lunak memiliki bahasa pemrograman sendiri.

Arduino memiliki kelebihan tidak perlu perangkat chip programmer karena

didalamnya sudah ada bootloadder yang akan menangani upload program dari

computer, sudah memiliki sarana komunikasi USB, Sehingga pengguna laptop yang

tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya dan memiliki modul siap pakai

(Shield) yang bisa ditancapkan pada board arduino. Contohnya shield GPS, Ethernet,dll.

Arduino yang digunakan adalah Arduino nano 3x yang menggunakan IC

mikrokontroler ATmega 328, berikut spesifikasi dari Arduinonano 3x.

Mikrokontroler Atmel ATmega168 or ATmega328

Tegangan operasi (logic level) 5 V

Input Tegangan (recommended) 7-12 V

Input Tegangan (limits) 6-20 V

Digital I/O Pins 14 (of which 6 provide PWM output)

Analog Input Pins 8

Arus DC tiap pin I/O 40 mA

12

Flash Memory 16 KB (ATmega168) or 32 KB (ATmega328) of

which 2 KB used by bootloader

SRAM 1 KB (ATmega168) or 2 KB (ATmega328)

EEPROM 512 bytes (ATmega168) or 1 KB (ATmega328)

Clock Speed 16 MHz

Dimensi 0.73" x 1.70"

Panjang 45 mm

Lebar 18 mm

Berat 5 g

Gambar 2.6 Arduino nano

2.9. Akumulator

Akumulator merupakan sebuah media penyimpanan energy listrik dalam bentuk

energi kimia. Contoh-contoh akumulator adalah baterai dan kapasitor. Akumulator yang

banyak dipakai termasuk ke dalam jenis sel sekunder, artinya sel ini dapat dimuati ulang

ketika muatannya habis. Ini karena reaksi kimia dalam sel dapat dibalikkan arahnya.

Jadi sewaktu sel dimuati, energi listrik diubah menjadi energi kimia, dan sewaktu sel

bekerja, energi kimia diubah menjadi energi listrik. Sebagai standart pembuatan

Akumulator, ditetapkan standar internasional setiap satu cell akumulator memiliki

tegangan sebesar 2 volt. sehingga baterai 12 volt, memiliki 6 cell sedangkan baterai 24

volt memiliki 12 cell.

13

Gambar 2.7 Baterai Li-ion pada ponsel

Dalam perancangan ini menggunakan baterai Lithium-Ion (Li-Ion) sebagai

penyimpan tegangan. Dengan spesifikasi 3,7V 1200 mAH. Baterai Li-Ion adalah salah

satu baterai yang dapat diisi ulang (rechargeable). Di dalam baterai ini, ion lithium

bergerak dari elektroda negatif ke elektroda positif saat dilepaskan, dan kembali saat

diisi ulang. Baterai Li-Ion memakai senyawa lithium sebagai bahan elektrodanya,

berbeda dengan lithium metalik yang dipakai di baterai lithium non-isi ulang. Kelebihan

dari baterai Li-Ion adalah :

1. Li-Ion tidak memiliki memory effect

Maksudnya adalah saat proses charging hanya menambah penyimpanan energi.

Pada baterai jenis sebelumnya, proses charging sebenarnya melakukan dua tahap,

discharge completely, mengosongkan semua isi dari baterai terlebih dahulu, lalu re-

charging. Hal ini berarti proses charging Li-Ion membutuhkan waktu yang lebih

sedikit daripada nickel-metal hydride ( NiMH ) atau jenis baterai sebelumnya.

2. Memiliki densitas energi yang baik.

Maksudnya adalah baterai jenis Li-Ion memiliki kepadatan energi yang baik

sehingga mampu menyimpan daya lebih besar.

3. Memiliki tingkat kehilangan daya yang kecil jika disimpan untuk jangka waktu

yang lama yaitu 5% per bulan dibandingkan dengan NiMH yang 20% per bulan.

4. Memiliki siklus charge yang banyak.

Maksudnya adalah dapat digunakan berulang-ulang kali dan diisi berulang-ulang

kali, umumnya sampai 1000 siklus.

14

Kekurangan dari baterai Li-Ion adalah :

1. Li-Ion sangan sensitif terhadap temperatur tinggi.

Panas akan membuat masa pemakaian Li-Ion lebih cepat habis, kurang dari masa

pemakaian normal 3 tahun.

2. Kemampuan dari baterai akan mulai menurun segera setelah baterai meninggalkan

pabrik.

2.10. Anemometer

Anemometer adalah alat untuk mengukur kecepatan udara atau kecepatan gas

dalam fenomena terjadinya hembusan angin, contohnya untuk mengukur aliran udara di

dalam saluran, atau juga pengukuran arus terbatasi, seperti angin atmosfer. Untuk

menentukan kecepatan, anemometer mendeteksi perubahan di beberapa sifat fisik dari

fluida atau efek fluida pada alat mekanis dimasukkan ke dalam aliran.

Gambar 2.8 Anemometer

Pada perancangan ini menggunakan anemometer edisi saku dari bentech dengan

seri Bentech GM816. Anemometer ini memiliki spesifikasi dapat mengukur kecepatan

angin Range : 0 - 30 m/s, 0 - 90 km/h, 0 - 5860 ft/min, 0 - 65 mph, 0 - 55 Knots.

Resolusi : 0.1 m/s, 0.3 km/h, 19 ft/min, 0.2 mph, 0.2 Knots.

Threshold : 0.1m/s, 0.3 km/h, 39 ft/min, 0.2 mph, 0.1 Knots.

Accuracy : +/- 5%.

15

Spesifikasi pengukuran temperatur udara:

Range :-10oC - 45

oC(14

oF-113

oF). Resolusi: 0.2

oC, 0.36

oF. Accuracy : 2

oC, 3.6

oF.

operating humidity : kurang dari atau sama dengan 90% RH.

2.11. Display

Display disini berfungsi untuk menampilkan nilai dari suatu alat dengan nomor

desimal. Biasanya sebagai voltmeter, ampere meter dan lain lain yang membutuhkan

tampilan nomor digital.