BAB II

2.1. Konsep Dasar AnginAngin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya.Angin bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke bertekanan udara rendah.Kecepatan angin dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya letak tempat dimana kecepatan angin di dekat khatulistiwa lebih cepat dari yang jauh dari garis khatulistiwa. Semakin tinggi tempat, semakin kencang pula angin yang bertiup, hal ini disebabkan oleh pengaruh gaya gesekan yang menghambat laju udara. Di permukaan bumi, gunung, pohon, dan topografi yang tidak rata lainnya memberikan gaya gesekan yang besar. Semakin tinggi suatu tempat, gaya gesekan ini semakin kecil. Arah angin ditunjukan oleh arah dari mana angin berasal. Misalnya, angin utara bertiup dari utara ke selatan. Di bandara, windsocks digunakan untuk menunjukkan arah angin, tetapi juga dapat digunakan untuk memperkirakan kecepatan angin dengan sudut gantungnya. Kecepatan angin biasanya diukur dengan anemometer.

2.2. Kincir AnginKincir angin adalah mesin penggerak, dimana energi fluida kerja dari angin digunakan langsung untuk memutar rotor.Rotor tersebut bagian dari kincir yang berputar dipakai untuk mengerakan poros daya yang digunakan untuk berbagai keperluan seperti generator listrik, pompa ataupun mesin penggiling.Sedangkan bagian yang tidak berputar adalah stator atau rumah turbin.

Gambar. 2.1 kincir AnginSumber :hawt-httpid.wikipedia.orgwikiTurbin_angin

Prinsip kerja kincir angin bekerja dengan memanfaatkan daya ekstraksi angin saat rotor berputar akibat gerak udara.Sehingga kerja angin dikarenakan adanya gerak aerodinamika yang terjadi pada blade. Apabila aliran angin yang mengalir melalui blade yang posisinya tegak lurus terhadap aliran angin maka akantimbul perbedaan tekanan pada bagian muka dan belakang blade. Selisih tekanan yang terjadi pada blade ini akan menghasilkan suatu gaya yang bekerja padanya. Kemudian daya yang dapat dimanfaatkan oleh kincir angin bukan merupakan seluruhnya daya yang dibawa oleh angin, akan tetapi secara teoritis daya yang dimanfaatkan oleh kincir angin tidak lebih dari 59,3 % atau harga koefisien daya maksimum (Cpmaks< 0,593).Sebelum membuat kincir angin juga perlu dipertimbangkan kecepatan rotor.Dimana hal itu memungkinkan untuk memiliki kecepatan tinggi dengan torsi yang rendah atau kecepatan rendah dengan torsi yang tinggi.Untuk energi listrik membutuhkan kecepatan rotor yang tinggi karena umumnya generator di desain dengan putaran yang tinggi agar memberikan efisiensi yang lebih baik.Sedangkan untuk pemompaan atau mesin penggilingan biasanya membutuhkan rotor yang rendah dengan torsi yang tinggi.

2.3. Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)Turbin angin sumbu vertikal/tegak (atau TASV) memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. TASV mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah.Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat kincir berputar.Karena sulit dipasang di atas menara, turbin sumbu tegak sering dipasang lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah atau puncak atap sebuah bangunan. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga yang tersedia adalah energi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa menyebabkan berbagai permasalahan yang berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan atau mempersingkat umur turbin angin. Jika tinggi puncak atap yang dipasangi menara turbin kira-kira 50% dari tinggi bangunan, ini merupakan titik optimal bagi energi angin yang maksimal dan turbulensi angin yang minimal

Gambar. 2.2 Contoh Kincir AnginDarrieusSumber :vawt-httpid.wikipedia.orgwikiTurbin_angin

2.3.1. Kelebihan Turbin Angin Sumbu VertikalKincir angin poros vertikal seperti pada Gambar 2.2 memiliki keunggulan diantaranya tidak harus mengubah posisinya jika arah angin berubah, kincir angin poros vertikal juga memiliki kecepatan awal yang lebih rendah dibandingkan dengan kincir angin poros horizontal, sehingga cocok untuk digunakan untuk daerah yang memiliki potensi angin yang rendah seperti Indonesia

2.3.2. Kelemahan Turbin Angin Sumbu VertikalKincir angin poros vertikal juga memiliki beberapa kelemahan, diantaranya kebanyakan kincir angin jenis ini membutuhkan energi awalan untuk mulai berputar dan juga menggunakan kabel untuk menyanggah, memberi tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan.

2.4. Airfoil NACAAerodimnamika suatu bilah-sudu turbin angin memiliki bentuk-bentuk airfoil dengan tata-nama sebagaimana gambar 2.3.

ujung depan (leading edge)tebalcamberujung seret (trailing edge)tali busur, c (chord)Gambar 2.3. Tata nama airfoilgaris rata-rata cambergaris tali busurPada airfoil NACA seri empat, digit pertama menyatakan persen maksimum chamber terhadap chord. Digit kedua menyatakan persepuluh posisi maksimum chamber pada chord dari leading edge. Sedangkan dua digit terakhir menyatakan persen ketebalan airfoil terhadap chord. Contoh : airfoil NACA 2412 memiliki maksimum chamber 0.02 terletak pada 0.4c dari leading edge dan memiliki ketebalan maksimum 12% chord atau 0.12c. Airfoil yang tidak memiliki kelengkungan, dimana chamber line dan chord berhimpit disebut airfoil simetrik. Contohnya adalah NACA 0021 yang merupakan airfoil simetrik dengan ketebalan maksimum 0.02c.Contoh: NACA 0020, dengan chord 100cm Camber maksimum = 0,00 x chord =0,00 x 100 = 0cm Jarak camber maksimum dari leading edge = 0,0 x 100 = 0cm Tebal maksimum = 0,20 x chord = 0,20 x 100 = 20cm NACA 0 0 20 dengan chord 100mmTebal maksimum = 20 mmJarak camber maksimum dari leading edge = 0 mmCamber maksimum = 0 mm

2.5 Sudut Serang

Gambar. 2.19 Sudut Serang AirfoilSumberSudut serang () adalah sudut antara kecepatan angin relative dan korda, dari sebuah airfoil. Dalam keadaan tersebut tekanan dan tegangan pada seleruh permukaan sebuah airfoil mengakibatkan gaya aerodinamik. Gaya ini dapat diuraikan menjadi dua komponen yaitu : gaya angkat L (lift) dan gaya tahan D (drag). Tekanan momen M yang cenderung memutar blade. Bentuk blade yang digunakan blade regtanguler dengan type propeller. Untuk sudut serang yang dipakai adalah 100, 150, dan30o.

2.6. Gaya Angkat (Lift force) dan Gaya Hambat (Drag force)Gaya angkat (Lift force) dan Gaya hambat (Drag force) mendefinisikan komponen komponen gaya yang dilakukan oleh fluida yang bergerak terhadap suatu benda yang masing-masing tegak lurus dan sejajar terhadap kecepatan relative fluida yang datang. Dengan perkataan lain, pada bilah-sudu dapat dinyatakan;1. Gaya angkat (Lift force) adalah gaya tegak lurus dengan arah gerakan, kita harus membuat gaya ini besar.1. Gaya hambat (Drag force) gaya sejajar dengan arah gerakan, kita harus membuatnya menjadi sekecil mungkin.Dalam gambar 2.4. menunjukkan bahwa kecepatan aliran sisi atas airfoil lebih besar dibandingkan kecepatan bebasnya angin. Dengan merujuk persamaan Bernoulli, tekanan pada sisi atas airfoil menjadi lebih kecil dibandingkan dengan tekanan udara bebasnya sehingga berakibat tekanan menjadi negatif.

50100300anginGambar 2.4. Aliran udara disekitar bentuk bilah-sudu, dekat dengan ujung sayap pada berbagai sudut Bidang RotasiLDDDLLBidang RotasiGambar 2.4. menunjukkan prinsip operasi aerodinamika dasar pada sebuah bilah sudu turbin angin aksis vertikal. Angin melewati permukaan bilah sudu yang berbentuk airfoil. Angin ini lewat sangat cepat sepanjang sisi bagian atas bilah sudu airfoil menghasilkan tekanan yang rendah diatas airfoil.Perbedaan tekanan dari kedua sisi atas dan bawah bilah airfoil menghasilkan gaya yang disebut gaya angkat aerodinamik (aerodynamic lift). Pada sayap pesawat terbang gaya yang bekerja pada airfoil ini dipakai untuk mengangkat pesawat terbang untuk take off. Untuk bilah-sudu turbin angin, airfoil dipasang pada naf sebagai pusat geraknya sehingga gaya lift mengakibatkan gerak rotasi rotor. Dalam mendisain bilah-sudu ini pada turbin angin sebaiknya dibuat rasio yang besar antara lift dan drag. Rasio ini dapat bervariasi sepanjang bilah-sudu untuk mengoptimalkan energi keluaran dari turbin untuk berbagai kecepatan angin

2.6.1. Gaya Angkat (Lift)

Gambar. 2.5. Terjadinya Gaya Angkat

Resultan gaya pada permukaan atas dan bawah airfoil inilah yang disebut gaya aerodinamika (R) yang dapat diuraikan menjadi gaya angkat (L) dan gaya tahan (D). Titik tangkap gaya R dan L pad airfoil dinamakan pusat tekanan (center of pressure) terletak pada jarak Xcp dari tepi depan.Gaya angkat :atauDinama :L: gaya angkat (lift): massa jenis udaraCo: kecepatan angin relative, arah berlawanan dengan kecepatan terbangS: luas proyeksi bidang sayapCL: koefisien gaya angkat (lift)L/S: tekanan gaya angkat (lift)

2.6.2. Gaya Tahan (Drag)Gaya tahan adalah komponen gaya aerodinamika yang sejajar dengan tepi berlawanan arah dengan kecepatan terbang (searah dengan kecepatan relative) dan menghemat gerakan sayap. Gaya tahan atau tahanan (drag) terdiri dari gaya tahan yang terjadi karena terjadinya gaya angkat dan gaya tahan pasif.

GAYA LIFTGAYA DRAG

Gambar. 2.6. Terjadinya Gaya drag (dorong)

Dimana :Di: gaya tahan karena terjadinya gaya angkat, biasanya disebut tahanan terinduksi Dp: gaya tahan parasit CDi,CDp : berturut-turut menyatakan koefisien tahanan karena gaya angkatP: tekanan dinamikaS: luas sayap

2.7. Jumlah SuduJumlah sudupada rotor turbin angin bervariasi, dan tidak ada tinjauan teoritis yang benar sebagai konsep terbaik, tetapi lebih ditentukan oleh jenis penggunaannya, misalnya untuk pembangkit listrik atau pompa air, serta kecepatan angin saat rotor mulai berputar.1. Konsep satu sudu, sulit setimbang, membutuhkan angin yang sangat kencang untuk menghasilkan gaya angkat memutar, dan menghasilkan noise di ujungnya. Konsep ini telah dikembangkan sukses di Jerman.2. Konsep dua sudu, mudah untuk setimbang, tetapi kesetimbangannya masih mudah bergeser. Disain suduharus memiliki kelengkungan yang tajam untuk dapat menangkap energi angin secara efektif, tetapi pada kecepatan angin rendah (sekitar 3 m/s) putarannya sulit dimulai.3. Konsep tiga sudu, lebih setimbang dan kelengkungan sudulebih halus untuk dapat menangkap energi angin secara efektif. Konsep ini paling sering dipakai pada turbin komersial.4. Konsep multi sudu (misalnya 12 sudu), justru memiliki efisiensi rendah, tetapi dapat menghasilkan momen gaya awal yang cukup besar untuk mulai berputar, cocok untuk kecepatan angin rendah walaupun dioperasikan dengan transmisi gear sampai 1:10. Memiliki profil suduyang tipis, kecil, kelengkungan halus, dan konstruksi yang solid. Konsep ini banyak dijumpai pada turbin angin untuk keperluan memompa air, menggiling biji-bijian, karena murah dan mampu bekerja pada kecepatan angin rendah sehingga tower tidak perlu terlalu tinggi dan air dapat dipompa secara kontinu. Konsep dua dan tiga sudu membutuhkan momen gaya awal yang cukup untuk mulai proses putaran dan dapat menjadi kendala bila mesin memiliki rasio transmisi gear lebih dari 1:5 pada kecepatan angin rendah. Pada turbin angin skala besar, diperlukan mesin (disel) untuk memulai berputar (sebagai motor) sampai rotor memiliki daya yang cukup untuk mengimbangi beban mekanik dan beban induksi generator.

2.8. Daya AnginEnergi angin berasal dari dua penyebab utama, yaitu dari pemanasan udara atmosfir yang membangkitkan arus konveksi dan gerakan relatif udara atmosfer terhadap putaran bumi.Daya teoritik yang tersedia pada angin dapat dihitung denan persamaan sebagai berikut :Dimana :P: daya teoritik angin (watt): massa jenis udara (kg/m3) pada 1000 m.bar; temperature 290 K = 1,201 kg/m3A: luas penampang melintang arus angin (m2)V0: kecepatan angin (m/s)

Gambar. 2.7. Kecepatan Angin pada Suatu Rotor

Dalam sebuah lorong angin energi yang dihasilkan merupakan nilai perbedaan energi angin di depan dan dibelakang rotor.Sehingga daya yang dibangkitkan oleh angin adalah :Jika kita hubungkan antara daya dengan daya yang terkandung dalam angin, maka didapatkan koefisien daya (power coefficient) Cp, yang dinamakan juga sebagai efisiensi aerodinamika (aerodynamic efficiency).Dengan Dengan asumsi bahwa kecepatan angin pada bidang rotor :maka diperoleh :Diagram berikut menunjukan koefisien daya Cp sebagai fungsi dari rasio kecepatan V2 dengan V0.

Gambar. 2.8. Koefisien Daya Menurut Betz

Untuk memcapai nilai optimal penggunaan energi angin, maka kecepatan dibalik rotor harus 1/3 dari kecepatan di depan rotor V0. Sehingga koefisien daya Cp,Betz = 0,59259. Oleh karena itu bearnya energi yang maksimal dapat diserap dari angin hanya 0,59259 dari energi yang tersedia.Hal tersebut juga dapat dicapai dengan daun turbin yang dirancang denansangat baik. Pada penelitian ini untuk menentukan nilai koefisien daya Cp digunakan beberapa persaman. Berikut ini adalah beberapa penurunan rumus untuk mendapatkan persamaan tersebut.Pada perancangan ini untuk menentukan nilai koefisien daya Cp digunakan beberapa persaman. Berikut ini adalah beberapa penurunan rumus untuk mendapatkan persamaan tersebut.Rumus untuk menghitung daya poros turbin angin diperoleh dari persamaan umum daya berikut : ,dengan Dimana :W: usaha (joule)st: waktu (sekon)F: gaya (newton)s: jarak (meter)Diketahui juga bahwa :Persamaan ini adalah rumus umum kecepatan v (m/s), dimana s (m) adalah jarak dan t adalah waktu yang dibutuhkan sebuah benda (fluida) dalam satuan sekon untuk menempuh jarak s tersebut.Sehingga pesamaan daya rotor didapat :Dimana v merupakan kecepatan linier rotor turbin. Kerena rotor turbin bergerak melingkar, maka v merupakan hasil kali antara jari-jari rotor r dengan kecepatan putar rotor turbin Q Sehingga : , dengan Dimana dengan F adalah gaya yang memutar rotor turbin dan adalah torsi yang dihasilkan oleh rotor turbin angin. Jika persamaan torsi disubtitusikan ke daya rotor maka akan diperoleh persamaan untuk menghitung daya poros (rotor) turbin, seperti yang tertuliskan dalam persamaana berikut :Maka dengan mensubtitusikan persamaan daya rotor ini dan persamaan daya angin ke dalam persamaan koefisien daya, diperoleh persamaan sebagai berikut :

Gambar. 2.9. Kurva Aliran tekanan dan kecepatan yang melewati turbinKecepatan angin berkurang ketika melewati turbin dari titik a ke b sejak energi kinetik di konversikan ke energi mekanik yang bekerja. kecepatan masuk Vi tidak berkurang secara tiba tiba tetapi berkurang secara berangsur-angsur selama mendekati turbin sampai meninggalkan turbin menuju Ve dengan demikian Vi > Va dan Vb > Ve dengan demikian Pa > Pi dan Pb < Pe

2.4.2 Nomenklatur AirfoilNACA (National Advisory Committe for Aeronautics) merupakan standar dalam perancangan suatu airfoil. Perancangan airfoil pada dasarnya bersifat khusus dan dibuat menurut selera serta sesuai dengan kebutuhan dari pesawat yang akan dibuat. Akan tetapi NACA menggunakan bentuk airfoil yang disusun secara sistematis dan rasional. NACA mengidentifikasi bentuk airfoil dengan menggunakan sistem angka kunci seperti seri satu , seri enam , seri empat angka , dan seri lima angka .Berikut adalah identifikasi angka-angka dari seri NACA tersebut :1. Seri Satu Angka pertama adalah menunjukkan serinya. Angka kedua menunjukkan letak tekanan minimum dalam persepuluh chorddari trailingedge. Angka ketiga menunjukkan koefisien gaya angkat (cl) rancangan dalam persepuluhchord. Dua angka terakhir menunjukkan maksimum thicknes atau ketebalan maksimum dalam perseratus chord.Contoh airfoil dengan NACA 16-123, angka 1 adalah serinya (seri satu angka), memiliki letak tekanan minimum 60 % chord dari trailingedge, memiliki koefisien gaya angkat rancangan 0.1 dan mempunyai ketebalan maksimum 23 % chord.

Gambar 2.14 Airfoil NACA seri satu (NACA airfoil, Panggih Raharjo)

2. Seri Enam Angka pertama menunjukkan serinya. Angka kedua menunjukkan letak tekanan minimum dalam sepersepuluh chord dari trailingedge. Angka ketiga menunjukan koefisien gaya angkat (cl) rancangan dalam sepersepuluh chord. Dua angka terakhir adalah maksimum thickness dalam seperseratus chord.Misalnya untuk airfoil dengan NACA 65-218, angka 6 adalah serinya (seri enam angka), tekanan minimum terjadi pada 0.5c untuk distribusi tebal simetrik/dasar pada gaya angkat nol, memiliki koefisien gaya angkat rancangan cl 0.2c, dan tebal maksimum 18% chord. Airfoil jenis ini dirancang sebagai airfoil laminar untuk kecepatan tinggi, dirancang untuk menghasilkan clmax yang tinggi dan cd yang lebih rendah pada cl yang tinggi.

Gambar 2.15 Airfoil NACA seri enam (NACA airfoil, Panggih Raharjo)

3. Seri Tujuh Angka pertama adalah serinya. Angka kedua adalah letak tekanan minimum pada bagian upper surface perseratus chord. Angka ketiga adalah letak tekanan minimum pada bagian lower surface perseratus chord. Satu huruf menunjukkan profil standar dari airfoil. Angka kelima adalah koefisien gaya angkat rancangan dalam persepuluh chord. Dua angka terakhir adalah ketebalan maksimum dalam perseratus chord.Contoh airfoilNACA 71-2A315, angka 7 adalah serinya, mempunyai letak tekanan minimum 10 % chord dari trailingedge pada upper surface, letak tekanan minimum pada lower surface pada 20 % chord dari trailingedge, menggunakan standar A airfoil, memiliki koefisien gaya angkat rancangan 0.3, dan mempunyai ketebalan maksimum 15 % chord.4. Seri Delapan Identifikasi pada airfoil ini sama dengan airfoil pada seri 7, namun angka 8 merupakan serinya. Airfoil seri delapan merupakan airfoil superkritis, di desain supaya aliran udara yang melewati bagian upper dan lower surface pada airfoil dibuat lebih maksimum dan drag yang dihasilkan seminim mungkin. Ciri-ciri airfoil ini mempunyai chamber yang besar dan radius yang besar pada leadingedge, biasanya digunakan pada pesawat yang mempunyai kecepatan transonik (1>M>1).5. Seri Empat angka Angka pertama adalah maksimum chamber dalam perseratus chord. Angka kedua adalah posisi maksimum chamber pada chordline dalam sepersepuluh chord dari leadingedge. Dua angka terakhir dalam maksimum thickness dalam seperseratus chord.Misalnya untuk airfoil dengan NACA 2412 (seri empat angka) memiliki chamber maksimum 0.02c terletak di 0.4c dari leadingedge, dan maksimum thickness atau tebal maksimum 0.12c. Dalam praktek, umumnya angka-angka ini dinyatakan dalam persen tali busur, yaitu :chamber 2% di 40% c dengan tebal 12%.

Gambar 2.16 Airfoil NACA seri empat angka(NACA airfoil, Panggih Raharjo)Untuk airfoil simetris, yang mempunyai bentuk tali busur yang sama antara bagian atas dengan bagian bawahnya merupakan airfoil dengan chamber nol. Contohnya adalah airfoil dengan NACA 0012, memiliki chamber dengan nilai yang nol dan mempunyai tebala maksimum 12%.

Gambar 2.17 Airfoil NACA simetris(NACA airfoil, Panggih Raharjo)

6. Seri lima angka Bila angka pertama dikalikan 3/2 memberikan koefisien gaya angkat (cl) rancangan dalam sepersepuluh. Dua angka berikutnya, bila dibagi dua menunjukan letak maksimum chamber di chord line dalam seperseratus chord diukur dari leadingedge. Dua angka terakhir menunjukan maksimum thickness dalam seperseratus chord.Misalnya untuk airfoil dengan NACA 23012, memiliki koefisien gaya angkat rancangan 0.3, chamber maksimum terletak di 0.15c, dan tebal maksimum 0.12c. Koefisien gaya angkat rancangan adalah koefisien gaya angkat teoritis airfoil dengan arah aliran bebas sejajar dengan garis singgung meanchamberline di leadingedge.

Gambar 2.18Airfoil seri NACA lima angka(NACA airfoil, Panggih Raharjo)

27