turbin angin

12
1 TURBIN ANGIN (Ditulis oleh : Lambok R. Siregar, 23111034) A. Pendahuluan Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari. Karena bergerak angin memiliki energi kinetik. Energi angin dapat dikonversi atau ditransfer kedalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Oleh karena itu, kincir atau turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA). Gambar 1 : Sistem angin global Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengubah energi kinetik dari angin menjadi energi mekanik pada kincir, lalu putaran kincir digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan menghasilkan listrik. 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. 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. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (Contoh: PLTD,PLTU,dll), turbin angin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui (Contoh : batubara, minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik. Skema SKEA untuk pembangkitan energi listrik dapat ditunjukan pada skema dibawah ini.

Upload: damar-panuluh

Post on 02-Aug-2015

207 views

Category:

Documents


17 download

TRANSCRIPT

Page 1: Turbin Angin

1

TURBIN ANGIN (Ditulis oleh : Lambok R. Siregar, 23111034)

A. Pendahuluan

Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke tekanan udara

yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat

pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari. Karena bergerak angin memiliki

energi kinetik. Energi angin dapat dikonversi atau ditransfer kedalam bentuk energi lain seperti

listrik atau mekanik dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Oleh karena itu, kincir atau

turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA).

Gambar 1 : Sistem angin global

Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengubah energi kinetik dari angin menjadi

energi mekanik pada kincir, lalu putaran kincir digunakan untuk memutar generator, yang

akhirnya akan menghasilkan listrik. 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.

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. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin angin masih

belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (Contoh: PLTD,PLTU,dll), turbin angin

masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan

dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui (Contoh : batubara,

minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik. Skema SKEA untuk

pembangkitan energi listrik dapat ditunjukan pada skema dibawah ini.

Page 2: Turbin Angin

2

Gambar 2 : Skema sistem konversi energi angin ( SKEA )

B. Pengertian Turbin Angin

Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang mengonversikan energi

kinetik angin menjadi energi mekanik. Jika energi mekanik digunakan langsung secara

permesinan seperti pompa atau grinding stones, maka mesin (turbin) disebut windmill. Jika

energi mekanik dikonversikan menjadi energi listrik, maka mesin disebut turbin angin atau wind

energy converter (WEC). Ekstraksi potensi angin adalah sebuah upaya kuno dimulai dengan

kapal-tenaga angin, pabrik gandum dan grinding stone. Kini turbin angin lebih banyak

digunakan untuk menyuplai kebutuhan listrik masyarakat dengan menggunakan prinsip konversi

energi dan memanfaatkan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun

sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik

konvensional, contohnya pembangkit listrik tenaga air (PLTA), pembangkit listrik tenaga diesel

(PLTD), pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dan sebagainya. Turbin angin masih

dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan

masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui, contohnya minyak bumi, batubara dan

sebagainya sebagai bahan dasar untuk membangkitkan energi listrik.

Secara umum turbin angin diklasifikasikan menjadi dua jenis ; sumbu horizontal dan

sumbu vertikal. Jenis sumbu horizontal sudu berputar pada sumbu yang sejajar dengan tanah

sedangkan jenis vertikal sudu berputar pada sumbu yang tegak lurus dengan tanah.

Jenis turbin angin ada 2, yaitu :

1. Turbin angin sumbu horizontal

2. Turbin angin sumbu vertikal

Page 3: Turbin Angin

3

C. Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)

Turbin angin sumbu horisontal (TASH) 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 dibelakangnya, 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.

Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur menara, dan realibilitas begitu

penting, sebagian besar TASH merupakan mesin up-wind (melawan arah angin). Meski memiliki

permasalahan turbulensi, mesin down-wind (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. Jenis-

jenis turbin angin sumbu horizontal dapat dilihat pada gambar 3.

Gambar 3 : Jenis-jenis turbin TASH

Page 4: Turbin Angin

4

Kelebihan TASH

a. 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 atmosfir bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap

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

Kelemahan TASH

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

Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan

turbin angin.

b. TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi dan

mahal serta para operator yang tampil.

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

gearbox, dan generator.

d. TASH yang tinggi bisa mempengaruhi radar airport.

e. Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu penampilan

lansekap.

f. Berbagai varian down-wind menderita kerusakan struktur yang disebabkan oleh

turbulensi.

g. TASH membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan kincir ke

arah angin.

C. Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

Turbin angin sumbu vertikal (TASV) memiliki poros atau 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. Gambar 4 menunjukan

beberapa TASV.

Page 5: Turbin Angin

5

Gambar 4 : Beberapa jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

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.

Kelebihan TASV

a. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.

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

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

bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.

Page 6: Turbin Angin

6

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

melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang tinggi sembari

mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi.

e. Desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat

persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu

daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya TASH.

f. TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH. Biasanya

TASV mulai menghasilkan listrik pada 10km/jam (6 m.p.h.)

g. TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari

ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih

kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat kencang.

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

dibangun.

i. TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari berbagai

lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin (seperti gunung atau

bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit),

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

Page 7: Turbin Angin

7

Kekurangan TASV

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

tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.

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

yang lebih tinggi.

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

mulai berputar.

d. Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi tekanan pada

bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan

ke puncak bantalan meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup.

berdasarkan prinsip aerodinamik rotor yang digunakan, turbin angin sumbu vertikal dibagi

menjadi dua jenis yaitu:

1. Turbin angin Darrieus

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. Rotor turbin angin Darrieus

pada umumnya memiliki variasi sudu yaitu dua atau tiga sudu. Modifikasi rotor turbin angin

Darrieus disebut dengan turbin angin H.

Page 8: Turbin Angin

8

Gambar 5 : Turbin angin Darrieus

Gambar 6 : Turbin angin Darrieus tipe-H

2. Turbin angin Savonius

Turbin angin Savonius pertama kali diperkenalkan oleh insinyur Finlandia Sigurd J.

Savonius pada tahun 1922. Turbin angin sumbu vertikal yang terdiri dari dua sudu berbentuk

setengah silinder (atau elips) yang dirangkai sehingga membentuk ‘S’, satu sisi setengah silinder

berbentuk cembung dan sisi lain berbentuk cekung yang dilalui angin seperti pada gambar 7

Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin ini memanfaatkan gaya hambat (drag) saat

mengekstrak energi angin dari aliran angin yang melalui sudu turbin.

Page 9: Turbin Angin

9

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.

Gambar 7 : Prinsip rotor savonius

Page 10: Turbin Angin

10

D. Parameter Turbin Angin

Turbin angin adalah alat untuk mengubah energi kinetik angin ke energi mekanik dari

poros berputar. Biasanya perputaran energi mekanik diubah segera oleh generator menjadi

energi listrik. Generator biasanya terhubung ke poros turbin melalui gigi yang memutar

generator pada kecepatan yang berbeda dari poros turbin. Dan diinginkan daya kontrol

elektronik mengubah listrik ke frekuensi yang benar dan tegangan untuk memberi input ke

dalam jaringan listrik (mungkin 60 Hertz atau 50 Hertz). Energi yang masuk adalah energi

kinetik dari kecepatan angin dan kerapatan udara. Tidaklah mungkin untuk mengubah semua

energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Energi yang keluar adalah energi yang diubah

oleh sudu turbin menjadi energi mekanik, ditambah energi yang tersisa di udara setelah

melewati rotor turbin.

Gambar 8 : Skema pemanfaatan energi angin

Beberapa parameter energi angin yang perlu untuk di analisa adalah sebagai berikut:

1. Daya ektraksi

Energi dan daya didapat dari angin dengan memanfaatkan gaya yang menabrak benda

padat dan mendorongnya. Sudu dari suatu turbin didesain untuk bergerak sebagai respon dari hal

tersebut, dan SKEA dapat mengekstraksi energi dan daya yang disediakan angin dengan porsi

tertentu.

Energi kinetik udara dapat dirumuskan sebagai berikut

𝐸𝑘= 1/2 × 𝑚 × 𝑉2 ................................. (1)

𝐸𝑘= 1/2 × 𝜌 × 𝛻× 𝑉2................................. (2)

Page 11: Turbin Angin

11

Dimana volume aliran angin dalam suatu waktu :

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 (𝛻)=𝐴 × 𝑉 ×𝑡............................. (3)

Sehingga energi angin yang mengalir melalui suatu permukaan dalam suatu waktu adalah:

𝐸𝑡𝑒𝑟𝑠𝑒𝑑𝑖𝑎= 1/2 × 𝜌 × 𝑉3×𝐴×𝑡 .................. (4)

Daya angin adalah jumlah energi yang mengalir pada permukaaan dalam satuan waktu dan

dikalkulasikan dengan membagi energi angin dengan satuan waktu. Maka daya angin yang

tersedia dengan kondisi yang sama dapat dituliskan sebagai berikut :

𝑃𝑡𝑒𝑟𝑠𝑒𝑑𝑖𝑎= = 1/2 × 𝜌 × 𝑉3×𝐴 ................. (5)

Dengan : ρ = densitas udara

V = kecepatan angin

A = luas daerah sapuan angin

Akan tetapi, daya yang tersedia tidak dapat diekstraksi seluruhnya oleh suatu SKEA.

Hukum Betz adalah teori tentang energi maksimum yang akan berasal dari "mesin hidrolik

angin", atau turbin angin seperti Bollée Éolienne (dipatenkan pada 1868), Windmill Eclipse

(dikembangkan pada tahun 1867), dan Aermotor (pertama muncul pada tahun 1888 untuk

memompa air untuk ternak, dan masih dalam produksi). Hukum Betz dikembangkan pada tahun

1919 oleh fisikawan Jerman Albert Betz. Menurut hukum Betz's, turbin tidak dapat menangkap

lebih dari 59,3 persen dari energi kinetik angin. Efisiensi ideal (η) dari turbin angin adalah rasio

daya maksimum yang diperoleh dari angin dengan kekuatan total yang tersedia di angin. Faktor

0,593 dikenal sebagai koefisien Betz

Pada prakteknya, sebuah SKEA hanya dapat mengekstrak daya kurang dari daya

maksimum nya. Ini dikarenakan adanya kerugian gesekan pada bantalan, sistem transmisi,

generator dan komponen-komponen bergerak lainnya. Selain itu kerugian disebabkan juga

diakibatkan dari sistem peyimpanan (baterai), kabel dan peralatan listrik lainnya. Efisiensi

keseluruhan dari sistem pada suatu SKEA dapat dirumuskan sebagai berikut:

η= 𝑃𝑒𝑘𝑠𝑡𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖/ 𝑃𝑡𝑒𝑟𝑠𝑒𝑑𝑖𝑎 ............................................. (6)

Dengan demikian daya yang dapat diektraksi oleh suatu SKEA dengan adanya efisiensi

sistem (η) dapat dirumuskan sebagai berikut:

𝑃𝑒𝑘𝑠𝑡𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖= 12 × 𝜌 × 𝑉3×𝐴×η............ (7)

keterangan :

𝑃𝑒𝑘𝑠𝑡𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖 : daya yang dapat diekstraksi ( watt)

Page 12: Turbin Angin

12

𝜌 : massa jenis udara ( kg/mm3

)

𝑉 : kecepatan angin ( m/s)

𝐴 : luas area penampang sudu (m2

)

η : efisiensi turbin (%)

2. Tip Speed ratio

Tip speed ratio merupakan rasio kecepatan ujung rotor turbin terhadap kecepatan angin

yang melalui rotor. Rasio kecepatan ujung rotor memiliki nilai nominal yang berubah – ubah

terhadap perubahan kecepatan angin. Turbin angin tipe lift memiliki tip speed ratio yang lebih

besar dibanding dengan turbin angin tipe drag.

Tip speed ratio λ dihitung dengan persamaan:

𝜆 =𝑘𝑒𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑢𝑗𝑢𝑛𝑔 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟𝑘𝑒𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛

𝜆 =𝜐𝑢=𝜔 . 𝑟𝑢= 2 𝜋 𝑛 𝑟/ 𝑢 ………………….………(8)

dimana:

𝑛 = putaran rotor (1/s)

𝑟 = radius rotor (m)

𝑢 = kecepatan angin (m/s)