BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Energi Angineprints.umm.ac.id/56777/3/BAB 2.pdf · BAB II LANDASAN TEORI ... energi kimia, energi panas, energi suara, energi listrik, energi nuklir, energi

4

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Energi Angin

Energi memiliki beberapa pengertian, Menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia ( KBBI ),

energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja (misal untuk energi listrik dan mekanika ) ;

daya (kekuatan) yang dapat digunakan untuk melakukan berbagai proses kegiatan, misal dapat

merupakan bagian suatu bahan atau tidak terikat pada bahan (seperti sinar matahari) ; tenaga.

Sedangkan menurut Michael J. Moran, energi merupakan konsep dasar dari termodinamika yang

menjadi aspek yang penting dari analisis teknis. Pengertian energi secara umum adalah kekuatan

yang dimiliki oleh sesuatu benda sehingga mampu untuk melakukan kerja.

Energi memiliki berbagai macam jenis, energi yang diketahui oleh manusia sampai saat

ini diantaranya yaitu: energi cahaya, energi kimia, energi panas, energi suara, energi listrik,

energi nuklir, energi potensial, dan energi gerak ( energi kinetik ). Energi gerak muncul pada

objek bergerak atau substansi, ketika benda bergerak atau substansi ada gerakan energi, hal ini

sejalan dengan perubahan energi air ( gerakan air di sungai ) untuk memutar turbin untuk

menghasilkan listrik. Energi gerak memiliki contoh lain yaitu gerakan turbin angin yang berputar

untuk menghasilkan listrik pada pembangkit listrik tenaga angin.

Angin adalah udara yang bergerak akibat adanya rotasi bumi dan juga adanya perbedaan

tekanan udara disekitar nya. Angin bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke tempat yang

bertekanan udara rendah, atau dari daerah yang bersuhu rendah ke wilayah bersuhu tinggi. Buys

Ballot seorang ahli ilmu cuaca dari perancis berpendapat bahwa angin adalah udara yang

bergerak dari tempat bertekanan tinggi ke tempat bertekanan rendah. Anemometer adalah alat

5

yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Satuan dari kecepatan angin adalah km / jam

atau knot ( 1 knot = 0,5148 m / det = 1,854km / jam). Angin biasanya diberi nama sesuai dengan

arah datangnya.

Angin mempunyai banyak jenis, diantaranya yaitu: angin Passat ( trade wind ), angin anti

– Passat, angin barat ( westernlies ), angin timur kutub ( polar easterlies ), angin muson (monsun)

dan angin lokal. Angin lokal terdiri dari: angin jatuh, angin gunung dan angin lembah, serta

angin darat dan angin laut. Angin darat dan angin laut merupakan jenis angin yang biasa

dirasakan dalam kehidupan sehari – hari, terutama penduduk yang menetap di daerah pesisir.

Angin darat bertiup dari darat menuju ke laut, sedangkan angin laut bergerak dari laut menuju

kedarat. Pada malam hari daratan lebih cepat dingin dari pada laut, karena suhu di daratan pada

malam hari lebih rendah menyebabkan tekanan di daratan tinggi ( maksimum ) sedangkan

tekanan dilautan rendah, inilah yang menyebabkan angin darat terjadi pada malam hari. Suhu di

lautan saat siang hari lebih rendah ketimbang di daratan, maka angin bertiup dari laut menuju

kedaratan atau yang biasa kita sebut dengan angin laut .

Dari ulasan diatas, dapat disimpulkan bahwa energi angin adalah pengumpulan energi

yang berguna dari angin. Tenaga angin banyak jumlah nya, tidak terbatas, tersebar luas, bersih

dan tidak menimbulkan efek rumah kaca. Di Indonesia, pembangkit listrik yang memanfaatkan

tenaga angin di sebut dengan pembangkit listrik tenaga bayu.

2.2 Peta Potensi Angin di Indonesia

Indonesia memiliki potensi energi angin yang besar. Menurut data Kementerian ESDM

tanggal 21 september 2018, beberapa daerah di Indonesia seperti sidrap dan jeneponto mampu

menghasilkan energi listrik lebih dari 100 megawatt. Selain 2 daerah tersebut wilayah Sukabumi,

Garut, Pandeglang, Lebak, Lombok, dan wilayah pantai selatan Pulau Jawa juga memiliki

6

potensi angin yang cukup besar. Peta potensi wilayah angin di Indonesia dapat di lihat pada

Gambar 2.1 .

Gambar 2.1 : peta potensi kecepatan angin di Indonesia

( sumber : http://indonesia.windprospecting.com/ )

2.3 Turbin Angin

a) Pengertian turbin angin

Turbin angin adalah suatu alat yang berfungsi untuk mengubah energi angin

menjadi energi gerak dan selanjutnya di konversikan menjadi energi listrik menggunakan

generator di dalam turbin angin. Turbin angin bagus beroperasi pada kecepatan angin 3 –

20 m/s.

b) Sejarah turbin angin

Orang – orang Mesir awal abad 3500 SM sudah mampu untuk memanfaatkan energi

angin. Mereka menggunakan layar untuk menggerakkan perahu mereka melewati sungai

Nil. Kincir angin pertama di dokumentasikan tahun 200 SM di Persia.Turbin angin yang

mampu menghasilkan listrik pertama dikembangkan oleh Charles F Brush di Cleveland,

7

Ohio, Amerika Serikat. Turbin angin digunakan pertama kali untuk mengisi baterai di

Skotlandia pada bulan Juli 1887 oleh James Blyth. Pengembangan turbin angin di

Denmark tercatat dimulai pada tahun 1900, Amerika pada tahun 1908, dan Uni Soviet

pada tahun 1931.

c) Jenis – jenis turbin angin

Berdasarkan arah sumbu Turbin angin di bagi menjadi 2, yaitu :

I. Turbin angin sumbu horizontal

Turbin angin sumbu horizontal (TASH) memiliki poros utama yang

menghubungkan blade ke generator berbentuk horizontal. semua komponen tersebut

berada di puncak tower atau menara penyangga. turbin angin ini memiliki jumlah

blade yang bervariatif mulai dari satu sampai delapan bergantung dari nilai tip speed

ratio nya. Jenis-jenis dari TASH dapat dilihat pada Gambar 2.2 .

Gambar 2.2 : jenis turbin angin sumbu horizontal (TASH)

( Sumber : http://imperishable173.com/ )

8

Kelebihan turbin angin sumbu horizontal

1) Dasar menara yang tinggi lebih kuat dibandingkan TASV.

2) Semakin tinggi tower, semakin tinggi pula daya yang dihasilkan

(kecepatan angin meningkat 20% setiap 10 m keatas, di beberapa wilayah

geseran angin).

Kekurangan turbin angin sumbu horizontal

1. memerlukan biaya pemasangan yang lebih mahal dari pada TASV

2. Pemasangan blade yang relatif lebih sulit dari pada TASV.

3. membutuhkan konstruksi menara yang kuat untuk menyangga blade,

motor, tail dan trsnsmisi.

4. membutuhkan ekor pengarah untuk mengarahkan turbin angin agar sesuai

dengan arah angin.

II. Turbin angin sumbu vertical

Turbin angin sumbu vertikal (TASV) memiliki poros utama yang

menghubungkan blade ke generator berbentuk vertikal. Turbin angin jenis ini

memiliki jumlah blade minimal 2 buah dan jumlah blade tergantung dari nilai tip

speed ratio nya.Turbin angin sumbu vertikal memiliki beberapa jenis, yaitu tipe H –

rotor, Darrieus, dan Savonius. Jenis-jenis dari TASV dapat dilihat pada Gambar 2.3 .

9

Gambar 2.3 : jenis - jenis turbin TASV

( Sumber : http://ANZDOC.com/ )

Kelebihan turbin angin sumbu vertical

1. Tidak membutukhan struktur menara yang besar.

2. Perawatan komponen yang lebih mudah karena turbin lebih dekat ke tanah

dibandingkan TASH.

3. TASV mampu menghasilkan listrik pada kecepatan angin mulai dari 10

km/jam.

4. Memiliki Tip Speed Ratio yang rendah sehingga kecil kemungkinan rusak saat

angin kencang.

5. TASV dapat menyesuaikan dengan arah datangnya angin, sehingga tidak

membutuhkan ekor pengarah.

Kekurangan turbin angin sumbu vertical

1. TASV tidak mendapat keuntungan dari angin yang berhembus kencang pada

elevasi yg lebih tinggi.

2. membutuhkan energi yang cukup besar untuk mulai berputar, karena TASV

memiliki torsi awal yang rendah.

10

d) Komponen dari turbin angin

Seperti yang kita tahu, setiap mesin atau alat pasti terdiri dari berbagai komponen

peyusun nya, begitu pula dengan turbin angin ini. Adapun komponen dari turbin angin

adalah sebagai berikut :

Blade ( Baling – baling / sudu )

Blade turbin angin berfungsi untuk menerima energi dari angin (energi

kinetik) dan merubah nya menjadi energi putar untuk kemudian diteruskan ke

generator melalui gearbox.

Hub

Fungsi utama dari hub yaitu menghubungkan blade atau sudu dengan

poros input turbin angin.

Pitch ( Kontrol pitch sudu )

Pitch berfungsi untuk mengatur posisi sudut pada blade saat angin bertiup

mengenai turbin angin tersebut.

Brake

Brake berfungsi untuk mengatur kecepatan blade agar tetap stabil saat

kondisi kecepatan angin terlalu tinggi atau terlalu rendah.

Poros

Poros turbin angin memiliki fungsi utama yaitu meneruskan putaran dari

Blade menuju ke generator. Poros ini terdapat di dalam gear box.

Gear box

Gear box berfungsi sebagai tempat atau wadah untuk poros input dan

output, gear input dan output, serta bantalan input dan input. Di dalam Gear box

11

putaran dari sudu di ubah agar sesuai dengan spesifikasi rpm generator yang

dipakai dengan menggunakan roda gigi pembanding.

Generator

Generator adalah komponen yang penting di dalam turbin angin.

Komponen ini berfungsi untuk merubah energi gerak menjadi energi listrik.

Generator menggunakan prinsip induksi elektromagnetis untuk menghasilkan

arus listrik.

Tower

Tower berfungsi sebagai penyangga komponen – komponen dari turbin

angin seperti Blade, Generator, dan Tail. Untuk turbin angin jenis horizontal,

Semakin tinggi tower maka daya yang akan dihasilkan juga akan semakin

meningkat. Komponen dari turbin angin dapat dilihat pada Gambar 2.4 .

Gambar 2.4 : komponen turbin angin

(Sumber : www.getsttpln.com)

12

2.4 syarat angin untuk PLTB

Tidak semua jenis angin dapat digunakan untuk memutar turbin pembangkit listrik tenaga

bayu/angin. Tabel di bawah ini akan menjelaskan klasifikasi dan kondisi angin yang dapat

digunakan untuk menghasilkan energi listrik. Tabel kondisi angin dapat dilihat pada Tabel 2.1,

dan tabel tingkat kecepatan angin 10 meter diatas permukaan tanah dapat dilihat pada Tabel 2.2 .

Tabel 2.1 : Tabel kondisi angin

Kelas angin Kecepatan angin

(m/s)

Kecepatan angin

(km/jam)

Kecepatan angin

(knot / jam)

1 0,30 – 1,50 1,00 – 5,40 0,58 – 2,92

2 1,60 – 3,30 5,50 – 11,9 3,11 – 6,42

3 3,40 – 5,40 12,0 – 19,5 6,61- 10,5

4 5,50 – 7,90 19,6 – 28,5 10,7 – 15,4

5 8,00 – 10,7 28,6 – 38,5 15,6 – 20,8

6 10,8 – 13,8 38,6 – 49,7 21,0 – 26,8

7 13,9 – 17,1 49,8 – 61,5 27,0 – 33,3

8 17,2 - 20,7 61,6 – 74,5 33,5 – 40,3

9 20,8 – 24,4 74,6 – 87,9 40,5 – 47,5

10 24,5 – 28,4 88,0 – 102,3 47,7 – 55,3

11 28,5 – 32,6 102,4 – 117,0 55,4 – 63,4

12 32,7 - 118,0 - 63,4 -

( sumber : Wikipedia/2013 )

13

Tabel 2.2 : Tingkat kecepatan angin 10 meter diatas permukaan tanah

Kelas angin Kecepatan angin (m/s) Kondisi alam di daratan

1 0,00 – 0,02 -

2 0,03 – 1,50 Angin tenang, asap lurus ke atas

3 1,50 – 3,30 Asap bergerak mengikuti arah angin

4 3,40 – 5,40 Wajah terasa ada angin, daun” bergoyang pelan

5 5,50 – 7,90 Debu jalanan beterbangan, ranting pohon bergoyang

6 8,00 – 10,7 Ranting pohon bergoyang, bendera berkibar

7 10,8 – 13,8 Ranting pohon besar bergoyang

8 13,9 – 17,1 Ujung pohon melengkung,

9 17,2 – 20,7 Dapat mematahkan ranting pohon

10 20,8 – 24,4 Rumah roboh

11 24,5 – 28,4

Dapat merobohkan pohon, menimbulkan kerusakan

12 28,5 – 32,6 Menimbulkan kerusakan parah

13 32,7 – 36,9 Tornado

( sumber : Wikipedia/2013 )

Angin kelas 3 adalah batas minimum , dan angin kelas 8 adalah batas maksimum energi

angin yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.

14

2.5 Dasar Perancangan Turbin Angin

a) Daya

Daya adalah usaha yang dibutuhkan per satuan waktu. Dalam sistem SI , satuan

daya adalah joule / detik (J/s) atau watt. Daya adalah salah satu besaran scalar.

Daya input dari angin dapat dihitung dengan menggunakan rumus energi kinetik

yang dapat dilihat pada persamaan 2.1 :

EK

. m . v

2 (2.1)

Dimana :

EK = energi kinetik ( joule )

m = massa ( kg )

v = kecepatan angin ( m/s )

tenaga pada permukaan kincir dapat dilihat pada persamaan 2.2 :

P =

. ῤ . A . v

3 (2.2)

Dimana :

P = Tenaga ( watt )

ῤ = massa jenis udara (1.225 kg / m3 pada permukaan laut )

A = permukaan kincir ( m2 )

V = kecepatan angin ( m/s )

Daya kincir angin dapat dilihat pada persamaan 2.3 :

P = 0,5 x ῤ x Ar x Cp x V3 x Ng x Nb (2.3)

15

Dimana :

P = Daya dalam watt ( 746 watt = 1 hp ) (1.000 watt = 1 kilowatt )

ῤ = Massa jenis udara (1.225 kg / m3 pada permukaan laut )

Ar = Luas permukaan kincir ( m2 )

Cp = Koefisien kinerja (maksimum teoritis = 0,59 (betz limit) , desain = 0,35)

V = Kecepatan angin dalam m/s ( 20 mph = 9 m/s )

Nb = Efisiensi gearbox / bearing ( jika bagus dapat mencapai 95% )

Ng = Efisiensi generator ( 50% altenator mobil, 80% atau lebih untuk permanent

magnet generator

b) Power coefficient

Power coefficient adalah perbandingan daya yang di hasilkan secara mekanik pada

blade akibat gaya angin terhadap daya yang di hasilkan oleh gaya lift pada aliran udara.

Rumus power coefficient dapat dilihat pada persamaan 2.4 :

Cp

(2.4)

Dimana :

Cp = Koefisien daya

P = Daya mekanik di hasilkan rotor ( watt )

PO = Daya mekanik total yang terkandung dalam angin yang melalui sudu

ῤ = Massa jenis udara ( kg / m2 )

A = Luas penampang bidang sudu ( m2 )

V1 = Kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor ( m / s )

V2 = Kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (m / s )

16

c) Tip speed ratio

Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah perbandingan kecepatan angin

dengan kecepatan ujung sudu. Tip speed ratio sangat menentukan lebar sudu, semakin

tinggi Tip speed ratio yang di pilih, maka secara teoritis berdasarkan teori momentum

elemen sudu Cp akan semakin tinggi dan sudu akan semakin ramping dan tipis. Tip speed

ratio dapat di hitung dengan persamaan 2.5 :

λ

(2.5)

Dimana :

λ = Tip speed ratio

r = Jari - jari rotor ( m )

n = Putaran rotor

v = Kecepatan angin ( m / s )

d) Gaya horizontal akibat kecepatan angin (kg)

energi maksimal angin dapat dihitung dengan persamaan 2.6 :

P

ῤ . A . V

3 (2.6)

Dimana :

P = Daya angin ( Watt )

ῤ = Kerapatan udara ( kg / m3 )

A = Luas penampang blade ( m2 )

V = Kecepatan angin ( m / s )

17

untuk mengetahui gaya angin yang sesungguhnya,capture area dapat dilihat pada

persamaan 2.7 :

Pcapture area = A x Df (2.7)

Dimana :

A = Luas blade ( m2 )

Df = Gaya drag ( kg / m2 )

Gaya Df adalah gaya yang bekerja mengenai blade turbin secara horizontal yang dapat

dilihat pada persamaan 2.8 :

Df = P sin β ( kg / m2 ) (2.8)

e) Pemilihan jumlah bilah sudu

Sudu dapat ditentukan jumlah nya berdasarkan harga satuan TSR (Erich Hau :

2000) sebagaimana gambar 2.5.

Gambar 2.5 : Penentuan Jumlah Jenis Sudu

f) Geometri bilah sudu

Jari – jari sudu dibagi menjadi 5 bagian untuk memudahkan perhitungan, maka

diperoleh jari – jari lokal tiap bagian dari pusat rotor adalah sebagai berikut :

18

r1 r2 r3 r4 r5

0,4 0,8 1,2 1.6 2,0

Rasio kecepatan lokal dapat dihitung menggunakan rumus dari Djoyodiharjo

(1983) yang dapat dilihat pada persamaan 2.9 :

λr1 = λ0 .

(2.9)

Dimana : λr1 = Rasio kecepatan lokal

λ0 = Rasio kecepatan ujung

r = Jari –jari lokal dari pusat rotor ( m )

R = Radius baling – baling ( m )

g) Desain ekor pengarah

Rumus luas daun ekor pengarah dapat dilihat pada persamaan 2.10 :

A0 = 0,16 . Ar .

(2.10)

Dimana :

A0 = Luas daerah ekor pengarah (m2)

Ar = Luas sapuan rotor

Ir = Jarak rotor ke sumbu vertical menara

Iv = Jarak pusat daun ekor ke sumbu vertical menara

Ar = πr2

h) Desain poros

Poros adalah suatu bagian stasioner yang berputar, berpenampang bulat dan biasanya

sebagai tempat dipasang nya komponen-komponen seperti roda gigi. Rumus dari diameter

poros dapat dilihat pada persamaan 2.11 :

19

ds = [

. Kt . Cb .T ]

1/3 (2.11)

Dimana :

ds = diameter poros (mm)

τa = tegangan geser ijin

Kt = faktor koreksi (nilai 1 jika dikenakan beban secara halus)

Cb = faktor jika terjadi dengan pemakaian beban lentur (1,2 – 1,3)

T = momen puntir pada poros