Potensi Angin di Indonesia Teori Momentum Elementer Bet’z

Gambar 2.1 Skema terjadinya angin pasat Sumber: Asan Damanik, 2011 Gambar 2.1 melukiskan terjadinya angin pasat secara skematik. Dimana angin berjalan dari daerah katulitiwa naik ke atas menuju kutub, dari kutub angin turun ke bawah menuju daerah katulistiwa dan seterusnya. Jadi pada prinsipnya angin terjadi karena adanya perbedaan suhu udara di beberapa tempat dipermukaan bumi.

2.2 Potensi Angin di Indonesia

Berdasarkan data kecepatan angin di berbagai wilayah Indonesia, sumberdaya energi angin di Indonesia berkisar antara 2.5 – 5.5 mdetik pada ketinggian 24 meter di atas permukaan tanah. Dengan kecepatan tersebut sumberdaya angin di Indonesia termasuk dalam kategori kecepatan angin kelas rendah hingga menengah. Secara keseluruhan, potensi energi angin Indonesia mencapai 9.290 MW. Angin di wilayah Indonesia secara umum di sebelah utara khatulistiwa bertiup dari arah Barat Laut menuju Timur Laut. Sedangkan di sebelah Selatan khatulistiwa bertiup dari arah Barat Daya menuju Barat Laut. Kecuali di Sumatera bagian Selatan dan Jawa angin bertiup dari arah Timur menuju Tenggara. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.2 Aliran angin di Indonesia Sumber : http:www.bmkg.go.id

2.3 Teori Momentum Elementer Bet’z

Teori ini diperkenalkan pertama kali oleh Albert Betz. Teori ini menjelaskan bahwa dengan menerapkan hukum fisika dasar, energi mekanik yang dapat diekstrak dari aliran udara yang melewati suatu penampang, dibatasi oleh energi yang terkandung pada aliran udara tersebut. Penelitian lebih lanjut ekstraksi daya yang optimal didapatkan dengan rasio tertentu antara kecepatan aliran udara yang berada didepan mesin konversi energi dan kecepatan aliran di belakang mesin tersebut Eric Hau, 2006 Gambar 2.3 Kondisi aliran udara pada proses pengambilan energi mekanik menurut teori momentum elementer Sumber : Eric Hau, 2006 Universitas Sumatera Utara Besarnya energi kinetik dari massa udara m yang bergerak dengan kecepatan U dapat dituliskan sebagai berikut : � = 1 2 �� 2 Nm …………………………………………….…………..2.1 Banyaknya udara yang mengalir tiap satuan waktu pada luas penampang tertentu jika angin yang bergerak dengan kecepatan v, dituliskan sebgaai berikut : �̇ = � � � 3 � ……………….……….……………………..……..2.2 Dengan menghubungkan persamaan � = � � dan �̇ = � � , persamaan 2.2 diatas dapat dituliskan sebagai berikut :: �̇ = �. �. � kgs ...………….…………………………….…….……..2.3 Jika persamaan 2.3 disubstitusikan ke persamaan 2.1 , ini akan menjadi persamaan daya yang diberikan angin tiap satu luasan tertentu dan � = � � maka persamaan baru menjadi, � = 1 2 �. � 3 . � � ………...………………………………………..….2.4 Besarnya energi mekanik yang dapat diambil oleh mesin ini dari aliran udara sama dengan besarnya perbedaan daya dari aliran udara sebelum melewati mesin dan setelah melewati mesin. Persamaan ini dituliskan sebagai berikut : � = 1 2 �. � 1 3 . � 1 − 1 2 �. � 2 3 . � 2 = 1 2 � � 1 3 . � 1 − � 2 3 . � 2 …...……2.5 Dimana v 1 merupakan kecepatan udara sebelum memasuki mesin dan v 2 kecepatan udara setelah melewati mesin. Dengan menggunakan hukum kontinuitas, � 1 = � 2 �. � 1 . � 1 = �. � 2 . � 2 …………….…………………….....……………….2.6 Persamaan 2.6 ini disubstitusikan ke persamaan 2.5, maka didapatkan persamaan 2.7 sebagai berikut : � = 1 2 �. � 1 . � 1 . � 1 2 − � 2 2 W …………………………...…………….2.7 � = 1 2 . �.̇ � 1 2 − � 2 � …………………………………………….....2.8 Universitas Sumatera Utara Dari persamaan 2.8 terlihat bahwa daya yang akan diterima oleh suatu mesin konverter ini akan maksimum ketika nilai v 2 = 0. Hal ini mustahil terjadi karena jika memang udara di belakang mesin ini bernilai nol, maka kecepatan angin sebelum memasuki mesin juga harus bernilai nol juga. Jika ini terjadi, tentu saja tidak akan ada energi yang bisa diambil oleh mesin tersebut. Untuk itulah dibutuhkan persamaan lain untuk mewakili pengkoversian energi di mesin ini. Selain dengan menggunakan hukum kelestarian momentum, gaya yang mengenai sudu kincir dapat dituliskan dengan persamaan berikut : � = �̇ � 1 − � 2 N……………………...…………………..……….2.9 Besarnya daya yang dibutuhkan untuk mendorong massa udara dengan kecepatan v’ dengan menggunakan hukum aksi-reaksi, adalah : � = �. � ′ = �̇. � 1 − � 2 . � ′ W…….…………………………………..2.10 Dengan menggunakan hukum kelestarian energi, persamaan 2.8 dan 2.10, menjadi : 1 2 . �.̇ � 1 2 − � 2 2 = �.̇ � 1 − � 1 . � ′ W………….…………………….2.11 Maka kecepatan udara yang melewati konverter adalah sebagai berikut : � ′ = � 1 + � 2 2 ms ……………………..……….…………………….….2.12 Massa udara yang mengalir menjadi : �̇ = �. � ′ . � = 1 2 �. �. � 1 + � 2 kgs ……………………….…..…….2.13 Daya mekanikal yang dihasilkan oleh converter dapar dituliskan: � = 1 4 . �. �� 1 2 − � 2 2 � 1 + � 2 W ………….…………………..….2.14 Untuk membandingkan efisiensi daya yang dimiliki oleh turbin angin , daya keluaran yang dihasilkan oleh turbin angin ini dibandingkan dengan daya yang Universitas Sumatera Utara dimiliki angin sebelum memasuki peralatan turbin angin . Daya angin yang tersedia sebelum memasuki turbin angin ditulisan sebagai berikut : � � = 1 2 . �. � 1 3 . � Nilai perbandingan antara daya mekanikal yang dapat diekstrak turbin angin dibandingkan daya yang tersedia oleh angin bebas disebut sebagai koefisien daya , � � yang dituliskan sebagai berikut ini � � = � � � = 1 4 . �.�� 1 2 −� 2 2 � 1 + � 2 1 2 . �.� 1 3 . � ………………………………… 2.15 � � = � � � = 1 2 . �1 − � � 2 � 1 � 2 � �1 + � 2 � 1 � ………………………………………..2.16 Bila dihitung berdasarkan persamaan diatas, nilai c p dapat ditentukan dari rasio antara kecepatan angin setelah melewati turbin dengan kecepatan angin sebelum melewati turbin angin.

2.4 Turbin Angin