1. Umum 2. TEORI KONVERSI TENAGA ANGIN KE ENERGI LISTRIK

BAB III TEORI KONVERSI TENAGA ANGIN KE ENERGI LISTRIK

III. 1. Umum

Dalam rangka kemampuannya menangkap angin, mesin – mesin tersebut dapat dikelompokkan menurut aspek berikut lihat Tabel 3.1 [12] Tabel 3.1 Aspek kemampuan Mesin

III. 2.

Prinsip Dasar Karakteristik Airfoil Rata – rata semua mesin yang memanfaatkan energi angin menggunakan LIFT atau DRAG atau keduannya LIFT dan DRAG sebagai daya putar baling – baling. Setiap objek yang diletakkan pada aliran udara yang seragam pada setiap permukaannya dengan kecepatan W mengalami tekanan sebagai berikut : [6] • Tekanan gaya tegak lurus terhadap W : LIFT • Tekanan gaya searah terhadap dengan W : DRAG Sebagai contoh baling – baling pesawat terbang. Dimana W merupakan kecepatan relatif dari baling – baling. Lift tegak lurus W; Drag searah W. Pesawat diangkat oleh Aspek Rotor Tenaga Angin Orientasi rotor - sumbu searah angin Paralel dengan angin Tegak lurus dengan angin Orientasi permukaan landasan Sumbu horizontal Sumbu vertikal Faktor Sumbu dominan Lift Drag Pergerakan Rotasi Translasi Kapal layar Osilasi Universitas Sumatera Utara gaya Lift. Dimana tidak diperlukan daya untuk menjaga pesawat tetap di udara, karena Lift tegak lurus dengan arah pesawat terbang Faktanya hal ini benar jika baling – baling sangatlah panjang. Tenaga dari motor pesawat diperlukan untuk menggerakkan berlawanan gaya Drag pada sayap dan badan pesawat. Hal tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut : A W C L L 2 2 1 ρ α × = 3.1a A W C D D 2 2 1 ρ α × = 3.1b Gambar 3.1 Lift and Drag Dimana A merupakan area c x b; c disebut chord dari bagian baling – baling dan α merupakan sudut serang. Keterangan : C L C α disebut koefisien Lift D C α disebut koefisien Drag L α dan C D ½ ρW α tidak memiliki dimensi 2 adalah tekanan Nm 2 ρ adalah kerapatan dalam hal ini udara; ρ air ≈ 1.2 kgm Persamaan 3.1a dan 3.1b merupakan persamaan yang penting bagi baling – baling, dimana kita dapat juga menjelaskan C -3 L α dan C D α dari percobaan pada wind tunnel. Dengan mengetahui A, α, dan W, sehingga kita dapat menentukan C L α dan C D α dengan mengukur Lift L dan Drag D. Universitas Sumatera Utara Gambar 3.2 di bawah ini menunjukkan perubahan C L dan C D dengan perubahan sudut α yang berbeda. Hal tersebut berguna untuk mengGambar kurva C L vs C D. Garis singgung menunjukkan titik penting A, dengan α = α merupakan volume optimum, dimana C D C L = minimum atau C D C L = maximum. Nilai C L dari jenis baling – baling pada poin A sekitar 1. C L ≈ 1; C D C L max diantara 20 – 150. Sudut bersesuaian α dari 5 o – 10 o . Gambar 3.2 Koefisien Lift C L α dan Drag C D Untuk memahami bagaimana cara kerja Lift, aliran udara lembut mengelilingi baling - baling. Gambar 3.3 menunjukkan tekanan yang bersesuaian distribusi pada permukaan baling. α Gambar 3.3 Distribusi aliran dan tekanan sekitar baling – baling pada sudut α Universitas Sumatera Utara Tekanan negatif pada bagian atas sisi menarik baling - baling, tekanan positif pada bagian bawah mendorong ke atas. Catatan bahwa kontribusi tekanan negatif untuk Lift pada sebelah atas lebih besar daripada tekanan positif pada sisi bawah. Jika sudut meningkat, distribusi tekanan menjadi lebih jelas dan meningkatnya Lift, maka C L Pada titik tertentu lebih tinggi aliran udara mengalir dari sisi atas Gambar 3.3. Hal ini disebut Stall. Distribusi tekanan negatif yang jelas dihilangkan dan memperkecil Lift meningkat. Gambar 3.4 Aliran melalui baling – baling pada kondisi stall Turbin angin dapat menghasilkan daya yang optimal jika kecepatan angin yang datang tidak terlalu rendah dan tinggi. Jika kecepatan angin terlalu rendah, dibawah batas putar turbin maka turbin tidak akan berputar. Jika kecepatan angin terlalu tinggi diatas batas kecepatan maksimum yang bisa diterima turbin maka angin akan diblok oleh turbin. Diantara keduanya pada putaran turbin akan menghasilkan daya yang maximum. Maka untuk memperoleh energi listrik yang optimal diperlukan langkah – langkah sebagai berikut : 1. Potensi Angin Potensi dan karakteristik angin pada suatu daerah terpilih akan menentukan daya keluaraan turbin angin. Karena daya rotor tergantung pada kecepatan angin maka agar diperolehnya daya rotor yang tinggi, maka kecepatan operasional SKEA harus sesuai dengan kerakteristik angin di lapangan. Universitas Sumatera Utara 2. Perbandingan Kecepatan Ujung Sudu tip speed ratio Perbandingan kecepatan ujung sudu yang tinggi akan memberikan putaran rotor yang tinggi pula. Hal ini akan menurunkan perbandingan transmisi, berarti dapat meningkatkan efisiensi dan menurunkan harga. Akan tetapi, perbandingan kecepatan ujung sudu yang tinggi meningkatkan pengaruh gaya tahanan maka koefisien daya rotor tergantung pada perbandingan gaya angkat dan geser. Sudut optimum dari sudut serang yang menghasilkan nilai Angkat tertinggi terhadap Geser. Jika kecepatan angin meningkat, maka daya dan torsi akan meningkat juga, maka dapat digambarkan untuk tiap kecepatan angin. [11] Gambar 3.5 Daya dan torsi rotor angin sebagai fungsi kecepatan rotasi untuk kecepatan angin yang berbeda Daya, torsi dan kecepatan di rumuskan dibawah : Universitas Sumatera Utara 2 2 2 1 3 2 1 : 4 . 3 3 . 3 2 . 3 R A rotor area dengan V R Speed Tip Rasio R AV Q C Torsi Koefisien AV P C Daya Koefisien Q P π λ = Ω = = = Dimana, Ω = kecepatan rotasi radians sec R = jari – jari rotor m V = kecepatan angin ms Subtitusikan ke persamaan pertama, maka didapat : λ × = Q P C C 3.5 Keuntungan dari rotor dengan dimensi dan kecepatan angun yang berbeda dapat dibagi menjadi dua kurva C P – λ dan C Q Gambar 3.6, merupakan kurva C – λ. P – λ dan C Q – λ untuk tipe rotor angin dengan dua baling – baling dan banyak baling – baling. Gambar 3.6 Kurva Daya dan Torsi dari dua rotor angin sebagai fungsi rasio tip speed Universitas Sumatera Utara Pada Gambar diatas nampak perbedaan yang jelas antara rotor banyak baling – baling yang beroperasi pada rasio tip speed rendah dan rotor dengan dua atau tiga baling – baling pada dengan rasio tip speed tinggi. Catatan bahwa koefisien daya maksimum rotor disebut disain rasio tip speed λ d Rumus empiris untuk memperkirakan koefisien torsi start dari rotor terhadap fungsi disain rasio tip speednya adalah : tidak terlalu berbeda, tapi beda dengan torsi, pada saat torsi start λ = 0 dan torsi maximum. 2 5 . λ = START Q C 3.6 3. Penampang Airfoil Penampang airfoil yang berbeda mempunyai perbandingan gaya angkat dan geser yang berbeda pula. Bila digunakan airfoil dengan perbandingan gaya angkat dan geser yang tinggi, koefisien daya rotor akan meningkat dan rotor mampu beroperasi dalam daerah perbandingan kecepatan ujung sudu yang tinggi. Kekesaran permukaan sudu mempengaruhi aerodinamik dan prestasi rotor. Kekasaran tersebut dapat diakibatkan oleh kontaminasi air hujan bercampur debu, kristalisasi air garam, serangga yang menempel dan erosi permukaan. 4. Jumlah Sudu Jumlah sudu mempunyai pengaruh terhadap perbandingan kecepatan ujung sudu dan torsi rotor. Semakin kecil ujung sudu, semakin besar perbandingan kecepatan ujung sudu, tetapi semakin kecil torsi rotor. Jumlah sudu juga mempunyai pengaruh besar terhadap pembebanan struktur. Rotor dengan jumlah tiga sudu misalnya, lebih stabil dibandingkan dengan dua sudu sehingga rotor dengan jumlah tiga sudu juga mempunyai pengaruh getaran pada struktur lebih kecil dibandingkan dengan dua sudu. 5. Geometri Sudu Universitas Sumatera Utara Geometri atau bentuk sudu ditentukan oleh variasi radial chord dan sudut sudu sepanjang jari – jari rotor. Sudu dengan performansi tinggi memerlukan distribusi chord berbentuk hiperbola dan sudut sudu bervariasi. Rancangan sudu yang optimal menuntut perpaduan antara kebutuhan performansi aerodinamik yang tinggi, kekuataan struktur yang memadai dan tidak sukar dibuat. 6. Solidaritas Sudu Solidaritas sudu merupakan perbandingan antara luas sudu dengan luas sapuan rotor. rotor sapuan Luas baling baling Jumlah baling baling Luas Sudu s Solidarita − − = Solidaritas tersebut mempunyai pengaruh nyata terhadap jumlah bahan dan biaya. Solidaritas sudu ditentukan berdasarkan alasan – alasan aerodinamik pembebanan pada struktur dan stabilitas dinamik sudu rotor. Adapun syarat – syarat untuk pemilihan material sudu adalah : 1. Biaya material dan pembuataan yang mudah. 2. adanya pengalaman penggunaan sudu sebelumnya dan tersedianya data rancangan. 3. daya tahan untuk penurunan pada lingkungan yang merugikan. 4. dapat diperbaiki. 5. tersedianya teknik pemeriksaan yang handal. 6. memiliki kemampuan sifat mekanik yaitu: • modulus elastis yang tinggi untuk melawan tekukan. • daya lelah fatigue untuk melawan permulaan dan perkembangan keretakaan pada pembebanan cyclic Cycling Loading. • Dapat lentur tanpa panas duttility yang tinggi untuk menghindari percepatan perkembangan keretakan. Universitas Sumatera Utara

III. 3. Efek Angka Reynolds Pada Karakteristik Airfoil