8 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. Kecepatan angin umumnya berkisar antara 5
– 15 knots 9 – 27 kmjam. Kecepatan angin ≥15 knot ≥27 kmjam:
- Samudera Hindia sebelah barat Sumatera - Samudera Pasifik Timur Filippina
- Samudera Hindia Selatan Jawa hingga Nusa Tenggara Dikutip dari majalahenergi.com diperoleh data kecepatan angin rata-rata
tahunan pada beberapa daerah di kawasan Indonesia. Pengukuran kecepatan angin ini dilakukan pada ketinggian 50 m yang dapat dilihat pada Lampiran IV. Dari
data kecepatan angin ini memungkinkan untuk mengembangkan pembangkit listrik tenaga angin berskala kecil di Indonesia. Berikut ini merupakan data
potensi energi terbarukan di Indonesia. Tabel.2.5 Sepuluh negara dengan kapasitas turbin angin terpasang
No Negara Kapasitas total MW akhir tahun 2012
1 China 75,564
2 United States 60,007
3 Germany 31,332
4 Spain 22,796
5 India 19,051
6 United Kingdom 8,445
7 Italy 8,144
8 France 7,196
9 Canada 6,200
10 Portugal 4,525
Lainnya 39,852
Total 282,482
Sumber: Global Wind Statistic, 2012
2.3 Turbin Angin
Turbin angin merupakan mesin dengan sudu yang berputar untuk mengkonversikan energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Jika energi
mekanik digunakan langsung secara permesinan seperti menggerakkan pompa maka turbin disebut windmill. Jika energi mekanik digunakan untuk
Universitas Sumatera Utara
9 menggerakkan generator yang menghasilkan energi listrik, maka turbin ini disebut
wind generator atau wind energy converter WEC. 2.3.1 Jenis-jenis turbin angin
Turbin angin dapat digolongkan berdasarkan prinsip aerodinamika yang bekerja pada rotornya, yaitu:
- Jenis drag, memanfaatkan selisih koefisien drag pada sudu - Jenis lift, memanfaatkan gaya lift yang terjadi pada sudu akibat aliran
udara Berdasarkan letak sumbu porosnya, turbin angin dapat dibedakan menjadi
dua kelompok. - Turbin angin sumbu horizontal TASH
- Turbin angin sumbu vertikal TASV
TASH Turbin angin satu sudu single bladed
Turbin angin dua sudu double bladed Turbin angin tiga sudu three bladed
Turbin angin bersudu banyak multi bladed Berdasarkan
jumlah sudu
Berdasarkan letak rotor terhadap arah angin
Upwind : rotor menghadap arah datangnya angin
Downwind : rotor membelakangi arah datangnya angin
TASV Turbin angin
Savonius
Turbin angin Darrieus
Sudu lurus Sudu lengkung
Darrieus Eggbeater Darrieus-H giromill
Gambar.2.2 Pengelompokan turbin angin Sumber: Dokumen Penulis
Universitas Sumatera Utara
10 2.3.2 Teori elemen momentum Betz
Energi kinetik udara dengan massa m yang bergerak dengan kecepatan v dirumuskan dengan:
E = ½ m v
2
N.m 2.3
Dengan menganggap bahwa udara ini melewati suatu saluran dengan luas penampang A dengan kecepatan v, maka volume udara yang melewati saluran
dalam satu satuan waktu dinyatakan dengan: Q = vA
m
3
s 2.4
dan laju aliran massa udara dengan kerapatan ρ: = ρAv
kgs 2.5
Energi yang terkandung di dalam massa udara yang bergerak ini dinyatakan dengan:
P = ½ ρAv
3
W 2.6
Pertanyaannya adalah berapa banyak energi yang dapat diekstrak dari energi udara yang bergerak ini oleh turbin. Energi kinetik udara ini akan diubah
menjadi energi mekanis, dengan catatan laju aliran massa udara yang melewati turbin ini tidak berubah. Artinya, variabel yang berubah adalah kecepatan udara
saat meninggalkan turbin ini.
Gambar.2.3 Pemodelan aliran Betz Erich Hau,2006 v
1
adalah kecepatan udara sebelum melewati turbin dan v
2
adalah kecepatan udara setelah melewati turbin. Dari persamaan kontinuitas diperoleh:
Universitas Sumatera Utara
11 ρv
1
A
1
= ρv
2
A
2
2.7 Selisih energi angin di titik 1 dengan titik 2 dapat dituliskan dengan:
P = ½ ρ A
1
v
1 3
– ½ ρ A
2
v
2 3
= ½ ρ A
1
v
1 3
– A
2
v
2 3
2.8 Dengan memasukkan persamaan 2.3
P = ½ ρ A
1
v
1
v
1 2
– v
2 2
atau P = ½
v
1 2
– v
2 2
W 2.9
Dari persamaan diatas disimpulkan bahwa energi yang di ekstrak akan maksimum jika v
2
= 0 ,artinya udara di belakang turbin tidak bergerak. Jika kecepatan udara di belakang turbin tidak bergerak maka udara di depan turbin
juga tidak akan bergerak dan tidak ada aliran. Dari hukum konservasi momentum, besarya gaya udara yang mendesak
turbin dituliskan dengan: F = ma
F = m dVdt = m Δv F = ρAv v
1
– v
2
F = v
1
– v
2
N 2.10
Berdasarkan hukum Newton ketiga bahwa gaya aksi sama dengan gaya reaksi, gaya F ini mendapat reaksi dari turbin dengan besar yang sama dan
meneruskannya ke aliran udara sehingga mengurangi kecepatan aliran. Akibat gaya reaksi ini, kecepatan aliran turun menjadi v
’
. Daya yang dibutuhkan untuk ini adalah:
P = F v
’
= v
1
– v
2
v
’
W Dengan demikian, daya mekanis yang diekstrak dari udara dapat diperoleh dari
perubahan energi udara sebelum dan setelah melewati turbin. ½
v
1 2
– v
2 2
= v
1
– v
2
v
’
v
’
= ½ v
1
+ v
2
ms 2.11
Dengan demikian, kecepatan aliran melalui turbin ekivalen dengan rata-rata penjumlahan v
1
dan v
2
:
Universitas Sumatera Utara
12 v
’
= v
1
+ v
2
2 ms
2.12 laju aliran udara menjadi:
= ρAv
’
= ½ ρA v
1
+ v
2
kgs 2.13
sehingga daya mekanis turbin dinyatakan dengan: P = ¼ ρA v
1 2
– v
2 2
v
1
+ v
2
W 2.14
Daya udara sebelum melewati turbin atau daya yang tersedia di dalam udara,
P
o
= ½ ρAv
3
W maka diperoleh koefisien performansi turbin:
C
p
= PP
o
= 2.15
C
p
= 2.16
Koefisien performansi ini merupakan rasio antara energi yang terkandung di dalam udara dengan energi yang dapat diekstrak dari udara tersebut. Oleh
karena itu, C
p
bergantung pada rasio kecepatan udara sebelum dan sesudah melewati turbin.
Gambar dibawah merupakan plot hasil iterasi C
p
dengan memvariasikan rasio kecepatan udara sebelum dan sesudah meninggalkan turbin v
2
v
1
. Dari hasil plot tersebut diperoleh bahwa nilai koefisien performansi maksimum pada v
2
v
1
= 13 sehingga diperoleh:
C
p
= 1627 = 0,593
Universitas Sumatera Utara
13 Gambar.2.4 Koefisien performansi vs rasio kecepatan Erich Hau, 2006
Gambar.2.5 Profil kecepatan dan tekanan pada pemodelan Betz Erich Hau, 2006 Gambar diatas menunjukan variasi kecepatan aliran dan tekanan statik.
Saat udara mendekati turbin, udara terhambat sehingga kecepatannya berkurang sampai ke nilai minimum di belakang turbin.
Universitas Sumatera Utara
14 Betz merupakan orang pertama yang merumuskan ini, sehingga nilai ini
disebut dengan Betz limit. Dengan mengetahui bahwa koefisien performansi ideal diperoleh pada
rasio kecepatan v
2
v
1
= 13 maka kecepatan aliran tepat di depan turbin, v
’
= 23 v
1
2.17 dan kecepatan udara setelah melewati turbin,
v
2
= 13 v
1
2.18
2.4 Turbin angin Darrieus
