Literature Review Turbin Angin

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Literature Review

Dari studi literature yang dilakukan, semakin besar sudut kelengkungan turbin, maka semakin besar jari-jari turbin, akibatnya gaya hambat yang dialami turbin semakin besar sehingga kecepatan putar turbin berkurang. Kecepatan putar turbin bertambah sebanding dengan bertambahnya kecepatan angin. Semakin besar jari-jari turbin, semakin besar pula torsinya, namun putaran yang dihasilkan turbin semakin kecil[5]. Pembuatan turbin angin tipe rotor helix dengan sistem modul dapat diaplikasikan, dengan setiap sambungannya dengan menggunakan mekanisme baut, sehingga turbin angin tipe helix mudah ditransportasikan. Semakin tinggi kecepatan angin yang melintas di turbin angin tipe helix ini, baik yang bersudu lurus maupun yang bersudu setengah lingkaran, maka semakin tinggi daya yang dihasilkan oleh generator. Untuk menghasilkan daya minimum 300 Watt baik yang bersudu lurus atau pun yang bersudu setengah lingkaran, turbin angin menggunakan empat buah turbin angin dengan tipe yang sama dengan kecepatan angin rata-rata 4 ms[6]. Semakin pendek ukuran lengan, putaran generator yang dihasilkan semakin besar. Semakin pendek ukuran lengan, daya yang dihasilkan semakin besar. Semakin besar rasio gear yang digunakan, semakin besar putaran generator yang dihasilkan[7].

2.2 Turbin Angin

Turbin angin merupakan sebuah alat yang digunakan dalam sistem konversi energi angin SKEA. Turbin angin berfungsi merubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik berupa putaran poros. Putaran poros tersebut kemudian digunakan untuk beberapa hal sesuai dengan kebutuhan seperti memutar dinamo atau generator untuk menghasilkan listrik atau untuk menggerakan pompa untuk Universitas Sumatera Utara pengairan. Desain turbin angin yang ada saat ini terbagi menjadi dua, yaitu turbin angin sumbu mendatar HAWT dan turbin angin sumbu vertikal VAWT[8]. Bagian-bagian turbin angin dapat dilihat pada Gambar 2.1. Gambar 2.1. Konstruksi turbin angin[8] Keterangan gambar : 1. Arah angin pada HAWT tipe upwind 2. Diameter rotor 3. Hub height 4. Rotor blade 5. Gear box 6. Generator 7. Nacelle 8. Tower pada HAWT 9. Arah angin pada HAWT tipe downwind 10. Tinggi rotor 11. Tower pada VAWT 12. Equator height 13. Fixed-pitch rotor blade[8] Universitas Sumatera Utara Pemanfaatan energi angin telah dilakukan sejak lama. Pertama kali digunakan untuk menggerakan perahu di sungai Nil sekitar 5000 tahun lalu SM. Penggunaan kincir sederhana sudah dimulai sejak permulaan abad ke-7 dan tersebar di berbagai negara seperti Persia, Mesir, dan Tiongkok dengan berbagai desain. Di Eropa, kincir angin mulai dikenal sekitar abad ke-11 dan berkembang pesat saat revolusi industri pada awal abad ke-19. 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[8]. Salah satu komponen yang dapat meningkatkan safety dan efisiensi dari turbin angin adalah rotor. Rotor ini berfungsi sebagai perubah gerak linier angin menjadi gerak putar sudu turbin. Untuk klasifikasi berdasarkan fungsi gaya aerodinamisnya, merujuk pada gaya utama yang menyebabkan rotor berputar. Berdasarkan fungsi dari gaya aerodinamis, rotor terbagi menjadi dua, yaitu rotor tipe drag dan rotor tipe lift[9]. 1. Rotor tipe drag, memanfaatkan efek gaya hambat atau drag sebagai gaya penggerak rotor. 2. Rotor tipe lift, memanfaatkan efek gaya angkat sebagai gaya penggerak rotor. Gaya ini terjadi akibat angin yang melewati rotor. Turbin angin sumbu vertikaltegak VAWT memiliki porossumbu 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. VAWT mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah[9]. Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di atas tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk Universitas Sumatera Utara keperluan perawatanpemeliharaan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang tidak stabil. 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 tersedia energi angin yang sedikit. 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[9]. Ada tiga tipe rotor pada turbin angin jenis ini, yaitu: Savonius, Darrieus, dan Helix rotor. Turbin Savonius memanfaatkan gaya drag sedangkan Darrieus dan Helix rotor memanfaatkan gaya lift. Turbin angin sumbu vertical dapat dilihat pada Gambar 2.2. Gambar 2.2. Turbin angin sumbu vertical[9] 2.2.1. Teori Momentum Elementer Betz Albert Betz seorang aerodinamikawan Jerman, adalah orang pertama yang memperkenalkan teori tentang turbin angin. Dalam bukunya “Die Windmuhlen imLichte neurer Forschung. Die Naturwissenschaft.” 1927, ia mengasumsikan bahwa suatu turbin mempunyai sudu-sudu yang tak terhingga jumlahnya dan tanpa hambatan. Juga diasumsikan bahwa aliran udara di depan dan di belakang rotor memiliki kecepatan yang seragam aliran laminar[10]. Teori A. Betz digambarkan seperti yang terlihat pada Gambar 2.3. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.3. Teori A. Betz[10] Dalam sistem konversi energi angin, energi mekanik turbin hanya dapat diperoleh dari energi kinetik yang tersimpan dalam aliran angin, berarti tanpa perubahan aliran massa udara, kecepatan angin di belakang turbin haruslah mengalami penurunan. Dan pada saat yang bersamaan luas penampang yang dilewati angin haruslah lebih besar, sesuai dengan persamaan kontinuitas. Jika  kecepatan angin di depan rotor, Vkecepatan angin saat melewati rotor, dan kecepatan angin di belakang rotor, maka daya mekanik turbin diperoleh dari selisih energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati turbin, proil kecepatan angin melewati penampang rotor dapat dilihat pada Gambar 2.4[10]. Gambar 2.4. Profil kecepatan angin melewati penampang rotor[10] 2.2.2. Rotor Bagian dari turbin angin yang mengumpulkan energi dari angin disebut dengan rotor bladebaling-baling. Rotor biasanya terdiri dari dua atau lebih sudu yang terbuat dari kayu, fiberglass atau logam berkeliling sumbu horizontal atau vertikal. Sudu-sudu dipasang pada naf hub, yang menempel pada poros utama. Rotor didesain berdasarkan prinsip dasar drag dan lift[9]. Pada sudu jenis drag angin mendorong sudu keluar alurnya. Jenis drag ini biasanya dikenal dengan karakteristik putaran rpm lambat dan kapasitas torsi yang tinggi. Kegunaan jenis ini untuk memompa, pekerjaan menggergaji atau Universitas Sumatera Utara menggerinda di Belanda, pertanian windmills. Sudu lift dikembangkan sama dengan prinsip dasar yang dimiliki pesawat, layangan dan burung untuk terbang. Sudu sebagai airfoil, atau sayap. Ketika udara melewati sudu, kecepatan angin dan perbedaan tekanan terjadi antara permukaan atas dan permukaan bawah sudu. Tekanan pada bagian bawah lebih besar dan mengakibatkan sudu terangkat. Ketika sudu-sudu dipasang pada sumbu utama, sama seperti baling-baling kincir angin, gaya angkat diubah menjadi putaran. Jenis lift ini memiliki putaranrpm yang lebih tinggi dari jenis drag[9]. Jumlah sudu rotor dan luas total yang ditutup sudu mempengaruhi performansi kincir angin. Untuk jenis baling-baling lift untuk mengefektifkan fungsinya, angin harus mengalir perlahan terhadap sudu. Untuk mencegah turbulen, ruang antara sudu harus lebih besar maka satu sudu tidak akan menghalangi aliran, aliran udara lemah disebabkan sudu telah dilewati sebelumnya[9]. 2.2.3. Turbin Angin Savonius Salah satu jenis turbin angin sumbu vertikal VAWT yang dapat digunakan pada angin dengan kecepatan rendah. Turbin ini ditemukan oleh sarjana Finlandia bernama Sigurd J. Savonius pada tahun 1922. Konstruksi turbin sangat sederhana, tersusun dari dua buah sudu setengah silinder[11]. Pada perkembangannya turbin Savonius ini banyak mengalami perubahan bentuk rotor, seperti yang terlihat pada Gambar 2.5. Gambar 2.5.Bentuk rotor[11] Universitas Sumatera Utara

2.3 Gerak dan Gaya