perancangan. Ini berguna untuk melindungi turbin angin ini jika terjadi angin melebihi batas perancangan.
2. Bentuk rotor dapat dioptimalisasi secara aerodinamis dan ini terbukti dapat menaikkan efisiensi dari turbin angin ini.
3. Teknologi pengembangan rancangan propeler sudah mapan dan telah berkembang.
4. Menara turbin yang tinggi sehingga mampu mendapatkan kecepatan angin yang lebih tinggi.
5. Mekanisme pada turbin angin ini lebih kompleks dan lebih lengkap sehingga hasil yang didapatkan lebih maksimal.
Meskipun demikian ,turbin angin jenis ini juga memiliki kelemahan. Beberapa kelemahan yang dimiliki oleh turbin angin sumbu horizontal adalah
sebagai berikut: 1. Menara yang tinggi serta bilah yang panjang sulit diangkut dan juga
memerlukan biaya besar untuk pemasangannya, bisa mencapai 20 dari seluruh biaya peralatan turbin angin.
2. TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang tampil.
3. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator.
4. Menaranya yang tinggi dapat mengganggu radar bandara. 5. Biaya pabrikasi dan pemasangannya sangat mahal bila dibandingkan
dengan turbin angin sumbu vertical
2.3 Teori Momentum Elementer Betz
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
Universitas Sumatera Utara
yang berada didepan turbin angin dan kecepatan aliran di belakang turbin angin[8].
Gambar 2.19 Kondisi aliran udara pada proses pengambilan energi mekanik menurut teori momentum elementer
Sumber : Eric Hau , 2006
Besarnya energi kinetik dari massa udara m yang bergerak dengan kecepatan v dapat dituliskan sebagai berikut:
�
�
=
1 2
��
2
Joule 2.1
Banyaknya udara yang mengalir tiap satuanDebit waktu pada luas penampang tertentu jika angin yang bergerak dengan kecepatan v, dituliskan
sebagai 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 turbin angin dari aliran
udara sama dengan besarnya perbedaan daya dari aliran udara sebelum melewati turbin angin dan setelah turbin angin. 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
Universitas Sumatera Utara
dimana v
1
merupakan kecepatan udara sebelum memasuki turbin angin dan v
2
kecepatan udara setelah melewati turbin angin. Dengan menggunakan hukum kontinuitas, didapatkan persamaan berikut ini:
�̇
1
= �̇
2
�. �
1
. �
1
= �. �
2
. �
2
2.6 Dengan menggantikan persamaan2.5 oleh persamaan2.6, maka didapatkan
persamaan 2.7 sebagai berikut: � =
1 2
�. �
1
. �
1
. �
1 2
− �
2 2
W 2.7
� =
1 2
. �.̇ �
1 2
− �
2 2
� 2.8
Dari persamaan 2.8 terlihat bahwa daya yang akan diterima oleh suatu turbin angin akan maksimum ketika nilai v
2
= 0. Hal ini mustahil terjadi karena jika memang udara di belakang turbin angin bernilai nol, maka kecepatan angin
sebelum memasuki turbin angin juga harus bernilai nol juga. Jika ini terjadi, tentu saja tidak akan ada energi yang bisa diambil oleh turbin angin tersebut. Untuk
itulah dibutuhkan persamaan lain untuk mewakili pengkoversian energi di turbin angin ini.
Selain dengan menggunakan hukum kelestarian energi, ada persamaan lain untuk mewakili daya yang mampu diekstrak oleh turbin angin. Persamaan itu
adalah hukum konservasi momentum. Andaikan udara bergerak dan mengenai turbin ,dapat dikatakan udara ini memberikan gaya pada turbin angin. Gaya yang
mengenai sudu turbin 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,
1 2
. �.̇ �
1 2
− �
2 2
= �.̇ �
1
− �
2
. �
′
W 2.11
Maka kecepatan udara yang melewati converter adalah sebagai berikut : �
′
=
�
1
+ �
2
2
ms 2.12
Universitas Sumatera Utara
Massa udara yang mengalir menjadi: �̇ = �. �
′
. � =
1 2
�. �. �
1
+ �
2
kgs 2.13
Daya mekanikal yang dihasilkan oleh turbin angin dapar dituliskan sebagai berikut:
� =
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
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
. �
2.14 �
�
=
� �
�
=
1 2
. �1 − �
�
2
�
1
�
2
� �1 +
�
2
�
1
� 2.15
Bila dihitung berdasarkan persamaan diatas, nilai c
p
dapat ditentukan dari rasio antara kecepatan angin setelah melewati turbin dengan kecepatan angin
sebelum melewati turbin dan dapat diplot sebagai berikut:
Gambar 2.20 Koefisien daya vs rasio kecepatan angin sesudah dan sebelum melewati turbin angin
0,1 0,2
0,3 0,4
0,5 0,6
0,7
Cp
V2V1
Universitas Sumatera Utara
Nilai ini yang disebut sebagai “factor Betz”. Nilai ini menunjukkan bahwa efisiensi paling maksimal yang dapat di ekstrak oleh turbin angin adalah ketika
nilai
v
2
=
1 3
v
1.
2.4 Tip speed ratio
