Turbin Angin
-
Upload
damar-panuluh -
Category
Documents
-
view
220 -
download
17
Transcript of Turbin Angin
1
TURBIN ANGIN (Ditulis oleh : Lambok R. Siregar, 23111034)
A. Pendahuluan
Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke tekanan udara
yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat
pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari. Karena bergerak angin memiliki
energi kinetik. Energi angin dapat dikonversi atau ditransfer kedalam bentuk energi lain seperti
listrik atau mekanik dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Oleh karena itu, kincir atau
turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA).
Gambar 1 : Sistem angin global
Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengubah energi kinetik dari angin menjadi
energi mekanik pada kincir, lalu putaran kincir digunakan untuk memutar generator, yang
akhirnya akan menghasilkan listrik. Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk
membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi
kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll.
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. Skema SKEA untuk
pembangkitan energi listrik dapat ditunjukan pada skema dibawah ini.
2
Gambar 2 : Skema sistem konversi energi angin ( SKEA )
B. Pengertian Turbin Angin
Turbin angin merupakan mesin dengan sudu berputar yang mengonversikan energi
kinetik angin menjadi energi mekanik. Jika energi mekanik digunakan langsung secara
permesinan seperti pompa atau grinding stones, maka mesin (turbin) disebut windmill. Jika
energi mekanik dikonversikan menjadi energi listrik, maka mesin disebut turbin angin atau wind
energy converter (WEC). Ekstraksi potensi angin adalah sebuah upaya kuno dimulai dengan
kapal-tenaga angin, pabrik gandum dan grinding stone. Kini turbin angin lebih banyak
digunakan untuk menyuplai kebutuhan listrik masyarakat dengan menggunakan prinsip konversi
energi dan memanfaatkan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun
sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik
konvensional, contohnya pembangkit listrik tenaga air (PLTA), pembangkit listrik tenaga diesel
(PLTD), pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dan sebagainya. Turbin angin masih
dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan
masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui, contohnya minyak bumi, batubara dan
sebagainya sebagai bahan dasar untuk membangkitkan energi listrik.
Secara umum turbin angin diklasifikasikan menjadi dua jenis ; sumbu horizontal dan
sumbu vertikal. Jenis sumbu horizontal sudu berputar pada sumbu yang sejajar dengan tanah
sedangkan jenis vertikal sudu berputar pada sumbu yang tegak lurus dengan tanah.
Jenis turbin angin ada 2, yaitu :
1. Turbin angin sumbu horizontal
2. Turbin angin sumbu vertikal
3
C. Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH)
Turbin angin sumbu horisontal (TASH) memiliki poros rotor utama dan generator listrik
di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin (baling-
baling cuaca) yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya menggunakan
sebuah sensor angin yang digandengkan ke sebuah servo motor. Sebagian besar memiliki sebuah
gearbox yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat berputar.
Karena sebuah menara menghasilkan turbulensi dibelakangnya, turbin biasanya
diarahkan melawan arah anginnya menara. Bilah-bilah turbin dibuat kaku agar mereka tidak
terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan tinggi. Sebagai tambahan, bilah-bilah itu
diletakkan di depan menara pada jarak tertentu dan sedikit dimiringkan.
Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur menara, dan realibilitas begitu
penting, sebagian besar TASH merupakan mesin up-wind (melawan arah angin). Meski memiliki
permasalahan turbulensi, mesin down-wind (menurut jurusan angin) dibuat karena tidak
memerlukan mekanisme tambahan agar mereka tetap sejalan dengan angin, dan karena di saat
angin berhembus sangat kencang, bilah-bilahnya bisa ditekuk sehingga mengurangi wilayah
tiupan mereka dan dengan demikian juga mengurangi resintensi angin dari bilah-bilah itu. Jenis-
jenis turbin angin sumbu horizontal dapat dilihat pada gambar 3.
Gambar 3 : Jenis-jenis turbin TASH
4
Kelebihan TASH
a. Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di tempat-tempat
yang memiliki geseran angin (perbedaan antara laju dan arah angin antara dua titik yang
jaraknya relatif dekat di dalam atmosfir bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap
sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%.
Kelemahan TASH
a. Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkut.
Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan
turbin angin.
b. TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi dan
mahal serta para operator yang tampil.
c. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat,
gearbox, dan generator.
d. TASH yang tinggi bisa mempengaruhi radar airport.
e. Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu penampilan
lansekap.
f. Berbagai varian down-wind menderita kerusakan struktur yang disebabkan oleh
turbulensi.
g. TASH membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan kincir ke
arah angin.
C. Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)
Turbin angin sumbu vertikal (TASV) memiliki poros atau sumbu 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. TASV mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah. Gambar 4 menunjukan
beberapa TASV.
5
Gambar 4 : Beberapa jenis Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)
Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah,
jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan.
Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. 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 yang tersedia
adalah energi angin yang sedikit. Aliran udara di dekat tanah dan obyek yang lain mampu
menciptakan aliran yang bergolak, yang bisa menyebabkan berbagai permasalahan yang
berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan
biaya pemeliharaan atau mempersingkat umur turbin angin. 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.
Kelebihan TASV
a. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.
b. Karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhkan mekanisme yaw.
c. Sebuah TASV bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan bagian-
bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.
6
d. TASV memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara
melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang tinggi sembari
mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi.
e. Desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat
persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu
daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya TASH.
f. TASV memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada TASH. Biasanya
TASV mulai menghasilkan listrik pada 10km/jam (6 m.p.h.)
g. TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari
ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih
kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat kencang.
h. TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi dilarang
dibangun.
i. TASV yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari berbagai
lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin (seperti gunung atau
bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit),
j. TASV tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.
7
Kekurangan TASV
a. Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH karena drag
tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.
b. TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi
yang lebih tinggi.
c. Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk
mulai berputar.
d. Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi tekanan pada
bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan
ke puncak bantalan meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup.
berdasarkan prinsip aerodinamik rotor yang digunakan, turbin angin sumbu vertikal dibagi
menjadi dua jenis yaitu:
1. Turbin angin Darrieus
Turbin angin Darrieus pada umumnya dikenal sebagai turbin eggbeater. Turbin angin
Darrieus pertama kali ditemukan oleh Georges Darrieus pada tahun 1931. Turbin angin Darrieus
merupakan turbin angin yang menggunakan prinsip aerodinamik dengan memanfaatkan gaya lift
pada penampang sudu rotornya dalam mengekstrak energi angin.
Turbin Darrieus memiliki torsi rotor yang rendah tetapi putarannya lebih tinggi dibanding
dengan turbin angin Savonius sehingga lebih diutamakan untuk menghasilkan energi listrik.
Namun turbin ini membutuhkan energi awal untuk mulai berputar. Rotor turbin angin Darrieus
pada umumnya memiliki variasi sudu yaitu dua atau tiga sudu. Modifikasi rotor turbin angin
Darrieus disebut dengan turbin angin H.
8
Gambar 5 : Turbin angin Darrieus
Gambar 6 : Turbin angin Darrieus tipe-H
2. Turbin angin Savonius
Turbin angin Savonius pertama kali diperkenalkan oleh insinyur Finlandia Sigurd J.
Savonius pada tahun 1922. Turbin angin sumbu vertikal yang terdiri dari dua sudu berbentuk
setengah silinder (atau elips) yang dirangkai sehingga membentuk ‘S’, satu sisi setengah silinder
berbentuk cembung dan sisi lain berbentuk cekung yang dilalui angin seperti pada gambar 7
Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin ini memanfaatkan gaya hambat (drag) saat
mengekstrak energi angin dari aliran angin yang melalui sudu turbin.
9
Koefisien hambat permukaan cekung lebih besar dari pada permukaan cembung. Oleh
sebab itu, sisi permukaan cekung setengah silinder yang dilalui angin akan memberikan gaya
hambat yang lebih besar daripada sisi lain sehingga rotor berputar. Setiap turbin angin yang
memanfaatkan potensi angin dengan gaya hambat memiliki efisiensi yang terbatasi karena
kecepatan sudu tidak dapat melebihi kecepatan angin yang melaluinya.
Gambar 7 : Prinsip rotor savonius
10
D. Parameter Turbin Angin
Turbin angin adalah alat untuk mengubah energi kinetik angin ke energi mekanik dari
poros berputar. Biasanya perputaran energi mekanik diubah segera oleh generator menjadi
energi listrik. Generator biasanya terhubung ke poros turbin melalui gigi yang memutar
generator pada kecepatan yang berbeda dari poros turbin. Dan diinginkan daya kontrol
elektronik mengubah listrik ke frekuensi yang benar dan tegangan untuk memberi input ke
dalam jaringan listrik (mungkin 60 Hertz atau 50 Hertz). Energi yang masuk adalah energi
kinetik dari kecepatan angin dan kerapatan udara. Tidaklah mungkin untuk mengubah semua
energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Energi yang keluar adalah energi yang diubah
oleh sudu turbin menjadi energi mekanik, ditambah energi yang tersisa di udara setelah
melewati rotor turbin.
Gambar 8 : Skema pemanfaatan energi angin
Beberapa parameter energi angin yang perlu untuk di analisa adalah sebagai berikut:
1. Daya ektraksi
Energi dan daya didapat dari angin dengan memanfaatkan gaya yang menabrak benda
padat dan mendorongnya. Sudu dari suatu turbin didesain untuk bergerak sebagai respon dari hal
tersebut, dan SKEA dapat mengekstraksi energi dan daya yang disediakan angin dengan porsi
tertentu.
Energi kinetik udara dapat dirumuskan sebagai berikut
𝐸𝑘= 1/2 × 𝑚 × 𝑉2 ................................. (1)
𝐸𝑘= 1/2 × 𝜌 × 𝛻× 𝑉2................................. (2)
11
Dimana volume aliran angin dalam suatu waktu :
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 (𝛻)=𝐴 × 𝑉 ×𝑡............................. (3)
Sehingga energi angin yang mengalir melalui suatu permukaan dalam suatu waktu adalah:
𝐸𝑡𝑒𝑟𝑠𝑒𝑑𝑖𝑎= 1/2 × 𝜌 × 𝑉3×𝐴×𝑡 .................. (4)
Daya angin adalah jumlah energi yang mengalir pada permukaaan dalam satuan waktu dan
dikalkulasikan dengan membagi energi angin dengan satuan waktu. Maka daya angin yang
tersedia dengan kondisi yang sama dapat dituliskan sebagai berikut :
𝑃𝑡𝑒𝑟𝑠𝑒𝑑𝑖𝑎= = 1/2 × 𝜌 × 𝑉3×𝐴 ................. (5)
Dengan : ρ = densitas udara
V = kecepatan angin
A = luas daerah sapuan angin
Akan tetapi, daya yang tersedia tidak dapat diekstraksi seluruhnya oleh suatu SKEA.
Hukum Betz adalah teori tentang energi maksimum yang akan berasal dari "mesin hidrolik
angin", atau turbin angin seperti Bollée Éolienne (dipatenkan pada 1868), Windmill Eclipse
(dikembangkan pada tahun 1867), dan Aermotor (pertama muncul pada tahun 1888 untuk
memompa air untuk ternak, dan masih dalam produksi). Hukum Betz dikembangkan pada tahun
1919 oleh fisikawan Jerman Albert Betz. Menurut hukum Betz's, turbin tidak dapat menangkap
lebih dari 59,3 persen dari energi kinetik angin. Efisiensi ideal (η) dari turbin angin adalah rasio
daya maksimum yang diperoleh dari angin dengan kekuatan total yang tersedia di angin. Faktor
0,593 dikenal sebagai koefisien Betz
Pada prakteknya, sebuah SKEA hanya dapat mengekstrak daya kurang dari daya
maksimum nya. Ini dikarenakan adanya kerugian gesekan pada bantalan, sistem transmisi,
generator dan komponen-komponen bergerak lainnya. Selain itu kerugian disebabkan juga
diakibatkan dari sistem peyimpanan (baterai), kabel dan peralatan listrik lainnya. Efisiensi
keseluruhan dari sistem pada suatu SKEA dapat dirumuskan sebagai berikut:
η= 𝑃𝑒𝑘𝑠𝑡𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖/ 𝑃𝑡𝑒𝑟𝑠𝑒𝑑𝑖𝑎 ............................................. (6)
Dengan demikian daya yang dapat diektraksi oleh suatu SKEA dengan adanya efisiensi
sistem (η) dapat dirumuskan sebagai berikut:
𝑃𝑒𝑘𝑠𝑡𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖= 12 × 𝜌 × 𝑉3×𝐴×η............ (7)
keterangan :
𝑃𝑒𝑘𝑠𝑡𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖 : daya yang dapat diekstraksi ( watt)
12
𝜌 : massa jenis udara ( kg/mm3
)
𝑉 : kecepatan angin ( m/s)
𝐴 : luas area penampang sudu (m2
)
η : efisiensi turbin (%)
2. Tip Speed ratio
Tip speed ratio merupakan rasio kecepatan ujung rotor turbin terhadap kecepatan angin
yang melalui rotor. Rasio kecepatan ujung rotor memiliki nilai nominal yang berubah – ubah
terhadap perubahan kecepatan angin. Turbin angin tipe lift memiliki tip speed ratio yang lebih
besar dibanding dengan turbin angin tipe drag.
Tip speed ratio λ dihitung dengan persamaan:
𝜆 =𝑘𝑒𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑢𝑗𝑢𝑛𝑔 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟𝑘𝑒𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛
𝜆 =𝜐𝑢=𝜔 . 𝑟𝑢= 2 𝜋 𝑛 𝑟/ 𝑢 ………………….………(8)
dimana:
𝑛 = putaran rotor (1/s)
𝑟 = radius rotor (m)
𝑢 = kecepatan angin (m/s)