Wind turbine

BAB II

LANDASAN TEORI

Sejarah Pemanfaatan angin

Turbin angin pertama dikembangkan untuk penggilingan padi otomatis dan pemompaan air dan diketahui perancangan sistim turbin angin sumbu-vertikal pertama dipersia sekitar 500-900 Masehi. Penggunaan yang muncul pertama kali adalah untuk pemompaan air, tetapi metode yang digunakan untuk perpindahan air yang sebenarnya tidak dapat diketahui karena tidak ada diketemukan gambaran maupun rancangan yang terdokumentasikan, hanya melalui cerita yang tersedia. Dokumentasi rancangan yang pertama diketahui adalah sebuah kincir angin Persia, dengan layar vertikal terbuat dari ikatan bambu atau kayu dipasang pada pusat poros vertical dengan penopang horizontal.

Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 meter per detik (m/detik). Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (Lapan) pada 120 lokasi menunjukkan, beberapa wilayah memiliki kecepatan angin di atas 5 m/detik, masing-masing Nusa Tenggara Timur, Nusa Tenggara Barat, Sulawesi, dan Pantai Selatan Jawa.

Sekilas Mengenai Angin

Pada dasarnya angin terjadi dikarenakan perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin didaerah katulistiwa udaranya menjadi panas mengembang dan menjadi ringan naik keatas dan bergerak kedaerah yang lebih dingin. Sebaliknya daerah yang kutub dingin udaranya menjadi dingin dan turun kebawah dengan demikian terjadilah suatu perputaran udara berupa perpindahan udara dari kutub utara kegaris katulistiwa menyusuri permukaa bumi dan sebaliknya suatu perpindahan udara dari garis katulistiwa kembali kekutub utara melalaui lapisan udara yang lebih tinggi.

Gambar 2.1. Skema terjadinya angin pasat
(Sumber: Fisika Energi, 2002, hal: 66)

Pola aliran sirkulasi umum digambarkan sebuah permukaan berbentuk bola halus. Dalam kenyataannya, permukaan bumi sangat bervariasi, dengan lautan yang luas dan daratan yang besar. Perbedaan permukaan ini dapat mempengaruhi aliran udara diakibatkan tekanan bidang yang berubah-ubah dan berganti-ganti, penyerapan radiasi sinar matahari, dan sejumlah embun uap lembab yang ada. Respon lautan samudra sebagai sebuah penyerap energi yang besar. Oleh karena itu pergerakan udara seringkali berganti dengan atau disambung dengan sirkulasi lautan. Semua pengaruh ini membawa perbedaan tekanan yang mana mempengaruhi angin global dan banyak angin lokal yang terus-menerus, seperti kejadian selama angin hujan. Tambahan pula, pemanasan atau pendinginan lokal bisa menyebapkan angin lokal terus-menerus yang terjadi

mendasari musiman atau harian. Ini termasuk angin sepoi-sepoi laut dan angin gunung.

Karakteristik umum angin

Angin disebabkan perbedaan tekanan yang menyeberangi atau melintasi permukaan bumi, ketidak rataan dan ketidak seimbangan pemanasan bumi oleh radiasi matahari serta rotasi bumi. Perbedaan tempat dalam perpindahan panas di atmosfir bumi menciptakan perbedaan tekanan bidang atmosfir tersebut sehingga udara bergerak pindah dari tekanan yang tinggi ketekanan yang rendah. Tinggi gaya tekanan dalam arah vertikal biasanya dieliminasi oleh gaya garavitasi bumi. Jadi, angin cenderung bertiup dibidang horizontal untuk membalas reaksi perbedaan tingkat tekanan tersebut. Tambahan pula tingkat tekanan dan gaya gravitasi, inersia udara, perputaran bumi, dan gesekan dengan permukaan bumi menghasilkan angin turbulen yang mempengaruhi angin atmosfir. Pengaruh dari masing-masing gaya ini pada sistem angin atmosfir berbeda tergantung pada pertimbangan skala geraknya

Gambar 2.2 Perbedaan Temperatur Terhadap Ketinggin
(Sumber: Manwell, et al, 2002, hal: 36)

Seperti yang diperlihatkan pada gambar perubahan temperatur pada siang dan malam hari diakibatkan pemanasan permukaan bumi. Temperatur sebelum matahari terbit menurun seiring dengan ketinggian dari permukaan bumi (garis tebal) dan berbalik setelah matahari bersinar (garis putus-putus). Udara dipanaskan didekat permukaan bumi dan tingkat temperaturnya mendekati bumi meningkat dari ketinggian (z_i ) yang disebut ketinggian balik (Inversion hight) atau lapisan konveksi atau lapisan pencampuran.

Secara umum angin dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu:
Angin planet (Planetary wind)

Pertama angin planet terjadi karena perbedaan panas yang diterima bumi di daerah kutub dan di daerah khatulistiwa. sejumlah radiasi matahari yang diserap oleh permukaan bumi di khatulistiwa lebih banyak dari pada di daerah kutup. Ini menyebapkan udara panas di daerah khatulistiwa bergerak naik ke atas lapisan atmosfir (Troposphere), dan kemudian mengalir ke arah kutub sementara udara dingin dari kutub mengalir kearah khatulistiwa. Jadi, dalam sebuah model aliran sederhana, udara naik di khatulistiwa dan turun di daerah kutup. Sirkulasi dari Atmospir sebagian besar dihasilkan oleh pengaruh rotasi bumi (kira-kira pada kecepatan 600 kilometer per jam di khatulistiwa, menurun ke nol di kutup). Apalagi cuaca yang bervariasi serta berubah-ubah dalam distribusi energi matahari memberikan perbedaan kenaikan dalam sirkulasinya pula.

Angin local (Local wind).
Perbedaan panas antara daratan dan lautan.

Pemanasan ini terjadi akibat energi panas yang dilepaskan oleh matahari diserap oleh tanah daratan juga diserap oleh air lautan. Namun akibat pemanasan tersebut suhu daratan lebih tinggi dibandingkan dengan lautan, hal ini terjadi karena lautan mengalami proses penguapan saat pemanasan terjadi sedangkan daratan tiada mengalami proses penguapan, sehingga suhu udara dan permukaan tanah didaratan lebih tinggi dari pada suhu udara dan permukaan air laut. Udara yang bersuhu lebih tinggi memiliki bobot yang lebih berat sehingga dapat bergerak dari permukaan tanah naik keatas, sedangkan udara bersuhu lebih rendah memiliki bobot lebih berat. Oleh karena itulah udara dilautan bergerak menggantikan udara yang telah naik didaratan maka terjadilah angin laut pada siang hari. Sedangkan pada malam hari terjadi kebalikannya.

Pengaruh posisi bukit dan pegunungan.

Posisi udara dilereng gunung lebih cepat panas pada siang hari dan juga cepat dingin saat malam hari, dibandingkan dengan udara yang berada di daratan rendah. Hal ini terjadi karena udara panas dari dataran rendah bergerak naik menuju lereng pada siang hari. Udara dingin relatif lebih berat sehingga menganti turun dimalam hari.

Gambar 2.3. Angin harian di lembah dan gunung.
(Sumber: Manwell, et al, 2002, hal: 25)

Energi kinetik di alam

Pada umumnya energi kinetik yang terdapat di alam disebapkan oleh matahari dimana energi kinetik ini merupakan bentuk energi matahari secara ridak langsung. Adapun bentuk energi yang disebapkan oleh matahari secara tidak langsung itu diantaranya angin, ombak laut, air terjun dan aliran air, serta pasang surut. Energi kinetik dari sebuah benda dengan massa (m) dan kecepatan (v) dapat

dihitung dengan rumus (Kadir, 1995, hal ; 217)
EK= 1⁄2 m.v^2 ………………….(2.1)
dengan
Ek = Energi kinetik (J)
m = Laju aliran massa (kg)
v = kecepatan (m/det)

Dengan syarat ketentuan (v), tidak mencapai kecepatan cahaya. Rumus di atas Berlaku juga untuk angin yang merupakan udara yang bergerak. Bila suatu ”blok” udara mempunyai penampang (A) m2, dan bergerak dengan kecepatan(v) m/det.Maka jumlah massa yang melewati suatu tempat adalah (Sumber : Kadir, 1995, hal : 247) :

m=ρ.A.V ………………….(2.2)
dengan
A = Luas penampang (m2)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
V = kecepatan (m/det)
Sebagai mana diketahui menurut ilmu fisika klasik energy kinetik dari sebuah benda dengan mass (m) dan kecepatan (v) adalah (Kadir, 1995, hal ;247) ;
Daya = E per satuan waktu
P=0,5.ρ.A.V^3 Per satuan waktu ………………….(2.3)
dengan
P = Daya (W)
E = Energi (J)
ρ = Massa jenis udara (kg/m3)
A = Luas penampang (m2)
V = Kecepatan (m/sec)
Sekilas mengenai turbin angin

Istilah energi angin atau tenaga angin digambarkan sebagai proses dimana angin digunakan untuk membangkitkan tenaga mekanik dan juga energi listrik. Turbin angin mengubah energi kinetik yang terkandung didalam angin menjadi energi mekanik.

Tenaga mekanik ini dapat digunakan untuk memutar poros generator yang kemudian menjadi energi listik. Secara sederhana diuraikan, sebuah turbin angin bekerja kebalikan dari sebuah kipas angin. Kipas angin menggunakan listrik untuk menghasilkan angin, sedangkan turbin angin menggunakan angin untuk menghasilkan listrik.

Pengertian turbin angin.

Terdapat perbedaan antara turbin angin dan kincir angin yaitu, disebut kincir angin apabila digunakan untuk penggilingan atau pompa air atau alat yang merubah energi kinetik didalam angin menjadi energi mekanik, sedangkan dikatakan turbin angin apabila digunakan untuk memproduksi listrik atau alat yang merubah energi kinetik dalam angin menjadi energi listrik

Tipe-tipe turbin angin
Tipe-tipe turbin angin dapat kita kelompokkan kedalam berbagai macam kelompok, antara lain dapat dikelompokkan berdasarkan :
Orientasi sumbu rotor terhadap arah angin
Sejajar terhadap angin
Tegak lurus terhadap angin
Faktor gaya dorong paling dominan
Lift
Drag

Turbin angin modern didasarkan menjadi dua grup ; jenis sumbu- horizontal dan sumbu-vertikal, seperti pengocok telur model Darrieus. Dinamai setelah ditemukan penemunya dari Francis.

Gambar 2.4 turbin angin vertical
(Sumber: Rachel, 2006, hal: 14)

Pada dasarnya turbin angin sumbu-horizontal masing-masing memiliki dua atau tiga sudu. Turbin angin tiga sudu ini dioperasikan dengan “upwind” yaitu sudu menghadap angin. Pada jenis turbin angin sumbu-horizontal dan sumbu-vertikal terdapat beberapa bentuk seperti yang terlihat pada gambar di halaman berikutnya.

Gambar 2.5. Hurbin angin Horisontal
(Sumber: Rachel, 2006, hal: 14)

Ukuran dari turbin angin
Skala tataran daya penggunaan turbin mulai dari 100 kilo Watt sampai sebesar beberapa Mega Watt. Turbin yang lebih besar dikelompokkan bersama kedalam angin ladang atau pertanian yang mana memberikan daya masa atau volume (bulk) terhadap jaringan listrik

Turbin kecil single, dibawah 100 kilo Watt, digunakan untuk penerangan rumah, layanan telekomunikasi, atau pompa air. Turbin kecil kadang-kadang digunakan bersama dengan generator diesel, baterai, dan sistem photovoltaik. Sistem ini disebut sistem angin hybrid. Pada dasarnya digunakan ditempat terpencil, tempat yang tidak ada jaringan, dimana sebuah keperluan jaringan penghubung tidak tersedia.

Medan magnet dan induksi electromagnet (Alternator)

Konversi energi listrik menjadi energi gerak (mekanic) maupun sebaliknya dari energ mekanik (gerak) menjadi energi listrik (generator) berlangsung melalui medium medan magnet. Energi yang akan diubah dari satu kelain system, sementara akan tersimpan pada madiun medan magnet untuk kemudian dilepaskan menjadi energi sistem lainnya. Dengan demikian medan magnet di sini selain berfungsi sebagai penyimpanan energi juga sekaligus sebagai madiun untuk mengkopel proses perubahan energi. Apabila dalam madiun medan magnet diberikan energi gerak (mechanic) untuk menghasilkan kecepatan V, maka akan dibangkitkan energi listrik dan ini merupakan prisip sebuah generator,

Prinsip kerja generator pembangkit (Alternator)

Prinsip kerjanya dapat dipelajari dengan menggunakan teori medan elektromagnetik. Singkatnya, (mengacu pada salah satu cara kerja generator) poros pada generator dipasang dengan material (ferromagnetic) permanen. Setelah itu disekeliling poros terdapat stator yang bentuk fisisnya adalah kumparan-kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros generator mulai berputar maka akan terjadi perubahan fluks pada stator yang akhirnya karena terjadi perubahan fluks ini akan dihasilkan tegangan dan arus listrik tertentu. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan listrik untuk akhirnya digunakan oleh masyarakat.

Gambar.2.6. Alternator
(Sumber : Toyota tehnical training, 2000, : 5)
Rotor

Rotor berfungsi untuk membangkitkan medan magnet. Rotor berputar bersama berputarnya kincir karena gerakannya maka disebut alternator dengan medan magnet berputar. Rotor terdiri dari inti kutub (pole core), kumparan magnet. slip ring, poros dan lainnya

Gambar.2.7. Rotor
(Sumber : Nippondenso, 1980, hal : 22)
Stator

Stator terdiri dari stator core (inti) dan kumparan stator dan diletakkan pada frame depan dan belakang. Stator core dibuat dari beberapa lapis plat besi tipis dan mempunyai alur pada bagian dalamnya untuk menempatkan kumparan stator. Stator core ini akan mengalirkan flux magnet yang disuplai oleh inti rotor sedemikian rupa sehingga flux magnet akan menghasilkan efek yang maksimum pada saat melalui kumparan stator. Jumlah alur ini berbeda – beda menurut jumlah kutub magnet dan kumparan.

Stator mempunyai tiga fase gulungan yang diisolasi kepada stator, gulungan-gulungan itu dihubungkan satu sama lain dengan bermacam macam cara. Gulungan stator adalah hubungan bintang (hubungan Y). Tipe ini disimbolkan sesuai bagian dibawah ini yang juga menunjukkan bagaimana gulungan stator dihubungkan kepada penyearah.

Gambar.2.8. Stator
(Sumber : Nippondenso, 1980, hal : 22)
Rectifier circuit

Rectifier berarti penyearah. Rectifier dapat menyearahkan gelombang Sinusoidal (AC) yang dihasilkan oleh generator menjadi gelombang DC. Inverter berarti pembalik. Ketika dibutuhkan daya dari penyimpan energy (aki/lainnya) maka catu yang dihasilkan oleh aki akan berbentuk gelombang DC. Karena kebanyakan kebutuhan rumah tangga menggunakan catu daya AC , maka diperlukan inverter untuk mengubah gelombang DC yang dikeluarkan oleh aki menjadi gelombang AC, agar dapat digunakan oleh rumah tangga.

IC Regulator
Tegangan listrik yang dihasilkan dari alternator tidak selalu konstan atau

sama hasilnya. Karena hasil listrik dari alternator tergantung dari kecepatan

putaran poros kincir. makin cepat putaran porosnya, makin besar pula listrik yang
dihasilkan demikian pula sebaliknya makin rendah putaran poros kincir, maka makin rendah pula listrik yang dihasilkan.
Gambar 2.9. Konstruksi Regulator
(Sumber : Toyota Astra Motor Fundamentals Of Electricity, 2000, Hal : 2)

Alternator type IC Regulator hampir sama dengan yang ada pada type konvensional, yang membedakan keduanya adalah hanya pada penggunaan IC Regulatornya saja dimana dengan penggunaan IC Regulator maka konstruksi alternator menjadi lebih praktis dan lebih baik dibanding dengan type konvensional.

Penyimpan energy (Baterai)

Karena keterbatasan ketersediaan akan energi angin (tidak sepanjang hari angin akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik pun tidak menentu. Oleh karena itu digunakan alat penyimpan energi yang berfungsi sebagai back-up energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik meningkat atau ketika kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, Oleh karena itu kita perlu menyimpan sebagian energi yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang atau saat penggunaan daya pada masyarakat menurun. Contoh sederhana yang dapat dijadikan referensi sebagai alat penyimpan energi listrik adalah aki mobil. Aki mobil memiliki kapasitas penyimpanan energi yang cukup besar. Aki 12 volt

Gambar 2.10. Konstruksi Regulator
(Sumber : Toyota tehnical training, 2000, : 7)