BAB II ENERGI ANGIN t (sec)

BAB II ENERGI ANGIN II. 1. Umum[2] Angin merupakan udara yang berhembus dari suhu tinggi ke suhu rendah akibat adanya perbedaan temperatur atmosfer. Perbedaan temperatur pada lokasi yang berbeda (garis lintang) dari bumi yang disebabkan penyinaran matahari yang tidak merata. Faktanya, atmosfer merupakan suatu mesin termodinamika yang besar dimana bagian dari energi yang datang dirubah menjadi energi kinetis secara mekanis dari massa udara yang bergerak. Sekitar 2% dari sinar matahari yang mengalir ke bumi diubah menjadi tenaga angin, yang mana hasil akhirnya berubah menjadi panas dikarenakan gesekan dengan lapisan batas atmosfer. Untuk mengimplementasikan energi angin tersebut sebagai sumber energi listrik menjadi satu dasar yang terpenting. Pada Gambar (2.1) dijelaskan bahwa kecepatan angin tersebut bervariasi.

90

60

10

0

9 8 7

windspeed [m/s]

wind direction [crad]

30

6 5 4 3 0

6

12 18

24 30

60

90

120 t (sec)

Gambar 2.1 Kecepatan Angin Kecepatan dan arahnya berubah – ubah secara terus menerus. Kita terbiasa dengan hembusan angin yang kencang, terutama pada waktu cuaca badai. Untuk mengevaluasi

Universitas Sumatera Utara

sumber daya untuk produksi energi pada suatu lokasi, aspek berikut ini merupakan hal yang penting diketahui : •

kecepatan angin rata – rata pertahun.

•

arah dari kecepatan angin selama setahun dan sehari.

•

perubahan dari data tersebut selama beberapa tahun.

•

ketergantungan kecepatan angin pada tingginya permukaan diatas tanah. Untuk menebak beban mekanis pada suatu turbin angin, pengetahuan dari :

•

Perubahan (skala waktu terpendek dari detik ke beberapa menit) dari kecepatan dan arah angin dalam waktu dan ruang merupakan dasar yang sangat penting.

•

kecepatan maksimum dan kemungkinannya peristiwa tersebut terjadi. Pola angin sangat dipengaruhi oleh tenaga Coriolis melalui rotasi bumi. Kira – kira

1000 meter diatas permukaan tanah tenaga yang dominan adalah perbedaan tekanan dan tenaga Coriolis, hal tersebut menunjukkan bahwa angin tidaklah tegak lurus tetapi paralel dengan garis khayal di peta bumi yang menghubungkan tempat – tempat yang sama tekanan udaranya, disebut angin Geostrophic. Gambar 2.2 menunjukkan bahwa model dasar dari sistem sirkulasi udara. Gambar 2.2 dibawah tidak memperhatikan distribusi laut dan benua yang tidak seimbang pada permukaan bumi. Pada belahan bumi bagian Utara secara relatif lebih banyak daratan dibanding lautan sementara pada bagian Selatan sebaliknya. Perubahan yang lambat dari temperatur lautan (menyebabkan kapasitas panas yang sangat besar) mengikuti musim sementara temperatur daratan juga mengikuti pola siang – malam. Sistem Cuaca Global sangatlah rumit.


Gambar 2.2 Sirkulasi Udara Global II. 2. Klasifikasi Angin[11] Secara umum angin dapat diklasifikasikan kedalam dua kelas : 1. Angin Lokal 2. Angin Planetari, Angin Lokal. Hal dasar yang membedakan kedua jenis angin ini adalah cakupan aliran dari angin tersebut. Di siang hari udara diatas lautan lebih dingin dari pada udara di daratan. Sinar surya menguapkan air lautan dan diserap lautan penguapan dan absorbsi sinar surya di daratan kurang sehingga udara di atas lautan lebih panas. Dengan demikian udara di atas daratan mengembang jadi ringan dan naik keatas. Udara dingin yang lebih berat turun mengisi kekurangan udara di daratan maka terjadilah aliran udara yang disebut angin laut. Di malam hari, terjadi peristiwa sebaliknya. Energi panas yang diserap permukaan bumi sepanjang hari akan dilepaskan lebih cepat oleh daratan (udara dingin). Sementara itu di lautan energi panas sedang dalam proses dilepaskan ke udara. Gerakan konvektif


tersebut menyebabkan udara dingin dari daratan bergerak menggantikan udara yang naik di lautan sehingga terjadi aliran udara dari darat ke laut. Angin di lereng gunung terjadi demikian pula. Angin lembah terjadi ketika matahari terbit, puncak gunung adalah daerah yang pertama kali mendapat panas dan sepanjang hari selama proses tersebut, lereng gunung mendapat energi panas lebih banyak daripada lembah. Sehingga menyebabkan perbedaan suhu antara keduanya. Udara panas dari lereng gunung naik dan digantikan dengan udara dingin dari lembah. Akibatnya terjadi aliran udara dari lembah menuju gunung. Sedangkan pada sore hari lembah akan melepaskan energi panas dan puncak gunung yang telah mendingin akan mengalirkan udara ke lembah. Aliran udara tersebut dinamakan angin gunung. Kondisi – kondisi lokal seperti danau, sepanjang tepi pantai, puncak gunung dan lain – lain memainkan peranan yang penting (Gambar 2.3).

Gambar 2.3. Sistem Sirkulasi Udara Global Angin Planetari. Tipe angin ini terbagi atas dua yaitu angin barat dan timur. angin barat (Monsun Asia) yaitu angin yang berasal dari daratan Asia menuju wilayah Indonesia, dengan membawa uap air lebih banyak dari biasanya, sehingga sebagian wilayah Indonesia bagian Selatan Katulistiwa sering banyak hujan atau bertepatan dengan musim hujan di Indonesia. Ketika matahari berada di sebelah Utara Katulistiwa, maka daerah di Belahan Bumi Utara mempunyai suhu udara yang panas dengan tekanan udara cenderung rendah. Sehingga arah pergerakan angin dari Belahan Bumi Utara (daratan Asia) menuju Belahan


Bumi Selatan (daratan Australia) dan angin tersebut biasanya berasal dari arah barat menuju timur. Sedangkan angin timur (Monsum Australia) yaitu angin yang berasal dari daratan Australia. Ketika matahari berada di Belahan Bumi Selatan, maka Belahan Bumi Selatan mempunyai suhu yang panas dan tekanan udara yang tinggi maka pergerakan angin dari Belahan Bumi Selatan (daratan Australia) menuju Belahan Bumi Utara (daratan Asia).

Gambar 2.4 Angin Barat dan Timur[14]

II. 3. Persamaan Konversi Energi Angin Menurut fisika klasik energi kinetik dari sebuah benda dengan massa m dan kecepatan v adalah : Ek kinetik = ½ mv2

(2.1)

Dengan ketentuan kecepatan v tidak mendekati kecepatan cahaya. Hal ini juga berlaku untuk angin yang merupakan udara yang bergerak. Parameter – parameter dasar dari persamaan konversi angin adalah : II. 3. 1. Daya Total Energi Angin[11] Daya total aliran angin yang masuk berbentuk area silinder (Gambar 2.5) dengan laju aliran energi kinetik Ek kinetik dimana nilai massa m adalah : m=ρAV

(kg/s)

(2.1a)

Maka energi kinetik per detik P kin adalah : P total = ½ (ρ A V) V2 = ½ ρ A V3 (W)

(2.1b)

Dimana : ρ = kerapatan udara (kg/m3)


A = daerah sapuan baling – baling rotor (m2) V = Kecepatan angin tanpa gangguan (m/s)

Gambar 2.5 Daerah Hembusan Angin II. 3. 2. Daya maksimum energi angin[9] Diasumsikan pada Gambar 2.6, a – b adalah ketebalan sudu, tekanan dan kecepatan angin masuk sudu masing – masing p i dan Vi, sedangkan tekanan dan kecepatan angin keluar sudu adalah pe dan Ve, dimana kecepatan keluar sudu lebih kecil dari kecepatan masuk sudu karena energi kinetik angin telah diserap sudu. Udara masuk diantara daerah i dan a dianggap sebagai suatu sistem termodinamik dimana massa jenis udara dianggap konstan ( perubahan tekanan dan temperatur sangat kecil dibandingkan sekitarnya ) dan tidak ada energi potensial serta tidak ada penambahan panas dan kerja yang dilakukan sistem. Persamaan energi untuk daerah masuk i dan a adalah :

pi v +

Vi 2 V2 = pa v + a 2 2

(2.2)

Dikalikan dengan densitas (ρ=1/v)maka :

pi + ρ

Vi 2 V2 = pa + ρ a 2 2

(2.2a)

Dengan cara yang sama daerah keluar b – e :

pe + ρ

Ve2 V2 = pb + ρ b 2 2

(2.2b)


Sudu Turbin a

i

b

pa

pe

Tekanan

pi

pe

pb

a

e

b

Kecepatan Vi Va Vt

Vt Vb Ve

a

i

b

e

Lebar Sudu

Gambar 2.6. Diagram tekanan dan kecepatan angin pada sudu rotor turbin

Kemudian dengan menggabungkan persamaan (2.2a) dan (2.2b) diperoleh :

Vi 2 − Va2 Ve2 − Vb2 p a − pb = ( pi + ρ − ( pe + ρ 2 2

(2.3)

Dengan mengasumsikan : Va = Vb = V (karena tebal sudu relatif kecil dibanding jarak total) dan p e = p i , maka persamaan (2.3) diatas dapat disederhanakan menjadi :

p a − pb = ρ

Vi 2 − Ve2 2

(2.4)

Gaya aksial aliran angin, F x yang mengenai sudu dengan luas yang tegak lurus arah aliran A, diberikan oleh : Fx = ( p a − pb ) A

(2.5)


 V 2 − Ve2 Fx = ρA i 2 

  

(2.6)

Gaya yang sebanding dengan perubahan momentum angin (ΔmV) dimana m = ρAV t dan Fx = m(V i – Ve ), maka :  Vi 2 − Ve2   2  

ρAVt (Vi − Ve ) = ρA

(2.7)

Vt = 1 (Vi + Ve ) 2

(2.8)

Sekarang kita anggap sistem yang berada diantara i dan e sebagai suatu sistem termodinamik total. Tidak ada perubahan energi potensial, energi dalam (Ti = T e) dan energi aliran (p i V = p e V) serta tidak ada kalor yang diberikan ataupun yang keluar. Persamaan umum energi dapat direduksi menjadi kerja aliran steady dan energi kinetik aliran.  Vi 2 − Ve2 W = Ek i − Ek e = m 2 

  

(2.9)

Daya P adalah jumlah laju keras. Dari persamaan (2.9) diperoleh :  V 2 − Ve2   P = m i 2  

(2.10)

P = 1 ρAVt (Vi 2 − Ve2 ) 2

(2.11)

Dari persamaan (2.8) dan (2.11) diperoleh : P = 1 ρA(Vi + Ve )(Vi 2 − Ve2 ) 4

(2.12)

Berdasarkan persamaan 2.8, Ptotal jika Vt = V i dan Ve =0, artinya daya total angin diserap apabila pada saat meninggalkan sudu angin kehilangan seluruh kecepatannya. Sedangkan daya maksimum Pmax terjadi apabila kecepatan sisi keluar berupa Ve.opt yang besarnya dapat dihitung. Pmax dihitung dengan mendiferensialkan P pada persamaan 2.12 terhadap Ve dan menjadikan turunannya sama dengan 0, maka :

∂P =0 ∂Ve

(2.13)

3Ve2 + 2ViVe − Vi 2 = 0

(2.14)

Persamaan 2.14 menghasilkan Ve.opt untuk nilai V e positif dimana :


Ve.opt = 1 Vi 3

(2.15)

Dengan mensubtitusikan persamaan 2.15 ke persamaan 2.12 diperoleh : Pmax = 8

27

ρAVi 3

(2.16)

II. 3. 3. Efisiensi Teoritis Efisiensi teoritis atau efesiensi ideal atau efisiensi maksimum, η max dari sebuah turbin angin adalah perbandingan antara daya maksimum P max yang dihasilkan terhadap total daya angin yang masuk turbin, Ptotal .

η max =

Pmax Ptotal

ρAVi 3 27 = 1 ρAV 3 i 2 = 0,5926 8

(2.17)

Dengan kata lain, secara teoritis energi angin yang diubah turbin menjadi kerja adalah sebesar 59,26 % dari total daya yang diberikan angin. Faktor 0,5926 atau 16/27 disebut dengan konstanta Betz dan biasanya dipertimbangkan untuk mencapai efisiensi konversi angin semaksimum mungkin dari rotor turbin angin.

II. 3. 4. Daya Aktual Seperti halnya turbin uap dan turbin gas, sudu – sudu turbin angin juga mempengaruhi kecepatan, bergantung kepada sudut kecepatan masuk dan sudut kecepatan aliran meninggalkan sudu. Efisiensi yang didapat diatas dengan mengasumsikan kondisi ideal sepanjang sudu masuk. Daya keluaran suatu turbin angin tergantung kepada daya yang dihasilkan oleh angin dan koefisien daya C p dimana hubungannya ditunjukkan pada persamaan 2.18 yaitu :

Cp =

Daya Keluaran Turbin Angin 1 ρAV 3 i 2

(2.18)

Atau daya aktual turbin angin hingga menghasilkan daya listrik adalah : Pakt = ηPtotal = η 1 ρAVi 3 2

(2.19)


dimana efisiensi total dari turbin angin (η) yang meliputi efisiensi aerodinamik rotor (C p ), transmisi, kontrol dan generator. Harga ini berkisar antara 30 % - 40 %.

II. 4. Lapisan Batas Bumi Aplikasi energi angin pada lapisan atmosfir terdapat pada 100 m diatas tanah. Pada lapisan ini, angin tersebut dipengaruhi oleh interaksinya dengan permukaan bumi, yang mana memiliki 2 efek utama yaitu : •

Kecepatan Angin dikurangi oleh efek geseran, semakin dekat ke permukaan ratarata kecepatan angin umumnya kurang dari ketinggian yang lebih tinggi di lapisan ini. Disebut ‘turbulansi’ atau terjadinya hembusan, yaitu. suatu stokastik, secara relatif variasi frekwensi tinggi angin dari kecepatan angin.

•

Terlepas dari turbulansi dan sebaliknya, ada variasi frekwensi yang lebih rendah dari kecepatan angin yang disebabkan oleh efek siklus pagi - malam, sistem badai, dan lain – lain.

II. 4. 1. Distribusi Rata - Rata Kecepatan Angin dengan ketinggian lapisan Batas bumi[11] Distribusi rata – rata kecepatan angin dari permukaan bumi 600 meter keatas, kecepatan anginnya bertambah dipengaruhi oleh kepadatan permukaan bumi. Semakin berada diatas permukaan bumi maka kecepatan anginnya pun semakin tinggi untuk memutar turbin. Sebagai pendekatan untuk mencari perubahan kecepatan angin rata – rata VH melalui ketinggian H dan hubungannya dengan kecepatan angin yang diukur Vref pada ketinggian standar dari pengukuran untuk nilai yang diharapkan dari ketinggian poros turbin angin, sejumlah perhitungan sederhana digunakan, mengandung parameter yang mencerminkan kondisi permukaan lokal. Kekasaran permukaan merupakan salah satu faktor utama untuk menghasilkan ‘windshear’, lebih rendah 60 - 80 meter dari atmosfir. Rumus sederhana ini dalam bentuk eksponen : log( H z 0 ) VH = Vref log H ref z 0

(

)

(2.20)

Dimana H ref adalah referensi ketinggian pada rata - rata kecepatan angin. Nilai parameter Z 0 adalah tinggi dari kekasarnya permukaan (Gambar 2.7). Nilainya bervariasi


mulai dari 0.0002 m untuk kondisi daerah kosong (laut) sampai 1 m untuk daerah perkotaan. Nilai dari 0.0002 hanya menunjukkan kondisi yang benar – benar kosong, tanpa adanya ombak. Untuk daerah seperti tanah lapang dan area terbuka dengan hanya beberapa pohon – pohon atau semak belukar maka Z0 = 0.03m (dibandingkan ke eksponen 1/7). Untuk daerah pertanian dengan lebih banyak penahan angin, bangunan (pertanian) yang tersebar maka mempunyai nilai Z0 kira - kira 0.1, sementara untuk hutan dan daerah yang serupa nilai nya 0.4. bergantung pada kondisi permukaan, dari 0.06 (kondisi sangat halus contohnya, laut) ke 0.6 (kondisi sangat kasar, contohnya, daerah perkotaan). Untuk studi umum, tanah lapang tidak dispesifikkan, nilai 0.14 atau 1/7 sering digunakan, mencerminkan tanah lapang yang tandus dengan sedikit semak belukar atau unsur - unsur lainnya. Roughness class 0 z0 ~ 0.0002

Roughness class 2 z0 ~ 0.1

Roughness class z0 ~ 0.03

Roughness class 3 z0 ~ 0.4

Gambar 2.7 Tipe – tipe Kekasaran Permukaan


II. 4. 2. Fluktuasi Lebih[11] Spektrum Energi "van der Hoven " (Gambar 2.8) menunjukkan bahwa frekuensi dapat dideteksi pada fluktuasi angin. Kita dapat membedakan dengan jelas dua bagian tersebut dengan celah ditengahnya. Bagian kiri menunjukkan perubahan cuaca dari hari ke hari. Bagian kanan menunjukkan fluktuasi cepat dihubungkan secara langsung ko turbulansi pada lapisan batas, kurang lebih tidak tergantung pada tipe cuaca. Fluktuasi ini menyebabkan beban dinamik pada komponen dan struktur dari turbin angin. Hal tersebut merupakan beberapa hal yang sedikit penting untuk produksi energi. Pada celah tersebut kita menemukan siklus antara 5 menit dan beberapa jam. Data perjam tersebut dikumpulkan oleh BMG (Badan Meteorologi dan Geofisika). Analisa dari fluaktuasi tersebut sangat perlu untuk mendapat tempat yang berpotensi untuk dibangunnya turbin angin.

Gambar 2.8 Spectrum Daya Van der Hoven dari fluktuasi angin


II. 5. Peta Angin[5] Sebagai contoh peta angin yang ditunjukkan pada Gambar 2.9, yang merupakan potensial kecepatan angin. Kecepatan angin diukur pada daerah datar.

Gambar 2.9 Peta Angin Global


BAB II ENERGI ANGIN t (sec)

Recommend Documents