BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Blade Falcon
Dasar dari usulan penelitian ini adalah konsep turbin angin yang berdaya
tinggi buatan Amerika yang diberi nama Blade Falcon. Blade Falcon merupakan desain sudu turbin angin sumbu horisontal (TASH) yang dikembangkan oleh seorang peneliti asal amerika bernama Jeff Molly dengan prototype pertamanya bernama FALCON MACH III dengan tiga sudu dan prototype ke duanya FALCON MACH V dengan lima sudu. Pembuatnya TASH-Falcon digunakan sebagai pembangkit listrik untuk memenuhi kebutuhan listrik di rumah serta sebagai pompa air untuk mengairi perkebunan. Gambar II.1 memperlihatkan prototype FALCON MACH III dengan tiga sudu.
Gambar II.1
Prototype FALCON MACH III (Jeff Molly, 2012)
II-1
II-2
2.2
Turbin Angin
Turbin angin dalam bahasa sederhana kincir angin merupakan turbin yang
digerakkan oleh angin yaitu udara yang bergerak diatas permukaan bumi. turbin
angin pada awalnya juga dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani
dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, memompa air dan menggiling jagung. Penggunaan turbin angin terus mengalami perkembangan guna memanfaatkan energi angin secara efektif, terutama pada daerah - daerah dengan aliran angin yang relatif tinggi sepanjang tahun. Seperti Denmark, Belanda, dan
negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Dapat dikelompokan menjadi dua berdasarkan sumbu turbin terhadap arah angin yaitu: Turbin Angin Sumbu Horizontal (TASH) dan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV). Perbedaannya dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar II.2
Tipe Turbin Angin (Sumber: Nugraha,
2011: II-8) Turbin angin mengambil energi angin dengan menurunkan kecepatannya. Untuk bisa mencapai daya yang efisien, maka sebuah turbin angin harus menahan angin 100%. Secara teoritis daya yang dapat di ekstrak oleh turbin angin adalah: Pt = ρA v
(1)
II-3
Dimana Pt adalah daya teoritis, v kecepatan angin, ρ kerapatan udara dan A
luas permukaan.
Sebuah turbin angin yang optimal adalah sebuah turbin angin yang memiliki
koefsien daya yang mendekati dengan batas Betz (Cp maks = 16/17 = 0,593).
Semakin besar daya analitik yang didapatkan maka semakin besar pula koefesien dayanya. Koefisien daya dapat dituliskan sebagai berikut: Cp =
(2)
Untuk mengetahui nilai Cp maksimal yang mampu dihasilkan oleh sebuah
turbin angin, maka perlu diketahui nilai Tip Speed Ratio yang dihasilkan. Tip Speed Ratio (λ) adalah perbandingan antara kecepatan pada ujung/tip turbin dengan kecepatan angin, ditulis secara matematik, yaitu: λ=
(3)
Dimana λ adalah Tip Speed Ratio (TSR),
adalah kecepatan putar sudu
(rad/s), R adalah jari – jari turbin (m), dan v adalah kecepatan angin (m/s). 2.2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal Turbin angin sumbu horizontal (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 di belakangnya, 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.
II-4
Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur menara, dan realibilitas
begitu penting, sebagian besar TASH merupakan mesin upwind (melawan arah
angin). Meski memiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind (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.
2.2.2 TASH Falcon
TASH-Falcon mengacu pada dasar sayap pesawat terbang dari segi bentuk, cara kerja, serta bahan yang digunakan. Kesamaannya dilihat dari beberapa bagian blade, seperti penggunaan winglet pada blade Falcon yang biasa digunakan oleh pesawat-pesawat modern yang dimaksudkan untuk mengurangi Drag akibat adanya wing tip vortex pada ujung blade, bilah tirus (taper), serta bilah puntir (twist) yang dimaksudkan untuk mengurangi stall speed sehingga akan meningkatkan effisiensi turbin. Bentuk penampangnya berupa airfoil hal ini mengacu berdasarkan prinsip tabung venturi. Prinsip ini menjelaskan bahwa airfoil akan mengalami perbedaan kecepatan dan tekanan antara permukaan bawah dan permukaan atas. Hal ini menimbulkan gaya angkat (Lift) dan gaya-gaya aerodinamika lainnya. TASHFalcon memiliki 3 konfigurasi sudu yaitu 3, 4, dan 5 sudu.
Gambar II.3
Bagian pada blade Falcon (Jeff Molly,2012)
II-5
2.2.3 NACA 1-H-15 Pada usulan penelitian ini, akan digunakan TASH-Falcon dengan profil
airfoil NACA 1-H-15. NACA 1-H-15 termasuk jenis Assymetric airfoil, karena permukaan atas dan bawah memiliki jarak kelengkungan yang berbeda. Sehingga
tekanan yang ada di bawah permukaan lebih besar dari atas permukaan, dan terbentuklah gaya aerodinamika. Profil dipilih karena pada permukaan atas memiliki keserupaan dengan kurva pada penelitian sebelumnya. NACA 1-H-15 ini
memiliki karakteristik seperti berikut thickness 14.7%, camber 5.5%, trailing edge 9.9 O, lower flatness 94.1%, dan leading edge radius 3.3%. angle
Gambar II.4
Profil airfoil NACA 1-H-15 (Sumber: worldofkrauss.com)
Profil ini belum pernah digunakan pada turbin angin sebelumnya akan tetapi biasa digunakan pada rotorcraft (Sumber: www.ae.illinois.edu.html). 2.3
Sifat Udara Udara adalah kumpulan dari partikel-partikel (molekul, atom, ion dan
sejenisnya) yang bergerak secara acak. Karena muatan-muatan partikel-pertikel tersebut, maka terjadi saling mempengaruhi diantara partikel tersebut sehingga timbulnya gaya yang disebut gaya antar molekul (intermolecular force). Sifat-sifat udara yang banyak digunakan dalam proses perhitungan adalah suhu, tekanan, massa jenis, kekentalan dan kecepatan.
II-6
2.4
Bilangan Reynold
Keserupaan tingkat keadaan mekanika fluida adalah cara pencarian
jawaban dari suatu masalah dengan pengujian model yang diperkecil sedemikian
rupa sehingga jawaban dari model dapat digunakan dengan beberapa aturan untuk
mendapatkan jawaban dari masalah sebenarnya.
Bilangan Reynold suatu aliran terhadap dimensi panjang (chord) airfoil dapat dituliskan sebagai berikut: =
(4)
Dimana ρ adalah massa jenis fluida (kg/m3), v adalah kecepatan udara (m/s), c adalah panjang chord suatu airfoil (m), dan µ adalah viskositas dari sebuah fluida (kg/m.s). 2.5
Gaya Aerodinamika Akibat
adanya interaksi aliran udara dengan profil airfoil sehingga
mengakibatkan terbentuknya koefisien gaya-gaya aerodinamika. Jika solusi adalah kuantitas skalar tekanan P dan atau skalar tegangan geser permukaan pada setiap titik pada kontur airfoil, seperti tampak pada Gambar II.5.
Gambar II.5
Distribusi tekanan dan tegangan geser pada permukaan airfoil (Sumber: Anderson, 1992)
II-7
maka, distribusi koefisien tekanan (pressure coefficient) c P dan distribusi koefisien geser permukaan (skin friction coefficient) c f , dapat dituliskan sebagai
berikut
~
=
(5)
~
=
(6) ~
Dengan mengintegrasi distribusi Cp dan Cf dari leading edge sampai
trailing edge airfoil, akan diperoleh koefisien normal Cn dan koefisien aksial (sejajar) Ca terhadap chordline, serta koefisien momen Cm, yang dapat dituliskan sebagai berikut (Anderson, 1992): cn
c c dy upper dy lower 1 1 c f ,upper c c dx c f ,lower P ,lower P , upper c0 c 0 dx dx
ca
c dy dy lower 1 c P ,upper upper c P ,lower c 0 dx dx
cm
1 c2
1 2 c
c
c 0
P ,upper
c P ,lower xdx
1 c2
c
(7)
c 1 dx c f ,upper c f ,lower dx c0
(8)
dyupper
c 0
dx
f ,upper
dx
c f ,lower
dylower dx
c
c dyupper dy 1 c c y dx c f ,lower c P ,lower lower ylower dx f ,upper upper 0 P ,upper dx 2 dx c 0
Berdasarkan persamaan (7) dan (8) serta Gambar II.6,
xdx
(9)
II-8
v
Gambar II.6
Hubungan Gaya normal, aksial dengan gaya angkat dan gaya hambat
maka koefisien gaya angkat (Lift coefficient) c l , koefisien gaya hambat (Drag coefficient) c d dapat dituliskan sbagai berikut:
cl cn cos ca sin
(10)
cd cn sin ca cos
(11)
1 c m ,1 4 chord c m c l 4
(12)
2.5.1 Gaya angkat (Lift) Gaya angkat (Lift) L terjadi akibat perbedaan tekanan udara antara permukaan bagian bawah dan permukaan bagian atas. Perbedaan tekanan ini mengakibatkan adanya gaya yang bekerja dari tekanan tinggi ke tekanan rendah. Persamaan gaya angkat dapat dirumuskan sebagai berikut: (13)
II-9
2.5.2 Gaya hambat (Drag)
Gaya hambat (Drag) D termasuk salah satu dari gaya aerodinamika yang
timbul bersamaan dengan gaya angkat. Drag dari sebuah airfoil dihasilkan friction
Drag dan pressure Drag. Friction Drag terjadi akibat adanya gesekan fluida dengan
permukaan airfoil sedangkan pressure Drag terjadi akibat adanya flow separation.
Persamaan gaya hambat dapat dirumuskan sebagai berikut: D = ρ v S C
(14)
Dimana ρ adalah massa jenis fluida (kg/m3), v adalah kecepatan aliran udara
(m/s), S adalah luas penampang (m2). 2.6
Computational Fluid Dynamics (CFD). Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah simulasi dari sistem fluid
engineering menggunakan modeling (formulasi problem fisis matematik) dan metode numerik (metode diskretisasi, solver, parameter numerik, dan generasi grid, dll) 2.7
Teori Mekanika
2.7.1 Kerja Dalam berbagai hal kerja didefinisikan sebagai hasil dari vektor gaya dan perpindahan. Oleh karena itu kerja merupakan besaran skalar. Kerja adalah salah satu bentuk energi, yakni yang berpindah dari suatu sistem ke sistem lainnya melalui gaya yang mengakibatkan pergeseran posisi benda.
Gambar II.7
Gaya yang menyebabkan perpindahan benda sejauh x
II-10
Perpindahan energi semacam ini dikenal sebagai kerja mekanik atau disebut
kerja saja. Persamaan kerja yang diakibatkan suatu benda adalah sebagai berikut:
=
(15)
Dimana W adalah kerja yang bekerja pada suatu benda (Joule), F adalah
gaya yang bekerja pada suatu benda (Newton), dan d ( x) adalah perpindahan yang di alami benda (m).
2.7.2 Torsi
Walaupun torsi dan kerja memiliki satuan yang sama, disini terdapat perbedaan dari hal yang di alami benda tersebut. Torsi atau biasa disebut momen merupakan gaya yang terjadi pada suatu benda dengan jarak tertentu sehingga mengakibatkan benda berputar sejauh lintasannya.
Gambar II.8
Torsi Torsi pada Suatu Benda
Akibat adanya gaya yang bekerja pada tip blade dengan diameter yang telah ditentukan, mengakibatkan TASH-Falcon berputar dan mengalami torsi. Persamaan dari torsi atau momen yang di alami benda adalah sebagai berikut: =
(16)
Dimana T adalah torsi yang di alami benda (N.m), n adalah jumlah sudu pada turbin angin, r adalah jarak yang tegak lurus dari gaya yang bekerja (m), dan F adalah gaya yang bekerja pada benda tersebut (N).
II-11
2.7.3 Segitiga kecepatan
Analisis dasar tentang efek dari blade yang di aliri oleh aliran udara dapat
dinyatakan melalui segitiga kecepatan. Gambar II.9 menjelaskan konsep dasar dari
segitiga kecepatan pada turbin angin.
Gambar II.9
Segitiga kecepatan pada turbin
Pada aliran udara menuju turbin di aklerasikan dengan kecepatan pada blade. Sehingga kecepatan masuk pada turbin mengalami peningkatan. Untuk kecepatan masuk turbin dapat dirumuskan oleh rumus dibawah ini: U
= v + ωr
(17)
Sedangkan kecepatan keluar turbin dirumuskan seperti berikut: U
= v + ωr
(18)
Dimana Uri adalah kecepatan udara masuk ke turbin, Ure adalah kecepatan udara keluar ke turbin, v adalah kecepatan aliran udara, ωr adalah kecepatan blade yang berputar. 2.8
Daya Daya pada suatu benda terjadi karena adanya interaksi antara torsi yang
terjadi pada suatu benda dengan kecepatan putar yang di alami benda tersebut.
II-12
Daya ini dihasilkan dari aktifitas sebuah generator, yaitu alat yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dengan menggunakan induksi
elektromagnetik.
Daya juga bisa di definisikan sebagai kerja yang dihasilkan per satuan
waktu. Hubungan antara torsi dengan daya adalah sebagai berikut: =
(19)
Dimana P adalah daya yang di alami benda (N.m/s), T adalah torsi yang di alami benda (N.m), adalah kecepatan sudut yang di alami benda.
