BAB II LANDASAN TEORI

SKRIPSI

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 . Pengertian Angin 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 ke dalam 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). 2.1.1 Energi Angin Salah satu energi terbarukan yang berkembang pesat di dunia saat ini adalah energi angin. Pemanfaatan energi angin ini, selain dapat mengurangi ketergantungan

Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

terhadap energy fosil, diharapkan juga dapat memjadi pengganti kebutuhan bahan bakar minyak (fosil) sebagai pembangkit energi listrik. Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia misalnya pemompaan air untuk irigasi, pembangkit listrik, pengering atau pencacah hasil panen, aerasi tambak ikan/udang, pendingin ikan pada perahu-perahu nelayan dan lain-lain. Dan sebagaimana diketahui, pada asasnya angin terjadi karena ada perubahan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di tiap daerah keadaan suhu dan kecepatan angin berbeda. Untuk mengurangi keterbatasan penggunaan evdiperlukan energi-energi alternatif lain sebagai penggantinya. Dalam rangka mencari bentuk-bentuk sumber energi alternatif yang bersih dan terbarukan kembali energi angin mendapat perhatian yang besar. Energi yang dimiliki oleh angin dapat didapat dari persamaan ;

W 

1 Av 3 …..(2.1) 2

Dimana : W = Energi angin (Watt)  = Kerpatan udara (kg/m³)

A = Area penangkapan angin/cross sectional area (m²) V = Kecepatan angina (m/s) Persamaan diatas merupakan sebuah persamaan untuk kecepatan angin pada turbin yang ideal, dimana dianggap energi angin dapat diekstrak seluruhnya menjadi energi listrik. Namun kenyataannya tidak seperti itu, karena terdapat faktor efisiensi

Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

dari makanik turbin angin dan efisensi dari generator sendiri. Sehingga daya yang dapat diekstrak menjadi energi angin dapat diketahui dari persamaan berikut:

Wwt   wt

1 Av 3 …………(2.2) 2

Dimana :  wt = Efisiensi kincir angin (%)

2.1.2. Proses Terjadinya Angin dan Alat Pengukur Kecepatan Angin Angin terjadi karena adanya perbedaan tekanan udara atau perbedaan suhu udara pada suatu daerah atau wilayah. Hal ini berkaitan dengan besarnya energi panas matahari yang di terima oleh permukaan bumi. Pada suatu wilayah, daerah yang menerima energi panas matahari lebih besar akan mempunyai suhu udara yang lebih panas dan tekanan udara yang cenderung lebih rendah. Sehingga akan terjadi perbedaan suhu dan tekanan udara antara daerah yang menerima energi panas lebih besar dengan daerah lain yang lebih sedikit menerima energi panas, akibatnya akan terjadi aliran udara pada wilayah tersebut.Contoh – contoh alat pengukur angin dapat dilihat pada gambar 1.

Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

Gambar.2.1 : Alat pengukur angin (Sumber : http://www.e-dukasi.net/pengpop/pp_full.php?ppid=276&fname=materi2.html)

Meskipun pada kenyataan angin tidak dapat dilihat bagaimana wujudnya, namun masih dapat diketahui keberadaannya melalui efek yang ditimbulkan pada benda – benda yang mendapat hembusan angin. Seperti ketika kita melihat dahan – dahan pohon bergerak atau bendera yang berkibar kita tahu bahwa ada angin yang berhembus. Dari mana angin bertiup dan berapa kecepatannya dapat diketahui dengan menggunakan alat – alat pengukur angin. Alat–alat pengukur angin tersebut adalah : 1. Anemometer, yaitu alat yang mengukur kecepatan angin. 2. Wind Vane, yaitu alat untuk mengetahui arah angin. 3. Windsock, yaitu alat untuk mengetahui arah angin dan memperkirakan besar kecepatan angin. Biasanya ditemukan di bandara – bandara.

Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

Selain dengan menggunakan alat–alat pengukur angin, arah dan kecepatan angin juga dapat diukur/diperkirakan dengan menggunakan tabel Skala Beaufort. Contoh Tabel Skala Beaufort : Skala Beaufort Kategori

0

Udara

Satuan

Satuan

Keadaan di

Dalam

Dalam

Daratan

km/jam

knots

0

0

≤ 19

≤ 10

Asap bergerak secara vertical

Tenang 1~3

Angin Lemah

Angin terasa di wajah, daun-daun berdesir, kincir angin bergerak oleh angin

4

Angin

20-29

11-16

Sedang

Mengankat menerbarkan

debu

dan

kertas;

cabang

pohon kecil bergerak 5

Angin

30-39

17-21

Segar 6

Angin

Pohon kecil berayun; gelombang kecil terbentuk di perairan di darat

40-50

22-27

Kuat

Cabang besar bergerak; siulan terdengar pada kabel telepon; payung sulit digunakan

7

Angin

51-62

28-33

Ribut 8

Angin

Pohon-pohon

bergerak;

terasa

sulit berjalan melawan arah angin 63-75

34-40

Ranting-ranting patah; semakin

Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

Ribut

sulit bergerak maju

Sedang 9

10

Angin

76-87

41-47

Kerusakan

bangunan

mulai

Ribut

muncul; atap rumah lepas; cabang

Kuat

yang lebih besar patah

Badai

88-102

48-55

Jarang terjadi didaratan; pohonpohon

tercabut;

kerusakan

bangunan yang cukup parah 11

Badai

103-117

56-63

Kuat 12+

Topan

Sangat jarang terjadi kerusakan yang menyebar luas

≤ 118

≤ 64

Tabel.2.1 Tabel Skala Beufort Pada Angin di Daratan (Sumber : http://www.e-dukasi.net/pengpop/pp_full.php?ppid=276&fname=materi2.html)

Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

2.2 Angle Of Attack Dalam dinamika fluida, angle of attack (AOA), adalah sudut antara garis referensi pada tubuh (sering garis chord dari airfoil) dan vektor yang mewakili gerakan relatif antara tubuh dan cairan melalui mana ia bergerak. Sudut serang adalah sudut antara garis referensi tubuh dan aliran mendekat. Artikel ini berfokus pada aplikasi yang paling umum, sudut serangan dari sayap bergerak atau airfoil melalui udara.

Gambar 2.2 Pengaruh Angle of Attack pada Center of Pressure dan Center of Gravity

Dalam aerodinamis, angle of attack menentukan sudut antara garis chord dari sayap pesawat sayap tetap dan vektor yang mewakili gerakan relatif antara Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

pesawat dan atmosfer. Karena sayap dapat memiliki twist, garis chord dari sayap seluruh mungkin tidak didefinisikan, sehingga garis referensi alternatif hanya didefinisikan. Seringkali, garis chord dari akar sayap dipilih sebagai garis referensi. Alternatif lain adalah dengan menggunakan garis horizontal pada pesawat sebagai garis referensi (dan juga sebagai sumbu longitudinal) [1] Beberapa penulis [2] [3] tidak menggunakan chord line sewenang-wenang tetapi menggunakan sumbu angkat nol sebagai gantinya. - nol angle of attack sesuai dengan nol koefisien lift.

2.2.1 Distribusi Tekanan Pada Angle Of Attack Dari percobaan yang dilakukan pada model terowongan angin dan pada pesawat ukuran penuh, telah ditetapkan bahwa sebagai aliran udara sepanjang permukaan sayap pada sudut yang berbeda serangan, ada daerah-daerah di sepanjang permukaan di mana tekanan negatif, atau kurang dari atmosfer, dan wilayah di mana tekanan positif, atau lebih besar dari atmosfer. Ini tekanan negatif pada permukaan atas menciptakan kekuatan yang relatif lebih besar di sayap daripada yang disebabkan oleh tekanan positif yang dihasilkan dari udara mencolok permukaan sayap bawah. Gambar 7 menunjukkan distribusi tekanan sepanjang airfoil pada tiga sudut yang berbeda dari serangan. Secara umum, di sudut tinggi serangan pusat tekanan bergerak maju, sementara pada sudut yang rendah serangan pusat tekanan bergerak belakang. Dalam desain struktur sayap, ini pusat perjalanan tekanan sangat penting, karena mempengaruhi posisi airloads dikenakan pada struktur sayap rendah angle-ofserangan kondisi dan tinggi sudut-of-serangan kondisi. Keseimbangan aerodinamis dan kemampuan kendali diatur oleh perbedaan dari pusat tekanan. Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

Pusat tekanan ditentukan melalui tes terowongan angin dan perhitungan dengan memvariasikan angle serangan sepanjang jangkauan kerja normal. Sebagai angle of attack diubah, sehingga karakteristik berbagai tekanan distribusi.

Gambar 2.3 Tekanan Distribusi Pada Blade

Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

2.3. Teori Momentum. Dalam penelitian ini, penulis menggunakan teori momentum seperti yang diuraikan dibawah ini.

Gambar 2.4 Teori Momentum Kinetik Energi dapat ditulis :

K .E. 

1 mV 2 .....(2.1) 2

Volume massa udara yang melalui blde turbine (selubung) adalah Vol  A  D ,disini

A adalah cross sectional area,dan D adalahtebalselubung.

Sedangkan  adalah density udara dalam blade yang didefinisikan sebagai:



m Vol

Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

Bilawaktu T diperlukan untuk udara bergerak melalui selubung dengan tebal D tersebut ,maka kecepatan blade dapat ditulis sebagai: V 

D ,sehingga Pers.(2.1) T

diatas dapatditulis kembali dalam bentuk:

K .E 

1   Vol  V 2 2

1 (   A  D)  V 2 2 .......(2.2) 1 2  (  A V  T ) V 2 1  (  A  T ) V 3 2 

Karena satuan daya dalah energy dibagi oleh waktu ,jadi daya yang dihasilkan oleh massa udara dalam blade dapat diekptresikan dalam :

Pwr  K .E / T 

1 1 (   A  T )  V 3 / T    A  V 3 ....(2.3) 2 2

Dan setelah dibagi oleh cross sectional area A,didapat:

Pwr / A 

1   V 3 ....(2.4) 2

Perlu dicatat ekpresi diatas menunjukkan bahwa P

wr

/ A hanya

tergantung

pada Density udara,dan Kecepatan angin. Term Pwr / A ini disebut “ Wind Power Density”,dan mempunyai satuan Watt/m2.

2.4 Gaya angkat ( Lift force ) Gaya angkat yang diukur pada penelitian ini meliputi gaya angkat pada tiaptiap blade. Gaya angkat diperoleh melalui persamaan dibawah ini :

Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

1 L  CL . . .Vi 2 . A.....(1) 2

2.5 Gaya geser ( Drag force ) Gaya geser ( drag force ) yang diukur pada penelitian ini meliputi gaya geser pada tiap-tiap blade. Gaya geser diperoleh melalui persamaan dibawah ini :

1 D  CD . . .Vi 2 .....(2) 2 Untuk mendapatkan koefisien lift dan koefisien drag maka di gunakan pendekatan grafik seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1 dibawah ini :

Gambar 2.5 Koefisien Gaya Angkatdan Gaya Geser terhadap Angle of Attack

Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

2.6 Thrust dan Torsi Thrust, torsi dan daya yang diukur berdasarkan pengaruh dari gaya angkat dan gaya geser yang bekerja pada tiap-tiap blade.Thrust dan Torsi diperoleh melaluipersamaan dibawah ini,yang terlebih dahulu perlu dicari koefisien thrust dan koefisien torsi :

T  C L . cos   C D . sin ......(3)

Q  C L . sin   C D . cos .....(4) Sehingga diperoleh :

1 TF  T . . .Vi 2 .....(5) 2

1 QF  Q . . .Vi 2 .....(6) 2 Dan untuk mendapatkan

TF total

dan

QF

total dikalikan dengan jumlah blade

pada rotor, maka :

TF .total  2  TF ....(7)

QF .total  2  QF ....(8) Jadi tenaga yang dihasilkan rotor adalah :

P  QF .total ....(9)

Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

2.7 Gaya dan Definisi Blade Section

Gambar 2.3 (a)

Gambar 2.3 (b) Gambar 2.6 Gaya yang Bekerja pada Blade Section

Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade

SKRIPSI

Gambar 2.4 (a)

Gambar 2.4 (b) Gambar 2.7 Definisi Bentuk Blade Section

Pengaruh Attack Of Angle Pada Kincir Angin 2 Blade