Pengertian Turbin Angina.docx

A. Pengertian Turbin angina Turbin angin adalah sebuah 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). Dalam konteks produksi listrik, turbin angin ini juga dikenal sebagai generator angin. Sebuah turbin angin terdiri dari rotor, baling-baling yang melekat pada rotor, generator dan struktur menara. Rotor adalah elemen dari turbin angin yang mengumpulkan energi dari angin. Baling-baling dari turbin angin melekat pada pusat rotor. Baling-baling ini diputar oleh aliran angin dengan menggunaan desain aerodinamis yang rumit. Tingkat putaran baling-baling tergantung pada kecepatan angin dan bentuk baling-balinganya. Agar menghasilkan listrik diperlukan generator, yang mengubah energi kinetik menjadi listrik. Dalam turbin angin komersial terdapat gearbox yang ditempatkan di antara rotor dan generator, untuk mengubah kecepatan putaran rendah baling-baling ke rotasi kecepatan tinggi yang diperlukan untuk memproduksi listrik. Kecepatan rotasi turbin angin biasanya antara 40-400 rpm (rotasi per menit) sedangkan untuk menghasilkan listrik kita membutuhkan 1200-1800 rpm. Turbin angin dipasang di atas struktur menara tinggi (biasanya di atas 80 meter) untuk dapat beroperasi pada ketinggian yang diperlukan. Turbin angin memanfaatkan aliran angin pada ketinggian yang lebih tinggi karena kecepatannya yang lebih tinggi dan lebih konstan (karena pengaruh penurunan drag). Listrik dihasilkan ketika baling-baling pada turbin angin diputar oleh aliran angin, yang membuat rotor berputar. Rotor mentransfer kekuatan ke generator (melalui gearbox) yang pada gilirannya mentransmisikan daya yang telah dikonversi ke sebuah transformator dan akhirnya ke jaringan grid. Sebuah turbin angin komersial dapat menghasilkan daya listrik berkisar antara 1,5-7 MW, tergantung pada ukuran, desain, dan aliran angin di lokasinya dipasang.

B. Klasifikasi Turbin Angin Berdasarkan sumbu putaran rotor, turbin angin dapat digolongkan menjadi dua klasifikasi utama yaitu vertical axis wind turbine (VAWT) dan horizontal axis wind turbine (HAWT). Sedangkan apabila dilihat dari fungsi aerodinamisnya, maka rotor turbin dibagi menjadi dua tipe. Pertama adalah tipe drag yang mana memanfaatkan gaya hambat sebagai penggerak rotor. Kedua adalah tipe lift yang memanfaatkan gaya angkat sebagai gaya penggerak rotor. Gaya ini terjadi akibat angin yang melewati profil rotor (Dewi, 2010:25).

a. HAWT (horizontal axis wind turbine) HAWT atau dalam bahasa Indonesia adalah turbin angin sumbu horizontal. Merupakan turbin angin yang 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. Dikarena 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. Berdasarkan prinsip aerodinamis, rotor turbin angin TASH terjadi karena adanya gaya angkat (lift) dan gaya drag. Namun, gaya lift jauh lebih besar daripada gaya drag, sehingga turbin ini pun disebut turbin tipe lift ( epirintis.undip.ac.id). Dilihat dari jumlah sudu, turbin angin sumbu horizontal terbagi menjadi [4]: 

Turbin angin satu sudu (single blade)



Turbin angin dua sudu (double blade)



Turbin angin tiga sudu (three blade)



Turbin angin banyak sudu (multi blade)

Sedangkan bila ditinjau dari segi kelebihan dan kekurangannya, berikut akan dijelaskan.



Kelebihan. 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 atmosfer bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%.



Kekurangan. Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkut, TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang tampil, konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator, TASH yang tinggi bisa memengaruhi radar airport, ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu penampilan lansekap, berbagai varian downwind menderita kerusakan struktur yang disebabkan oleh turbulensi, TASH membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan kincir ke arah angin. b. VAWT (vertical axis wind turbine) VAWT atau turbin angin sumbu vertikal memiliki memiliki poros/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. VAWT mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah. 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. Mengenai rotor turbin, ia bergerak tanpa dipengaruhi arah datangnya angina sehingga TASV tidak membutuhkan mekanisme pengatur arah seperti ekor pada TASH. Berdasarkan tiper rotor, TASV dibagi atas tiga jenis yakni savonius, darrieus, dan H rotor. Ketiga tipe tersebut jika dikelompokkan kembali berdasarkan prinsip aerodinamisnya maka savonius memanfaatkan gaya drag sedangkan darrieus dan H rotor memanfaatkan gaya lift (Dewi, 2010:26)



Savonius Rotor Rotor savonius dikembangkan pertama kali oleh J. Savonius pada tahun 1920 an. Konsep awalnya dikembangkan oleh Flettner. Bentuk rotor savonius dibuat dari sebuah silinder yang dipotong pada sumbu bidang sentral menjadi dua bagian dan bagian tersebut disusun menyilang menyerupai huruf S. (epirintis.undip.ac.id).

Turbin jenis ini secara umumnya bergerak lebih perlahan dibandingkan jenis turbin angin sumbu horizontal, tetapi menghasilkan torsi yang besar. Perhatikan gambar di atas, rotor tersebut memungkinkan aliran fluida mengalir tegak lurus terhadap bidang sudu bagian cembung dan bagian cekung. Koefisien drag untuk aliran tegak lurus dengan bidang cembung sebesar 1.2, sementara koefisien drag untuk sisi cekung hampir sebesar dua kalinya yaitu 2.1. Dikarenakan gaya drag yang dihasilkan pada bagian cekung lebih besar, hal ini akan mempengaruhi torsi putaran Savonius. Rotor yang bekerja dibawah pengaruh gaya drag umumnya mempunyai torsi awal yang besar tetapi memiliki efisiensi yang lebih kecil bila dibandingkan dengan rotor yang bekerja dengan gaya lift 

Darrieus Rotor 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.



H-rotor Tipe H- rotor merupakan variasi dari tipe darrieus. Keduanya sama-sama menggunkan prinsip gaya angkat untuk menggerakkan sudu. Tipe ini jauh lebih simpel, billa tipe darrieus menggunakan bilah yang ditekuk, maka tipe H menggunkan bilah lurus. Bilah

ini dihubungkan ke poros menggunakan batang atau lengan, kemudian poros langsung dihubungkan dengan generator.

Sedangkan bila ditinjau dari segi kelebihan dan kekurangannya, berikut akan dijelaskan. 

Kelebihan. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar, karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhkan mekanisme yaw, perawatan lebih mudah karena letaknya lebih dekat dengan tanah, memiliki sudut airfoil yang lebih tinggi memberikan keaerodinamisan yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi, desain TASV berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar, 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, tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah,



Kekurangan. Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar, TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi, memiliki torsi awal yang rendah, 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.

4 Prinsip Kerja dan Konstruksi Turbin Angin Sistem pembangkit listrik tenaga angin ini merupakan pembangkit listrik yang menggunakan turbin angin (wind turbine) sebagai peralatan utamanya. Dalam skala utility

memiliki berbagai ukuran, dari 100 kilowatt sampa dengan beberapa megawatt.Turbin besar dikelompokkan bersama-sama ke arah angin, yang memberikan kekuatan massal ke jaringan listrik. turbin kecil tunggal, di bawah 100 kilowatt dan digunakan pada rumah, telekomunikasi, atau pemompaan air. Turbin kecil kadang-kadang digunakan dalam kaitannya dengan generator diesel, baterai dan sistem fotovoltaik. Sistem ini disebut sistem angin hibrid dan sering digunakan di lokasi terpencil di luar jaringan, di mana tidak tersedia koneksi ke jaringan utilitas. Adapun prinsip dasar kerja dari pemanfaatan energi angin ini adalah mengubah energi dari angin menjadi energi putar pada kincir angin, lalu kincir angin digunakan untuk memutar generator yang akhirnya akan menghasilkan listrik. Sebenernya prosesnya tidak semudah itu, karena terdapat berbagai macam sub-sisterm (konstruksi/bagian-bagian utama) yang dapat meningkatkan safety dan efesiensi dari turbin angin itu sendiri. Menurut whypgen-bppt.com (2013) bagian-bagian tersebut terdiri dari:

a. Blade (Baling-baling/sudu) Rotor turbin angin terdiri atas baling-baling berfungsi untuk menerima energi kinetik dari angin dan merubanya menjadi energi mekanik putar pada poros penggerak. Pada setiap turbin memiliki jumlah sudu yang bermacam-macam. Ada yang berjumlah satu, dua, tiga, bahkan lebih dari itu. b. Rotor Hub Merupakan bagian dari rotor yang berfungsi untuk menghubungkan sudu atau balingbaling dengan poros utama. c. Pitch (Kontrol Pitch Sudu) Bagian yang dapat dikatakan sebagi pengontrol kecepatan rotor dan menjaga rotor berputar dalam angin baik angin yang terlalu tinggi ataupun rendah. Lebih tepatnya mengatur posisi sudut serang pada sudu turbin angin ketika angina bertiup pada turbin tersebut. d. Brake Fungsi utama brake adalah menjaga putara poros setelah gearbox agar bekerja pada titik aman saat terdapat angin yang besar. Alat ini perlu dipasanga karena sebuah generator memiliki titik kerja aman dalam operasinya. Generator juga akan menghasilkan energy listrik maksimal pada saat bekerja di titik kerja yang telah ditentukan. Namun, jika angin berhembus kencang dan diluar dugaan, maka hal tersebut akan membuat poros berputar kencang. Apabila hal tersebut tidak diatasi maka akan merusak generator. Dampak dari kerusakan tersebut adalah, overheat, rotor breakdown, kawat pada generator putus (Romadoni, 2013)

e. Low speed shaft Merupakan poros rotor yang berfungsi memindahkan daya dari rotor ke generator. Pemindahan daya dapat secara langsung ataupun melalui mekanisme transmisi gearbox. Selain itu juga berfungsi mengubah poros rotor kecepatan rendah sekitar 30-60 rpm. f. Gear Box Gear menghubungkan antara poros berkecapatan tinggi dengan poros berkecepatan rendah. Hal ini dikarenkan rotor hanya mampu bergerak dengan kecepatan rendah sedangkan generator membutuhkan kecepatan yang tinggi untuk menghasilkan listrik. Seperti yang diketahui sebelumnya rotor berkecepatan rendah hanya berputar sekita 3060 rpm, sedangkan kebutuhan putaran pada generator adalah 1000-1800 rpm. g. Generator Komponen utama dan terpenting dalam turbin angin. Hal ini dikarenkan fungsinya sebagai pengubah energi mekanik hasil putaran poros menjadi energi listrik. Alat ini bekerja pada induksi elektromagnetik untuk menghasilkan tegangan listrik atau arus listrik. Generator yang sederhana biasa teridiri atas konduktor dan magnet. Konduktor tersebut biasanya terlilit kawat melingkar. Dalam poros generator terhubung pada sekumpulan magnet permanen yang dikelilingi oleh magnet dan salah satu bagiannya berputar relative terhadap yang lain dan menginduksi konduktor. h. Controller Alat pengontrol seluruh kinerja turbin. Alat ini mengontrol turbin dimulai dari angin dengan kecepatan 8-16 mph dan menutup mesin pada keceptan angina sekitar 55 mph. alasan penutupan mesin tersebut karena dengan kecepatan yang melebih 55 mph dapat merusak turbin angin. i. Anemometer Bagian yang digunakan untuk mendeteksi dan mengukur kecepatan angina, sebagai inputan kepada system control untuk mengendalikan opersional pada kondisi optimum.

j. Wind Vane (Wind Direction Sensor) Merupakan alat yang digunakan untuk mendeteksi peruabahan arah angin. Biasanya juga terhubung dengan yaw drive untuk menggerakkan turbin sesuai dengan kondisi arah angin yang telah terdeteksi.

k. Nacelle Bagian yang berbentuk kotak besar yang duduk di menara turbin angina. Berfungsi sebagai rumah tempat seluruh komponen turbin angin seperti generator, gear box, controller, kabel, yaw drive, poros, dll. l. High speed shaft Poros rortor putaran tinggi yang berfungsi untuk memindahkan daya dari gear box ke generator. m. Yaw drive Rotor sistem geleng berfungsi untuk menempatkan komponen turbin angin yang berada di atas menara menghadap optimal terhadap arah angin mengkuti perubahan arah angin. n. Yaw motor Fungsi utamanya hanya sebagai penggerak yaw drive.

o. Tower Menara berfungsi sebagai tiang penyangga yang fungsinya untuk menopang rotor, nasel, dan semua komponen turbin angin. Menara dapat bertipekan latis atau pipa turbular, baik yang dibantu penopang tali pancang atau yang berdiri sendiri. Menurut Romadoni (2013) terdapat komponen lain yakni penyimpan energi. Alat ini digunakan untuk menyimpan energi sebagai back up energi listrik. Hal ini dikarenakan keterbatasan atas ketersediaan energi angin (tidak sepanjang hari angin akan selalu tersedia). Selain itu, juga dapat digunakan sebagi usaha preventif jika kebutuhan listrik masayarakat meningkat. Sebab jika kecepatan angina sauatu daerah tersebut tiba-tiba menurun, maka back up energi ini dapat digunakan sebagai pemasok energi listrik bagi masyarakat. Selain itu, turbin angin juga memiliki rectifier-inverter. Rectifier berarti penyearah. Hal ini dikarenakan fungsinya yaitu dapat menyearahkan gelombang AC yang dihasilkan oleh generator menjadi gelombang DC. Sedangkan inverter berarti pembalik. Ketika dyaa dari penyimpanan baterai atau aki menghasilkan gelombang DC, maka gelombang itu harus diubah menjadi gelombang AC karena kebanyakan kebutuhan rumah tangga menggunakan catu daya AC.