Turbin Angin&air.docx

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Turbin angin pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dan kegiatan yang lainnya. Turbin angin banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan Negara-Negara Eropa lainnya yang lebih dikenal dengan nama Windmill. Turbin angin modern lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat dengan menggunakan prinsip konversi energi dari sumber daya alam yang dapat diperbaharui, yaitu angin. Turbin air pada dasarnya juga digunakan untuk akomodasi listrik di daerah-daerah tertentu yang memang akses listriknya terbatas dan adanya sumber daya air akhirnyapun digunakan utuk Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA). Selain itu turbin air digunakan unuk masyarakat pedesaan untuk pengairan irigasi di sawah.

1.2 Rumusan Masalah 1. Apa yang dimaksud dengan turbin angin dan turbin air? 2. Apa saja macam-macam turbin angin dan turbin air? 3. Apa yang dimaksud dengan daya turbin angin dan turbin air? 4. Bagaimana cara menghitung rumus turbin angin dan turbin air?

1.3 Tujuan 1. Untuk mengetahui apa yang dimaksud dengan turbin angin dan turbin air 2. Untuk mengetahui apa saja macam-macam turbin angin dan turbin air 3. Untuk mengetahui apa yang dimaksud dengan daya turbin angin dan turbin air 4. Untuk mengetahui bagaimana cara menghitung rumus turbin angin dan turbin air

1

BAB II PEMBAHASAN

2.1 Turbin Angin Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk

mengakomodasikan

kebutuhan

listrik

masyarakat,

dengan

menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Dalam konteks listrik turbin angin dikenal dengan 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 dan angin. Baling-baling dan turbin angin melekat pada pusat rotor. Baling-baling ini diputar oleh aliran angin. Tingkat putaran baling-baling tergantung dari kecepatan angin dan bentuk baling-baling. Agar mengasilkan 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 putaran rendah baling-baling ke rotasi kecepatan tinggi yang diperlukan untuk memproduksi listrik.

2.1.1

Macam-Macam Turbin Angin

Dalam perkembangannya, turbin angin dibagi menjadi dua jenis turbin angin Propeller dan turbin angin Darrieus. Kedua jenis turbin inilah yang kini memperoleh perhatian besar untuk dikembangkan. Pemanfaatannya yang umum sekarang sudah digunakan adalah untuk memompa air dan pembangkit tenaga listrik. Turbin angin terdiri atas dua jenis, yaitu:

2

a) Turbin angin poros horizontal (HAWT)

Turbin angin propeller adalah jenis turbin angin dengan poros horizontal seperti baling-baling pesawat terbang pada umumnya. Turbin angin ini harus diarahkan sesuai dengan arah angin yang paling tinggi kecepatannya. Keluaran daya dari turbin angin bervariasi linier dengan daerah yang melewati rotor blade. Untuk turbin sumbu horisontal daerah yang melewati rotor blade adalah: 𝜋

A = 4 D² (m²) Keterangan: A D m

= luas daerah yang dilewati rotor = diameter turbin = satuan luas

b) Turbin angin poros vertical (VAWT)

Turbin angin darrieus merupakan suatu sistem konversi energi angin yang digolongkan dalam jenis turbin angin berporos tegak. Turbin angin ini pertama kali ditemukan oleh GJM Darrieus tahun 1920. Keuntungan turbin ini adalah tidak memerlukan

3

mekanisme orientasi pada arah angin (tidak perlu mendeteksi arah angin yang paling tinggi kecepatannya seperti pada turbin angin propeller. Untuk turbin angin darrieus sumbu vertikal, penetapan luas sapuan rotor rumit karena melibatkan integral elips.

2.1.2

Daya Turbin Angin

(a) Efisiensi rotor Daya angin maksimum yang dapat diekstrak oleh turbin angin dengan luas sapuan rotor A adalah: 16 1

P = 27 2 pAv3 (w) Angka 16/27 (=59,3%) ini disebut batas Betz limit. Angka ini secra teori menunjukkan efisiensi maksimum yang dapat dicapai oleh rotor turbin angin tipe sumbu horisontal. Pada kenyataannya karena ada rugi-rugi gesekan dan kerugian di ujung blade, efisiensi aerodinamik dari rotor, rotor ini akan lebih kecil lagi yaitu berkisar pada harga maksimum 0,45 saja untuk blade yang dirancang dengan sangat baik. Maka efisiensi rotor turbin angin menjadi: 1

 rotor = Cp = Pt/2 pAv3 Keterangan:  rotor = koefisien rotor Pt Cp p A V

= daya turbin (watt) = Coefisien Power = massa jenis angin (kg/m3) = luas penampang melintang aliran (m2) = kecepatan angin

(b) Efisiensi transmisi dan generator Gearbox mengubah laju putar menjadi lebih cepat, konsekuensinya dengan momen gaya yang lebih kecil, sesuai dengan kebutuhan generator yang ada di belakangnya. Generator kemudian mengubah energi kinetik putar menjadi energi listrik.

4

Efisiensi transmisi gearbox dan bearings (Nb, bisa menjacapai 95%), dan efisiensi generator (Ng, mencapai 80%).

Sehingga

efisiensi total turbin angin dapat dituliskan sbb:  total = Cp.Nb.Ng Keterangan :  total = efisien total Cp

= Coefisien Power

Nb

= Efisiensi transmisi gearbox dan bearings

Ng

= efisiensi generator

Jadi, daya turbin angin dengan menggabungkan persamaan kedua rumus diperoleh persamaan daya turbin angin: 1

P = total 2 pAv3 (w) 2.1.3

Rumus

Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin dengan diameter kipas r adalah: 1

P = 2 pπR2v3 Keterangan: P = daya turbin angin p

= kerapatan angin pada waktu tertentu

R = Diameter kipas v

= kecepatan angin pada wkatu tertentu Umumnya daya efektif yang dapat dipanen oleh sebuah turbin

angin hanya sebsar 20%-30%. Jadi rumus di atas dapat dikalikan dengan 0,2 atau 0,3 untuk mendaptkan hasil yang cukup eksak. Angin adalah udara yang bergerak. Karena udara mempunyai massa maka energi yang ditimbulkannya dapat dihitung berdasarkan energi kinetik yang dirumuskan sebagai berikutt:

5

Energi Kinetik, Ek = 0.5 x m x V²

dimana : m = masa (kg) (1 kg = 2.2 pounds) V = kecepatan angin (m/detik) (meter = 3.281 feet = 39.37 inches)

Biasanya, kita lebih tertarik pada tenaga (perubahan dari waktu ke waktu) dari pada energi. Karena energi = tenaga x waktu dan massa udara lebih mudah dinyatakan sebagai density, maka persamaan energi kinetik diatas menjadi persamaan aliran : Tenaga pada permukaan kincir adalah: P = 0.5 x ρ x A x V³ dimana: P = tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1,000 watts = 1 kilowatt) ρ = density udara (1.225 kg/m³ at permukaan laut) A = permukaan kincir (m²) V = kecepatan angin dalam meters/detik (20 mph = 9 m/detik) (mph/2.24=m/detik) Persamaan ini merupakan tenaga dari aliran udara secara bebas. Tidak semua tenaga ini dapat diambil karena ada aliran udara yang lewat melalui kincir (hanya dinding tegak lurus arah angin yang dapat mengambil 100% energi aliran angin). Sehingga kita harus menurunkan persamaan baru yang lebih praktis untuk kincir angin Tenaga Kincir Angin : P = 0.5 x ρ x A x Cp x V³ x Ng x Nb dimana: P =tenaga dalam watts (746 watts = 1 hp) (1,000 watts = 1 kilowatt) ρ = density udara (1.225 kg/m³ at permukaan laut) A = permukaan kincir (m²) Cp = Koefisien kinerja (maksimum teoritis = 0,59 [Betz limit], Desain = 0,35) V = kecepatan angin dalam m/detik (20 mph = 9 m/detik)

6

Ng = efisiensi generator (50% altenator mobil, 80% atau lebih utk permanent magnet generator) Nb = efisiensi gearbox/bearing (jika bagus dapat mencapai 95%)

2.2

TURBIN AIR Turbin air adalah turbin dengan media kerja air. Secara umum, turbin

adalah alat mekanik yang terdiri dari poros dan sudu-sudu. Sudu tetap atau stationary

blade,

tidak

ikut

berputar

bersama

poros,

berfungsi

mengarahkan aliran fluida. Sedangkan sudu putar atau rotary blade, mengubah arah dan kecepatan aliran fluida sehungga timbul gaya yang memutar poros. Air biasanya dianggap sebagai fluida yang tak kompresibel, yaitu fluida yang secara virtual massa jenisnya tidak berubah dengan tekanan. Dasar kerja turbin air sangat sederhana yaitu mengubah energi kinetik menjadi energi mekanik yang diketemukan sebelum dimulainya tahun masehi. Teknologi ini merupakan perkembangan dari kincir air. Perbedaan utama antara kincir air dan turbin air adalah bahwa kincir air hanya mengubah kecepatan aliran, sedangkan turbin air mengubah arah dan kecepatan aliran. Pada umumnya turbin air terdiri dari (1) dam (bendungan), (2) pipa pesat, (3) runner (roda jalan), dan (4) generator. Penggunaan turbin air kebanyakan untuk pembangkit tenaga sebagai penggerak generator seperti pada PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air), karena mempunyai karakteristik yang cukup memnuhi persyaratan sebagai pembangkit tenaga modern.

7

2.2.1

Macam-Macam Turbin Air

(a) Turbin impuls

Ciri utama turbin jenis impuls adalah tekanan jatuh hanya terjadi pada sudu tetap dan tidak terjadi pada sudu berputar. Pada turbin air jenis impuls misalkan turbin pelton, air tidak memenuhi saluran. Oleh karena itu persamaan kontinuitas tidak dapat diterapkan. Energi fluida masuk sudu gerak, dalam bentuk energi kinetik pancaran air yang dihasilkan oleh nosel. Pada bucket, energi air

diubah menjadi energi mekanis putaran poros dan

sebagian hilang antara lain karena perubahan arah aliran, gesekan serta sisa kecepatan yang kleuar bucket dan tidak dapat dimanfaatkan. Turbin impuls atau turbin aksi disebut turbin tak bertekanan karena sudu gerak beroperasi pada tekanan atmosfer. Banyak turbin air jenis impuls yang pernah dibuat, namun yang masih banyak ditemukan pada saat sekarang adalah turbin pelton dengan bentuk bucket yang terbelah ditengah. Posisi poros dapat dibuat tegak (vertikal) atau mendatar (horisontal). Selain itu ada juga jenis turbin banki. Turbin impuls sesuai untuk pemanfaatan sumber air yang memiliki ketinggian permukaan yang besar, tetapi dengan debit yang kecil. Menurut sumber beda ketinggian yang paling sesuai berkisar diantara 350 meter samapi maksimum beda ketinggian yang ada, sekitar 1800 meter. Tetapi secara teoritis mampu untuk beda ketinggian yang lebih besar lagi.

8

Turbin flow through atau turbin banki biasanya digunakan untuk pembangkit yang menghasilkan kapasitas daya relatif kecil. Sedangkan turbin pelton biasanaya digunakan untuk pembangkit yang menghasilkan daya relatif besar. Jumlah mozel biasanya berjumlah 1 atau lebih dari 1 nozel dan posisi porosnya dapat tegak atau mendatar. Turbin banki dapat dikategorikan sebagai peralihan dari kincir air jenis impuls. Turbin banki dengan roda aliran radial bertekanan atmosfer, mengahsilkan daya dari energi kinetik pancaran air. Putaran karakteristik dari turbin jenis ini berada di antara turbin angin tangensi jenis pelton dan turbin francis aliran campuran. Seperti turbin air pada umumnya, turbin banki terdiri dari dua bagian aitu nosel dan runner.

(b) Turbin reaksi

Ciri turbin reaksi pada semua jenis turbin baik turbin uap, turbin gas, maupun turbin air adalah bahwa sebgaian dan tekanan jatuh terjadi pada sudu tetap dan sebagian lagi pada sudu berputar. Persamaan kontonuitas dapat digunakan pada perhitungan aliran melalui sudu berputar, karena seluruh fluida kerja memenuhi seluruh saluran sudu. Karena fluida masuk sudu berputar melalui seluruh tepi seksi masuk, maka untuk daya dan putaran yang sama, diameter nominalnya relatif lebih kecil dibandingkan dengan turbin impuls.

9

Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Hampir semua dari jenis turbin ini berproses di dalam air, oleh karena itu pada bagian masuk dan keluar turbin mempunyai tekanan yang lebih besar dari tekanan udara luar. Arah aliran masuk runner dapat diatur oleh sudu pengaturan dan disebut juga sebagai sudu pengaruh atau stationary blade untuk memperoleh arah sebaik-baiknya untuk menghasilkan efisiensi yang maksimal. Contoh turbin reaksi adlaah turbin frincis, turbin propeller, dan turbin kaplan. Turbin francis mengalami perkembangan dari bentuk semula yang berupa turbin aliran radial masuk yang murni. Tepi seksi masuk dan seksi keluar sejajar sumbu rotasi. Turbin ini mempunyai kelemahan bahwa diameter dalam terlalu besar. Turbin francis yang dimodifikasi dan masih bertahan sampai saat sekarang adalah turbin francis dikenal ada tiga jenis yaitu turbin putaran rendah (beda ketinggian antara 280 sampai 400 meter), turbin putaran sedang (beda ketinggian anatara 100 sampai 280), dna turbin dengan putaran tinggi (beda ketinggian anatara 35 sampai 100 meter) Turbin propeller yang sesuai untuk beda ketinggian rendah (dibawah 35 meter), mempunyai sudut gerak yang dapat berjumlah 3, 4, 5, 6, dan 8. Sudu gerak ini sering disebut wing, fin, propeller atau rotary blade. Turbin propeller sebenarnya sama dengan turbin kaplan, hanya ada sekitar perbedaan, yiatu bahwa turbin propeller mempunyai wing yang tetap sedangkan turbin kaplan mempunyai wing yang dapat diatur. Pengaruh dari wing yang dapat diatur posisinya ini adalah bahw aturbin kaplan mempunyai efisiensi yang tidak banyak berubah pada beban persial. Namun tertentu saja lebih mahal harganya. Pada umumnya turbin reaksi mempunyai efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan turbin impuls. Tetapi bila ukuran

10

turbin terlalu kecil (<0,5 m) maka turbin impuls menjadi yang lebih baik efisiensinya. Hal ini disebabkan karena kebocoran relatif yang menjadi besar dan juga kerugian gesek pada saluran yang kecil akan meningkat.

2.2.2

Daya Turbin Air

Daya turbin sangat tergantung pada besarnya torsi dan kecepatan anguler. Sedangkan kecepatan anguler dipengaruhi oleh putaran turbin dan putaran turbin sangat tergantung dari massa aliran yang menumbuk sudu turbin. Debit air dipengaruhi oleh kecepatan air dan pengaruhnya terhadap massa aliran, putaran, turbin, torsi turbin, dan daya turbin. Semakin besar debit air maka daya turbin kinetik semakin meningkat dikarenakan adanya penambahan kecapatan aliran dan massa aliran yang menumbuk sudu turbin sehingga gaya tangensial yang

dihasilkan

meningkat

dan

gaya

tangensial

tersebut

mempengaruhi torsi turbin, dna daya turbin kinetik.

2.2.3

Rumus

Dari kapasitas air Q dan tinggi air jatuh H dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin yaitu: P = p.g.Q.H.T

Keterangan: P = daya (watt) p

= massa jenis air (kg/m3. Pair = 1000 kg/m3)

g

= gravitasi (m/detik2)

H = ketinggian air (m) Q = kapasitas air/debit (m3/detik)

11

Contoh soal : 1. Air mengalir dalam pipa pesat yang mempunyai diameter 85 cm (0.85 m) dengan kecepatan 25 m/detik. Berapa laju (debit) aliran volumenya? Q = A.v = ¼ . π . D². v Q = ¼ . π. 0.85² m² . 25 m/detik = 14, 2 m3/detik

2. Suatu air terjun dengan ketinggian 10 m mengalirkan air dengan debit 20 m3/detik Berapa daya yang dapat dibangkitkan oleh air terjun tersebut jika ρair = 1000 kg/ m3? Dengan demikian kita dapat menghitung daya yang ditimbulkan oleh air terjun. P = 20 m3/detik x 1000 kg/ m3 x 10 m/detik² x 10 m P = 2 x 106 Watt 3. Air mengalir dalam pipa pesat yang mempunyai diameter 120 cm (1.2 m) dengan kecepatan 30 m/detik. Berapa laju (debit) aliran volumenya? Q = A.v = ¼ . π . D². v Q = ¼ . 3,14. 1,2² m² . 25 m/detik = 28,26 m3/detik

4. Mengapa turbin angin 3 baling untuk pembangkit listrik tidak dibuat 2 atau 4 baling bahkan lebih? Karena turbin angin 3 baling lebih efisien, produsen membuat dengan beberapa pertimbangan. Jika turbin angin dibuat dengan 4 baling atau lebih yang pertama biaya produksi akan menjadi mahal, yang kedua ketika daya dorong angin lebih besar maka baling lebih bayak akan mendapatkan tekanan dan struktur tiang turbin angin akan bermasalah bila tidak di pondasi yang kuat, yang ketiga bila terjadi badai diperkiakan turbin angin dengan baling lebih banyak akan rusak. Jika mengunakan turbin 2 baling hsil putaran 2 baling kurang maksimal karena dibutuhkan putaran baling lebih cepat untuk mendapatkan daya yang sama dibanding 3 baling atau lebih besar.

12

5. Menurut arah sumbu rotasinya, turbin angin dibedakan menjadi 2 bagian yaitu turbin angin sumbu vertikal (VAWT) dan turbin angin sumbu horzontal (HAWT). Jelaskan! Turbin angin sumbu vertikal (VAWT) memiliki poros atau sumbu rotor utama yang tegak lurus. Kelebihan utama poros tegak adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin. Kelebihan ini sangat berguana di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi dan mampu memperdayagunakan angin dari berbagai arah. Turbin angin sumbu horizontal disebut juga tipe propeller (seperti baling-baling). Memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin angin ini harus diarahkan sesuai dengan arah angin yang paling tinggi kecepatany, sehingga pada umumnya mengguanakan sebuah sensor angan yang di gandengkan ke sebuah servo motor.

13

BAB III PENUTUP

3.1 Kesimpulan Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk

mengakomodasikan

kebutuhan

listrik

masyarakat,

dengan

menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Turbin air adalah turbin dengan media kerja air. Secara umum, turbin adalah alat mekanik yang terdiri dari poros dan sudu-sudu. Sudu tetap atau stationary

blade,

tidak

ikut

berputar

bersama

poros,

berfungsi

mengarahkan aliran fluida. Sedangkan sudu putar atau rotary blade, mengubah arah dan kecepatan aliran fluida sehungga timbul gaya yang memutar poros. Air biasanya dianggap sebagai fluida yang tak kompresibel, yaitu fluida yang secara virtual massa jenisnya tidak berubah dengan tekanan. Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin dengan diameter kipas r adalah: 1

P = 2 pπR2v3 Keterangan: P

= daya turbin angin

p

= kerapatan angin pada waktu tertentu

R

= Diameter kipas

v

= kecepatan angin pada wkatu tertentu Umumnya daya efektif yang dapat dipanen oleh sebuah turbin angin

hanya sebsar 20%-30%. Jadi rumus di atas dapat dikalikan dengan 0,2 atau 0,3 untuk mendaptkan hasil yang cukup eksak.

14

Dari kapasitas air Q dan tinggi air jatuh H dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin yaitu: P = p.g.Q.H.T

Keterangan: P

= daya (watt)

p

= massa jenis air (kg/m3. Pair = 1000 kg/m3)

g

= gravitasi (m/detik2)

H

= ketinggian air (m)

Q

= kapasitas air/debit (m3/detik)

15

DAFTAR RUJUKAN

Firman, dkk. 2013. Pengaruh kecepatan angin dan variasi jumlah sudu terhadap unjuk kerja turbin angin poros horizontal. Vol. 3 (Online) (http://media.neliti.com ) diakses pada tanggal 28 Oktober 2018. https:/id.m.wikipedia.org Muliawan, A & Yani, A. Analisis daya dna efisiensi turbin air kinetisakibat perubahan putaran runner. (Online) (http://ecampus.iainbatusangkar.ac.id/ojs/index.php/saintek/artic le/viewFile/434/423 ) diakses pada tanggal 28 Oktober 2018. Pudjanarsa, Astu dan Djati Nursuhud. 2006. Mesin Konversi Energi. Yogyakarta: Penerbit ANDI

16