Makalah Fisika Energi

Desain Kincir Angin Sumbu Horizontal BerSudu

Tiga

Oleh :

1. Laudy Brian Angkasa M0211044

2. Leila Rizki M0211046

3. Lindha Jayanti M0211048

4. Kemas Farozi M0211042

5. Yarti M0211076

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret

Surakarta

2014

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Energi baru terbarukan pada tahun 2008 telah menjadi isu penting.

Ketika dunia dilanda krisis global yang meliputi krisis energi, krisis

keuangan dan krisis lingkungan, situasi tersebut telah mendorong semua

pihak untuk melakukan usaha mencari alternatif pemanfaatan energi,

khususnya pengembangan energi listrik konvensional menuju energi listrik

berbasis pada energi baru terbarukan (EBT).

Menurut Blueprint Pengelolaan Energi Nasional yang dikeluarkan

oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral (DESDM) pada tahun

2005, cadangan minyak bumi di Indonesia pada tahun 2004 diperkirakan

akan habis dalam kurun waktu 18 tahun dengan rasio cadangan/produksi

pada tahun tersebut.

Sedangkan gas diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 61

tahun dan batubara 147 tahun. Sementara tingginya kebutuhan migas tidak

diimbangi oleh kapasitas produksinya menyebabkan kelangkaan sehingga

di hampir semua negara berpacu untuk membangkitkan energi dari

sumber-sumber energi baru dan terbarukan. Salah satu yang dipilih adalah

energi angin (Ikhsan and Hipi, 2011)

Kapasitas turbin angin dunia telah mencapai 198 GW tahun 2010.

Untuk jangka panjang pemanfaatan energi angin dunia dapat mencapai

lima kali produksi energi global atau 40 kali permintaan listrik dunia saat

ini. Indoensia sebagai negara tropis dengan geografis yang luas dengan

penduduk yang menyebar dari pantai, daratan dan pegunungan. Pada saat

ini Indonesia telah menginstalasi turbin angin dengan kapasitas 1,4 MW

dengan turbin angin berkapasitas 50 watt–10 kilowatt, diameter blade

trubin angin 0,8-7,5 meter diinstalasi pada daerah kecepatan angin zone I

(2,5-4,0) m/s, Zone II (4,0-5,0) m/s dan zona III (> 5 )m/s (Anonim, 2011)

. Pengembangan energi angin di Indonesia telah dicanangkan dapat

mencapai 5 MW on grid dan 250 MW off grid tahun 2005-2025 (Robandi,

2006;DJLPE, 2004;Anonim, 2009).

Penelitian mengenai tenaga angin sudah dilakukan di beberapa

daerah. Penelitian mencakup penelitian geografis, geologis serta topografi

dari lingkungan tersebut. Selain mengenai lingkungan pendukung

pembangkit listrik tenaga angin , penelitian juga dilakukan untuk

mendesain turbin angin. Penelitian mengenai desain turbin angin ini

berkaitan dengan konversi energi mekanik untuk dijadikan energi listrik.

Pada makalah ini akan disampaikan mengenai desain turbin angin sumbu

horizontal bersudu tiga serta analisa terhadap perhitungan daya dan

efisiensi dari desain angin yang telah dibuat.

B. Batasan Masalah

Adapun batasan masalah dari makalah ini adalah pembuatan

desain kincir angin sumbu horizontal bersudu tiga, mekanisme kerja dari

desain kincir angin sumbu horizontal bersudu tiga serta analisa

perhitungan daya serta efisiensi yang dihasilkan dari desain kincir angin

tersebut.

C. Rumusan Masalah

Berdasarkan batasan masalah di atas, maka rumusan masalah

dalam malkalah ini adalah:

1. Bagaimana desain kincir angin sumbu horizontal bersudu tiga ?

2. Bagaimana mekanisme kerja dari desain kincir angin sumbu

horizontal bersudu tiga ?

3. Bagaimana analisa perhitungan nilai daya dan efisiensi dari desain

kincir angin sumbu horizontal bersudu tiga ?

D. . Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari makalah ini adalah :

1. Membuat desain kincir angin sumbu horizontal bersudu tiga.

2. Menjelaskan mekanisme kerja dari desain kincir angin sumbu

horizontal bersudu tiga.

3. Menguraikan analisa terhadap perhitungan nilai daya dan efisiensi dari

desain kincir angin sumbu horizontal bersudu tiga.

E. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari makalah ini adalah :

1. Dapat membuat desain kincir angin sumbu horizontal bersudu tiga.

2. Dapat menjelaskan mekanisme kerja dari desain kincir angin sumbu

horizontal bersudu tiga

3. Dapat menganalisa perhitungan nilai daya dan efisiensi dari desain

kincir angin sumbu horizontal bersudu tiga.

BAB II

DASAR TEORI

A. Turbin Angin

Sistem tenaga angin adalah sebuah sistem yang mengkonversi

energi kinetik pada angin menjadi energi mekanis, atau dalam bentuk

energi lainnya. Sistem tenaga angin atau yang lebih dikenal dengan wind

turbines merupakan sistem konversi, dimana energi mekanik kemudian

diubah ke dalam bentuk listrik .

Turbin angin (Wind Tubines) bekerja dengan prinsip yang

sederhana. Energi pada angin berputar pada dua atau 3 propeller seperti

sudu mengelilingi sebuah rotor. Rotor di hubungkan pada poros, rotor

terhubung ke poros utama, yang berputar dengan generator untuk

menghasilkan listrik. Turbin angin adalah sistem konversi energi yang

memanfaatkan energi kinetik angin sebagai daya. Arus angin pada rotor

dari turbin angin, menyebabkan rotor berputar pada poros. Daya poros

yang dihasilkan dapat digunakan untuk kerja mekanik.

B. Kelebihan Dari Sistem Konversi Tenaga Angin Wind Turbine.

Kelebihan dari Sistem energi tenaga angin ini adalah ramah

lingkungan, karena hanya memanfaatkan prinsip kerja mekanis saja, bebas

dari polusi dan anginnya dapat digunakan secara gratis.

C. Jenis dari Turbin Angin

Turbin angin (wind turbines) di klasifikasikan menjadi dua jenis

umum yaitu sumbu horizontal dan sumbu vertikal. Secara umum pada

mesin sumbu horizontal sudunya berotasi pada sumbu yang paralel ke

tanah. Sedangkan sumbu vertikal memiliki sudu yang berotasi sejajar ke

tanah.

Gambar 1. Turbin sumbu vertikal dan turbin sumbu horizontal

Bagian dari Turbin Angin :

1. Nacelle , meliputi komponen-komponen kunci dari turbin angin,

termasuk gearbox dan generator listrik .

2. Tower dari turbin angin membawa/menyangga nacelle dan rotor.

Secara umum,tower yang lebih tinggi memilki kelebihan, karena

kecepatan angin bertambang saat berada lebih jauh dari tanah atau

lebih tinggi dari tanah .

3. Sudu rotor menangkap energi angin dan mentransfer tenaganya ke

hub rotor.

4. Generator mengubah energi mekanik dari poros ke energi listrik .

5. Gearbox meningkatkan kecepatan rotasi dari poros untuk generator

Gambar 2. Bagian-Bagian dalam Turbin Horizontal dan Vertikal

A. Turbin Angin Sumbu Horizontal (Horizontal Axis Wind Turbine)

Turbin sumbu horizontal merupakan desain turbin angin yang

paling umum digunakan. Pada dasarnya , agar paralel dengan tanah ,

sumbu pada rotasi sudu (blade) adalah paralel pada aliran angin .

Horizontal axis wind turbines biasanya mengutamakan rotor-rotor yang

menyerupai baling-baling pesawat terbang ,yang mana beroperasi pada

prinsip aerodynamic yang sama. aliran udara di atas airfoil berbentuk

baling menciptakan gaya angkat yang menyalakan rotor. Nacelle dari

turbin angin sumbu horizontal menampung gearbox dan generator. Turbin

angin horizontal dapat ditempatkan pada tower-tower untuk memanfaatkan

angin yang lebih tinggi dari tanah.

Rotor– Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT)

Untuk menghasilkan gaya angkat, bentuk airfoil harus lebih

diutamakan agar terdepan, sehingga ujung tombak keseluruhan

menghadap sekitar ke arah aliran udara. Efek ini dijelaskan dengan

menggunakan kecepatan rasio ujung atau tip-speed-ratio (TSR) :

TSR=ΩRv

(1)

Dimana Ω kecepatan angular dari rotor , R adalah jarak antara

sumbu dari perputaran dan ujung dari sudu dan V adalah kecepatan angin .

D. Daya Energi Angin

Energi yang dimiliki oleh angin dapat diperoleh dari persamaan

(Himran Syukri, 2006):

W = ½ ρAv³ (2)

Dimana:

W = Energi angin (Watt)

ρ = Kerapatan udara (Kg/m3)

A = Area penangkapan angin (m2)

V = Kecepatan angin (m/s)

Persamaan di atas 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. Jadi terdapat faktor efisiensi dari mekanik turbin angin dan

efisiensi dari generator sendiri.

E. Gaya Aerodinamik

Bentuk sudu turbin angin menyerupai airfoil yang memanjang dari

permukaan poros rotor sampai ujung dari sudu tersebut. Airfoil adalah

bentuk aerodinamik yang dianggap sangat efektif untuk menghasilkan

gaya angkat (lift). Bagian pangkal sudu dicengkeram oleh hub dengan

menggunakan baut. Jari-jari sudu adalah jarak sudu dari permukaan poros

rotor sampai ujung dari sudu. Pada sudu turbin angin akan terjadi tegangan

geser pada permukaaannya saat terkena udara. Distribusi tegangan geser

pada permukaan sudu ini dipresentasi dengan adanya gaya tekan (drag)

yang arahnya sejajar dengan arah aliran fluida dan gaya angkat (lift) yang

arahnya tegak lurus dari arah aliran fluida.

Gambar 3. Penampang Sudu (Wind Turbines, Erich Hau)

Drag merupakan gaya yang berasal dari energi angin yang

mendorong lurus sudu searah gerakan angin. Gaya drag digunakan oleh

turbin. Lift selalu bekerja pada sudut airfoil yang mengarahkan sudu

terangkat akibat gerakan angin.

Gambar 4. Fenomena drag dan lift ( Books.html, Hugh Piggott)

Drag and lift coeffisient (koefisien gaya tarik dan gaya angkat)

dilambangkan dengan CD dan CL. Besarnya CD dan CL bergantung dari

bentuk melintang sudu yang digunakan dan sudu serang (α).

FD=12

CD ρ U 2 A

FL=12

CL ρ U 2 A (3)

Dimana :

FD adalah gaya drag (N)

FL adalah gaya lift (N)

ρ adalah densitas udara (kg/m3),

A adalah luas penampang sudu (m2)

U adalah kecepatan angin (m/s)

F. Power Coeffisient dan Tip Speed Ratio

Betz’s memudahkan teori momentum pada sudu turbin secara

pemodelan aliran dua dimensi. Aliran udara menyebabkan defleksi airfoil.

Gerakan dari angin menggerakkan sudu menimbulkan gerak putar pada

sudu (Spin).

Power Coeffisient (Cp) adalah perbandingan gaya yang dihasilkan

secara mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang

dihasilkan oleh gaya lift pada aliran udara.

C p=PP0

=14

ρ A(v1

2−v12 ) (v1+v2 )

12

ρ A v3

C p=PP0

=12

¿ (4)

Dimana :

Cp adalah koefisien daya

P adalah Daya mekanik yang dihasilkan rotor (watt)

P0 adalah Daya mekanik total yang terkandung dalam angin yang melalui sudu (watt)

ρ adalah massa jenis udara ( 1,225 kg/m3 pada level laut)

A adalah luas penampang bidang putar sudu (m2)

V1 adalah kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (m/s)

V2 adalah kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (m/s)

Energi pada spin akan mengurangi proporsi penggunakan energi

total pada aliran. Power coefficient bergantung pada rasio antara

komponen energi gerak putar sudu dan gerak rotasi pada aliran udara.

Rasio ini didefinisikan sebagai kecepatan tangensial sudu rotor terhadap

kecepatan aksial atau kecepatan angin dan didefinisikan sebagai tip speed

ratio (λ) secara umum pada kecepatan tangensial dari ujung sudu.

Tip speed ratio , λ= uvw

= kecepatan tangensial dariujung sudukecepapatan angin

atau tip speed ratio , λ=π dn60 v

(5)

Dimana :

d adalah diameter sudu(m)

n adalah putaran rotor atau sudu (rpm)

v adalah kecepatan angin (m/s)

Gambar 5. Kurva hubungan Tip-speed ratio (λ) terhadap Rotor coeffisient (CPR )

pada berbagai jumlah sudu (Wind Turbines, Erich Hau)

G. Daya Rotor

PR = Cp ρ2 Vw ³A (6)

Atau

PR = Cp η ρ2 Vw ³A (7)

Dimana :

A adalah luas sudu(m2)

Vw adalah kacepatan angin (m/s)

Cp adalah koefisien angin

Ρ adalah densitas udara ( 1,225 kg/m3),

PR adalah daya rotor (watt)

η adalah efisiensi elektrik dan mekanik (biasanya 90%)

Gambar 6. Kurva hubungan antara tip-speed ratio terhadap rotor power

coefficient (CPR) berbagai jenis turbin angin(Wind Turbines, Erich

Hau)

Torsi rotor dapat dihitung dengan menggunakan koefisien torsi ( CQ)

M = CQ ρ2 Vw ²A R (8)

Dimana R adalah parameter referensi. Terdapat hubungan antara koefisien

daya rotor dan koefisien torsi.

CP=λ CQ (9)

Kurva daya rotor dan kurva torsi adalah gambaran karakteristik dari

konfigurasi rotor

Gambar 7. Kurva hubungan koefisien momen terhadadap tip speed ratio pada

berbagai jumlah sudu (Wind Turbines, Erich Hau)

Parameter utama yang mendominasi penjelasan tentang CP adalah :

1. Jumlah sudu

2. Chord length distribution of blade (panjang garis chord sudu)

3. Karakteristik aerodinamik

4. Twist variation (variasi melintir) dari sudu.

H. Daya Angin

Daya angin yang dapat ditangkap dan diekstrak oleh sistem turbin

angin sumbu horisontal dirumuskan sebagai berikut (Laks et al., 2009)

P=12

ρair C p A r vW3 (10)

Dari rumus tersebut diketahui bahwa daya angin selain bergantung pada

kecepatan angin juga bergantung pada nilai Cp. Semakin besar nilai Cp

maka semakin besar pula daya yang dapat diolah oleh turbin angin.

Besaran Cp merupakan fungsi dari tip speed ratio [λ] dan sudut pitch [θ],

sehingga persamaan (1) dapat ditulis menjadi (Pintea et al., 2010; Gary,

2001).

P=12

ρair C p A r vW3 (11)

Sedangkan λ sendiri dirumuskan sebagai berikut :

λ=ωv

R (12)

Jika ω adalah konstan sesuai set point yang diinginkan dan R blade

adalah konstan, maka Cp hanya akan bergantung terhadap v dan θ. Oleh

karena v tidak dapat dikontrol maka θ dijadikan variabel yang dikontrol

sebagai kompensasi perubahan kecepatan angin (v) untuk memperoleh

daya yang diharapkan.

Untuk memperoleh θ yang sesuai dengan kebutuhan, maka

dilakukan pengambilan data dengan kecepatan angin (v) tetap (konstan).

Hubungan antara daya angin dan kecepatan sudut (RPM) shaft

ditunjukkan oleh persamaan 4, dengan produksi daya berbanding lurus

dengan kecepatan sudut rotor blade (Ghanim et al., 2009; Laks et al.,

2009; Gary, 2001)

P=τaero ω (13)

Produksi daya angin yang ditangkap oleh sebuah horizontal axis

wind turbine HAWT dapat diturunkan melalui persamaan energi kinetik

angin yang bergerak dengan kecepatan tertentu kearah sumbu x,

persamaan energi untuk udara yang melintas pada turbin angin

ditunjukkan oleh persamaan 5 dan 6.

U=12

m vw2=1

2(ρair A r x) vw

2 (14)

Daya adalah turunan energi terhadap waktu ;

P=dUdt

=12

ρair ρair vw2 dx

dt=1

2ρair Ar Aw

3

P=dUdt

=12

ρair Ar vw2 dx

dt=1

2ρair A r vw

3 (15)

Gambar 8. Tube angin yang melewati turbin angin

Hubungan kecepatan angin pada tube angin yang melintas turbin

angin secara ideal:

V₂ = V₃ =23

V₁ V₄ = 13

V₁

A₂ = A₃ = 23

A₁ A₄ = 13

A₁ (16)

Untuk mengetahui seberapa besar daya yang dapat diekstrak oleh

turbin angin dihitung berapa selisih daya angin sebelum dan sesudah

melintas turbin angin. Gambaran ekstraksi daya angin dapat dijelaskan

melalui sebuah conture tube yang dilalui angin bergerak dengan kecepatan

v yang melintas pada turbin angin. Pada keadaan tersebut kecepatan angin

nilainya berkurang berbanding lurus dengan jarak blade turbin angin.

Tekanan angin yang melintas pada turbin akan naik akibat ruang gerak

yang tersedia semakin sempit.

Pada keadaan ini energi kinetik angin oleh turbin angin diubah

menjadi energi rotasional atau daya angin (Pwin). Pada jarak tertentu

kecepatan angin kembali pada kecepatan awal. Fenomena tersebut

diakibatkan oleh ruang gerak yang meluas. Daya angin yang diekstrak oleh

turbin angin sebagai berikut (Gary, 2001).

P=P1−P4=12

ρair ( A1 v13−A4 v4

3 )=12

ρair (89

A1 v13) (17)

Untuk mempermudah perhitungan, persamaan (17) diubah ke

dalam bentuk lain yang menggunakan variabel A2 atau terkait dengan luas

area sapuan turbin angin sebagai berikut:

P=12

ρair¿ (18)

Pada persamaan 18. terdapat konstanta 16/27 atau = 0.593 yang

selanjutnya disebut koefisien Betz. Nilai tersebut menyatakan efisiensi

maksimum dari sebuah turbin angin atau koefisien power (Cp).

I. Prinsip Kerja Turbin Angin Jenis HAWT (Horizontal Axis Wind

Turbines).

Energi angin dihasilkan dengan mengkonversi energi kinetik

melalui proses gesekan kedalam bentuk yang lebih berguna seperti listrik

dan energi mekanik .Turbin angin beroperasi dengan prinsip sederhana.

Energy pada angin memutar dua atau tiga baling-baling, seperti sudu

mengelilingi rotor. Rotor terhubung pada batang, dimana memutar

generator dan kemudian menghasilkan listrik .

Turbin angin merupakan mesin yang memiliki rotor dengan tiga

baling-baling sudu. Sudu ini di susun secara spesifik secara horizontal

untuk mendorong angin, sehingga menghasilkan listrik. turbin angin

ditempatkan pada area yang memiliki kecepatan angin tinggi, untuk

memutar dusu lebih cepat sehingga rotor dapat mentransmisikan listrik

yang dihasilkan ke generator. Setelah itu listrik yang dihasilkan disuplai ke

stasiun yang berbeda melalui grid.

Berdasarkan ketentuan lebih tinggi kamu pergi, akan semakin

dingin dan lebih banyak sirkulasi udaranya. Ketentuan ini di apikasikan

dengan membangun turbin pada ketinggian, dimana untuk memanfaatkan

sirkulasi udara pada ketinggian untuk menggerakkan turbin lebih cepat.

Turbin angin menjulang pada sebuah menara untuk menangkap energi.

Pada ketinggian 100 feet (30 Meter) atau lebih diatas tanah, turbin angin

dapat memanfaatkan angin lebih cepat dan turbulensi angin yang sedikit.

turbin angin dapat digunakan untuk menghasilkan listrik untuk perumahan

atau bangunan, atau juga dapat dihubungkan ke grid listrik untuk distribusi

listrik yang merata / lebih luas .

Berikut adalah display dari desain kincir angin menggunakan

software Solidworks 2010, dimana desain kincir angin yang dibuat adalah

Desain Kincir Angin Sumbu Horizontal dengan Tiga Sudu.

Gambar 9. Desain Kincir Angin Sumbu Horizontal dengan Tiga Sudu

Gambar 10. Gambar desain Komponen untuk Assembly atau Tower dari Kincir

Angin Sumbu Horizontal dengan Tiga Sudu .

Gambar 11. Gambar Desain Rotor atau Nacelle dari Kincir Angin Sumbu

Horizontal dengan Tiga Sudu .

Gambar 12. Gambar Desain Sudu dari Kincir Angin Sumbu Horizontal dengan

Tiga Sudu .

J. ANALISA DATA DESAIN KINCIR ANGIN DAN PERHITUNGAN

1. Bahan desain kincir Angin : Karbon

2. Densitas Udara (ρ ¿ : 1,151 kg/m3 (Ikhsan dan Hipi, 2011 )

Tabel.1. Data rata-rata kecepatan angin dibeberapa daerah di Indonesia (Pusat Meteorologi dan Geofisika, 2000)

No Nama Daerah Kecepatan rata-rata (m/s)1 Blang Bintang 3,52 Tanjung Pinang 3,753 Tanjung Pandang 4,354 Pondok Betung 3,75 Margahayau 4,36 Rendole/Pati 5,37 Semarang 3,98 Iswahyudi 5,159 Kalianget 4,1510 Denpasar 4,0311 Pasir Panjang 4,9512 Kupang/Penfui 5,7513 Waingapu 3,65

Tabel. 2. Data desain kincir angin sumbu horizontal sudu tiga

No Besaran Satuan dalam cgs Satuan dalam SI1 Massa sudu 39,36 gr 0,03936 kg2 Massa Rotor 65,35 gr 0,06535 kg

Massa Total (Sudu + Rotor) 104,71 gr 0,10471 kg3 Volum Blade 5046,01 mm3 50,46 x 10-7 m3

4 Volum Rotor 8377,58 mm3 83,77 x 10-7 m3

5 Luas Blade 3401,69 mm2 0.00340169 m2

6 Luas Rotor 2199,11 mm2 0,00219911 m2

7 Tinggi Tower 230,15 mm 0,23015 m8 Diameter Rotor 20 mm 0,02 m9 Tinggi Rotor 20 mm 0,02 m10 Diameter Stator 40 mm 0,04 m11 Tinggi Stator 50 mm 0,05 m12 Panjang Ujung Atas sudu 5 mm 0,005 m13 Panjang Body sudu 100 mm 0,1 m14 Panjang Ujung Bawah sudu 10 mm 0,01 m

2 x (Panjang total sudu) 230 mm 0, 23 mDiameter Kincir ( 2 x panjang total sudu + Diameter Rotor)

250 mm 0, 25 m

A. Daya Angin

W =12

ρ A v3 (19)

W =¿Energi Angin (Watt)

ρ = densitas udara (kg/m3)

A = Luas daerah penangkapan angin (m2)

V=¿ Kecepatan angin (m/s)

Tabel.3. Perhitungan nilai daya ideal angin dengan variasi kecepatan angin dibeberapa daerah di Indonesia dengan perbesaran diameter kincir sebesar 50 kali.

No Nama DaerahKecepatan

Angin (m/s)

Densitan udara

(kg/m³) Diameter kincir (m)

Daya angin (watt)

1 Blang Bintang 3.5 1.151 12.5 3029.24

2 Tanjung Pinang 3.75 1.151 12.5 3725.84

3Tanjung Pandang 4.35

1.151 12.5 5815.64

4 Pondok Betung 3.7 1.151 12.5 3578.78

5 Margahayau 4.3 1.151 12.5 5617.40

6 Rendole/Pati 5.3 1.151 12.5 10518.59

7 Semarang 3.9 1.151 12.5 4191.06

8 Iswahyudi 5.15 1.151 12.5 9650.54

9 Kalianget 4.15 1.151 12.5 5049.80

10 Denpasar 4.03 1.151 12.5 4624.29

11 Pasir Panjang 4.95 1.151 12.5 8569.30

12 Kupang/Penfui 5.75 1.151 12.5 13431.78

13 Waingapu 3.65 1.151 12.5 3435.65

Dari hasil perhitungan daya angin pada Tabel. 3 di atas

menunjukkan bahwa nilai daya ini dipengaruhi oleh densitas udara (ρ ¿,

luas daerah penangkapan angin oleh kincir yang dipengaruhi oleh diameter

kincir (A=π ( D2

¿2) serta kecepatan angin. Pada desain ini dilakukan

perhitungan daya angin, dengan data nilai kecepatan angin yang

diperoleh dari Tabel.1. Dari Tabel. 1 terlihat bahwa nilai kecepatan rata-

rata di wilayah Indonesia berkisar antara 3,5 m/s sampai 5,75 m/s. Untuk

nilai densitas yang digunakan adalah sebesar 1,151 kg/m3. Pada desain ini

nilai diameter dari kincir anginnya adalah sebesar 0,25 m. Desain ini

dibuat dengan perbandingan 1:50 dari ukuran sebenarnya. Dimana nilai

perbesaran ini dapat divariasi bergantung pada desain daya yang akan

dihasilkan, serta harus memperhitungkan nilai kecepatan angin yang ada.

Nilai perbesaran ini hanya untuk menghitung daya angin, daya kincir serta

efisiensi kincir jika diasumsikan kincir ditempatkan pada suatu daerah

yang memiliki kecepatan angin seperti ditunjukkan pada Tabel. 1.

Pada Tabel.3 terlihat bahwa nilai daya angin yang

dihasilkan berkisar antara 3029.24 m/s sampai 13431.78 m/s. Nilai daya

terkecil dihasilkan dari nilai kecepatan angin terkecil sebesar 3,5 m/s.

Sedangkan nilai daya angin terbesar dihasilkan dari nilai kecepatan angin

terbesar yaitu 5,75 m/s. Hal ini membuktikan bahwa semakin besar

kecepatan angin, serta densitas udara semakin besar pula nilai daya angin

yang dihasilkan.

B. Torsi

Diperoleh dengan menggantungkan sistem pengereman dengan

mengantungkan beban pada rotor yang berputar :

Q=F xr (20)

Q = Torsi (Nm)

F= Gaya pembebanan (N)

r = Jari-jari rotor (m)

m = massa sudu (beban) (kg)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

C. Daya kincir

P=Q x ω (21)

P = Daya kincir (watt)

Q= torsi (Nm)

ω = Kecepatan angular (rad/s) (ω=2 πn /60)

n = kecepatan putaran per menit (diukur dengan menggunakan

tachometer)

D. Efsiensi Kincir

Perbandingan antara daya output dan input dari kincir angin :

η=dayakincirdaya angin

x 100 % (22)

Tabel.4. Data Kinerja kincir angin dengan variasi kecepatan angin

menggunakan perbesaran massa sudu serta jari-jari rotor sebesar 50 kali.

NoNama Daerah

Kecepatan

Angin (m/s)

Putaran kincir (rpm)

pembebanan (kg)

jari-jari rotor (m)

Daya kincir (watt)

Daya angin (watt)

efisiensi

kincir (%)

1Blang

Bintang3.5

260 5.904 0.5 788.79 3029.24 26.04

2Tanjung Pinang

3.75280 5.904 0.5 849.47 3725.84 22.79

3Tanjung Pandang

4.35325 5.904 0.5 985.99 5815.64 16.95

4Pondok Betung

3.7275 5.904 0.5 834.29 3578.78 23.31

5 Margahayau 4.3 320 5.904 0.5 970.82 5617.40 17.28

6 Rendole/Pati 5.3 350 5.904 0.5 1061.83 10518.59 10.09

7 Semarang 3.9 290 5.904 0.5 879.81 4191.06 20.99

8 Iswahyudi 5.15 345 5.904 0.5 1046.67 9650.54 10.85

9 Kalianget 4.15 315 5.904 0.5 955.65 5049.80 18.92

10 Denpasar 4.03 305 5.904 0.5 925.31 4624.29 20.01

11Pasir

Panjang4.95

335 5.904 0.5 1016.33 8569.30 11.86

12Kupang/Penfui

5.75360 5.904 0.5 1092.17 13431.78 8.13

13 Waingapu 3.65 265 5.904 0.5 803.96 3435.65 23.40

Dari Tabel.4 di atas menunjukkan bahwa nilai kinerja kincir

dipengaruhi oleh nilai daya angin serta daya kincir. Nilai daya kincir

ini dipengaruhi oleh torsi serta kecepatan angular dari kincir. Untuk

kecepatan angular besarnya ditentukan dari ω=2 πn60

rad/s . Dimana n

merupakan kecepatan putaran kincir / menit (rpm). Nilai n ini

seharusnya diukur dengan menggunakan tachometer, karena dalam

desain ini tidak dapat dilakukan pengukuran nilai n terhadap besarnya

kecepatan angin, maka diasumsikan nilai n adalah berkisar dari 260 -

360 rpm. Besarnya nilai kecepatan putar kincir ini sebanding dengan

besarnya kecepatan angin yang ada .

Sedangkan nilai torsi sendiri bergantung pada massa beban dari

rotor (massa sudu), serta jari-jari rotor. Karena dalam desain ini

digunakan tiga sudu, maka massa dari bebannya menjadi tiga kali massa

sudu dengan perbandingan 1:50 dari ukuran sebenarnya.

Efisiensi dari sebuah kincir dapat digunakan untuk menentukan

besarnya power coefficient (CP). CP adalah gaya yang dihasilkan secara

mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan

oleh gaya lift (gaya angkat) pada aliran udara.

Berdasarkan teori nilai Cp maksimum sebesar 0,593, hal ini

menunjukkan bahwa maksimum daya angin yang dimanfaatkan oleh

kincir adalah sebesar 60 %. Pada Tabel.4 nilai efisiensi yang diperoleh

berkisar antara 8 m/s sampai 26 m/s.

E. Perhitungan Daya dan efisiensi Kincir Angin dengan GUI

Gambar 1. Tampilan perhitungan sederhana daya dan efisiensi kincir angin dengan GUI

Gambar 2. Tampilan hasil Perhitungan daya dan efisiensi kincir angin dengan GUI

K. Kesimpulan

1. Telah dapat di desain alat konversi energi angin , yaitu Kincir Angin

Sumbu Horizontal dengan Tiga Sudu (Horizontal Axis Wind Turbin ,

with 3 blades ). Desain dikerjakan dengan menggunakan Software tiga

dimensi yaitu Solidworks 2010. Desain Kincir terdiri dari tiga

komponen utama , yaitu bagian Tower atau Assembly yang digunakan

untuk menopang kincir angin dan bagian konversi angin ke dalam

energi listrik, kemudia bagian Nacelle yang digunakan untuk

mengkonversi energi angin menjadi listrik ,dan bagian sudu atau

baling-baling yang berfungsi menangkap angin.

2. Prinsip Kerja dari HAWT 3 Blades ini sangat sederhana , dengan

memanfaatkan Angin dimana energi potensial pada angin akan diubah

kedalam bentuk mekanis untuk memutar ketiga sudu, sudu

mengelilingi dan terbubung langsung dengan rotor. Rotor terhubung

pada batang , yang kemudian memutar generator , dimana generator ini

merupakan komponen yang dapat mentransmisikan energi mekanik

yang dihasilkan kemudian diubah kedalam energi listrik. Energi listrik

yang dihasilkan dapat langsung di salurkan ke grid jika kincir angin di

buat dalam sekala besar atau di suplai ke dalam perumahan .

3. Analisa perhitungan untuk desain HAWT 3 Blades, digunakan

beberapa data, dimana untuk data ukuran dari HAWT 3 Blades

merupakan ukuran hasil desain yang telah ditentukan, kemudian untuk

data kecepatan angin dan variabel bebas lainnya di luar komponen

desain HAWT 3 Blades,merupakan data referensi yang digunakan

untuk memperkirakan daya yang akan dihasilkan melalui desain

HAWT 3 Blades yang telah di desain. Untuk perhitungan variabel-

variabel dalam kincir angin, seperti daya listrik yang dihasilkan, telah

di persiapkan Software GUI. Dari hasil desain yang telah dibuat

dengan menggunakan data referensi untuk kecepatan angin di berbagai

daerah di Indonesia dapat disimpulkan bahwa Daya yang dihasilkan

oleh desain HAWT 3 Blades di pengaruhi densitas udara (ρ), luas

daerah penangkapan angin oleh kincir yang dipengaruhi oleh diameter

kincir ¿ serta kecepatan angin. Berdasarkan referensi rata-rata

kecepatan angin di Indonesia berkisar antara 3,5 m/s sampai 5,75 m/s,

dengan nilai densitas yang digunakan yaitu sebesar 1,151 kg/m3,

diameter kincir angin pada desain yang telah dibuat sebesar 0,25 m.

Desain HAWT 3 Blades dibuat dengan perbandingan 1:50, nilai

tersebut dapat divariasikan sesuai dengan desain daya yang dihasilkan

dan memperhitungkan nilai kecepatan angin lokal. Dari hasil

perhitungan dengan desain yang telah dibuat diperoleh kesimpulan

bahwa semakin besar kecepatan angin, serta densitas udara maka

semakin besar pula nilai daya angin yang dihasilkan. Dan nilai kinerja

dari kincir angin dipengaruhi oleh nilai daya angin serta daya kincir.

Nilai daya kincir dipengaruhi oleh Torsi serta kecepatan angular kincir.

Untuk kecepatan angular besarnya ditentukan dariω=2 πn60

rad/s.

Dimana n merupakan kecepatan putaran kincir / menit (rpm).

diasumsikan nilai n adalah berkisar dari 260 - 360 rpm. Besarnya

nilai kecepatan putar kincir ini sebanding dengan besarnya kecepatan

angin yang ada. Nilai torsi sendiri bergantung pada massa beban dari

rotor (massa sudu), serta jari-jari rotor. Efisiensi dari sebuah kincir

dapat digunakan untuk menentukan besarnya power coefficient (CP). CP

adalah gaya yang dihasilkan secara mekanik pada sudu akibat gaya

angin terhadap daya yang dihasilkan oleh lift forces (gaya angkat) pada

aliran udara.

Daftar Pustaka

Anonim.(2009). World Energy Report 2009, Charles-de-Gaulle-Str.5 (53113)

Bonn Germany, Secretariat@wwindea.org.

Anonim.(2011). Renewable energy.19 Februari 2011. Wikipedia, Renewable

energy from wikipedia,the free encyclopedia,//Renewable_energy.htm.

A.Pintea, D.Pepescu, P.Borne.(2010). Moeling and control of wind turbines,

12 th sysmposium Large Scale systems Theory and App, France hal-

00512206 Version 1.

David G.Wilson, et.al.(2008). Optimized active aerodynamic blade control for

load alleviation on large wind turbines, AWEA Windpower 2008

conference & exhibition, Houston,Texas,

DJLPE.(2004). National Energy Policy 2005-2025 Indonesia, Directorate General

of electricity and Energy using, Jakarta.

Ghanim Putrus, at al.(2009) .Maximum power point tracking for variable-speed

fixed-pitch small wind turbines, CIRED 20th International converence on

electrican engineering, paper 0542, Prague 8-11.

Helen, Markou and Torben J.Larsen.(2009). Control Stategies for operation of

pitchregulated turbines above cut-out wind speeds, Riso-DTU,

Denmark,PSO-project.

Ikhsan,Ikhwanul and Hipi,Akbar.(2011). Analisis Pengaruh Pembebanan

Terhadap Kinerja Kincir Angin Tipe Propeller Pada Wind Tunnel

Sederhana. Tugas akhir, Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas

Hasanuddin.

J. H. Laks, L. Y. Pao, and A. D. Wright.(2009). Control of Wind

Turbine:Past,Present, and Future, US National Science Foundation(NSF

Grant CMMI-0700877).

R.Ata, and Y.Kocyigit.(2010).An adaptive neuro-fuzzy inference system approach

for prediction on tip speed ratio in wind turbines, Expert systems with

Application 37 (2010) 5454-5460, Elsevier.

Robandi I.(2006). Desain Sistem Tenaga Modern.Andi Offset:Yogyakarta.