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
▸ Baca selengkapnya: bagaimana gerak badan pada desain horizontal
(2)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
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) :
(1)
Dimana 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).
(3)
Dimana :
adalah gaya drag (N) adalah gaya lift (N)
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.
( )( )
[[ (
)
]][
]
(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)
adalah massa jenis udara (1,225 kg/m3 pada level laut) A adalah luas penampang bidang putar sudu (m2)
V1 adalah kecepatan aliran udara sebelummelewati sudu rotor (m/s)
V2 adalah kecepatan aliran udara setelahmelewati 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.
(5)
Dimana :
d adalah diameter sudu(m)
n adalah putaran rotor atau sudu (rpm)
Gambar 5. Kurva hubungan Tip-speed ratio (λ) terhadap Rotor coeffisient (CPR )
pada berbagai jumlah sudu (Wind Turbines, Erich Hau)
G. Daya Rotor
P
R =C
pV
w³A
(6)Atau
P
R =C
p ηV
w³A
(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)
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
=C
QV
w²A R
(8)
Dimana R adalah parameter referensi. Terdapat hubungan antara koefisien daya rotor dan koefisien torsi.
(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)
(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).
(11)
Sedangkan λ sendiri dirumuskan sebagai berikut :
(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)
(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.
( ) (14)
Daya adalah turunan energi terhadap waktu ;
(15)
Gambar 8. Tube angin yang melewati turbin angin
Hubungan kecepatan angin pada tube angin yang melintas turbin angin secara ideal:
V₂ = V₃ = V₁ V₄ = V₁
A₂ = A₃ = A₁ A₄ = 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).
( ) ( ) (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:
*( ( )+ ( ) (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 ( ) : 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 3,5 2 Tanjung Pinang 3,75 3 Tanjung Pandang 4,35 4 Pondok Betung 3,7 5 Margahayau 4,3 6 Rendole/Pati 5,3 7 Semarang 3,9 8 Iswahyudi 5,15 9 Kalianget 4,15 10 Denpasar 4,03 11 Pasir Panjang 4,95 12 Kupang/Penfui 5,75 13 Waingapu 3,65
Tabel. 2. Data desain kincir angin sumbu horizontal sudu tiga
No Besaran Satuan dalam cgs Satuan dalam SI
1 Massa sudu 39,36 gr 0,03936 kg
2 Massa Rotor 65,35 gr 0,06535 kg
Massa Total (Sudu + Rotor) 104,71 gr 0,10471 kg
3 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 m 8 Diameter Rotor 20 mm 0,02 m 9 Tinggi Rotor 20 mm 0,02 m 10 Diameter Stator 40 mm 0,04 m 11 Tinggi Stator 50 mm 0,05 m
12 Panjang Ujung Atas sudu 5 mm 0,005 m
13 Panjang Body sudu 100 mm 0,1 m
14 Panjang Ujung Bawah sudu 10 mm 0,01 m
2 x (Panjang total sudu) 230 mm 0, 23 m
Diameter Kincir ( 2 x panjang total sudu + Diameter Rotor)
250 mm 0, 25 m
A. Daya Angin
(19)
Energi Angin (Watt) = densitas udara (kg/m3
)
= Luas daerah penangkapan angin (m2
)
Tabel.3. Perhitungan nilai daya ideal angin dengan variasi kecepatan angin dibeberapa daerah di Indonesia dengan perbesaran diameter kincir sebesar 50 kali. No Nama Daerah Kecepatan 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 3 Tanjung 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 ( ), luas daerah penangkapan angin oleh kincir yang dipengaruhi oleh diameter kincir ( ( ) ) 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 13431.78m/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 :
(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
(21)
P = Daya kincir (watt) Q= torsi (Nm)
= Kecepatan angular (rad/s) ( )
= kecepatan putaran per menit (diukur dengan menggunakan
tachometer)
D. Efsiensi Kincir
Perbandingan antara daya output dan input dari kincir angin : (22)
Tabel.4. Data Kinerja kincir angin dengan variasi kecepatan angin menggunakan perbesaran massa sudu serta jari-jari rotor sebesar 50 kali.
No Nama Daerah Kecepa tan Angin (m/s) Putaran kincir (rpm) pembebanan (kg) jari-jari rotor (m) Daya kincir (watt) Daya angin (watt) efisie nsi kincir (%) 1 Blang Bintang 3.5 260 5.904 0.5 788.79 3029.24 26.04 2 Tanjung Pinang 3.75 280 5.904 0.5 849.47 3725.84 22.79 3 Tanjung Pandang 4.35 325 5.904 0.5 985.99 5815.64 16.95 4 Pondok Betung 3.7 275 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 11 Pasir Panjang 4.95 335 5.904 0.5 1016.33 8569.30 11.86 12 Kupang/Pen fui 5.75 360 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 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 ( ), 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 dari 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.
