5
BAB II DASAR TEORI
2.1 Konsep Dasar Energi Angin
Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia, namun energi angin hanya memenuhi sebagian kecil dari kebutuhan akan energi. Dengan
demikian kemajuan teknologi, penggunaan energi angin makin meningkat dan biaya penggunaannya semakin murah. Contoh penggunaan energi angin ini adalah
Pembangkit Listrik Tenaga Bayu PLTB yang menggunakan angin sebagai sumber tenaga listrik, perahu- perahu layar menggunakan energi ini untuk
melewati perairan, dan banyak contoh-contoh lainnya. Pada asasnya angin merupakan udara yang bergerak yang disebabkan oleh rotasi bumi dan disertai
perbedaan tekanan udara sekitar. Angin selalu bergerak dari tempat bertekanan tinggi ke tempat bertekanan rendah.
Pada umumnya kecepatan angin dipengaruhi oleh letak tempat dan ketinggiannya. Bila letak tempatnya di daerah khatulistiwa maka angin akan lebih
cepat dibandingkan dengan letak tempatnya jauh dari khatulistiwa. Begitu pula ketinggianya. Semakin tinggi tempatnya semakin kencang juga anginnya. Hal ini
disebabkan oleh, semakin tinggi suatu tempat maka, gaya gesekan yang di pengaruhi
oleh permukaan
bumi yang
tidak datar
semakin kecil.
.
2.2 Kincir Angin
Kincir angin adalah sebuah alat yang mampu memanfaatkan kekuatan
angin untuk dirubah menjadi kekuatan mekanik. Dari proses itu memberikan kemudahan berbagai kegiatan manusia yang memerlukan tenaga yang besar
seperti memompa air
untuk mengairi sawah
atau menggiling biji-bijian. Kincir angin modern adalah mesin yang digunakan untuk menghasilkan energi
listrik, disebut juga dengan
turbin angin. Turbin angin kebanyakan ditemukan di
Eropa dan
Amerika Utara. Secara umum kincir angin digolongkan menjadi dua jenis menurut porosnya yaitu : kincir angin poros horisontal dan kincir angin
poros vertikal. Beberapa jenis dari kincir poros horizontal dan vertikal dapat dilihat pada Gambar 2.1 berikut ini.
Gambar 2.1 Jenis – jenis kincir menurut porosnya
Sumber : http:2.bp.blogspot.com
,
diskses 14 Februari 2015
2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal
Kincir Angin Poros Horizontal atau Horizontal Axis Wind Turbin HAWT adalah kincir angin yang memiliki poros utama sejajar dengan tanah
dan arah poros utama sesuai dengan arah angin. Kincir angin poros horisontal ini memiliki jumlah sudu minimal dua dan bisa lebih dari dua, kincir angin
ini dapat berputar dikarenakan adanya gaya aeorodinamis yang bekerja pada suatu kincir.
Beberapa jenis kincir angin poros horizontal yang telah banyak dikenal diantaranya ditunjukan pada Gambar 2.2 dan 2.3.
Gambar 2.2 Jenis kincir angin poros horizontal American Multiblade. Sumber : wikimedia.org, diakses 14 Februari 2015
Gambar 2.3 jenis kincir angin poros horizontal Propeller. Sumber : http : www.ecowatchcanada.wordpress.com, diakses 14
Februari 2015 Kincir angin poros horizontal memiliki kekurangan dan kelebihan masing -
masing. Kelebihan kincir angin poros horizontal:
1. Memiliki faktor keamanan yang lebih baik karena posisi sudu yang
berada diatas menara. 2.
Mampu mengkonversikan energi angin pada kecepatan tinggi. 3.
Tidak memerlukan karateristik angin karena arah angin langsung menuju rotor.
4. Setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20.
Kekurangan yang dimiliki oleh kincir angin poros horizontal: 1.
Menara yang tinggi serta bilah yang panjang sulit diangkut dan juga memerlukan biaya besar untuk pemasangannya, bisa mencapai 20
dari seluruh biaya peralatan turbin angin.
2. Perlu adanya mekanisme tambahan untuk menyesuaikan dengan arah
angin sirip penggerak atau sensor elektrik
2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal
Kincir angin poros vertikal atau Vertikal Axis Wind Turbin VAWT adalah salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan
arah angin atau dengan kata lain kincir jenis ini dapat mengkonversi tenaga angin dari segala arah kecuali arah angin dari atas atau bawah. Kincir jenis
ini menghasilkan torsi yang lebih besar dari pada kincir angin poros horisontal. Beberapa jenis kincir angin poros vertikal yang telah banyak
dikenal diantaranya ditunjukkan pada Gambar 2.4 dan 2.5.
Gambar 2.4 kincir angin poros vertical jenis Darrieus Sumber :
http:www.symscape.com diakses 16 Februari 2015
Gambar 2.5 Kincir angin poros vertical jenis Savonius. Sumber :
http:coolmyplanet.org diakses 16 Februari 2015
Kincir Angin poros vertikal memiliki kekurangan dan kelebihan masing – masing
antara lain : Kelebihan kincir angin poros vertikal:
1. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.
2. Memiliki torsi yang besar pada putaran rendah.
3. Dapat menerima arah angin dari segala arah.
4. Tidak perlu mengatur sudut – sudut untuk menggerakan sebuah
generator. 5.
Dapat bekerja pada putaran rendah. Kelemahan kincir angin poros vertikal:
1. Bekerja pada putaran rendah, sehingga energi angin yang dihasilkan
kecil. 2.
Dipasang ditempat rendah maka faktor keselamatan perlu diperhatikan.
2.3 Grafik Hubungan Antara Cp Terhadap Tsr
Menurut Albert Betz, ilmuan Jerman, bahwa koefisien daya maksimal dari kincir angin adalah sebesar 59 seperti yang terlihat pada Gambar 2.3. Batas
maksimal tersebut dikenal dengan Betz limit. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Grafik hubungan antara C
p
dan TSR untuk berbagai jenis kincir Sumber: gunturcupletz.blogspot.com diakses 21 Februari 2015
2.4 Rumus Perhitungan
Sub – sub bab dibawah ini adalah rumus–rumus yang digunakan untuk
melakukan perhitungan dan analisis kerja kincir angin yang diteliti.
2.4.1 Energi Angin
Angin adalah fluida yang bergerak sehingga memiliki energi kinetik, maka dapat dirumuskan sebagai berikut :
E
k
= 0,5m v 2
1
dengan : E
k
= energi kinetik joule. m = massa udara kg.
v = kecepatan angin ms. Daya adalah energi persatuan waktu, sehingga dapat di tuliskan
sebagai berikut: P
in
=0,5 m v 2
2 dengan:
P
in
= daya angin watt. m = massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu kgs.
dengan: m=
ρ A v 3
dengan: ρ = massa jenis udara kgm3.
A = luas penampang yang membentuk sebuah lingkaran m 2
. Dengan menggunakan Persamaan 3 , maka daya angin P
in
dapat dirumuskan menjadi :
P
in
= 0,5 ρAvv2,
yang dapat disederhanakan menjadi :
P
in
= 0,5 ρ A v3
4
2.4.2 Perhitungan Torsi dan Daya
Untuk mengetahui perbedaan unjuk kerja dari setiap sudut kemiringan sudu yang divariasikan, maka perlu mencari torsi dinamis dan
daya yang dihasilkan oleh kincir.
2.4.2.1 Torsi
Torsi merupakan hasil perkalian vektor antara jarak sumbu putar dengan gaya yang bekerja pada titik yang berjarak tertentu dari sumbu pusat.
Pada penelitian ini digunakan mekanisme pengereman, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :
T = F r 5
dengan: T = torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros Nm.
F = gaya pada poros akibat puntiran N. r = jarak lengan torsi ke poros m.
2.4.2.1 Daya kincir
Pada umumnya perhitungan untuk menghitung daya pada gerak melingkar dapat dituliskan sebagai berikut :
P
out
= T ω
6
dengan : T = torsi dinamis Nm.
ω = kecepatan sudut ω didapatkan dari
n rpm =
= n
ω = rads
Dengan ini untuk daya yang dihasilkan oleh kincir dapat dinyatakan dengan persamaan yaitu :
P
out
=T rads
7 dengan :
P
out
= Daya yang dihasilkan kincir angin watt. n = Putaran poros rpm.
2.4.3 Tip Speed Ratio
Tip speed ratio TSR adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin dengan kecepatan angin.
Kecepatan di ujung sudu v
t
dapat dirumuskan sebagai : v
t
= 8
dengan : V
t
= kecepatan ujung sudu ω = kecepatan sudut rads.
r = Jari-jari kincir m. sehingga tsrnya dapat dirumuskan dengan :
tsr =
9 dengan :
r = jari – jari kincir m.
n = putaran poros kincir tiap menit rpm. v = kecepatan angin ms.
2.4.4 Koefisiensi Daya
Koefisien daya C
p
adalah pebandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir P
out
dengan daya yang disediakan oleh angin P
in
, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :
C
p
= 100
10 dengan :
C
p
= koefisien daya . P
out
= daya yang dihasilkan oleh kincir watt. P
in
= daya yang dihasilkan oleh angin watt.
16
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Metode Penelitian
Dalam penelitian ini data yang diperlukan dapat diperoleh melalui tiga metode yaitu :
1. Penelitian Kepustakaan Library Research
Penelitian kepustakaan adalah penelitian untuk landasan teori dan tugas akhir dengan cara membaca literatur - literatur yang
berhubungan dengan penulisan tugas akhir ini serta dapat dipertanggungjawabkan kebenarannya.
2. Pembuatan alat
Pembuatan alat uji berupa kincir angin tipe American multi- blade dilakukan sebelum penelitian, kemudian kincir dipasang pada
wind tunnel sederhana beserta motor sebagai sumber angin untuk memutar kincir.
3. Pengamatan secara langsung observasi
Pengamatan dengan metode observasi adalah dengan melakukan pengamatan secara langsung terhadap objek yang diteliti
dalam hal ini adalah kincir angin tipe American multi-blade pada wind tunnel.
3.2. Peralatan pengujian
Kategori