UNJUK KERJA KINCIR ANGIN SAVONIUS EMPAT SUDU SATU TINGKAT DENGAN SIRIP-SIRIP PENGARAH PADA LINGKAR TERLUAR KINCIR

  

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN SAVONIUS EMPAT SUDU

SATU TINGKAT DENGAN SIRIP-SIRIP PENGARAH PADA

LINGKAR TERLUAR KINCIR

TUGAS AKHIR

  

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Mesin

  

Diajukan Oleh:

SURYO PRASETYO

NIM : 075214014

  

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2012

THE PERFORMANCE OF ONE STAGE FOUR BLADES SAVONIUS WINDMILL WITH GUIDE VANE ON THE OUTER CIRCLE FINAL PROJECT

  Presented as Partial Fulfillment of the Requirement To Obtain the Sarjana Teknik Degree In Mechanical Engineering Study Program

  By : SURYO PRASETYO NIM : 075214014 MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2012

  

TUGAS AKHIR

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN SAVONIUS EMPAT SUDU

SATU TINGKAT DENGAN SIRIP-SIRIP PENGARAH PADA

LINGKAR TERLUAR KINCIR

  

Disusun oleh:

SURYO PRASETYO

  

NIM : 075214014

Telah disetujui oleh :

Pembimbing Utama

  

INTISARI

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui dan mencari daya kincir,

koefisien daya dan tip speed ratio (TSR) pada kincir angin model Savonius empat

sudu satu tingkat dengan ukuran diameter kincir dibuat 0,60 m dan tingginya 0,85

m, sedangkan variasi dibuat tanpa sirip-sirip pengarah, menggunakan sirip-sirip

pengarah pada sudut 45 dan sudut 30 .

  Untuk mengukur dan megetahui daya kincir, koefisien daya dan tip speed

ratio , kincir dihubungkan ke generator yang tersambung ke rangkaian lampu yang

berfungsi sebagai variasi beban. Besarnya beban pengimbang torsi diukur dengan

neraca pegas. Putaran poros diukur dengan takometer. Kecepatan angin diukur

dengan anemometer.

  Daya kincir angin maksimal sebesar 18,84 watt didapatkan pada kincir

angin dengan menggunakan sirip-sirip pengarah pada sudut 30 saat kecepatan

angin 5,76 m/s dan menghasilkan torsi sebesar 1,79 Nm. Pada kincir angin yang

sama dihasilkan pula koefisien daya maksimal sebesar 33 % dengan TSR sebesar

0,55.

  Kata kunci : daya kincir, koefisien daya, tip speed ratio.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur kepada Allah SWT atas segala berkah dan anugerah-Nya,

sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Tugas akhir ini merupakan salah satu

persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin,

Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

  

Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul “Unjuk Kerja Kincir

Angin savonius Dengan Sirip-sirip Pengarah pada Lingkar Terluar” ini karena

adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis

mengucapkan terima kasih kepada:

  1. Paulina Heruningsih Prima Rosa S.Si.,M.Sc. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin.

  3. Ir.

  Rines, M.T. selaku dosen Pembimbing Akademik dan juga Pembimbing Tugas Akhir.

  4. Seluruh staf pengajar Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan materi selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.

  5. Petugas Laboratorium yang telah membantu memberikan ijin dalam penggunakan fasilitas yang diperlukan dalam penelitian ini.

  6. Bapak Suprapto dan Ibu Sri Lestari selaku orang tua penulis, Karena

kebaikan dan kerendahan hati memberikan semangat pada penulis.

  7. Keluarga penulis yang tidak bisa disebutkan satu persatu, telah memberi dukungan dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

  8. Agustin Widyaningtyas, S.Pd. yang telah memberikan doa, dukungan dan semangat.

  9. Teman sekelompok Endro Pramulat Sito, S.T. dan Natalis Riya yang telah bekerjasama selama ini, baik dalam pembuatan alat ini sampai dengan penulisan naskah.

  10. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma angkatan 2007

dan teman-teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

  11. Pihak-pihak yang tidak dapat kami sebutkan satu per satu, yang telah memberikan dorongan dan bantuan dalam wujud apapun selama penyusunan skripsi ini. Penulis menyadari bahwa masih ada kekurangan dalam penyusunan laporan

ini karena keterbatasan pengetahuan yang belum diperoleh, oleh karena itu

penulis mengharapkan adanya kritik dan saran dari berbagai pihak yang bersifat

membangun dalam penyempurnaan tugas ini. Semoga karya ini berguna bagi

mahasiswa Teknik Mesin dan pembaca lainnya. Apabila ada kesalahan dalam

penulisan naskah ini penulis mohon maaf.

  Yogyakarta, 23 Februari 2012 Penulis

  DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ................................................................................... i

TITLE PAGE ............................................................................................... ii

HALAMAN PERSETUJUAN ..................................................................... ii

HALAMAN PENGESAHAN ..................................................................... iv

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ................................. v

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ................... vi

  

INTISARI .................................................................................................... vii

KATA PENGANTAR ................................................................................. iix

DAFTAR ISI ................................................................................................ x

DAFTAR TABEL ........................................................................................ xii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................ xvi

BAB I. PENDAHULUAN ......................................................................... 1

  1.1 Latar Belakang ......................................................................... 1

  1.2 Batasan Masalah ...................................................................... 3

  1.3 Tujuan Penelitian ..................................................................... 3

  1.4 Manfaat Penelitian ................................................................... 4

  

BAB II. DASAR TEORI ............................................................................. 5

  2.1 Fenomena Angin ...................................................................... 5

  2.2 Turbin Angin............................................................................ 6

  2.3 Jenis Turbin Angin................................................................... 8

  2.3.1 Turbin Angin Poros Horizontal ..................................... 8

  2.3.2 Turbin Angin Poros Vertical ......................................... 10

  2.4 Tipe Vertikal Axis Wind Turbine ............................................ 13

  2.4.1 Savonius Rotor............................................................... 13

  2.4.2 Darriues Rotor ............................................................... 14

  2.4.3 Giromill .......................................................................... 15

  2.4.4 H- Rotor ......................................................................... 16

  2.5 Gerak Turbin ............................................................................ 17

  2.6 Penerapan Rumus .................................................................... 18

  

BAB III. METODE PENELITIAN ............................................................. 22

  3.1 Sarana Penelitian...................................................................... 22

  3.2 Peralatan dan Bahan Penelitian................................................ 22

  3.3 Variasi Penelitian ..................................................................... 31

  3.4 Variabel Yang Diukur .............................................................. 32

  3.5 Variabel Yang Dihitung ........................................................... 32

  3.6 Langkah Penelitian .................................................................. 32

  

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................... 35

  4.1 Data Penelitian ......................................................................... 35

  4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan ........................................... 40

  4.3 Hasil Perhitungan ..................................................................... 43

  4.4 Pembahasan ............................................................................. 55

  

BAB V. PENUTUP ..................................................................................... 57

  5.1 Kesimpulan .............................................................................. 57

  5.2 Saran ........................................................................................ 58

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 59

LAMPIRAN ................................................................................................. 60

  DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data kincir angin Savonius empat sudu satu tingkat tanpa menggunakan sirip-sirip pengarah ............................................. 35Tabel 4.2 Data kincir angin Savonius empat sudu satu tingkat dengan menggunakan sirip-sirip pengarah pada sudut 45 ..................... 37Tabel 4.3 Data kincir angin Savonius empat sudu satu tingkat dengan menggunakan sirip-sirip pengarah pada sudut 30 .................... 39Tabel 4.4 Data keseluruhan hasil perhitungan kincir angin Savonius empat sudu satu tingkat tanpa menggunakan sirip-sirip pengarah ........ 43Tabel 4.5 Data keseluruhan hasil perhitungan kincir angin Savonius empat sudu satu tingkat dengan menggunakan sirip-sirip pengarah

  pada sudut 45 ............................................................................ 45

Tabel 4.6 Data keseluruhan hasil perhitungan kincir angin Savonius empat sudu satu tingkat dengan menggunakan sirip-sirip pengarah

  pada sudut 30 .......................................................................... 46

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Savonius wind turbine dengan rotor 3 tingkat ......................... 14Gambar 2.2 Aplikasi gabungan antara darrieus wind turbine 3 blade dengan Savonius wind turbine guna membantu putaran awal

  pengarah.................................................................................. 15

Gambar 2.3 Giromill wind turbine helical ................................................... 16Gambar 2.4 H-Rotor wind turbine ............................................................... 16Gambar 2.5 Gaya dorong ............................................................................. 17Gambar 2.6 Grafik koefisien daya (C p ) berbagai macam kincir .................. 19Gambar 3.1 Kincir angin dengan sirip-sirip pengarah ................................. 22Gambar 3.2 Kincir angin .............................................................................. 23Gambar 3.3 Poros ......................................................................................... 24Gambar 3.4 Alas sudu .................................................................................. 24Gambar 3.5 Sudu ......................................................................................... 25Gambar 3.6 (a) Pengarah angin.................................................................... 25Gambar 3.6 (b) Sudut sirip pengarah 30 derajat .......................................... 26Gambar 3.6 (c) Sudut sirip pengarah 45 derajat .......................................... 26Gambar 3.7 Alas pengarah ........................................................................... 27Gambar 3.8 Sirip pengarah .......................................................................... 27Gambar 3.9 Generator .................................................................................. 28Gambar 3.10 Fan blower .............................................................................. 29Gambar 3.11 (a) terowongan angin ............................................................. 29Gambar 3.11 (b) kincir angin yang diteliti di dalam terowongan angin ...... 29Gambar 3.12 Rangkaian lampu .................................................................... 30

  pengarah................................................................................. 51

Gambar 4.9 Grafik hubungan antara C p dan TSR untuk kincir angin Savonius dengan menggunakan sirip-sirip pengarah pada

  sudut 45 ................................................................................ 53

Gambar 4.8 Grafik hubungan antara C p dan TSR untuk kincir angin Savonius dengan menggunakan sirip-sirip pengarah pada

  p dan TSR untuk kincir angin Savonius tanpa menggunakan sirip-sirip pengarah ............... 53

Gambar 4.7 Grafik hubungan antara C

  pada sudut 30 ....................................................................... 52

Gambar 4.6 Grafik hubungan antara torsi dan daya kincir untuk kincir angin Savonius dengan menggunakan sirip-sirip pengarah

  pada sudut 45 ....................................................................... 51

Gambar 4.5 Grafik hubungan antara torsi dan daya kincir untuk kincir angin Savonius dengan menggunakan sirip-sirip pengarahGambar 4.4 Grafik hubungan antara torsi dan daya kincir untuk kincir angin Savonius tanpa menggunakan sirip-siripGambar 3.13 Anemometer ........................................................................... 30

  pada sudut 30 ....................................................................... 50

Gambar 4.3 Grafik hubungan antara torsi dan putaran poros untuk kincir angin Savonius dengan menggunakan sirip-sirip pengarah

  pada sudut 45 ....................................................................... 49

Gambar 4.2 Grafik hubungan antara torsi dan putaran poros untuk kincir angin Savonius dengan menggunakan sirip-sirip pengarah

  pengarah.................................................................................. 49

Gambar 4.1 Grafik hubungan antara torsi dan putaran poros untuk kincir angin Savonius tanpa menggunakan sirip-siripGambar 3.16 Bagian-bagian alat penguji kincir .......................................... 33Gambar 3.15 Neraca pegas .......................................................................... 31Gambar 3.14 Takometer .............................................................................. 31

  sudut 30 ................................................................................ 54

Gambar 4.10 Grafik hubungan antara C dan TSR untuk kincir angin

  p Savonius tanpa menggunakan sirip-sirip pengarah, menggunakan sirip-sirip pengarah pada sudut 45 dan sudut 30 ......................................................................................... 55

  DAFTAR LAMPIRAN

Tabel L.1 Massa jenis udara......................................................................... 60

Gambar L.1. Mengatur posisi fan blower untuk memvariasikan kecepatan angin....................................................................................... 61

Gambar L.2. Pengambilan data massa pada neraca pegas........................... 61

  

Gambar L.3. Pengambilan data putaran poros............................................ 62

Gambar L.4. Pemasangan sirip-sirip pengarah pada kincir angin yang diteliti...................................................................................... 63

Gambar L.5. Kincir angin yang diteliti........................................................ 64

  Gambar L.6. Kincir angin yang sebagai alat penelitian, sedang diuji didalam terowongan angin...................................................... 65

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Salah satu hal terpenting untuk mendukung keberlangsungan dan

perkembangan peradaban umat manusia adalah terjaminnya ketersediaan energi

yang memadai. Total kapasitas pembangkit listrik di Indonesia saat ini sekitar 30

ribu MW, 86% dikuasai oleh PLN sementara sisanya dikelola oleh perusahaan

listrik swasta. Sementara itu kebutuhan listrik akan terus meningkat sejalan

dengan pertumbuhan jumlah penduduk dan perkembangan perekonomian bangsa.

  

Angka pertumbuhan kebutuhan listrik diprediksi sekitar 7-8% hingga tahun 2015

mendatang. Meskipun demikian, dan perlu diingat, saat ini tingkat elektrifikasi

Indonesia baru sekitar 54%, artinya ada sekitar 46% masyarakat Indonesia yang

belum menikmati listrik akibat tingginya harga bahan bakar.

  (http://www.facebook.com/group.php?gid=87207231729).

  Pembangkit listrik tenaga bahan bakar fosil adalah pembangkit listrik

yang membakar bahan bakar fosil seperti batubara, gas alam, atau minyak bumi

untuk memproduksi listrik. Pembangkit listrik tenaga bahan bakar fosil didesain

untuk produksi skala besar yang berlangsung terus menerus. Pembangkit listrik

tenaga bahan bakar fosil selalu memiliki mesin rotasi yang mengubah panas dari

pembakaran menjadi energi mekanik yang lalu mengoperasikan generator listrik.

  

Penggerak utamanya mungkin adalah uap, gas bertekanan tinggi, atau mesin

siklus dari mesin pembakaran dalam. Hasil sampingan dari mesin pembakaran

dalam harus dipertimbangkan dalam desain mesin dan operasinya. Panas yang

  

terbuang karena efisiensi yang terbatas dari siklus energi, ketika tidak direcovery

sebagai pemanas ruangan, akan dibuang ke atmosfer. Gas sisa hasil pembakaran

dibuang ke atmosfer; mengandung karbon dioksida dan uap air, juga substansi

lain seperti nitrogen, nitrogen dioksida, sulfur dioksida, dan abu ringan (khusus

batu bara) dan mungkin merkuri. Abu padat dari pembakaran batu bara juga harus

dibuang, meski saat ini abu padat sisa pembakaran batu bara dapat didaur ulang

sebagai bahan bangunan. Peningkatan kadar karbon dioksida di atmosfer memicu

perubahan iklim termasuk pemanasan global. Pembangkit listrik tenaga bahan

bakar fosil adalah peyumbang utama gas rumah kaca dan berkontribusi besar

terhadap pemanasan global. Batu bara menghasilkan gas rumah kaca sedikitnya

tiga kali lebih banyak dari gas alam. Pembakaran batu bara dapat memicu hujan

asam dan polusi udara, dan telah dihubungkan dengan pemanasan global karena

komposisi kimia dari batu bara dan sulitnya memindahkan pengotor dari bahan

bakar padat ini untuk pembakaran. Hujan asam disebabkan oleh emisi nitrogen

oksida dan sulfur dioksida ke udara. Emisi tersebut bereaksi dengan uap air di

atmosfer, menciptakan bahan asam (asam sulfur, asam nitrit) yang jatuh sebagai

hujan.

  Persediaan energi fosil di alam kini semakin habis, sehingga membuat

harga bahan bakar fosil semakin meningkat. Selain itu, pembangkit listrik tenaga

bahan bakar fosil berdampak terhadap pemanasan global sehingga dibutuhkan

langkah untuk berpindah dari bahan bakar fosil menuju energi listrik yang lebih

efisien yaitu pembuatan kincir angin Savonius.

  1.2 Batasan Masalah Pada tugas akhir ini akan diteliti kincir angin Savonius dengan

menggunakan sirip-sirip pengarah. Dipilihnya kincir angin Savonius dengan

alasan jenis kincir ini merupakan jenis yang paling sederhana, mudah dibuat dan

dapat berputar pada kecepatan rendah. Dalam hal ini saya mengembangkan kincir

angin Savonius dengan menambahkan sirip-sirip pengarah yang bertujuan supaya

angin yang diterima sudu kincir angin lebih besar daripada tanpa pengarah.

  Agar penelitian yang dilakukan dapat berjalan lancar tanpa mengalami kesulitan, diberikan beberapa batasan masalah sebagai berikut: a.

  Kincir yang diteliti adalah kincir angin Savonius satu tingkat dan menggunakan sudu lengkung sebanyak empat buah.

  b.

  Tinggi kincir angin Savonius 0,85 m dan diameter 0,6 m.

  c.

  Tinggi sirip-sirip pengarah kincir angin Savonius 0,95 m dan berdiameter 0,84 m d.

  Angin dengan kecepatan bervariasi dihasilkan dengan memakai terowongan angin yang dilengkapi fan blower berkapasitas 5,5 kW.

  1.3 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian antara lain : a.

  

Membuat kincir angin Savonius dengan variasi sirip-sirip pengarah.

  b.

  Mengetahui pengaruh penggunaan sirip-sirip pengarah terhadap unjuk kerja kincir angin. c.

  Mengetahui daya kincir angin Savonius antara tanpa menggunakan sirip- sirip pengarah, menggunakan sirip-sirip pengarah pada sudut 45 dan 30 .

  d. p ) dan tip speed ratio (TSR) antara Membandingkan koefisien daya (C kincir angin Savonius tanpa menggunakan sirip-sirip pengarah, menggunakan sirip-sirip pengarah pada sudut 45 dan 30 .

1.4 Manfaat Penelitian

  Manfaat yang akan didapat dari pembuatan tugas akhir ini adalah: a.

  Berpartisipasi dalam pengembangan dan pemanfaatan green energi, khususnya pemanfaatan energi angin untuk masyarakat.

  b.

  Menambah kepustakaan tentang kincir angin Savonius.

  c.

  Mengurangi pemakaian sumber energi lain seperti minyak bumi dan kayu bakar.

  d.

  Hasil-hasil penelitian ini diharapkan dapat dijadikan referensi berikutnya untuk membuat prototipe dan produk teknologi kincir angin Savonius yang lebih sempurna lagi sehingga dapat diterima masyarakat serta dapat meningkatkan kesejahteraan.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Fenomena Angin

  Angin adalah udara yang bergerak akibat adanya perbedaan tekanan udara

antara tempat yang memiliki tekanan tinggi ke tempat yang bertekanan rendah

atau dari daerah bersuhu rendah ke wilayah bersuhu lebih tinggi.

  Angin memiliki hubungan yang erat dengan sinar matahari karena daerah

yang terkena banyak paparan sinar matahari akan memiliki suhu yang lebih tinggi

serta tekanan udara yang lebih rendah dari daerah lain di sekitarnya. Udara panas

yang telah memuai menjadi lebih ringan sehingga bergerak naik. Apabila hal ini

terjadi, udara dingin disekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah

tersebut. Udara dingin menyusut menjadi lebih berat dan turun ke permukaan

bumi, diatas permukaan bumi udara menjadi panas dan naik kembali. Hal ini yang

menyebabkan terjadinya angin.

  Angin juga dapat disebabkan oleh pergerakan benda sehingga mendorong

udara di sekitarnya untuk bergerak ke tempat lain. Angin buatan dapat dibuat

dengan menggunakan berbagai alat, mulai dari yang sederhana hingga yang rumit.

Secara sederhana angin dapat kita ciptakan sendiri dengan menggunakan telapak

tangan, kipas sate, koran, majalah, dan lain sebagainya dengan cara dikibaskan.

  

Sedangkan secara rumit angin dapat kita buat dengan kipas angin listrik,

pengering tangan, hair dryer, pompa ban, dan lain sebagainya. Secara alami kita

bisa menggunakan mulut, hidung, dan sebagainya untuk menciptakan angin.

  Jenis angin secara umum diklarifikasikan menjadi dua yaitu angin lokal dan

angin musim.Angin lokal terbagi menjadi : angin darat dan angin laut, angin

lembah dan angin gunung, serta angin jatuh yang sifatnya kering dan panas.

Sedangkan angin musim terdiri dari : angin passat, angin anti passat, angin barat,

angin timur dan angin muson.

  Alat-alat untuk mengukur aliran angin antara lain : anemometer (alat untuk

mengukur kecepatan angin), wind vane (alat untuk mengetahui arah angin), serta

windsock (alat untuk mengetahui arah angin dan memperkirakan besar kecepatan

angin).

2.2 Turbin Angin

  Turbin angin atau dalam bahasa sederhana kincir angin merupakan turbin

yang digerakkan oleh angin, yaitu udara yang bergerak diatas permukaan bumi.

  

Sudah sejak dahulu angin berjasa bagi kehidupan manusia, salah satunya adalah

para nelayan. Selain itu, turbin angin pada awalnya juga dibuat untuk

mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi,

keperluan irigasi, memompa air dan menggiling jagung. Penggunaan turbin angin

terus mengalami perkembangan guna memanfaatkan energi angin secara efektif,

terutama pada daerah-daerah dengan aliran angin yang relatif tinggi sepanjang

tahun. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda dan negara-

negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill.

  Sebagai pembangkit listrik, turbin angin telah digunakan di Denmark sejak

tahun 1890. ( http://id.wikipedia.org/wiki/turbin_angin). Dalam beberapa dekade

terakhir ini, kekhawatiran akan habisnya energi fosil telah mendorong

  

pengembangan dan penggunaan turbin angin secara meluas dalam

mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat dengan prinsip konversi energi.

  

Pada saat ini, angin merupakan salah satu sumber energi dengan perkembangan

relatif cepat dibanding sumber energi lainnya, Walaupun demikian sampai saat ini

pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik

konvensional (misal : PLTD atau PLTU). Turbin angin masih lebih

dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan

dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui (misal :

batubara dan minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik.

  Pengkajian potensi angin harus dilakukan dengan baik guna memperoleh

suatu sistem konversi angin yang tepat. Pengkajian potensi angin pada suatu

daerah dilakukan dengan cara mengukur serta menganalisis kecepatan maupun

arah angin. Secara umum tempat-tempat yang baik untuk pemasangan turbin

angin antara lain : 1.

  Celah diantara gunung karena tidak langsung celah gunung dapat

berfungsi sebagai nozzle yang dapat mempercepat aliran angin.

  2. Datar terbuka yang tidak terdapat objek-objek penghalang aliran angin, seperti daerah pantai, savana, gunung, dan lain sejenisnya.

  3. Daerah pesisir pantai, hal ini disebabkan akibat perbedaan temperatur di

laut dan daratan menyebabkan angin bertiup secara kontinyu.

2.3 Jenis Turbin Angin

  Jenis turbin angin ada 2, yaitu :

2.3.1 Turbin angin poros horizontal

  Turbin angin poros horizontal atau bisa disingkat HAWT adalah turbin

dengan poros utama horizontal dan memiliki poros rotor utama, serta generator

listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-

baling angin yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya

menggunakan sebuah sensor angin yang dihubungkan 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.

  Karena turbulensi menyebabkan kerusakan struktur menara, dan realibilitas

begitu penting, sebagian besar HAWT merupakan mesin upwind (melawan arah

angin). Meski memiliki permasalahan turbulensi, mesin downwind (menurut arah

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.

  2.3.1.1 Kelebihan HAWT 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 atmosfir bumi. Di

sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin

meningkat sebesar 20%. ( http://id.wikipedia.org/wiki/turbin_angin).

  2.3.1.2 Kelemahan HAWT Kelemahan HAWT antara lain : a.

  Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkut. Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan turbin anginnya.

  b. HAWT yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi serta mahalnya para operator yang terampil.

  c.

  Membutuhkan konstruksi menara yang besar untuk menyangga bilah- bilah yang berat, gearbox, dan generator.

  d.

  HAWT yang tinggi bisa mepengaruhi radar airport.

  e. Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu penampilan lansekap.

  f.

  Berbagai varian downwind menderita kerusakan struktur yang disebabkan oleh turbulensi.

  g.

  HAWT membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan kincir ke arah angin.

2.3.2 Turbin angin poros vertikal

  Turbin angin poros Vertikal atau yang lebih dikenal dengan istilah

  

VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) adalah turbin dengan keberadaan poros

tegak lurus terhadap arah aliran angin atau tegak lurus terhadap permukaan tanah

dan mempunyai generator pembangkit listrik dibawah poros. Munculnya

teknologi vertical axis wind turbine dilatar belakangi oleh berbagai keunggulan

berikut :

2.3.2.1 Kelebihan turbin angin poros vertikal

  Kelebihan-kelebihan turbin angin poros vertikal antara lain : a. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.

  b. Mampu mendayagunakan angin dari segala arah, sehingga tidak memerlukan yaw mechanism seperti terdapat pada Horizontal Axis Wind Turbine .

  c. Kontruksi lebih sederhana serta biaya manufaktur lebih terjangkau dibanding HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine). Hal ini disebabkan karena Savonius wind turbine tidak memerlukan yaw mechanism, selain itu generator, gearbox, komponen-komponen mekanik maupun elektronik dapat diletakkan diatas permukaan tanah dan tidak perlu diletakkan di atas menara atau tower.

  d.

  VAWT tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.

e. Sebuah VAWT bisa diletakkan lebih dekat ke tanah dan kontruksi yang

  sederhana, membuat proses perawatan atau pemeliharaan bagian- bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah. f.

  VAWT memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi.

  g.

  Desain VAWT berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya HAWT.

  h.

  VAWT memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada HAWT. i.

  VAWT 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. j.

  VAWT bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi dilarang dibangun. k.

  VAWT yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin (seperti gunung atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit), l. Kincir pada VAWT mudah dilihat dan dihindari burung. m.

  Mengacu pada prinsip kerja Savonius wind turbine memiliki desain dasar blade yang lebih sederhana dibandingkan dengan Horizontal Axis Wind

  Turbine maupun Vertical Axis Wind Turbine lainya seperti Darrieus, tipe H dan lainnya. n. Mampu melakukan self start pada kecepatan angin relatif rendah dibandingkan Horizontal Axis Wind Turbine maupun tipe Vertical Axis Wind Turbine lainnya. Dalam beberapa contoh kasus, Savonius wind turbine disatukan dengan darrieus wind turbine guna membantu perputaran awal (self start). o. Berdasarkan prinsip kerja differential drag windmill, khususnya turbin angin Savonius mampu menghasilkan torsi yang tinggi dari kisaran kecepatan angin rendah hingga kecepatan angin tinggi.

2.3.2.2 Kelemahan Turbin Angin Sumbu Vertikal

  Kelemahan-kelemahan turbin angin poros vertikal antara lain : a. Kebanyakan VAWT hanya mampu memproduksi energi rata-rata 50% dari total efisiensi HAWT karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar. Khususnya turbin angin Savonius, efisiensi yang mampu dihasilkan 15-25% dari total energi yang diterima.

  b.

  Tip speed ratio yang dihasilkan rendah, dengan demikian efisiensi yang dihasilkan pun selalu rendah.

  c.

  VAWT tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi.

  d.

  Kebanyakan VAWT mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar. e.

  Sebuah VAWT 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.

2.4 Tipe Vertical Axis Wind Turbine

  Turbin jenis VAWT terdiri dari beberapa tipe yang paling umum dijumpai antara lain :

2.4.1 Savonius rotor

  Turbin angin Savonius merupakan turbin angin dengan kontruksi sederhana

yang ditemukan oleh sarjana Finlandia bernama Sigurd J. Savonius pada tahun

1922. Turbin yang termasuk dalam kategori VAWT ini memiliki rotor dengan

bentuk dasar setengah silinder. Konsep turbin angin Savonius cukup sederhana,

prinsip kerjanya berdasarkan differential drag windmill. Pada perkembangan

selanjutnya, Savonius rotor tidak lagi selalu berbentuk setengah silinder tetapi

telah mengalami modifikasi guna peningkatan performance dan efisiensi. Gambar

2.1 menampilkan beberapa bentuk dasar Savonius yang umum digunakan.

Gambar 2.1 Savonius wind turbine dengan

  rotor 3tingkat ( http://my.wn.com/media/wiki/s/a/Savonius_ wind_turbine.jpg)

2.4.2 Darriues rotor

  Darriues rotor merupakan salah satu VAWT dengan efisiensi terbaik

serta mampu menghasilkan torsi cukup besar pada putaran dan kecepatan angin

yang tinggi. Turbi angin darrieus mengaplikasikan blade dengan bentuk dasar

aerofoil NACA. Mengacu pada bentuk blade, prinsip kerja turbin angin darrieus

memanfaatkan gaya lift yang terjadi ketika permukaan NACA dikenai aliran

angin. Kelemahan utama dari turbin angin darrieus yakni memiliki torsi awal

putar yang sangat kecil hingga tidak dapat melakukan self start. Pada aplikasinya,

darrieus wind turbine selalu membutuhkan perangkat bantuan untuk melakukan

putaran awal. Perangkat bantu yang digunakan berupa motor listrik atau

umumnya lebih banyak menggunakn gabungan turbin angin Savonius pada poros

utama. Untuk menghindari fluktuasi torsi yang besar, aplikasi turbin angin

  

darrieus umumnya menggunakan tiga blade. Gambar 2.2 berikut menampilkan

bentuk turbin angin Darrieus.

Gambar 2.2 Aplikasi gabungan antara darrieus wind

  turbine 3 blade dengan Savonius wind turbine guna membantu putaran awal. ( http://www.diebrennstoffzelle.de/alternativen/wind/ images/darrieus.jpg)

2.4.3 Giromill

  Bentuk pengembangan lanjut turbin angin darrieus dengan latar

belakang untuk meminimalisasi kekurangan. Turbin angin giromill memiliki tiga

konfigurasi bentuk blade, yaitu : straight, helical twisted V, dan curve blade.

Berikut Gambar 2.3 contoh bentuk turbin angin Giromill.

Gambar 2.3 Giromill wind turbine helical

  ( http://winddose.com/images/ turbine%20 technologies/gorlov.jpg)

2.4.4 H-Rotor

  Bentuk pengembangn lanjut dari turbin angin darrieus dengan kegunaan produksi daya yang kecil. Berikut Gambar 2.4 salah satu contoh H-Rotor.

Gambar 2.4 H-Rotor wind turbine

  ( http://upload.wikimedia.org/wikipedi/

  commons/thumb/4/42/Windgenerator_a ntarktis_hg.jpg/220px-Windgenerator_

  antarktis_hg.jpg)

2.5 Gerak Turbin

  Pada dasarnya rotor Turbin Angin mengambil tenaga dari angin dan

membuatnya menjadi lebih pelan, dan menghasilkan tenaga. Ini dapat dilihat

dengan adanya gaya yang diterapkan yaitu gaya yang diberikan oleh angin kepada

kincir. Obyek yang bergerak searah aliran angin, menghasilkan gaya yang disebut

“Drag” atau Gaya Seret.

  Prinsip kerja kincir angin Savonius adalah mengkonversikan energi

angin menjadi energi mekanis dalam bentuk gaya dorong (drag force). Sebagian

sudu mengambil energi angin dan sebagian sudu lagi melawan angin. Sudu yang

mengambil energi angin disebut downwind sedangkan sudu yang melawan angin

disebut upwind. Sudu upwind ini dapat mengurangi kecepatan rotor. Besarnya

torsi pada rotor dan kecepatan rotor (rpm) tergantung pada selisih gaya dorong

sudu upwind dengan gaya dorong sudu downwind.

  ARAH PUTARAN DOWNWIND UPWIND ARAH ANGIN

Gambar 2.5 Gaya dorong

2.6 Penerapan Rumus Pada Turbin Angin

  

Penerapan-penerapan rumus yang digunakan pada kincir angin Savonius

sebagai berikut :

2.6.1 Perolehan daya angin

  1 Av P _{udara a}

  v = kecepatan angin (m/s)

  2

  2. Kincir angin sumbu vertikal

  1. Kincir angin sumbu horizontal

  Menurut kedudukan sumbu porosnya, kincir angin dapat dibedakan dalam dua macam, yaitu :

  Sementara ini, koefisien daya yang dapat dicapai oleh sebuah kincir atau turbin angin tipe Savonius hanya mencapai 30% dari daya yang disediakan angin, untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.6 berikut.

  Daya angin yang dapat dimanfaatkan dengan menggunakan turbin angin dengan propeller yang ideal maksimum 59 % dari daya yang disediakan angin.

  )

  ρ = (watt)

  Daya yang tersedia pada angin (

_a

P ) berbanding lurus dengan pangkat tiga kecepatannya, maka daya yang tersedia diperoleh dari persamaan berikut ₃

  A = luas penampang A = D.t (m

  )

  3

  P = daya yang disediakan (watt) _udara ρ = densitas udara / massa jenis udara (kg/m

  (2.1) dengan : _a

  2

Gambar 2.6 Grafik koefisien daya (C p ) berbagai macam kincir.

  (Sumber : http://www.intechopen.com )

2.6.2 Perhitungan torsi

  Perhitungan torsi dapat dituliskan menurut persamaan berikut :

  F r T

  ⋅ = (Nm) (2.2) dengan :