MODEL KINCIR ANGIN POROS VERTIKAL DENGAN EMPAT SUDU DATAR BERSEKAT DUA RUANG YANG MEMBENTANG DAN MENGATUP OTOMATIS

  MODEL KINCIR ANGIN POROS VERTIKAL DENGAN EMPAT SUDU DATAR BERSEKAT DUA RUANG YANG MEMBENTANG DAN MENGATUP OTOMATIS TUGAS AKHIR Untuk memenuhi sebagai persyaratan mencapai gelar sarjana Program Studi Teknik Mesin Diajukan oleh : Raden Fidelis Dimaz Heryuda Winahyu 065214001 FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2010

  

VERTICAL AXIS WINDMILL MODEL WITH FOUR FLAT

OUTSIDE AND INSIDE HORIZONTAL BORDERS BLADES

THAT AUTOMATIC OUTSTRETCHED AND CLOSED

A THESIS

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

To Obtain the Sarjana Teknik

  

In Mechanical Engineering

By:

Raden Fidelis Dimaz Heryuda Winahyu

  

065214001

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

  

2010

  PERNYATAAN

  INTISARI Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui torsi statis, daya pada poros kincir

angin, daya yang dihasilkan generator, koefisien daya kincir angin terhadap tip

speed ratio (TSR) dan efisiensi menyeluruh sistem dari model kincir angin poros

vertikal dengan empat sudu datar bersekat dua ruang yang membentang dan

mengatup otomatis terhadap kecepatan angin untuk setiap variasi ukuran sudu

20×24 cm, 25×24 cm dan 30×24 cm.

  Agar menghasilkan listrik, kincir angin dihubungkan dengan generator.

Generator ini diberi variasi pembebanan berupa lampu DC. Pada setiap

pembebanan dilakukan pengukuran putaran poros kincir dengan menggunakan

tachometer . Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan diukur dengan

menggunakan multitester.

  Torsi statis terbesar dihasilkan oleh model kincir angin dengan sudu berukuran

30×24 cm pada kecepatan angin 7,9 m/s yakni sebesar 1,57 Nm. Daya poros

maksimal dihasilkan oleh model kincir angin dengan sudu berukuran 30×24 cm

yakni sebesar 2,72 watt pada kecepatan angin 6,4 m/s. Koefisien daya tertinggi

sebesar 2,67 % pada TSR 0,25 dihasilkan oleh model kincir angin dengan ukuran

sudu 30×24 cm. Efisiensi menyeluruh sistem tertinggi sebesar 0,25 % dihasilkan

oleh model kincir angin dengan ukuran sudu 30×24 cm.

  Kata Kunci: torsi statis, koefisien daya, efisiensi menyeluruh sistem.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur kehadirat Tuhan YME atas lindungan dan karunia-Nya sehingga saya dapat menyelesaikan Tugas Akhir dalam mencapai gelar sarjana.

  Dalam menyusun laporan ini penulis banyak mendapat bantuan, bimbingan,

dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu perkenankanlah penulis

mengucapkan terima kasih kepada :

  

1. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. sebagai Dekan Fakultas Sains dan

Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  

2. Bapak Budi Sugiharto, S.T., M.T. sebagai Ketua Program Studi Teknik Mesin

Universitas Sanata Dharma.

  

3. Bapak Ir. Rines, M.T. selaku dosen pembimbing yang telah memberikan

bimbingan, dorongan serta meluangkan waktu untuk membimbing saya dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

  

4. Seluruh dosen, staf dan karyawan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas

Sanata Dharma Yogyakarta atas kuliah, bimbingan, serta fasilitas yang diberikan selama masa kuliah.

  

5. Seluruh teman-teman Teknik Mesin, yang tidak dapat saya sebutkan satu per

satu, serta

  6. Semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

  

x

DAFTAR ISI

  Halaman HALAMAN JUDUL ………………………………………………..…..... i HALAMAN PENGESAHAN ……………………………………………. iii HALAMAN PENYATAAN ……………….……………………..………. v HALAMAN PERNYATAAN PUBLIKASI KARYA ……..……..………. vi

  

INTISARI ……………………………………………….………………… vii

KATA PENGANTAR …………………………………………….……… viii

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

DAFTAR GAMBAR ………………………………………...……...…..... xiv

DAFTAR TABEL …………………………………………………...……. xvi

DAFTAR GRAFIK ……………………………………………………..… xix

BAB I PENDAHULUAN

  1.1 Latar Belakang Masalah ………………………………………… 1

  

1.2 Perumusan Masalah ………………………………………..……

  3

1.3 Batasan Masalah ……………………………………………..….

  3

1.4 Tujuan Penelitian …………………………….………………….

  3

  

1.5 Manfaat Penelitian ………………………………………………

  4

BAB II DASAR TEORI 2.1. Landasan Teori ………………………………..…………….….

  

xi

  2.3. Rumus Perhitungan …………………………………..………… 13

  17 BAB III METODE PENELITIAN

  14 2.3.7. Efisiensi Menyeluruh Sistem …………..……….………..

  2.3.5. Tip Speed Ratio (TSR) ……………………….………..… 16 2.3.6. Koefisien Daya (Cp). …………………..………………..

  2.3.4. Daya yang Dihasilkan oleh Generator Listrik …………… 16

  2.3.3. Daya yang Dihasilkan oleh Poros Kincir Angin ………… 15

  2.3.2. Perhitungan Torsi..……………………..………………… 14

  13

  2.3.1. Daya yang Tersedia pada Angin …………………………

  2.2. Tinjauan Pustaka …………….…………………..……………… 12

  5

  2.1.5. Kelebihan dan Kekurangan Kincir Angin Poros Vertikal …………………………………………… 10

  10

  2.1.4. Efisiensi Kincir Angin ……………………………

  9

  2.1.3. Gaya Drag dan Gaya Lift ……..….………………

  5

  2.1.2. Tipe Kincir Angin ……………..…………………

  5

  2.1.1. Pengertian Angin …………………………………

3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ………………………………….. 18

  3.2. Perancangan Kincir Angin ………………………………...…… 18

  

3.3. Peralatan ……………………..………………..….……………

  25

3.4. Variabel yang divariasikan …………………………..….…….

  31

  

3.5. Variabel yang Diukur …………..………………..…………..…

  31

  

3.6. Langkah Penelitian …………………………………….………

  31

  3.5.1. Torsi Statis …………………………………………….…

  31

  3.5.2. Pengukuran Daya Listrik ………………………………… 33

  3.7. Pengolahan dan Analisis Data …………………………………. 35

  BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

  4.1. Data Penelitian ………………………………………………..… 37

  4.1.1. Data Eengukuran Gaya Statis yang Diperoleh dari Perhitungan Tiga Variasi Ukuran Sudu …………………….……....….

  37

  4.1.2. Data Pengukuran Daya yang Diperoleh dari Perhitungan Tiga Variasi Ukuran Sudu…………………………….…….…

  39

  4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan …..…………………..………

  51

  4.2.1. Torsi Statis …...…………………………..………………

  51

  4.2.2. Torsi Dinamis ………………….…………...……………

  51

  4.2.3. Daya Angin …………………..……....………………..…

  52

xii

  4.2.4. Daya Poros …………………..…………………..………

  55

  4.2.5. Daya Generator ………….…………………..…………… 55

  4.2.6. Tip Speed Ratio ……………………..…………………… 55

  4.2.7. Koefisien daya ……..…………..……………..…………… 55

  4.2.8. Efisiensi Menyeluruh Sistem ………………..…………… 56

  4.3. Grafik Hasil Perhitungan ………………...……………………… 56

  4.3.1. Grafik Hubungan Torsi Statis dengan Kecepatan Angin … 56

  4.3.2. Grafik Hubungan Daya Poros dengan Kecepatan Angin … 57

  4.3.3. Grafik Hubungan Koefisien Data dengan TSR ………….. 60

  4.3.4. Grafik Hubungan Efisiensi Menyeluruh Sistem dengan TSR ……………………..…………..………………..………… 63

  4.4. Pembahasan ………………...…………………………………… 65

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

  5.1. Kesimpulan ……………………………………………………… 67

  5.2. Saran ……………………………………………………………. 68 DAFTAR PUSTAKA ……………………………….……………..………

  69 LAMPIRAN

xiii

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kincir angin Cupanemometer …………………………………… 6Gambar 2.2 Kincir angin Savonius …………………………………………… 6Gambar 2.3 Kincir angin Darrieus …………………………………………… 7Gambar 2.4 Kincir angin Savonius dan kincir angin Darrieus ………………. 8Gambar 2.5 Kincir angin poros vertikal dengan empat sudu datar yang

  

membentang dan mengatup otomatis …………………………………………. 8

Gambar 2.6 Gaya drag dan gaya lift ………………………………………… 9 Gambar 2.7 Grafik koefisien daya ( ) berbagai macam kincir …………….

  10 Gambar 3.1 Skema kincir angin ……………………………………………... 19 Gambar 3.2 Poros utama kincir ………………………………………….…..

  20 Gambar 3.3 Rumah bantalan ………………………………………………… 20 Gambar 3.4 Poros sudu bagian dalam ……………………………………….

  21 Gambar 3.5 Poros sudu bagian luar …………………………………………

  22 Gambar 3.6 Variasi ukuran sudu ……………………………………………

  23 Gambar 3.7 Pembatas gerak sudu …………………………………………..

  24 Gambar 3.8 Bantalan 6202z …………………………………………………. 24

Gambar 3.9 Motor DC …………………………………………………….… 25

  

xiv

  

xv

  30 Gambar 3.18 (a) Posisi tali; (b) Beban pasir ……………………….…….…

  53 Gambar 4.3 Sudut kemiringan sudu 30×24 cm ………………….……….…

  52 Gambar 4.2 Sudut kemiringan sudu 25×24 cm ………………….……….…

  34 Gambar 4.1 Sudut kemiringan sudu 20×24 cm ………………….……….…

  33 Gambar 3.21 Pengukuran arus listrik dan tegangan listrik …………………

  32 Gambar 3.20 Skema beban dengan lampu……………………….……….…

  32 Gambar 3.19 Pengambilan data beban ………………………………………

  30 Gambar 3.17 Pengukur torsi statis……………………………….……….…

Gambar 3.10 Tachometer ……………………………………………….….… 26

  29 Gambar 3.16 Timbangan Pegas …………………………………….…….…

  28 Gambar 3.15 Anemometer ………………………………………….…….…

  28 Gambar 3.14 Beban ……………………………………………….…….…

  27 Gambar 3.13 Multitester …………………………………………….…...…

Gambar 3.12 Blower ………………………………………………….….…Gambar 3.11 Wind Tunnel (Terowongan Angin) …………………………… 26

  54

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data hasil penelitian gaya statis untuk ukuran sudu 20×24 cm …… 37Tabel 4.2 Data hasil penelitian gaya statis untuk ukuran sudu 25×24 cm …… 37Tabel 4.2 Data hasil penelitian gaya statis untuk ukuran sudu 25×24 cm (lanjutan)

  

……………………………………………………………………………..….. 38

Tabel 4.3 Data hasil penelitian gaya statis untuk ukuran sudu 30×24 cm ...…

  38 Tabel 4.4 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 20×24 cm tanpa tambahan beban ………………………………………………………………

  39 Tabel 4.5 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 20×24 cm beban 8 watt ……………………………………………………………………………..…

  40 Tabel 4.6 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 20×24 cm beban 16 watt ……………………………………………………………………………….

  40 Tabel 4.6 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 20×24 cm beban 16 watt (lanjutan) …………………………………………………………………….

  41 Tabel 4.7 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 20×24 cm beban 24 watt ……………………………………………………………………………….

  41 Tabel 4.8 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 20×24 cm beban 32 watt ……………………………………………………………………………….

  42

xvi

Tabel 4.9 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 25×24 cm tanpa

  tambahan beban ………………………………………………………………

  42 Tabel 4.9 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 25×24 cm tanpa tambahan beban (lanjutan) ……………………………………………………

  43 Tabel 4.10 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 25×24 cm beban 8 watt ……………………………………………………………………….………

  43 Tabel 4.10 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 25×24 cm beban 8 watt (lanjutan) …………………………………………………………….………

  44 Tabel 4.11 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 25×24 cm beban 16 watt ……………………………………………………………………….………

  44 Tabel 4.11 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 25×24 cm beban 16 watt (lanjutan) …………………………………………………………….………

  45 Tabel 4.12 Data hasil penelitian torsi din daya listrik amis sudu ukuran 25×24 cm beban 24 watt ……………………………………………………….………

  45 Tabel 4.12 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 25×24 cm beban 24 watt (lanjutan) …………………………………………………………….………

  46 Tabel 4.13 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 25×24 cm beban 32 watt ……………………………………………………………………….………

  46 Tabel 4.14 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 30×24 cm tanpa tambahan beban …………………………………………………………….

  47

xvii

Tabel 4.15 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 30×24 cm beban 8 watt ……………………………………………………………………….……..

  47 Tabel 4.15 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 30×24 cm beban 8 watt (lanjutan) …………………………………………………………….……..

  48 Tabel 4.16 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 30×24 cm beban 16 watt ……………………………………………………………………….……..

  48 Tabel 4.16 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 30×24 cm beban 16 watt (lanjutan) …………………………………………………………….……..

  49 Tabel 4.17 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 30×24 cm beban 24 watt ……………………………………………………………………….……..

  49 Tabel 4.17 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 30×24 cm beban 24 watt (lanjutan) …………………………………………………………….……..

  50 Tabel 4.18 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 30×24 cm beban 32 watt ……………………………………………………………………….……..

  50 Tabel 4.18 Data hasil penelitian daya listrik sudu ukuran 30×24 cm beban 32 watt (lanjutan) …………………………………………………………….……..

  51

xviii

  

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1 Grafik hubungan Torsi Statis dengan Kecepatan Angin …………

  56 Grafik 4.2 Grafik hubungan Daya Poros dengan Kecepatan Angin untuk ukuran sudu 20 × 24 cm ………………………………………………………………

  57 Grafik 4.3 Grafik hubungan Daya Poros dengan Kecepatan Angin untuk ukuran sudu 25 × 24 cm ……………………………………………………………..

  58 Grafik 4.4 Grafik hubungan Daya Poros dengan Kecepatan Angin untuk ukuran

sudu 30 × 24 cm ………………………………………………………………. 59

Grafik 4.5 Grafik hubungan Koefisien Daya ( ) dengan TSR untuk ukuran sudu

20 × 24 cm ……………………………………………………………………. 60

Grafik 4.6 Grafik hubungan Koefisien Daya ( ) dengan TSR untuk ukuran sudu

25 × 24 cm ……………………………………………………………………. 61

Grafik 4.7 Grafik hubungan Koefisien Daya (

  ) dengan TSR untuk ukuran sudu

30 × 24 cm ……………………………………………………………………. 62

Grafik 4.8 Grafik hubungan Efisiensi Menyeluruh Sistem ( sis ) dengan TSR

  η untuk ukuran sudu 20 × 24 cm ……………………………………………….

  63 Grafik 4.9 Grafik hubungan Efisiensi Menyeluruh Sistem ( ) dengan TSR η sis untuk ukuran sudu 25 × 24 cm ……………………………………………….

  64

xix

  Grafik 4.10 Grafik hubungan Efisiensi Menyeluruh Sistem ( sis ) dengan TSR η untuk ukuran sudu 30 × 24 cm ……………………………………………….

  65

xx

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah Indonesia tercatat sebagai negara dengan garis pantai terpanjang di dunia.

  Ini berarti bahwa Indonesia memiliki potensi besar akan salah satu sumber energi terbarukan yaitu angin. Energi angin yang tersedia berlimpah, tidak habis-habis, dan tersebar luas. Penggunaan energi angin memiliki beberapa keunggulan yakni bersih dan tidak menimbulkan efek rumah kaca.

  Energi angin merupakan salah satu sumber energi alternatif yang berkembang pesat. Energi angin dapat dimanfaatkan untuk keperluan misalnya untuk pembangkit listrik. Alat yang di gunakan adalah kincir angin, energi potensial yang terdapat pada kicir angin akan memutar sudu- sudu pada kincir. Sudu-sudu ini terhubung pada poros dan akan memutarkan generator, sehingga menghasilkan listrik. Penggunaan energi di Indonesia secara umum meningkat pesat sejalan dengan pertumbuhan penduduk, pertumbuhan perekonomian maupun perkembangan teknologi.

  Dikarenakan masyarakat membutuhkan sumber-sumber energi alternatif, seiring dengan semakin sulitnya mendapat energi minyak bumi. Kebutuhan energi merupakan hal yang tak terpisahkan dari kehidupan manusia maka dari itu energi mempunyai peranan penting dalam memenuhi kebutuhan hidup, baik sosial ekonomi maupun lingkungan.

  2 Krisis energi global yang terjadi menyebabkan pemerintah Indonesia

harus mengantisipasi dengan mengeluarkan kebijakan penghematan sumber

daya energi, dan sumber energi lain yang menggunakan sumber daya alam

tak terbarukan (minyak bumi, gas alam, dan batubara), seperti penghematan

energi listrik yang sebagian pembangkitnya memakai bahan bakar minyak

dalam memproduksi energi listriknya. Peraturan pemerintah juga

menegaskan akan pentingnya penghematan energi listrik untuk mengurangi

kebutuhan pasokan energi listrik. Tak bisa dipungkiri bahwa kebutuhan

energi listrik merupakan faktor vital dalam keberlangsungan hidup manusia

saat ini. Hampir seluruh peralatan kebutuhan hidup manusia ditunjang

dengan peralatan elektronik. Pasokan daya listrik relatif konstan menjadi

tidak mencukupi, seiring dengan kebutuhan manusia yang meningkat dalam

menggunakan peralatan listrik untuk menunjang kehidupannya sehari-hari.

  Sumber daya alam tak terbarukan sebagai bahan bakar konversi utama

energi listrik di Indonesia kini persediaannya makin menipis. Pasar

internasional juga menjadi faktor pengendali harga yang melambung tinggi

terhadap kebutuhan minyak mentah menyebabkan pasokan energi makin

dikurangi. Hal ini menjadikan pasokan sumber daya energi listrik yang

dimiliki PT. PLN juga berkurang namun permintaan serta kebutuhan akan

listrik terus meningkat. Lembaga resmi pemerintah yang berhak

menyediakan pasokan listrik juga mengalami kesulitan dalam memenuhi

kebutuhan listrik nasional.

  3

  1.2. Perumusan Masalah Pada penelitian ini akan dibuat model kincir angin berporos vertikal dengan sudu-sudu yang membentang dan mengatup otomatis menggunakan bahan dan teknologi yang tersedia di pasar dan industri lokal. Untuk mengetahui kemungkinan penerapannya di Indonesia, kemungkinan penerapan kincir angin ini ditentukan oleh unjuk kerja yang dihasilkan. Unjuk kerja kincir angin ini ditunjukkan oleh kecepatan angin maksimal, efisiensi kincir angin dan torsi yang dihasilkan.

  1.3. Batasan Masalah

  a. Variasi ukuran sudu yang digunakan 20x24 cm, 25x24 cm dan 30x24 cm.

  b. Sudu yang digunakan memiliki satu sekat (dua ruang) dengan tinggi sekat yaitu 2 cm.

  c. Setiap variasi ukuran sudu menggunakan lima variasi kecepatan angin, yaitu 6 m/s, 6,5 m/s, 7 m/s, 7,5 m/s dan 8 m/s.

  d. Variasi beban yang digunakan yaitu tanpa tambahan beban, beban 8 watt, 16 watt, 24 watt dan 32 watt.

1.4. Tujuan Penelitian

  a. Mengetahui torsi statis, daya pada poros kincir angin, daya yang dihasilkan generator dari model kincir angin untuk tiga variasi ukuran sudu, dan lima variasi kecepatan angin.

  4

b. Mengetahui koefisien daya kincir angin terhadap tip speed ratio.

  c. Mengetahui efisiensi menyeluruh sistem.

  Hasil-hasil penelitian ini diharapkan dapat : a. Menambah kepustakaan teknologi kincir angin.

  b. Hasil-hasil penelitian ini diharapkan dapat dikembangkan untuk membuat model dan produk teknologi kincir angin yang dapat diterima masyarakat sehingga dapat meningkatkan kesejahteraan.

  c. Memanfaatkan potensi alam khususnya energi angin agar dapat menghemat energi.

1.5. Manfaat Penelitian a. Mengganti energi yang berasal dari fosil yang semakin lama akan habis.

b. Menambah kepustakaan dan pengetahuan tentang kincir angin.

BAB II DASAR TEORI

2.1. Landasan Teori

  2.1.1. Pengertian Angin Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan perbedaan tekanan udara disekitarnya. Angin bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke tempat bertekanan udara rendah.

  Terjadinya angin karena adanya perbedaan temperatur, menyebabkan adanya perbedaan tekanan udara.

  2.1.2. Tipe Kincir Angin Secara umum kincir angin digolongkan menjadi dua tipe, yaitu kincir angin poros horizontal dan kincir angin poros vertikal. Kadang disebut sebagai turbin karena sebagai penggerak rangkaian mekanik untuk menghasilkan sebuah energi. Kincir angin poros vertikal memiliki poros utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah kincir angin tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif.

  Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat

  Kincir

bervariasi dan mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah.

angin jenis ini secara umumnya bergerak lebih perlahan dibandingkan jenis kincir angin poros horizontal, tetapi menghasilkan torsi yang besar.

  6

Gambar 2.1 Kincir angin Cupanemometer (sumber:

  

http://joytalita.files.wordpress.com/2010/05/anemometer-pic.jpg )

Gambar 2.2 Kincir angin Savonius (sumber:

  

http://www.thegreentechnologyblog.com/wp-content/uploads/Savonius-3-

Blade-Wind-Turbine.jpg )

  7

Gambar 2.3 Kincir angin Darrieus (sumber:

  

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3c/Darrieus-

windmill.jpg )

  American Wind Energy Association (AWEA) mengelompokkan kincir angin poros vertikal menjadi dua, yaitu: Drag Type dan Lift Type. Contoh kincir angin

  

drag type adalah kincir angin cupanemometer pada Gambar 2.1 yang biasa

  dipergunakan untuk mengukur kecepatan angin dan kincir angin Savonius pada

Gambar 2.2 yang pada awalnya dikembangkan di Finlandia. Contoh kincir angin adalah kincir angin Darrieus pada Gambar 2.3 yang memiliki dua atau

  lift type tiga buah sudu.

  8

Gambar 2.4 Kincir angin Savonius dan kincir angin Darrieus

  (sumber: http://www.oswego.edu/nova/facts/wind/Image1.gif )

Gambar 2.5 Kincir angin poros vertikal dengan empat sudu datar yang

  membentang dan mengatup otomatis (courtesy: Ir. Rines M.T.)

  9 Dengan poros vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan.

2.1.3. Gaya Drag dan Gaya Lift

  Kincir angin poros vertikal mempunyai gaya-gaya pada setiap sudu yang dihasilkan oleh energi angin, yaitu gaya drag dan gaya lift (Gambar 2.6). Gaya Drag adalah gaya yang menahan pergerakan sebuah sudu terhadap angin dan bisa saja tercipta saat kincir berputar. Sedangkan gaya Lift adalah gaya angkat sebuah sudu terhadap angin. Gaya lift lebih besar dari pada gaya drag sehingga menghasilkan torsi.

Gambar 2.6 Gaya drag dan gaya lift (sumber:

  http://weblab.open.ac.uk/firstflight/forces/ )

  10

  2.1.4. Efisiensi Kincir Angin Unjuk kerja dari beberapa macam kincir angin (dari perhitungan Profesor Betz) dapat dilihat pada grafik Gambar 2.7. Kincir yang

  menggunakan gaya dorong (drag), seperti Savonius dan American multiblade mempunyai ratio kecepatan yang rendah dan koefisien power yang besar dari pada kincir yang menggunakan gaya angkat (lift).

Gambar 2.7 Grafik koefisien daya (Cp) berbagai macam kincir

  (sumber: https://wiki.duke.edu/download/attachments/13375491/ turbinechart.jpg )

  2.1.5. Kelebihan dan Kekurangan Kincir Angin Poros Vertikal

a. Kelebihan Kincir Angin Poros Vertikal

  Kincir angin poros vertikal mempunyai beberapa kelebihan sebagai berikut:

   Dapat menerima angin dari segala arah tanpa merubah posisinya.

  11

   Kincir angin poros vertikal memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sudu yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang tinggi dengan mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi.

   Memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah dari pada poros horizontal.

   Kincir angin poros vertikal biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah sudu dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat kencang.

   Memiliki putaran yang rendah tetapi biasanya memiliki torsi yang besar.

b. Kekurangan Kincir Angin Poros Vertikal

  Kincir angin poros vertikal mempunyai beberapa kekurangan sebagai berikut:

   Kebanyakan kincir angin poros vertikal memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi poros horizontal karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.

   Kincir angin poros vertikal tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi.

  12

   Kebanyakan kincir angin poros vertikal mempunyai torsi awal yang

rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.

  (sumber : http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin )

2.2. Tinjuan Pustaka

  Energi mempunyai peranan penting dalam pencapaian tujuan sosial, ekonomi, dan lingkungan untuk pembangunan berkelanjutan, serta merupakan pendukung bagi kegiatan ekonomi nasional. Penggunaan energi di Indonesia meningkat pesat sejalan dengan pertumbuhan ekonomi dan pertambahan penduduk. Sedangkan, akses ke energi yang andal dan terjangkau merupakan pra-syarat utama untuk meningkatkan standar hidup masyarakat.

  Untuk memenuhi kebutuhan energi yang terus meningkat tersebut, dikembangkan berbagai energi alternatif, di antaranya energi terbarukan.

  Potensi energi terbarukan, seperti: biomassa, panas bumi, energi surya, energi air, energi angin dan energi samudera, sampai saat ini belum banyak dimanfaatkan, padahal potensi energi terbarukan di Indonesia sangatlah besar.

  Kini kincir angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (seperti PLTD, PLTU, dll),

  13

kincir angin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam

waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber

daya alam tak terbaharui (seperti batubara, minyak bumi) sebagai bahan

dasar untuk membangkitkan listrik.

2.3. Rumus Perhitungan

2.3.1 Daya yang Tersedia pada Angin

  Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik yaitu,

  1 = 2 yang dalam hal ini,

  = massa udara yang mengalir per satuan waktu, (kg) = kecepatan angin, (m/s) dengan, = Energi kinetik per satuan waktu :

  1 ( ) =

  2 Daya yang tersedia pada angin (P in ) berbading lurus dengan pangkat tiga kecepatannya : 1 = × (

  ) ) × ( ) × (

  2

  1 = ( ) 2 (Sumber : W. Arismunandar, Penggerak Mula Turbin)

  14 Diasumsikan massa jenis udara = 1,2 kg/m

  3 (sumber: http://www.engineeringtoolbox.com/air-properties-d_156.html ), maka persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi : = 0,6 …………………………………. (2.1) yang dalam hal ini, = daya angin, (watt)

  = luas penampang melintang arus angin yang ditangkap kincir, (m ² ) = kecepatan angin, (m/s)

2.3.2 Perhitungan Torsi

  a. Torsi Statis

Torsi statis dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

=

  ∙ …………………………………. (2.2) yang dalam hal ini, = torsi statis, (Nm)

  = gaya pada poros akibat puntiran, (N) = jarak sumbu poros kincir ke tali pada plat pengukur torsi statis, (m) b. Torsi Dinamis

  

Torsi statis dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

= ∙ …………………………………. (2.3)

  15 yang dalam hal ini, = torsi dinamis, (Nm)

  = gaya pada poros akibat puntiran, (N) = jarak sumbu poros kincir dengan sumbu poros motor dc, (m)

2.3.3 Daya yang Dihasilkan oleh Poros Kincir

  Perhitungan daya pada gerak melingkar secara umum dirumuskan dengan : = ∙ yang dalam hal ini, ω = kecepatan sudut, (rad/detik)