Mahardhika M 13863 Kincir Angin
-
Upload
mahardhika-maulana -
Category
Documents
-
view
138 -
download
6
description
Transcript of Mahardhika M 13863 Kincir Angin
TUGAS MEKANIKA FLUIDA
MAKALAH MEKANIKA FLUIDA
KINCIR ANGIN
OLEH
MAHARDHIKA MAULANA
GEOFISIKA
11/316736/PA/13863
UNIVERSITAS GADJAH MADA
YOGYAKARTA
2014
1
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas
rahmat dan hidayah-Nya, saya dapat menyelesaikan tugas Makalah Mekanika Fluida “Kincir
Angin” ini dengan baik dan tepat waktu.
Maksud dan tujuan dari pembuatan makalah ini adalah untuk memenuhi salah satu
tugas dari mata kuliah Mekanika Fluida yang diampu oleh Bapak Prof. Dr. Kirbani Sri
Brotopuspito. Makalah yang saya buat ini membahas tentang mekanika fluida dari kincir
angin.
Dalam proses penyusunan makalah ini, saya banyak menjumpai hambatan dalam
penyajiannya. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima
kasih kepada berbagai pihak yang telah membantu dalam penyempurnaan tugas makalah ini
sehingga tugas ini dapat terselesaikan dengan baik.
Saya menyadari bahwa makalah ini masih sangat jauh dari kata sempurna, oleh karena
itu segala saran dan kritik yang membangun dari semua pihak sangat saya harapkan demi
perbaikan pada tugas selanjutnya. Harapan saya semoga tugas ini bermanfaat khususnya bagi
kami dan bagi pembaca lain pada umumnya.
Yogyakarta, 1 Juli 2013
Penyusun
Mahardhika Maulana
2
ABSTRACT
Patterns of energy consumption continues to increase from time to time lead to energy
shortages that almost in all countries racing to generate energy from new energy sources and
renewable. The selected one is wind energy. This paper aims to examine the characteristics
for torque windmill, windmill power, windmill performance, and power coefficient. The
working principle of windmill wind resource is derived from the engine speed rotating fan,
then forwarded to the director through a wind tunnel towards the windmill and play the air
due to the resulting fluid velocity.
Maximum power of windmill 3.8 watts windmill obtained on waterwheel with a
diameter of 100 cm when the wind speed is 6.71 m / s and sebesar0 torque, 69 Nm. While the
maximum power coefficient is also obtained from the wheel with diameter of 100 cm by
5.24% when TSR was 0.41. While the greatest power coefficient obtained at 28.39 rpm shaft
speed and wind speed 5.11 m / s gained 5.64% on the wheel with a diameter of 100 cm with a
TSR of 0.29.
Keywords: wind energy, windmill, windmill power, torque, power coefficient
ABSTRAK
Pola konsumsi energi yang senantiasa meningkat dari waktu kewaktu menyebabkan
kelangkaan energi sehingga hampir di semua negara berpacu untuk membangkitkan energi
dari sumber-sumber energi baru dan terbarukan. Salah satu yang dipilih adalah energi angin.
Makalah ini bertujuan untuk mengkaji karakteristik kincir angin dengan mencari torsi, daya
kincir, kinerja kincir, dan koefisien daya. Prinsip kerja dari kincir angin yaitu sumber angin
diperoleh dari putaran mesin yang memutar kipas, kemudian diteruskan ke pengarah melalui
wind tunnel yang menuju dan memutar kincir angin akibat kecepatan fluida udara yang
dihasilkan.
Daya kincir maksimal sebesar 3,8 watt didapatkan pada kincir dengan diameter 100
cm saat kecepatan angin 6,71 m/s dan menghasilkan torsi sebesar0,69 Nm. Sedangkan
koefisien daya maksimal juga didapatkan dari kincir dengan diameter 100 cm sebesar 5,24
% saat tsr sebesar 0,41. Sedangkan koefisien daya terbesarnya diperoleh pada putaran poros
28,39 rpm dan kecepatan angin 5,11 m/s didapatkan sebesar 5,64% pada kincir dengan
diameter 100 cm dengan tsr sebesar 0,29.
Kata kunci : energi angin, kincir angin, daya kincir, torsi, koefisien daya
3
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ………………………………………………………………………. i
KATA PENGANTAR ……………………………………………………………………... ii
ABSTRAK …………………………………………………………………………………. iii
DAFTAR ISI ……………………………………………………………………………….. iv
DAFTAR GAMBAR ………………………………………………………………………. vi
PENDAHULUAN ………………………………………………………………………….. 1
A. Latar Belakang …………………………………………………………………... 1
B. Maksud dan Tujuan ………………………………………………………………. 2
DASAR TEORI …………………………………………………………………………….. 3
A. Sejarah Kincir Angin ……………………………………………………………... 3
B. Tipe Kincir Angin ………………………………………………………………... 3
C. Prinsip Kerja Kincir Angin ………………………………………………………. 6
1. Gaya Drag ………………………………………………………………… 6
2. Gaya Lift ………………………………………………………………….. 6
D. Mekanika Fluida Kincir Angin …………………………………………………... 6
1. Torsi ………………………………………………………………………. 6
2. Daya Kincir ………………………………………………………………... 6
3. Koefisien Daya ……………………………………………………………. 7
iv
E. Turbin Angin …………………………………………………………………….. 8
1. Tipe Turbin Angin ……………………………………………………….. 8
2. Kelebihan dan Kelemahan Turbin Angin Sumbu Horisontal (TASH) ……. 9
3. Kelebihan dan Kelemahan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) …….. 9
4. Cara Kerja Turbin Angin ………………………………………………… 10
5. Mekanika Fluida Turbin Angin …………………………………………. 11
PEMBAHASAN …………………………………………………………………………… 12
KESIMPULAN DAN SARAN ……………………………………………………………. 13
DAFTAR PUSTAKA …………………………………………………………………….... 14
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Berbagai jenis kincir dengan sumbu vertikal,sumbu kombinasi dan lain-lain …… 4
Gambar 2. Berbagai jenis kincir angin sumbu horizontal ……………………………………. 5
Gambar 3. Komponen turbin angin …………………………………………………………... 10
vi
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Energi merupakan inti dari semua kegiatan baik kegiatan industri maupun non
industri, dengan terus berkembangnya teknologi maka akan berimbas pada kebutuhan
pasokan energi. Karena hal itu dibutuhkan energi alternative yang berkonsep baru dan
terbarukan untuk mendukung pasokan energi salah satunya adalah energi Angin.
Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia. Perahu-perahu layar
menggunakan energi ini untuk menggerakan kapal. Dan sebagaimana diketahui, pada
asasnya angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara panas dan udara 2 dingin. Di
tiap daerah keadaan suhu dan kecepatan angin berbeda. Energi angin yang tersedia di
Indonesia ternyata belum dimanfaatkan sepenuhnya sebagai alternatif penghasil listrik.
Angin selama ini dipandang sebagai proses alam biasa yang kurang memiliki nilai
ekonomis bagi kegiatan produktif masyarakat. Padahal, di berbagai negara, pemanfaatan
energi angin sebagai sumber energi alternatif nonkonvensional sudah semakin
mendapatkan perhatian. Hal ini tentu saja didorong oleh kesadaran terhadap timbulnya
krisis energi dengan kenyataan bahwa kebutuhan energi terus meningkat sedemikian
besarnya. Di samping itu, angin merupakan sumber energi yang tak ada habisnya sehingga
pemanfaatan sistem konversi energi angin akan berdampak positif terhadap lingkungan.
Mesin fluida adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi mekanik menjadi
energi potensial dan sebaliknya, merubah energi mekanik dalam bentuk fluida, dimana
fluida yang dimaksud adalah air, uap, dan gas. Berdasarkan pengertian diatas maka secara
umum mesin-mesin fluida dapat digolongkan dalam dua golongan yaitu :
- Mesin kerja adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis menjadi
energi fluida, contohnya : pompa, blower, kompresor.
- Mesin tenaga adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi fluida menjadi
energi mekanis seperti : kincir air, kincir angin, turbin air, turbin uap.
Kincir angin adalah salah satu dari mesin fluida, oleh karena itu dapat dianalisa
mekanika fluidanya.
vii
B. Maksud dan Tujuan
Maksud dari paper ini adalah analisa mekanika fluida pada kincir angin adalah
untuk mengumpulkan materi yang lengkap dan terpadu yang berkaitan dengan mekanika
fluida pada kincir angin.
Tujuan dari analisa mekanika fluida pada kincir angin adalah untuk mengetahui dan
memahami prinsip kerja dan mekanika fluida kincir angin.
DASAR TEORI
A. Sejarah Kincir Angin
Naskah tertua tentang kincir angin terdapat dalam tulisan Arab dari abad ke-9
Masehi yang menjelaskan bahwa kincir angin yang dioperasikan di
perbatasan Iran dan Afganistan sudah ada sejak beberapa abad sebelumnya, kadang
disebut Persian windmill. Jenis yang sama juga digunakan di Cina untuk menguapkan air
laut dalam memproduksi garam. Terahir masih digunakan di Crimea, Eropa dan Amerika
Serikat. Kincir angin digunakan untuk mengalirkan kemudian membendung air. Kincir
angin juga digunakan untuk mengeringkan tanah yang basah. 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.
Dengan adanya perkembangan teknologi dan arsitektur, penggunaan kincir angin
pun juga berkembang. Sekitar abad 17, banyak terjadi revolusi di negara-negara Eropa.
Kincir angin kemudian memegang peran penting dalam berbagai bidang di sana.
viii
B. Tipe Kincir Angin
Kincir angin adalah sebuah mesin yang mengubah energi angin menjadi energi
gerak pada baling-balingnya.
Berdasarkan posisi sumbunya, kincir angin dibagi menjadi:
- Kincir angin sumbu horizontal
Turbin angin sumbu horizontal ialah jenis turbin angin yang paling banyak digunakan.
Turbin ini terdiri dari sebuah menara yang di puncaknya terdapat sebuah baling-baling
yang berfungsi sebagai rotor dan menghadap atau membelakangi arah angin.
Kebanyakan turbin angin jenis ini mempunyai dua atau tiga bilah baling-baling
walaupun ada juga turbin bilah baling-balingnya kurang atau lebih daripada yang
disebut diatas. Kincir angin dengan sumbu horizontal mempunyai sudu yang berputar
dalam bidang vertikal seperti halnya propeler pesawat terbang. Kincir angin biasanya
mempunyai sudut dengan bentuk irisan melintang khusus di mana aliran udara pada
salah satu sisinya dapat bergerak lebih cepat dari aliran udara di sisi yang lain ketika
angin melewatinya. Fenomena ini menimbulkan daerah tekanan rendah pada belakang
sudu dan daerah tekanan tinggi di depan sudu. Perbedaan tekanan ini membentuk gaya
yang menyebabkan sudut berputar.
ix
Gambar 2. Berbagai jenis kincir angin sumbu horizontal
Sumber : Himran, Syukri, (2006)
- Kincir angin sumbu vertikal
x
Kincir angin dengan sumbu vertikal bekerja dengan prinsip yang sama seperti halnya
kelompok horizontal. Namun, sudunya berputar dalam bidang yang paralel dengan
tanah. Turbin sumbu vertikal dibagi menjadi dua jenis yaitu: Savonius dan Darrieus.
a. Turbin Darrieus
Turbin Darrieus mula-mula diperkenalkan di Perancis pada sekitar tahun 1920-an.
Turbin angin sumbu vertikal ini mempunyai bilah-bilah tegak yang berputar kedalam
dan keluar dari arah angin (Daryanto, 2007). Contoh turbin Darrieus ditunjukkan pada
Gambar 2.
Gambar 2 Turbin Darrieus.
Sumber: Daryanto (2007).
b. Turbin Savonius
Turbin Savonius diciptakan pertama kali di negara Finlandia dan berbentuk S apabila
dilihat dari atas. Turbin jenis ini secara umumnya bergerak lebih perlahan dibandingkan
jenis turbin angin sumbu horizontal, tetapi menghasilkan torsi yang besar. Contoh
turbin Savonius ditunjukkan pada Gambar 3.
Contoh kincir angin poros vertikal :
Post will, hollow-post will, tower will, smock will.
xi
Gambar 1. Berbagai jenis kincir dengan sumbu vertikal,sumbu kombinasi dan lain-lain
Sumber : Himran, Syukri, (2006)
xii
C. Prinsip Kerja Kincir Angin
Ada 2 gaya yang bekerja pada batang kincir yaitu gaya lift dan drag, pada model kincir
diatas maka batang kincir bergerak/terangkat karena gaya lift.
1. Gaya Drag
Dalam dinamika fluida, gaya hambat yang kadang-kadang disebut hambatan
fluida atau hambatan seret adalah gaya yang menghambat pergerakan sebuah benda
padat melalui sebuah fluida (cairan atau gas). Bentuk gaya hambat yang paling umum
tersusun dari sejumlah gaya gesek, yang bertindak sejajar dengan permukaan benda,
plus gaya tekanan, yang bertindak dalam arah tegak lurus dengan permukaan benda.
2. Gaya Lift
Gaya angkat tekanan udara yang berada di bawahpermukaan sayap lebih besar
daripada tekanan udara di atas permukaan sayap.
D. Mekanika Fluida Kincir Angin
1. Torsi
Torsi adalah perkalian vector antara jarak sumbu putar dengan gaya yang
bekerja pada titik yang berjarak dari sumbu pusat. Yang dapat dirumuskan sebagai
berikut:
dimana :
τ = torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros (Nm)
r = jarak lengan ke poros (m)
F = gaya pada poros (N)
2. Daya Kincir
Perhitungan daya pada gerak melingkar pada umumnya dapat dituliskan sebagai
berikut:
xiii
τ=r . F
P=T . ω
dimana :
P = daya (watt)
ω = kecepatan sudut (rad/s)
T = torsi dinamis (Nm)
Jika pada kincir angin besarnya kecepatan sudut (ω) :
Maka besarnya daya kincir :
Pk=T .ω
Pk=T .2πn60
dimana :
Pk = daya poros kincir angin (watt)
n = putaran poros setiap menit (rpm)
3. Koefisien Daya
Koefisien daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh
kincir (Pk) dengan daya yang disediakan oleh angin (Pa) sehingga dapat dirumuskan
sebagai berikut:
xiv
ω=2 πn60
Pk=Tπn30
Cp= PkPa
×100 %
dimana:
Cp = koefisien daya (%)
Pk = daya yang dihasilkan oleh kincir (watt)
Pa = daya yang dihasilkan oleh angin (watt)
E. Turbin Angin
Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik.
Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam
melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi. Prinsip dasar turbin angin adalah
mengkonversi tenaga mekanik dari putaran kincir menjadi energi listrik dengan induksi
magnetik. Putaran kincir dapat terjadi dengan efektif dengan mengaplikasikan dasar teori
aerodinamika pada desain batang kincir (blade). Ketersediaan angin dengan kecepatan yang
memadai menjadi faktor utama dalam implementasi teknologi kincir angin.
Kini turbin 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 konvensonal (Contoh:
PLTD,PLTU)
1. Tipe Turbin Angin
Turbin angin dapat dibagi menjadi dua yaitu :
- Turbin angin sumbu horizontal (TASH)
Turbin angin sumbu horizontal memiliki generator listrik dan poros rotor utama
di puncak menara.
- Turbin angin sumbu tegak (TASV)
Turbin angin sumbu vertikal/tegak memiliki poros/sumbu rotor utama yang
disusun tegak lurus.
xv
2. Kelebihan dan Kelemahan Turbin Angin Sumbu Horisontal (TASH)
Kelebihan TASH
Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di tempat-
tempat yang memiliki geseran angin.
Kelemahan TASH
- TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi
dan mahal serta para operator yang tampil
- TASH membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan agar dapat
membelokkan kincir ke arah angin
- TASH yang tinggi dapat memengaruhi radar airport
- Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu
penampilan lansekap
3. Kelebihan dan Kelemahan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)
Kelebihan TASV
- Tidak membutuhkan struktur menara yang besar
- Tidak harus mengubah posisinya jika arah angin berubah
- Memiliki kecepatan awal yang lebih rendah dibandingkan dengan kincir angin
poros horizontal, cocok untuk daerah yang memiliki potensi angin yang rendah
- TASV 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
xvi
- TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi dilarang
dibangun
Kelemahan TASV
- Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH karena
drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar
- TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di
elevasi yang lebih tinggi
- Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi
untuk mulai berputar
- Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi tekanan
pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan
4. Cara Kerja Turbin Angin
Cara kincir angin untuk pembangkit tenaga listrik bekerja sangat sederhana yaitu:
- Angin akan meniup bilah kincir angin sehingga bilah bergerak
- Bilah kincir angin akan memutar poros didalam nacelle
- Poros dihubungkan ke gearbox, di gearbox kecepatan perputaran poros
ditingkatkan dengan cara mengatur perbandingan roda gigi dalam gearbox
- Gearbox dihubungkan ke generator kemudian generator mengubah energi
mekanik menjadi energi listrik
- Dari generator energi listrik menuju transformer untuk menaikan tegangannya
kemudian baru didistribusikan ke konsumen
xvii
Gambar 3. Komponen turbin angin
5. Mekanika Fluida Turbin Angin
Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin dengan diameter
kipas r adalah :
dimana:
P = daya (watt)
ρ = kerapatan angin (kg/m3)
R = jari-jari rotor/sudu (m)
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.
Sehingga daya yang dapat diekstrak menjadi energi angin dapat diketahui dari
persamaan berikut:
xviii
P=12
ρ π R2 v3
Pwt=ηwt12
ρ A v⃗3
dimana:
η = efisiensi kincir angin (%)
PEMBAHASAN
Pada tugas akhir ini telah diketahui bahwa cara kerja kincir angin adalah dengan sudu
yang membuka dan menutup secara otomatis karena adanya tiupan angin. Saat posisi sudu
terbuka, itulah sudu yang menerima angin dan secara otomatis sudu yang seporos akan menutup,
hal ini memungkinkan untuk meminimalkan rugi-rugi gesekan yang terjadi karena melawan arah
angin.
Pada prinsip kerjanya, tiupan angin akan memutar kincir angin sehingga memutar poros
yang akan diteruskan keberbagai aplikasi, misalnya diteruskan ke generator untuk menghasilkan
listrik, atau ke transmisi lain yang digunakan untuk menggiling gandum. Dari data perhitungan
dapat diketahui bahwa daya kincir model ini relatif kecil atau sebesar 3,79 watt pada kecepatan
angin 6,71 m/s menggunakan kincir dengan diameter 100 cm. Sedangkan koefisien daya
terbesarnya diperoleh pada putaran poros 28,39 rpm dan kecepatan angin 5,11 m/s didapatkan
sebesar 5,64% pada kincir dengan diameter 100 cm dengan tsr sebesar 0,29.
Kecilnya daya kincir disebabkan oleh beberapa hal, diantaranya kontur kincir yang
kurang aerodinamis menyebabkan masih besarnya gaya drag yang ditimbulkan saat salah satu
sudu dalam posisi menentang arah angin. Kesentrisanporos, baik poros utama maupun poros
sudu juga mempengaruhi kinerja kincir.Berat kincir angin model 8 kg, mempengaruhi efisiensi
kincir model, pemilihan material yang lebih ringan memungkinkan untuk menambah efisiensi
kincir angin. Putaran poros yang terukur juga relatif kecil antara 9,42 rpm hingga 67,02 rpm.
Dari pembahasan ini dapat diketaui, bahwa semakin besar diameter kincir maka kinerja kincir
juga akan menjadi semakin baik.
xix
KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Dari pembahasan di atas disimpulkan bahwa:
1. Kincir angin adalah salah mesin tenaga yang mengubah energi fluida menjadi energi
mekanis
2. Prinsip kerja kincir angin dipengaruhi oleh gaya draf dan gaya lift
3. Turbin angin adalah salah contoh dari kincir angin yang mengubah energi fluida
menjadi energi listrik
4. Semakin besar diameter kincir maka daya yang dihasilkan semakin besar
5. Pemelihan material yang ringan dapat menambah efisiensi kincir angin
B. Saran
Beberapa hal penting yang dapat digunakan untuk pembuatan kincir angin:1. Berat material kincir angin dibuat seringan mungkin, untuk meningkatkan efisiensi
kincir2. Bentukan kincir dibuat aerodinamis, untuk meminimalkan gaya drag yang dapat
menghambat putaran kincir3. Poros kincir harus lurus, agar saat berputar tidak oleng
xx
DAFTAR PUSTAKA
Himran, Syukri, 2005. Energi Angin, CV Bintang Lamumpatue: Makassar
Arifudin, Momon, 2010. Model Kincir Angin Poros Vertikal Dengan Empat Sudu Datar Empat
Ruang yang Dapat Membentang dan Mengatup Secara Otomatis, FST – Universitas Sanata
Dharma: Yogyakarta
White, Frank M, Harianddja, Manahan. 1986. Mekanika Fluida (terjemahan). Edisi I, Erlangga,
Jakarta
Ikhwanul, Ikhsan; Hipi M. Akhbar, 2011. Analisis Pengaruh Pembebanan Terhadap Kinerja
Kincir Angin Tipe Propeller Pada Wind Tunnel, Makassar
Stefanus Andryanto, 2011. Unjuk Kerja Model Kincir Angin Poros Vertikal Dengan Empat Sudu
yang Membuka dan Menutup Secara Otomatis Dengan Variasi Diameter, Yogyakarta
Anonim. http://en.wikipedia.org/wiki/Windmill diakses pada tanggal 25 Juni pukul 15.45
Anonim. http://id.wikipedia.org/wiki/Kincir_angin diakses pada tanggal 25 Juni pukul 16.05
Anonim. http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin diakses pada tanggal 24 Juni pukul 19.35
xxi
xxii