TUGAS AKHIR ANALISA POTENSI ENERGI ANGIN UNTUK POMPA AIR TENAGA ANGIN

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR ANALISA POTENSI ENERGI ANGIN UNTUK POMPA AIR TENAGA ANGIN Diajukan sebagai salah satu syarat dalam meraih gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Mercubuana Disusun oleh : NAMA : WIDIYANTO NIM : FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA J A K A R T A

2 TUGAS AKHIR ANALISA POTENSI ENERGI ANGIN UNTUK POMPA AIR TENAGA ANGIN Diajukan sebagai salah satu syarat dalam meraih gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Mercubuana Disusun oleh : NAMA : WIDIYANTO NIM : FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA J A K A R T A

3 Abstrak ABSTRAK Pemanfaatan energy angin di Indonesia masih sangat minim. Hal tersebut mendorong keinginan untuk menciptakan sebuah karya nyata yang berorientasi pada pemanfaatan energy angin. Kincir angin untuk pemompa air adalah salah satu alternative yang dipilih untuk mengaplikasikan pemanfaatan energy angin. Dalam hal ini yang di rancang adalah Pompa Air Tenaga Angin ( Kincir Angin ) MB12-7. Dalam perancangan kincir angin tersebut, yang akan didirikan di kampus Universitas Mercubuana, Jakarta Barat, potensi angin menjadi factor yang sangat penting untuk mendukung beroperasinya kincir angin tersebut. Dari penelitian dan analisa yang dilakukan, energy angin di Jakarta Barat, mempunyai kecepatan rata-rata 2 m/s. Kincir angin MB12-7 yang dibuat mempunyai diameter sudu 5m. Energi kinetic yang dihasilkan oleh angin adalah 102,5 Joule. Daya angin yang dihasilkan mencapai 306,15 watt. Dari analisa yang dilakukan, daya ideal yang dibutuhkanuntuk memutar rotor turbin atau kincir angin MB12-7, dengan mengabaikan factor mekanis lain yaitu gaya gesek rotor, beban pompa dan lain-lain, adalah 60,10 watt. Dari hasil analisa diatas diharapkan kincir angin MB12-7 yang dibuat dapat beroperasi dengan baik, bahkan dengan spesifikasi awal yaitu untuk system pemompaan air tanah. Kata kunci : Kincir Angin, Energi Angin, Daya Angin Universitas Mercubuana iv

4 Bab I Pendahuluan BAB I PENDAHULUAN 1.1. LATAR BELAKANG Kebutuhan energi di Indonesia khususnya dan dunia pada umumnya terus meningkat karena pertumbuhan penduduk, perttumbuhan ekonomi dan pola konsumsi itu sendiri yang senantiasa meningkat. Sedangkan energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi utama, ketersediaaanya sangat terbatas dan terus mengalami deplesi ( depletion: kehabisan, menipis ). Proses alam memerlukan waktu yang sangat lama untuk dapat kemballi menyediakan energi fosil ini. Energi Mix Indonesia PLTA, 3.4 Panas Bumi, 1.4 EBT lain, 0.2 Batubara, 14.1 Gas Bumi, 26.5 Minyak Bumi, 54.4 Gambar 1.1 Energi Mix di Indonesia (Sumber : DESDM ) Universitas Mercubuana 1

5 Bab I Pendahuluan Energi Mix Dunia Gas Bumi 21% Batubara 23% Minyak Bumi 34% PLTA 2% Nuklir 7% EBT Lain 13% Gambar 1.2 Energi Mix di Dunia ( Sumber : Simmons, 2005 ) Menurut Blueprint Pengelolaan Energi Nasional yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral ( DESDM ) pada tahun 2005, cadangan minyak bumi di Indonesia pada tahun 2004 diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 18 tahun dengan ratio cadangan/produksi pada tahun tersebut. Sedangakan gas diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 61 tahun dan batubara 147 tahun. Tabel 1 Cadangan energi fosil Jenis Energi Fosil Cadangan/Produksi Indonesia Dunia Minyak Bumi 18 tahun 40 tahun Gas 61 tahun 60 tahun Batubara 147 tahun 200 tahun (Sumber : DESDM 2004) Ratio antara cadangan dan produksi untuk energi fosil di dunia diperlihatkan juga dalam table tersebut sebagai rujukan. Perkiraan ratio ini dihitung berdasarkan Universitas Mercubuana 2

6 Bab I Pendahuluan jumlah penduduk dan pola konsumsi energi pada saat itu. Apabila memepertimbangkan laju pertambahan penduduk yang eksponensial dan konsumsi energi yang terus meningkat, tentunya kurun waktu tersebut dapat diperkirakan akan jauh lebih cepat lagi. Upaya upaya pencarian sumber energi alternative selain fosil menyemangati para peneliti di berbagai Negara untuk mencari energi lain yang kita kenal sekarang dengan istilah energi terbarukan. Energi terbarukan dapat didefinisikan sebagai energi yang secara cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Energi terberukan meliputi energi air, panas bumi, matahari, angina, biogas, bio mass serta gelombang laut. Beberapa kelebihan energi terbarukan antara lain : Sumbernya relative mudah didapat; dapat diperoleh dengan gratis; minim limbah, tidak mempengaruhi suhu bumi secara global, dan tidak terpengaruh oleh kenaikan bahan baker ( Jarras, 1980 ). Definisi Energi Terbarukan Menurut Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral ( DESDM ): Energi terberukan adalah energi yang dapat diperbaharui dan apabila dikelola dengan baik, sumber daya itu tidak akan habis. Menurut World Council for Renewable Energy ( WCRE ): Renewable energy includes solar, wind, hydro, oceanic, geothermal, biomass and other sources of energy that are derived from sun energy, and are thus renewed indefinitely as a course of nature. Forms of useable energy include electricity, hydrogen, fuels, themal energy and mechanical force. More broadly speaking, renewable energy is derived from non-fossil and non-nuclear sources in ways that can be replenished, are sustainable and have no harmful side effects. The ability of an energy source to be renewed also implies that its harvesting, conversion and use occur in a sustainable manner, i,e. avoiding negative impacts on the viability and rights of local communities and natural ecosystems Sumber : DESDM 2004 & WCRE 2003 Universitas Mercubuana 3

7 Bab I Pendahuluan Pertimbangan konservasi energi dan lingkungan hidup memang menuntut kita untuk segera dapat memanfaatkan energy terbarukan yang tersedia dengan mudah dan lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan energi fosil. Tetapi seperti kita ketahui, khususnya di Indonesia, pemanfaatan potensi energi terbarukan seperti air, angina, biomasa, panas bumi, surya dan samudra, sampai saat ini masih belum optimal ( lihat Tabel 2 ). Misalnya, untuk kasus energi angina, sampai dengan tahun 2004, kapasitas terpasang dari pemanfaatan tenaaga angina hanya mencapai 0.5 MW dari 9.29 GW potensi yang ada. Hal itu terutama karena beberapa hal kendala seperti di bawah ini : 1. Sering dianggap belum kompetitif dibandingkan dengan energi fosil, karena: a. Kemampuan SDM yang masih rendah b. Rekayasa dan teknologi pembuatan sebagian komponen utamanya belum dapat dilakukan di dalam negeri, jadi masih harus impor c. Iklim investasi belum kondusif. Biaya investasi pembangunan yang tinggi menimbulkan masalah financial pada penyediaan modal awal. 2. Belum tersedianya data potensi sumberdaya yang lngkp, karena maih terbatasnya kajian/studi yang dilakukan 3. Akses masyarakat terhadap energi masih rendah ( DESDM, 2005 ) 4. Peran pemerintah yang kurang: a. Belum terlihat adanya sense of urgency b. Antar lembaga pemerintah kurang sinergis c. Masih kurang menyediakan insentif insentif Universitas Mercubuana 4

8 Bab I Pendahuluan Tabel 2 Potensi energi terbarukan di Indonesia 2004 Jenis Energi Sumber Daya Setara Kapasitas terpasang Air x10 BOE 75.7 GW 4200 MW Panas Bumi x10 BOE 27 GW 800 MW Mini/Mikrohidro 458 MW 458 MW 84 MW Biomasa GW 49.8 GW MW 2 Surya 4.8kWh / m / hari 8 MW Angin 9.29 GW 9.3 GW 0.5 MW (Sumber : DESDM 2005) Beberapa strategi yang mungkin dilakukan untuk mengatasi kendala kendala tersebut di atas, antara lain : 1. Meningkatkan kegiatan studi dan penelitian yang berkaitan dengan : a. identifikasi setiap jenis potensi sumber daya energi terbarukan secara lengkap di setiap wilayah b. upaya perumusan spesifikasi dasar dan standar rekayasa system konversi energinya yang sesuai dengan kondisi di Indonesia c. pembuatan prototype yang sesuai dengan spesifikasi dasar dan standar rekayasanya d. pengumpulan pendapat dan tanggapan masyarakat tentang pemanfaatan energi terbarukan tersebut 2. Memasyarakatkan pemanfaatan energi terbarukan sekaligus mengadakananalisis dan evaluasi lebih mendalam tentang kelayakan operasi system di lapangan dengan pembangunan beberapa proyek percontohan 3. Memberikan prioritas pembangunan pada daerah yang memiliki potensi sangat tinggi, baik teknis maupun sosio-ekonominya. Universitas Mercubuana 5

9 Bab I Pendahuluan 1.2 RUMUSAN DAN BATASAN MASALAH Keterbatasan penggunaan energi non-fosil yang sedang terjadi di Indonesia mendorong penulis untuk mencoba membuat satu prototipe perkakas yang mungkin bisa menjadi solusi untuk memberdayakan energi non-fosil. Dalam hal ini tenaga angin merupakan pilihan yang akan dibahas oleh penulis. Perkakas yang dibuat adalah pompa air tenaga angin ( Mechanical Wind Pump ). Pompa air tenaga angin ini dipilih oleh penulis karena melihat potensi Indonesia sebagai negara agraris, sehingga perlu pengoptimalan sistem pertanian. Salah satunya adalah dengan dibuatnya pompa air tenaga angin ini. Pompa air tenaga angin yang akan dibuat adalah pompa air tenaga angin dengan nama Kincir Angin MB12-7.Dalam perancangan ini penulis akan membatasi permasalahan pada pembahasan Analisa Potensi Sumber Daya Angin Untuk Pompa Air Tenaga Angin, dengan spesifikasi kincir angin 12 blade berdiameter 5 meter dan pompa air diameter 5 inchi. 1.3 TUJUAN PENULISAN Tujuan dari penulian ini adalah analisa tentang daya angin yang dibutuhkan untuk pembuatan pompa air tenaga angin MB12-7, serta menganalisa potensi energi angin di daerah Jakarta Barat pada khususnya dalam kaitannya dengan pembuatan pompa air tenaga angin MB SISTEMATIKA PENULISAN Universitas Mercubuana 6

10 Bab I Pendahuluan Dalam penyusunan tugas akhir ini akan diuraikan secara singkat dan sistematis ikhtisar keseluruhan bab laporan disusun menjadi 5 ( lima ) bab dengan rincian sebagai berikut: BAB I PENDAHULUAN Dalam Bab ini dibahas mengenai latar belakang masalah, rumusan dan batasan masalah, tujuan penulisan dan sistematika penulisan BAB. II TEKNOLOGI PEMANFAATAN ENERGI ANGIN Dalam bab ini dibahas tentang Karakteristik Angin dan faktor faktor terkait, dan pemanfaatan energi angin sebagai turbin angin BAB. III KONVERSI ENERGI ANGIN Dalam bab ini dibahas tentang energi dan daya angin dan Konversi energi angin untuk turbin angin tipe HAWT maupun VAWT BAB IV ANALISA DATA Dalam bab ini dibahas tentang spesifikasi pompa air tenaga angin MB12-7, pengukuran data angin di daerah Jakarta Barat, pengolahan dan analisa data dan hasil pengolahan data yang telah diperoleh. BAB V PENUTUP Berisi tentang kesimpulan hasil pembahasan dan saran saran yang mungkin bisa bagi dijadikan bahan masukan penulis. Universitas Mercubuana 7

11 Bab I Pendahuluan Universitas Mercubuana 8

12 Bab II Teknologi Pemanfaatan Energi Angin BAB II TEKNOLOGI PEMANFAATAN ENERGI ANGIN 2.1 Pengertian Angin dan Faktor-Faktor yang Terkait Angin merupakan pergerakan massa udara yang terjadi karena adanya perbedaan tekanan udara pada suatu tempat. Angin disebabkan oleh pemanasan pemukaan bumi yang tak merata dari sinar matahari. Panas disimpan oleh tanah atau air, lalu panas tersebut dijalarkan ke udara, hal ini menyebabkan perbedaaan temperatur, densitas, dan tekanan udara. Perbedaaan ini menghasilkan gaya yang mendorong udara di sekitarnya. Dalam skala global, perbedaan temperatur antara daerah tropis dan kutub menggerakan angin pasat. Dalam skala kecil, perbedaan temperatur antara daratan dan lautan ataupun antara gunung dan lembah dapat menghasilkan angin yang cukup kuat. Arah angin dan kecepatan angin dapat juga disebabkan oleh faktor lain, seperti rotasi bumi, karakteristik topografi lokal dan kekasaran daerah pengamatan. 2.2 Jenis Angin Di Indonesia Angin Darat dan Laut Wilayah Indonesia merupakan daerah kepulauan dengan luas lautan lebih besar dari daratan. Perbedaan kecepatan pemanasan laut dan darat mengakibatkan pada siang hari angin bertiup dari laut ke darat (darat lebih cepat panas dari pada laut) dan pada malam hari angin bertiup dari darat ke laut (darat lebih cepat dingin dari Universitas Mercubuana 8

13 Bab II Teknologi Pemanfaatan Energi Angin pada laut). Sehingga daerah pesisir pantai merupakan daerah dengan kecepatan angin lebih tinggi dari daerah lainnya. Gambar 2.1 Angin Laut dan Angin Darat (Sumber: Angin Orografi Angin orografi merupakan angin yang dipengaruhi oleh perbedaan tekanan antara daerah dengan perbedaan ketinggian suatu daerah (angin gunung dan angin lembah). Pada malam hari yang cerah, tanah tinggi meradiasikan panas dan menjadi dingin sehingga udara di atasnya menjadi dingin. Udara dingin mengalir ke bawah menelusuri lereng gunung menuju lembah dan tanah rendah, disebut angin gunung. Pada siang hari, pemanasan lereng gunung menyebabkan aliran udara Gambar 2.2 Angin Lembah dan Angin Gunung dari lembah ke puncak gunung dan disebut angin lembah. (Sumber: Universitas Mercubuana 9

14 Bab II Teknologi Pemanfaatan Energi Angin 2.3 Karakteristik Angin Kecepatan Angin Terhadap Ketinggian Gambar 2.3 Pola Profil Angin Terhadap Ketinggian (Sumber : Tingkat kecepatan angin terhadap ketinggian tergantung atas dua faktor yaitu, percampuran udara dan kekasaran permukaan bumi. Percampuran atmosferik secara khas mengikuti putaran harian yang dikendalikan pemanasan matahari. Putaran harian sering kali menyebabkan kecepatan angin bertambah pada siang hari dan berkurang pada malam hari. Kekasaran permukaan menentukan berapa lambat kecepatan angin dekat permukaan. Di area dengan kekasaran tinggi, seperti hutan atau kota, kecepatan angin dekat permukaan cenderung lambat dan sebaliknya kecepatan angin cukup tinggi pada area kekasaran rendah seperti daerah datar, lapangan terbuka. Karakteristik kecepatan angin dapat berbeda antar daerah dekat lokasi pengamatan. Angin terkuat biasanya ditemukan dalam daerah terbuka. Karakteristik permukaan seperti bukit dapat mempercepat angin saat angin tersebut lewat di atas bukit. Kecepatan angin secara vertikal dipengaruhi oleh bentuk dari topografi dan tutupan lahan di atasnya, hal ini mempengaruhi gaya geser angin. Universitas Mercubuana 10

15 Bab II Teknologi Pemanfaatan Energi Angin Turbulensi Angin Turbulensi disebabkan oleh ketidakstabilan thermal dan kekasaran permukaan. Stabilitas thermal udara mempunyai efek yang sangat kuat pada intensitas turbulen. Gambar 2.4 Turbulensi Angin (Sumber: Permukaan udara dingin cenderung meredam turbulensi mekanik, sedangkan permukaan udara hangat cenderung menaikkan dan menambah intensitas turbulen. Ketika angin berhembus kuat, udara dekat permukaan menjadi bercampur dan stabilitas thermal menjadi netral. Di bawah kondisi ini, perbedaan temperatur keduanya dapat meredam atau pun juga menambah mekanisme turbulen yang disebabkan kekasaran permukaan, tergantung stabilitas thermal daerah pengamatan. Turbulen atmosfer memiliki ciri khas utama yakni pada level ketinggian dianggap sama, arah dan kecepatan angin sangat bervariasi dan biasanya selalu terjadi pada siang hari. Pada siang hari intensitas matahari lebih tinggi, sehingga mengakibatkan tekanan udara lebih rendah pada permukaan. Aliran dekat permukaan mengalami rintangan kecil yang dapat mengubah kecepatan angin dan melibatkan kecepatan radial secara acak. Komponen kecepatan horizontal lebih cepat dari pada kecepatan radial, sehingga memaksa aliran kecepatan radial bergerak ke aliran arah utama. Universitas Mercubuana 11

16 Bab II Teknologi Pemanfaatan Energi Angin 2.4 Turbin Angin Turbin angin adalah suatu alat yang didisain untuk menangkap energi kinetik angin. Turbin angin dalam bahasa sehari - hari biasa disebut kincir angin. Turbin atau kincir angin ini mempunyai jenis yang bervariasi, tetapi secara garis besar dibedakan menjadi 2 tipe : Turbin Angin Sumbu Horizontal ( Vertical Axis Wind Turbin ) Ciri ciri dari Turbin Angin Sumbu Horisontal atau HAWT ( Horizontal Axis Wind Turbin ) adalah sumbu putar turbin sejajar terhadap tanah. Turbin jenis ini paling banyak dikembangkan di berbagai negara. Terdiri daridua tipe, yaitu mesin upwind dan mesin downwind. Mesin upwind : rotor berhadapan dengan angin. Rotor didisain tidak fleksibel, dan diperlukan mekanisme yaw untuk menjaga rotor agar tetap berhadapan dengan angin. Mesin downwind : rotor ditempatkan di belakang tower. Rotor dapat dibuat lebih fleksibel, tanpa menggunakan mekanisneyaw, sehingga mengurangi berat, lebih ringan daripada mesin upwind. Kelemahannya adalah bahwa angin harus melewati tower terlebih dulu sebelum sampai pada rotor, se hingga menambah beban (fatigue load) pada turbin Turbin Angin Sumbu Vertical ( Vertical Axis Wind Turbin ) Ciri cirri dari turbin angin jenis ini adalah memiliki sumbu putar vertikal terhadap tanah. Turbin jenis ini jarang dipakai untuk turbin komersial. Rotornya berputar relatif pelan (di bawah 100 rpm), tetapi memiliki momen gaya yang kuat, sehingga dapat dipakai untuk menggiling biji-bijian, pompa air, tetapi tidak cocok Universitas Mercubuana 12

17 Bab II Teknologi Pemanfaatan Energi Angin untuk menghasilkan listrik (di atas 1000 rpm cocok untuk menghasilkan listrik). Sebenarnya dapat dipakai gearbox untuk menaikkan kecepatan putarnya, tetapi efisiensinya turun dan mesin sulit untuk dimulai. VAWT terdiri dari dua tipe, yaitu: Tipe dorong Terjadi bila TSR ( Tip Speed Ratio ) <1 artinya lebih banyak bagian sudu yang mengalami gaya dorong seperti pada mangkuk anemometer. Memiliki bentuk bervariasi seperti ember, dayung, layar dan tangki. Rotornya berbentuk S ( bila dilihat dari atas ). Kecepatan maksimum sudu yang dihasilkan hampir sama dengan kecepatan angin. Ujung sudu tidak pernah bergerak lebih cepat daripada kecepatan angin. Turbin jenis ini mempunyai efisiensi daya yang rendah. Tipe tingkat Terjadi bila TSR ( Tip Speed Ratio ) >1, artinya lebih banyak sudu yang mengalami gaya angkat. Masing masing sudu memperlihatkan momen gaya angkat maksimum hanya dua kali setiap putaran dan daya keluarannya berbentuk sinusoida. Ukuran sudu relatif lebih besar dan tinggi, sehingga menimbulkan getaran. Biasanya memakai dua atau tiga sudu. Turbin jenis ini menghasilkan lebih banyak daya output dan mempunyai efisiensi tinggi Universitas Mercubuana 13

18 Bab III Konversi Energi Angin BAB III KONVERSI ENERGI ANGIN 3.1 Energi Kinetik yang dihasilkan oleh Angin Menurut ilmu fisika klasik energi kinetik dari sebuah benda dengan massa dan kecepatan adalah, dengan asumsi bahwa kecepatan tidak mendekati kecepatan cahaya. Rumus tersebut di atas berlaku juga unutk menghitung energi kinetik yang diakibatkan oleh gerakan angin. Sehingga kita bisa menuliskan sebagai berikut : Dimana: E = Energi (joule) = massa udara (kg) V = kecepatan angin(m/detik) Kecepatan angin V bisa diperoleh dari data yang dihasilkan oleh BMG. Tetapi data BMG tidak mencantumkan massa udara, sehingga untuk menghitung massa udara, diberlakukan rumus : 2 Dimana: A = penampang ( m ) = kecepatan angin (m/det) Universitas Mercubuana 14

19 Bab III Konversi Energi Angin 3 = kepadatan udara ( kg / m ) 3.2 Konversi Energi Angin Pada Turbin Angin Sumbu Horisontal Pada turbin angin sumbu horisontal, rotornya dianggap sebagai piringan yang ketebalannya diabaikan (Yahya, 1994). Kecepatan angin yang menuju ( upwind ) dan meninggalkan piringan ( downwind ) tersebut masing-masing adalah V dan. Pada saat angin mendekati piringan, kecepatannya berangsur-angsur berkurang berkaitan dengan naiknya tekanan statis. Adanya putaran rotor menyebabkan penurunan tekanan statis secara mendadak sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3.1 dengan kecepatan pada putaran rotor adalah. Gambar 3.1 Diagram tekanan dan kecepatan angin melewati turbin (Sumber : Yahya,1994) Luas penampang putaran sapuan (A) adalah A π 4 d 2 = (3.1) Dimana, d = diameter turbin Universitas Mercubuana 15

20 Bab III Konversi Energi Angin Massa (m) yang mengalir melewati turbin adalah m = ρ AV r (3.2) Dimana, ρ = densitas udara, = kecepatan pada putaran rotor Kemudian angin atau fluida yang melewati sudu akan bergerak dengan kecepatan, sehingga terdapat perubahan kecepatan yang mengakibatkan terjadinya laju perubahan momentum. Gaya dorong aksial (F a ) pada putaran akibat perubahan momentum angin yang melewatinya adalah: Fa = p.a = m (V ) = ρ A (V ) (3.3) Dimana, V= kecepatan upwind, = kecepatan downwind p = beda tekanan Dari persamaan Bernoulli, aliran upwind dan downwind pada putaran adalah Pa + ρ V = P1 + ρ V r (3.4) 2 2 (3.5) (3.6) Dimana, P a = tekanan udara, P 1 = tekanan saat angin masuk, P 2 = tekanan setelah angin meninggalkan piringan Universitas Mercubuana 16

21 Bab III Konversi Energi Angin Gaya dorong aksial (F a ) akibat perbedaan tekanan statis memotong putaran adalah F a = A (P 1 P 2 ) (3.7) Substitusikan persamaan 3.6 ke dalam persamaan 3.7 (3.8) Dengan membandingkan persamaan 3.8 dan persamaan 3.3, diperoleh (3.9) Perubahan pada stagnasi entalpi spesifik memotong piringan / sudu adalah : Karena, maka (3.10) Dimana: Δh = perubahan ketinggian, h = ketinggian upwind, = ketinggian downwind Daya yang diserap (P i ) oleh rotor kincir angin dirumuskan dengan : Daya = laju aliran massa x perubahan pada stagnasi entalpi spesifik Persamaan 3.2 dan persamaan 3.10 memberikan Universitas Mercubuana 17

22 Bab III Konversi Energi Angin P i = m Δh (3.11) Substitusikan persamaan 3.9 ke dalam persamaan 3.11 = (3.12) Dengan menggunakan bahwa x =, sehingga: = ρ AV 3 ( 1 + x ) 2 ( 1 x ) (3.13) Untuk nilai ρ, A, dan c u yang diberikan nilai ideal daya yang dibangkitkan adalah fungsi dari rasio x. Dengan demikian nilai optimum dari x dapat ditentukan. 3x 2 + 2x 1 = 0 (x +1 )(3x 1) = 0 (3.14) Ini menghasilkan 2 nilai x dengan nilai validnya adalah x = = 1/3 (3.15) Substitusikan persamaan 3.15 ke dalam persamaan 3.9 memberikan pernyataan bahwa kecepatan angin saat melewati rotor adalah Universitas Mercubuana 18

23 Bab III Konversi Energi Angin (3.16) Substitusikan persamaan 3.15 ke dalam persamaan 3.13 dan disederhanakan (3.17) Ini merupakan daya ideal atau maksimum dengan mengabaikan kehilangan aerodinamik dan mekanik pada turbin angin. Daya dari aliran upwind (P V ) adalah: (3.18) Sehingga koefisien daya (Cp maks ) untuk kincir angin dapat dinyatakan sebagai Cp maks = P i / P V (3.19) 3.3 Pada Turbin Angin Sumbu Vertikal Gambar 3.2 Pembangkitan daya oleh turbin angin sumbu vertikal (Sumber : Yahya,1994) Universitas Mercubuana 19

24 Bab III Konversi Energi Angin Pada turbin angin sumbu vertikal, putaran baling-baling dan arah angin memiliki arah pergerakan yang sama seperti ditunjukkan pada Gambar 3.2, sehingga kecepatan relatif (Vrel) dari angin dinyatakan sebagai: Vrel = V Vr (4.20) Dimana: V : kecepatan angin yang masuk ke baling-baling Vr : angin yang melewati baling-baling Gaya (F y ) yang diterima baling-baling adalah (3.21) Dimana: C F adalah koefisien yang bergantung pada tipe baling-baling, ukuran mesin, dan sebagainya. Rata rata koefisiennya adalah 30% atau 0,3. Daya (P) yang dihasilkan ditentukan sebagai berikut : (3.22) = Dimana : adalah kecepatan angin saat angin melewati sudu sudu VAWT Nilai optimum (untuk daya maksimum) dari rasio kecepatan baling-baling terhadap kecepatan angin dapat ditentukan sebagai berikut: = 0 (3.23) Universitas Mercubuana 20

25 Bab III Konversi Energi Angin Dimana : (1- ) (1-3 ) = 0 sehingga nilai kecepatan angin optimum seperti pada persamaan Karena maka : (3.24) nilai lainnya ( = 1) tidak mungkin. Daya maksimum dari persamaan 3.22 dan persamaan 3.23 diperoleh sebagai berikut: (3.25) Laju masukan energi ke mesin adalah V (3.26) Dan nilainya pada rasio kecepatan baling-baling angin adalah (3.27) Maka koefisiensi daya maksimum dari mesin diperoleh: Cp maks = 1/3 = (3.28) Koefisien daya merupakan fungsi dari tip speed ratio (λ). Tip speed ratio (λ) adalah perbandingan kecepatan tangensial dari rotor blade tip dengan kecepatan angin. Tip speed ratio (λ) dapat dirumuskan seperti pada persamaan Universitas Mercubuana 21

26 Bab III Konversi Energi Angin (3.29) Dimana, Vr : kecepatan tangensial dari rotor blade tip V r : kecepatan angin. Gambar 3.3 Penerapan teori momentum dalam putaran rotor (Sumber : Hau, 2006) Gambar 3.4 Koefisien daya angin dengan desain rotor yang berbeda (Sumber : Hau, 2006) Koefisien daya dan tip speed ratio (λ) untuk jenis turbin dapat dilihat pada Tabel 3.1. Universitas Mercubuana 22

27 Bab III Konversi Energi Angin Tabel 3.1 Jenis Turbin, Tip Speed Ratio (λ), dan Koefisien Daya (C P ) dari Mesin Jenis Turbin Tip Speed Ratio Koefisien Daya HAWT HAWT 3 Baling - baling HAWT 2 Baling - baling HAWT 1 Baling - baling VAWT ,593 0,48 0,46 0,42 0,33 (Sumber : Hau, 2006) Perumusan daya untuk masing-masing jenis turbin adalah seperti pada persamaan 3.30 sampai 3.34 di bawah ini : Daya ideal atau maksimum untuk jenis turbin HAWT dengan mengabaikan kehilangan aerodinamik dan mekanik pada turbin angin seperti pada persamaan Daya untuk jenis turbin HAWT dengan 3 baling-baling seperti pada persamaan (3.31) Daya untuk jenis turbin HAWT dengan 2 baling-baling seperti pada persamaan (3.32) Daya untuk jenis turbin HAWT dengan 1 baling-baling seperti pada persamaan (3.33) Universitas Mercubuana 23

28 Bab III Konversi Energi Angin Daya ideal atau maksimum untuk jenis turbin VAWT dengan mengabaikan kehilangan aerodinamik dan mekanik pada turbin angin seperti pada persamaan (3.34) Untuk keefektifan pemanfaatan energi angin dengan jenis turbin yang sesuai, Tabel 3.2 dan Tabel 3.3 dijadikan parameter pembanding. Tabel 3.2 Perbandingan Skala, Diamater Rotor dan Tingkat Daya Energi Angin Skala Diameter Rotor (m) Tingkat Daya (kw) Skala Kecil Skala Menengah Skala Besar 3-12 m m >45 m 2-40 kw kw >1000 (Sumber : Yahya, 1994) Tabel 3.3 Skala Pemanfaatan Energi Angin Skala Kapasitas (kw) Kecepatan Angin (m/s) Skala Kecil Skala Menengah Skala Besar s/d >100 2, ,0 >5 Daya Spesifik < >150 (Sumber : Yahya, 1994) Dengan memperhatikan Tabel 3.2 dan Tabel 3.3, perhitungan daya dengan beberapa jenis turbin akan diperoleh daya angin efektif yang disesuaikan dengan kondisi angin dan diameter rotor serta jenis turbin yang sesuai. Sehingga diharapkan tingginya kecepatan angin di suatu daerah dapat beroperasi dengan baik artinya besarnya kecepatan angin yang diterima mampu menggerakkan sistem konversi energi angin dan tidak merusak karena kecepatan angin yang diterima melebihi kapasitas sistem konversi energi angin. Universitas Mercubuana 24

29 Bab IV Analisa Data BAB IV ANALISA DATA 4.1 Hasil Pengukuran Angin dan Energi angin yang dihasilkan Untuk menentukan spesifikasi pompa air tenaga angin yang akan di buat, keadaan dan kondisi angin di daerah tersebut merupakan hal terpenting yang harus diketahui. Untuk Pompa Air tenaga angin MB12-7 yang akan ditempatkan di Universitas Mercu Buana, maka penulis mengambil data angin berdasarkan catatan yang dibuat oleh Badan Meteorologi dan Geofisika cabang Pondok Betung Cileduk. Hasil pengukuran dari BMG Cileduk tersebut diasumsikan sebagai data angin daerah Jakarta Barat secara umum. Tabel 4.1 Pengukuran data angin di BMG Cileduk Rata - rata Angin Tahun 2008 ( m/det) No Bulan Rata - rata angin 1 Januari Februari Maret April Mei Juni Juli Agustus September Oktober November 2.2 Universitas Mercubuana 25

30 Bab IV Analisa Data 12 Desember Rata - rata Angin Tahun 2006 ( m/det) Tabel 4.2 Pengukuran data angin di BMG Cileduk Rata - rata Angin Tahun 2007 ( m/det) No Bulan Rata - rata angin 1 Januari Februari Maret April Mei Juni Juli Agustus September Oktober November Desember Rata - rata Angin Tahun 2007 ( m/det) Tabel 4.3 Pengukuran data angin di BMG Cileduk Universitas Mercubuana 26

31 Bab IV Analisa Data Rata - rata Angin Tahun 2008 ( m/det) No Bulan Rata - rata angin 1 Januari Februari Maret April Mei 2 6 Juni Juli Agustus September Oktober November Desember Rata - rata Angin Tahun 2008 ( m/det) (sumber : BMG Pondok Betung, Cileduk ) Data pengukuran angin di atas merupakan data valid yang diperoleh dari BMG Pondok Betung Cileduk. Dari data di atas, kecepatan angin rata rata yang digunakan dalam perhitungan adalah 2 m/det. Atas dasar data itulah wilayah di sekitar Universitas Mercu Buana cukup memenuhi syarat untuk peletakan kincir angin MB12-7 yang berdiamater 5m, tinggi 7m, dengan jumlah sudu sebanyak 12 biji. Karena data yang dihasilkan tersebut adalah data rata rata, maka kemungkinan dalam waktu waktu tertentu, misalnya pagi hari, angin yang bertiup tidak sekencang pada siang atau sore hari. Jadi untuk waktu pagi hari, cukup berat untuk angin dapat memutar kincir angin MB12-7 yang di bikin. Hal Universitas Mercubuana 27

32 Bab IV Analisa Data tersebut sebenarnya, tidak menjadi masalah serius, karena kincir angin MB 12-7 ini sebenarnya dialokasikan untuk daerah daerah pesisir yang tidak akan pernah kekurangan angin di setiap waktu. Dari data angin diatas,dapat diperoleh hasil rata rata angin 2 m/s sebagai berikut : Kecepatan angin rata-rata tahun 2006 = 2,085 m/s Kecepatan angin rata-rata tahun 2007 = 1,775 m/s Kecepatan angin rata-rata tahun 2008 = 2,007 m/s Kecepatan angin rata-rata penulisan = = 1,956 = 2 m/s 4.2 Spesifikasi Kincir ( turbin ) Angin MB12-7 Type kincir angin : HAWT ( Horizontal Axis Wind Turbin Tinggi menara : 7 meter Jarak dari permukaan tanah ke pusat diameter sudu : 7,5 meter Diameter sudu : 5 meter Jumlah sudu : Perhitungan Konversi Energi Angin Pada Turbin Angin Sumbu Horisontal Data lapangan Universitas Mercubuana 28

33 Bab IV Analisa Data Data yang diketahui dari lapangan : Kecepatan angin sebelum melalui sudu (V) :2m/s (sama dengan kecepatan angin rata rata hasil pengukuran) Diameter sudu ( ) : 5 m Densitas udara asumsi ( ) : Ketinggian angin sebelum melalui sudu ( ) : 7,5 m Ketinggian angin setelah melalui sudu ( ) : 7,5 m Energi yang dihasilkan oleh angin Dari data angin yang diperoleh di atas, dapat dilakukan perhitungan untuk besarnya energi angin yang dihasilkan. Menurut ilmu fisika klasik energi kinetik dari sebuah benda dengan massa dan kecepatan adalah E = 1 2 mv 2, dengan asumsi bahwa kecepatan tidak mendekati kecepatan cahaya. Rumus tersebut di atas berlaku juga unutk menghitung energi kinetik yang diakibatkan oleh gerakan angin. Sehingga kita bisa menuliskan sebagai berikut : Dimana: E = Energi ( dalam hal ini energi kinetik ) (joule) = massa udara (kg) = kecepatan angin(m/detik) Universitas Mercubuana 29

34 Bab IV Analisa Data Kecepatan angin bisa diperoleh dari data yang dihasilkan oleh BMG. Tetapi data BMG tidak mencantumkan massa udara, sehingga untuk menghitung massa udara, diberlakukan rumus : 2 Dimana: A = penampang ( m ) = kecepatan angin (m/det) 3 = kepadatan udara ( kg / m ) Dengan asumsi bahwa kepadatan rata rata udara adalah 1,3 kg/m 3, maka massa udara dapat dihitung sebagai berikut : = 2.19,625.1,3 = 51,025 kg Dari perhitungan perhitungan diatas, diperoleh angka angka sebagai berikut : = 2 m/det ( diperoleh dari data BMG Cengkareng ) = 51,025 kg/m maka energi angin yang didapat dengan menggunakan data BMG Cengkareng sebagai acuannya adalah : E = 1 mv 2 2 Universitas Mercubuana 30

35 Bab IV Analisa Data = 1.51, = 102,05 joule Daya angin yang dihasilkan Dari hasil perhitungan, energi angin yang yang dihasilkan dari hasil pengukuran di BMG Bandara Soekarno Hatta dengan kecepatan angin rata rata 2m/det adalah 78,5 joule. Kalau energi angin tersebut akan dikonversikan menjadi bentuk energi elektrik untuk menggerakkan generator, maka harus dihitung daya dalam energi angin tersebut. Bila sejumlah udara dengan kecepatan bergerak melalui bidang 2 seluas π d (luas sudu), maka dapat dicari daya yang terdapat dalam angin dengan rumus : P = 1 ρ. V 2 3. π d 2 Dimana : P = Daya (watt) = Kerapatan udara (Kg/m3) V = Kecepatan angin (m/s) d = Diameter sudu ( ) Dengan rumus tersebut, dengan mengabaikan efisiensi rotor pada kincir angin, maka jika diketahui kecepatan angin di daerah Jakarta Barat sebesar 2 m/s, dengan kerapatan udara 1,3 Kg/. Sedangkan diameter sudu 5 m (sesuai dengan nilai eksperimen). Maka daya yang ada pada energi angin yang dihasilkan adalah Universitas Mercubuana 31

36 Bab IV Analisa Data P = ½. 1,3 Kg/ (2 m/s) 3 3,14 = ½ 1,3 Kg/ 6 3,14 25 m 2 = 306,15 Watt Analisa konversi energi angin untuk kincir angin MB12-7 Luas penampang putaran(a) adalah A = π 2 4 d = =19,625 Massa (m) yang mengalir melewati turbin adalah m = ρ AV r = = Gaya dorong aksial (F a ) pada putaran akibat perubahan momentum angin yang melewatinya adalah: F a = m (V ) = = Universitas Mercubuana 32

37 Bab IV Analisa Data = 47,502 N Dari persamaan Bernoulli, aliran udara sebelum melewati sudu dan sesudah melewati sudu pada putaran bisa dirumuskan dan diketahui besarnya sebagai berikut P a + ρ V = P1 + ρ V r Universitas Mercubuana 33

38 Bab IV Analisa Data Dimana, P a = tekanan udara, P 1 = tekanan saat angin masuk, P 2 = tekanan setelah angin meninggalkan piringan Gaya dorong aksial (F a ) akibat perbedaan tekanan statis memotong putaran adalah F a = A (P 1 P 2 ) = = Sehingga di peroleh Gaya dorong aksial maksimum pada putaran roto adalah = = = = 55,59 N Universitas Mercubuana 34

39 Bab IV Analisa Data Dengan membandingkan persamaan 3.8 dan persamaan 3.3, diperoleh kecepatan angin setelah melewati turbin, yaitu 1,33 = Perubahan pada stagnasi entalpi spesifik memotong disk adalah : Karena h = h 1, maka = = = Universitas Mercubuana 35

40 Bab IV Analisa Data = Dimana: Δh = perubahan ketinggian, h = ketinggian upwind, h 1 = ketinggian downwind Daya yang diserap (P i ) oleh rotor kincir angin dirumuskan dengan : Daya = laju aliran massa x perubahan pada stagnasi entalpi spesifik P = m Δh = 61,7 watt Untuk menghitung besaran putaran angin setelah masuk ke sudu = = 1,33 m/det Daya ideal atau maksimum dengan mengabaikan kehilangan aerodinamik dan mekanik yang diserap rotor pada turbin angin adalah = Universitas Mercubuana 36

41 Bab IV Analisa Data = = 60,47 watt Daya dari aliran upwind, yaitu aliran udara sebelum masuk ke sudu (Pv) adalah: = = 102,05 watt Sehingga koefisien daya (Cp maks ) untuk kincir angin dapat dinyatakan sebagai berikut Cp maks = P i / Pv = = 0,589 Nilai 0,589 adalah nilai koefisien daya yang terpakai untuk kincir angin MB12-7. Artinya bahwa kincir angin MB12-7 bisa menyerap 58,9% daya angin yang tersedia. Daya ideal atau maksimum untuk jenis turbin HAWT MB12-7 dengan kecepatan angin rata rata 2m/s dan dengan mengabaikan kehilangan aerodinamik dan mekanik pada turbin angin adalah = = Universitas Mercubuana 37

42 Bab IV Analisa Data = 60,10 watt Perhitungan diatas adalah daya ideal untuk memutar rotor turbin HAWT MB12-7 tanpa memperhitungkan faktor mekanis, seperti gaya gesek rotor, berat beban pompa dan lain lain. Coba perhatikan tabel perbandingan skala, diameter rotor dan tingkat daya energi angin di bawah ini Tabel 4.4 Perbandingan Skala, Diamater Rotor dan Tingkat Daya Energi Angin Skala Diameter Rotor (m) Tingkat Daya (kw) Skala Kecil Skala Menengah Skala Besar 3-12 m m >45 m 2-40 kw kw >1000 (Sumber : Yahya, 1994) Tabel 4.5 Skala Pemanfaatan Energi Angin Skala Kapasitas (kw) Kecepatan Angin (m/s) Skala Kecil Skala Menengah Skala Besar s/d >100 2, ,0 >5 Daya Spesifik < >150 (Sumber : Yahya, 1994) Dengan memperhatikan tabel di atas, maka dapat disimpulkan bahwa kincir angin MB12-7 adalah termasuk kincir angin dengan skala kecil. Tingkat daya maksimal yang diperlukan untuk memutar rotor turbin MB12-7 dengan kecepatan angin 2 m/ s adalah 60,10 watt. Maka dalam kondisi ideal kincir angin MB12-7 sangat mampu beroperasi, karena Energi ( kinetik ) yang dihasilkan oleh angin adalah 306,15 watt. Universitas Mercubuana 38

43 Bab V Penutup BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Dari hasil perhitungan yang telah dilakukan, kita dapat mengambil beberapa kesimpulan tentang potensi energy angin untuk kincir angin : 1. Energi kinetic yang terdapat dalam angin di Jakarta Barat, dengan rata - rata kecepatan angin 2m/s, menghasilkan daya angin sebesar 306,15 watt. Daya ideal yang diperlukan umtuk memutar rotor tanpa memperhitungkan beban mekanis, yaitu gaya gesek rotor, beban pompa dan lain lain adalah 60,10 watt. Sehingga energy angin di Jakarta Barat cukup untuk mengoperasikan kincir angin MB-127, tentunya dengan berbagai catatan. 2. Meskipun kincir yang dibuat mampu beroperasi, daya yang dihasilkannya masih sangat rendah 3. Kecepatan angin yang ada di daerah tertentu sangat mempengaruhi pemilihan model atau tipe kincir angin yang akan di buat. Jika pemilihannya tidak sesuai, maka dapat dipastikan efisiensinya akan semakin menurun. 4. Kincir angin dengan model VAWT ( Vertical Axis Wind Turbin ) lebih ideal bila ditempatkan di UMB, karena dengan kecepatan angin yang kecil, akan kesulitan untuk menyesuaikan kincir dengan arah angin. Sedangkan untuk kincir angin tipe VAWT tidak terpengaruh oleh arah angin. 5. Dari skala yang dibuat, kincir angin MB12-7 termasuk dalam kategori kincir angin skala kecil Universitas Mercubuana 38

44 Bab V Penutup 5.2 Saran Indonesia adalh Negara kepulauan yang terletak di garis khatulistiwa yang kaya akan energy angin hamper di semua bagian. Di masa yang akan dating diharapkan pengembangan energy alternative yang terbarukan dan ramah lingkungan akan terus ditingkatkan. Untuk penelitian lebih lanjut dan pengembangan energy terbarukan dengan basis kincir angin dimasa yang akan datang, penulis merasa masih banyak yang perlu diperbaiki, baik dari segi pendataan tentang energy angin sendiri, ataupun tentang prototype alat yang akan di buat. Antara lain : 1. Dibutuhkan data angin yang lebih akurat untuk menghasilkan hasil perancangan yang maksimal. Pengukuran angin yang dilakukan sendiri tanpa mengandalkan data dari BMG akan jauh lebih mengena 2. Untuk memaksimalkan kinerja kincir angin, kincir angin seyogyanya ditempatkan di daerah daerah pesisir yang mempunyai kecepatan angin yang tinggi. Kalaupun ditempatkan di daerah perkotaan misalnya, dibutuhkan tempat yang tidak terlalu banyak bangunan tingginya. Hal itu untuk mengurangi turbulensi angin yang terjadi 3. Pemilihan tipe kincir angin seyogyanya disesuaikan dengan kondisi angin yang ada. Kincir angin VAWT mempunyai tingkat keamanan yang lebih baik dari HAWT. Perlu diteliti lagi untuk meningkatkan efisiensi kincir angin tipe VAWT. Universitas Mercubuana 39

45 Daftar Pustaka DAFTAR PUSTAKA 1. DESDM (Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral), Kebijakan Energi Nasional Mulyani, Tugas Akhir, Kajian Potensi Energi Angin Indonesia Studi Kasus di Nusa Tenggara Timur, Bandung, Penerbit ITB 3. Prawirowardoyo, Susilo, Meteorologi, Bandung, Penerbit ITB. 4. Tjasyono HK, Bayong, Klimatologi Edisi Kedua, Bandung, Penerbit ITB. 5. Waruwu, Sadoki, Studi Angin sebagai Sumber Energi Alternatif Di Indonesia. Jurusan Geofisika dan Meteorologi, ITB, Bandung. 6. Yahya, SM., Turbines Compressors and Fans, Tata Inc Gaw Hill Publishing Company United. Universitas Mercubuana 40