JOB SHEET

ENERGI ANGIN(TE 327522)

Penyusun :

Ir. Nur Hamzah, MT NIP : 19631111 199003 1 002

PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI UJUNG PANDANG MAKASSAR, 2010

1

LEMBAR IDENTITAS DAN PENGESAHAN

Mata Kuliah Kode Mata Kuliah Penyusun

: Energi Angin : TE 327522 /2 SKS : Ir. Nur Hamzah, MT

Job sheet ini telah diperiksa dan disetujui untuk digunakan sebagai bahan mata kuliah mahasiswa Politeknik Negeri Ujung Pandang Makassar, 24 September 2010 Ketua Unit P3AI Mengetahui : Ketua Jurusan Teknik Mesin

Ir. Abdi Wibowo, MT NIP. 19650117 199103 1 002

Muhammad Tekad, S.T, M.T. NIP. 19650824 199003 1 003

Mengetahui/menyetujui Pembantu Direktur I

Ir. Muhammad Anshar, M.Si NIP. 19600817 198903 1 002

2

KATA PENGANTAR Alhamdulillah, penulis panjatkan kehadirat Allah Yang Maha Esa, atas limpahan rahmat-Nya serta tak lupa pula salam dan selawat tercurahkan kepada junjungan kita nabi Muhammad SAW, keluarga, para sahabat dan para pengikutNya, sehingga penyusunan Job sheet ini diselesaikan tepat waktu dengan judul ENERGI ANGIN Jobsheet ini disusun berdasarkan kurikulum Program Studi Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Ujung Pandang yang disajikan pada semester V. Jobsheet ini merupakan terapan materi dan pembahasan pada mata kuliah sebelumnya yakni Mata Kuliah Energi Alternatif dan Mekanika Fluida. Oleh karena itu, praktikan memahami terlebih dahulu tentang dasar-dasar pemanfaatan energi angin khusunya tentang pemanfaatan energi angin untuk menghasilkan energi listrik langsung. Pada jobsheet ini praktikan melakukan pengujian alat Energi Angin yang bertujuan untuk memahami prinsip kerja alat Energi Angin dan dapat menghitung efesiensi actual. Ucapan terima kasih tak lupa penulis haturkan kepada : 1. Bapak Ir. Muhammad Anshar, M.Si selaku Pembantu Direktur I Politeknik Negeri Ujung Pandang 2. Bapak Muhammad Tekad, S.T, M.T., selaku Ketua jurusan Teknik Mesin Polteknik Negeri Ujung Pandang. 3. Semua pihak yang telah mendukung penyusunan jobsheet ini. Penyusun menyadari jobsheet ini memiliki ketidaksempurnaan, oleh karena itu masukan dan saran dari berbagai pihak yang sifatnya membangun sangat diharapkan demi penyempurnaan jobsheet ini dimasa yang akan datang. Akhirnya, semoga jobsheet ini dapat bermanfaat bagi semua pihak khususnya bagi mahasiswa Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Ujung Pandang.

3

Makassar, 24 September 2010 Penyusun DAFTAR ISI

4

GARIS-GARIS BESAR PROGRAM PENGAJARAN (GBPP) JUDUL MK. / LABORATORIUM NOMOR KODE/SKS DESKRIPSI SINGKAT Energi Alternatif (Energi Angin) TE 327522 / 2 Memahami pengujian peralatan Energi Alternatif yakni Pemanas Ar Surya, Sel Surya, Turbin Angin, dan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro yang meliputi pemahaman tentang prinsip kerja sistem energi alternatif, fisiensi sistem dan karakteristik sistem energi alternatif. Setelah mengikuti mata kuliah ini, mahasiswa dapat menerapkan pengetahuannya mengenai Metode pengujian karakteristik peralalatan energi alternatif yakni Pemanas Ar Surya, Sel Surya, Angin, dan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) Estimasi Waktu (5)

TUJUAN UMUM

INSTRUKSIONAL

No. (1)

Tujuan Instruksional Khusus (TIK) (2) Setelah mengikuti mata kuliah ini mahasiswa akan dapat :

Pokok Bahasan (3)

Sub Pokok Bahasan (4)

Pustaka (6)

1. Memahami Penjelasan Job dan Kelompok, dan pengenalan berbagai peralatan Energi Alternatif yakni Pemanas Ar Surya, Sel Surya, Turbin Angin,

Penjelasan Job dan Kelompok, Energi Alternatif Pengenalan peralatan umum berbagai peralatan Energi Alternatif yakni Pemanas Ar Surya, Sel Surya, Turbin

o o o o

Penjelasan Job Penjelasan Kelompok Pengenalan peralatan umum pengujian Pengenalan peralatan Pemanas Air Surya (Solar Water Heater) o Pengenalan peralatan Sel Surya (Solar Cell)

4 (5x 40)

1

5

dan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)

Angin, dan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)

o Pengenalan peralatan Turbin Angin (Wind Turbine) o Pengenalan peralatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) o Penjelasan alat-alat ukur o Penjelasan metode pengujiaan o Penjelaan metode pengambilan data pengamartan untuk job Pemanas Ar Surya, Sel Surya, Turbin Angin, dan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro

2.

Memahami penggunaan alat ukur dan pengambilan data pengujian untuk job Pemanas Ar Surya, Sel Surya, Turbin Angin, dan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)

Penjelasan penggunaan alat ukur Penjelasan Metode Pengujian untuk job Pemanas Ar Surya, Sel Surya, Turbin Angin, dan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)

4 (5x 40)

1

Referensi : 1. Job Sheet Laboratorium Energi Alternatif Teknik Konversi Energi Politeknik Negri Ujung Pandang, (2006), Bahan Ajar untuk job Pemanas Ar Surya (Solar Water Heater Sel Surya (Solar Cells), Turbin Angin (Wind Turbine), dan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)

6

PERCOBAAN 1

TURBIN ANGIN

1.1

TUJUAN PERCOBAAN

Setelah melakukan praktikum, mahasiswa diharapkan dapat : Memahami prinsip kerja turbin angin air. Mengukur parameter untuk menentukan performansi turbin angin. Menghitung efisiensi turbin angin. Melakukan evaluasi terhadap percobaan tersebut.

1.2 TEORI DASAR Massa udara yang mengalir dengan kecepatan V melalui penampang dengan luas menyatakan laju aliran massa udara m dengan relasi sebagai berikut : m = .A.V kg/s 3) W kg/s m/s Hal ini maka energi kinetik aliran tersebut perdetik (daya kinetik): Pkin = ( A V) V = ( A V dimana : = massa jenis udara m

A = luas bidang rotor

V = kecepatan udara pada bagian hulu

Hubungan diatas menyatakan 3 hal penting yakni : 1. Daya angin berbanding lurus dengan massa jenis udara. berarti bahwa pada daerah pegunungan, daya angin lebih rendah dibandingkan dengan daya angin di dataran rendah untuk kecepatan angin yang sama. 2. Daya angin berbanding lurus dengan luas bidang rotor atau berbanding lurus dengan pangkat dua diameter rotor.

7

3. Daya angin berbanding lurus dengan pangkat tiga kecepatan angin, sehingga penempatan kincir yang tinggi : 10% penambahan kecepatan memberikan 30% penambahan daya. Suatu rotor kincir dapat mengekstraksi daya dari aliran udara, karena rotor tersebut memperlambat aliran udara dimana kecepatan udara setelah rotor lebih rendah dari pada sebelum rotor. Daya maksimum yang diekstraksi dapat dicapai .bila kecepatan angin sesudah rotor 1/3 kali kecepatan sebelum rotor. 1.3 DEFENISI TURBIN ANGIN Turbin angin adalah suatu mesin konversi energi yang berfungsi untuk merubah energi kinetik melalui perputaran sudu rotornya (Harm Hofman, hal : 22). Dari perputaran sudu rotor tersebut akan memproduksi energi mekanik diporos rotasi. Dengan menghubungkan poros rotornya ke beban, sehingga turbin dapat digunakan sebagai penggerak mula (prime mover). Adapun defenisi menurut Djati Nursuhud (1997 : 95) yaitu Turbin angin atau biasa disebut kincir angin adalah suatu pesawat konversi angin menjadi energi mekanis atau tenaga listrik. Turbin angin telah lama dimanfaatkan oleh manusia dan dikembangkan secara modern sampai dengan saat ini. Turbin angin biasanya dihubungkan ke pompa air untuk keperluan pengairan daerah persawahan atau keperluan rumah tangga. Dalam hal ini turbin angin akan dihubungkan ke alternator untuk membangkitkan energi listrik dalam skala kecil. 1.4 KLASIFIKASI TURBIN ANGIN Ada berbagai jenis turbin angin yang dapat ditemui, mulai dari turbin angin yang konstruksinya masih sangat sederhana, sampai turbin angin yang rumit konstruksinya dan semakin canggih sistem pengoperasiannya. Turbin angin terbagi atas beberapa jenis, berdasarkan posisi poros rotor terhadap arah angin, dibedakan menjadi dua jenis: (Harm Hofman, hal : 22) 1. Turbin angin poros horizontal biasa disebut turbin angin aksial seperti rotor horizontal lambat, rotor horisontal cepat, turbin propeler.

8

2.

Turbin angin poros vertikal biasa disebut juga turbin angin radial, seperti rotor savonius, rotor Darrieus, Gy rowill. Dalam perkembangannya, turbin angin dibagi menjadi jenis turbin angin

propeller dan turbin angin Darrieus. Kedua jenis turbin angin inilah yang kini memperoleh perhatian yang besar untuk dikembangkan hal ini disinggung oleh Safaruddin (2003:2) sebagai berikut: 1. Turbin angin Propeller adalah jenis turbin angin dengan poros horizontal seperti baling-baling pesawat terbang pada umumnya. Turbin angin ini harus diarahkan sesuai dengan arah angin yang tinggi kecepatannya. 2. Turbin angin Darrieus adalah suatu sistem konversi energi angin yang digolongkan dalam jenis turbin angin berporos tegak. Turbin angin ini adalah pertama kali ditemukan oleh GJM Darieus pada tahun 1920. keuntungan dari turbin angin ini adalah tidak memerlukan mekanisme orientasi pada arah angin (tidak perlu mendeteksi arah angin yang paling tinggi kecepatannya) seperti pada turbin angin propeller. Dalam dunia turbin angin dikenal macam-macam sudu turbin angin berdasarkan sumbunya yaitu sumbu datar dan sumbu tegak. Untuk lebih jelasnya gambar tersebut dapat dilihat pada lampiran D. Dari gambar tersebut tidak terlihat model atau jenis sudu yang akan kami gunakan dalam perancangan turbin angin, akan tetapi sudu yang akan digunakan pada perancangan ini adalah terklasifikasi dalam jenis sudu sumbu tegak. Hal ini dapat dilihat dari nama sudu yaitu Vertical tripel Blade simetric airfoil. 1.5 PRINSIP KERJA TURBIN ANGIN Turbin angin bekerja atas dasar perbedaan tekanan angin dikedua sisi sudu. Perbedaan tekanan angin disebabkan oleh adanya rintangan sudu dari aliran gerak angin, yang menyebabkan gaya angkat (lift) dan gaya seret (drag). Gaya angkat yang ditimbulkan selanjutnya akan memberikan gerakan rotasi pada poros rotor. Dengan perantaraan transmisinya gerakan rotasi diteruskan keporos beban sehingga menghasilkan tenaga mekanik. Pada dasarnya udara mempunyai 4 unsur,

9

prinsip-prinsip aliran udara, yaitu tekanan statik, tekanan dinamik, garis-garis udara (streamlines), dan aliran di dalam tabung. (Nawawi; 1999 :7) 1. Tekanan statik Udara mempunyai berat, dengan beratnya ini menimbulkan tekanan, tekanan tersebut disebut tekanan statik. Contohnya : udara yang tenang (still air) menimbulkan tekanan statik. Tekanan ini aksinya kesegala arah adalah sama, jadi gayanya ke setiap benda adalah seimbang sehingga tidak ada resultan gayanya. 2. Tekanan dinamik Udara yang bergerak akan memberikan suatu energi tambahan. Hal ini dikarenakan kecepatannya. Jika udara yang bergerak ini ditahan suatu bidang permukaan, maka energi ini akan menyebabkan suatu tambahan tekanan terhadap permukaan bidang yang memaksanya tertahan atau terhenti, sehingga tekanan pada bidang itu diatas tekanan atmosfir. Tambahan tekanan pada permukaan bidang karena kecepatan udara tersebut disebut tekanan dinamik. Tekanan dinamik tergantung pada kerapatan udara () dan kecepatan udara (v). 3. Garis-garis arus udara Dalam gaya aerodinamik biasanya digunakan konsep arus udara (streamlines). Streamlines adalah garis-garis arus yang menggambarkan lintasan satu partikel dari aliran udara. Aliran udara atau cairan yang tidak berwarna susah atau sulit dilihat garis arusnya. Garis arus tersebut dapat dibuat dengan menghembuskan asap ke dalam suatu aliran udara atau dengan memberikan zat warna kedalam air. 4. Aliran didalam tabung Beberpa hal yang terpenting yang berkaitan dengan aliran suatu zat cair atau fluida, dapat diamati dengan suatu aliran didalam tabung. Dengan prinsip suatu aliran yang kontinyu, massa alir yang mengalir melalui tabung pipa adalah konstan. Artinya massa fluida yang melintas disetiap bagian adalah sama disetiap titik dalam tabung. massa alir didalam tabung

10

dengan luas penampang A, dan kecepatan alir adalah v, maka massa alir adalah :m = A.v. .............................................................

(2.1)

Angin merupakan perpindahan udara yang disebabkan oleh pengaruh atmosfer. Udara itu bergerak dengan kecepatan tertentu dan dalam keadaan tersebut, itu akan mengikuti hukum mekanika paling sederhana. Kita ketahui bahwa energi gerakan sebuah benda adalah sama dengan setengah dikali massa dengan kecepatan pangkat dua atau dengan rumus : (Abdul Kadir, hal 218) E= 1 2 m.Va 2 ...................................................................................... E = energi angin (Joule) m = massa udara (kg) Va = kecepatan angin (m/s) Jika partikel udara yang bergerak dengan kecepatan Va (m/s), sehingga setiap detik dipindahkan v (m3) udara melalui sudu itu, maka massa yang diperlukan dapat dijabarkan, bilamana suatu blok udara yang mempunyai penampang A (m2 ) dan bergerak dengan kecepatan Va (m/s), maka jumlah massa yang melewati suatu tempat adalah : = A. .Va ........................................................................................ m

(2.2)

Dimana,

(1.3)

Dimana : = massa flowrate (kg/s) m

A = luas penampang (m2) Va = kecepatan angin (m/s) = massa jenis (kg/m3) Maka energi tiap detik dan tiap m2, untuk permukaan dihasilkan oleh angin itu pada kecepatan Va (m/s) adalah: 1 3 Pa = . . A.Va 2 .................................................................................. Dimana : (1.4)

11

Pa = daya angin (watt) A = luas penampang (m2) Va = kecepatan angin (m/s) = massa jenis (kg/m3)

Gambar 1.1 Keadaan angin sebelum dan sesudah sudu pada sebuah kincir angin. (a) laju tekanan udara. (b) Laju kecepatan

Pada gambar 2.2 ditafsirkan secara bagan laju berbagai kecepatan. Dalam hal itu kecepatan angin, seperti yang terdapat di sekelilingnya dinyatakan dengan V1, sedangkan kecepatan yang tak jauh di belakang sayap dinyatakan dengan V2. Pada gambar bagian (a) menunjukkan laju tekanan yang seolah-olah udara dibendung di depan tatanan sayap. Dalam uraiannya tentang konsep energi yang dihasilkan angin, (Menurut Wartena 1987 : 12) mengatakan bahwa: Kecepatan didepan tatanan sayap adalah tiga kali lebih besar daripada beberapa jauh di belakangnya, yang berarti bahwa bumbung arus di belakang tatanan sayap adalah tiga kali lebih besar daripada di depannya. Jadi, diameternya menjadi 1,73 kali lebih besar. 3=

12

Akan tetapi dari berbagai penelitian ternyata, bahwa perbandingan V2 = 1/3 V1 yang dijabarkan secara matematika adalah cocok sekali dengan yang sebenarnya, sehingga dapat dijabarkan, bahwa kerugian secara teori yang mengalir dengan kecepatan V2 = 1/3 V1 adalah sama dengan 1/9, sehingga 8/9 dari energi semula akan tersisa, sedangkan hasil itu masih harus dikalikan dengan 2/3 akibat pelebaran pipa di tempat baling-baling. Dengan memasukkan faktor tadi, sehingga daya poros rotor maksimum menjadi : 8 2 1 3 Pmax = . . . . A.Va 9 3 2 ........................................................................ nilainya sama dengan 0,59 . Rumus ini untuk sementara hanya mempunyai nilai teori, karena masih harus diperhitungkan dengan beberapa kerugian sebagai berikut : Berbagai kerugian akibat gesekan udara dalam, udara yang tergantung pada bentuk dan rakitan sudu. Setiap kerugian itu dapat dimasukkan ke dalam efisiensi aerodinamik berkisar (0,3 0,8). Semua kerugian akibat gesekan bantalan yang bergantung pada rakitan bantalan, rante, gear, dan pelumasan, semua ini dapat dimasukkan kedalam efisiensi mekanik untuk perakitan yang baik tidak perlu kurang dari 0,9. Berbagai kerugian elektromekanik, bila energi listrik semua itu hanya ditentukan oleh efisiensi alternator (0,5 0,9). Dengan demikian, bila harga-harga efisiensi dipertimbangkan maka secara praktis daya yang dihasilkan oleh sebuah turbin angin putaran cepat adalah sebesar (Wartena, 1987 : 13): Pmax = 0,2.D 2 .Va3

(1.5)

Nilai perkalian 8/9 x 2/3 biasa disebut dengan koefisien Bitz, Cp yang

.............................................................................

(1.6)

Blade (baling-baling) turbin angin merupakan komponen yang paling utama dalam suatu turbin angin yang bertujuan menghasilkan kekuatan (daya angkat) sebagai bentuk dari pemanfaatan energi angin. Gaya angkat itu timbul karena adanya gerakan relatif antara sudu dengan udara yang selanjutnya

13

menimbulkan perbedaan tekanan antara sudu bagian depan dengan belakang atau bagian bawah dengan bagian atasnya. Perbedaan tekanan tersebut akan menyebabkan adanya suatu kekuatan atau gaya bekerja dari daerah yang bertekanan tinggi kedaerah yang bertekanan rendah . Gaya angkat yang terjadi secara umum akan dipengaruhi oleh beberapa faktor , seperti berikut ini : (Atmoko :1991:16) 1. Kecepatan relatif antara sayap dan udara Kita ketahui bahwa semakin tinggi kecepatan aliran udara melintasi sayap, maka semakin besar pula perbedaan tekanan yang terjadi dibagian depan dan belakang sudu. Akibatnya gaya angkat yang ditimbulkan juga semakin besar. 2. Luas Sayap Semakin luas sayap yang dipakai, akan semakin besar pula gaya angkat yang terjadi. Namun hal terpenting keringanan bahan yang digunakan. 3. Densitas Udara (Rapat massa udara) Semakin besar densitas udara yang mengalir melalui sudu maka semakin besar pula gaya dorong pada sudu yang terjadi. 4. Sudut antara penampang sudu dengan aliran udara Sudut antara penampang sudu dengan aliran udara biasanya disebut atau dikenal dengan istilah sudut serang (angle of attack). Penentuan sudut serang sangat berpengaruh dalam memperoleh gaya dorong yang baik, karena posisi sudut serang yang baik tentu akan menghasilkan gaya dorong yang baik pula/lebih besar. 5. Jumlah sudu Jumlah sudu sangat berpengaruh terhadap prestasi kerja turbin angin. Dimana makin besar/banyak jumlah sudu maka semakin tinggi pula kemampuan aerodinamik akan tetapi semakin besar pula kebutuhan bahan, makin berat serta makin besar pula biaya investasi untuk pembuatan sudu. yang perlu diperhatikan adalah

14

1.6 ALAT DAN BAHAN 1. Turbin angin 2. Blower sebagai sumber energi angin 3. Anemometer Digital 4. Tachometer 5. Neraca Pegas 6. Amperemeter dan Voltmeter 7. Kabel secukupnya.

Gambar . 1.2 Alat ukur Anemometer Digital 1.7 PROSEDUR PERCOBAAN 1. Menyiapkan peralatan yang akan digunakan 2. Letakkan turbin angin di depan blower 3. Atur kecepatan angin dengan memutar regulator tegangan blower. 4. Ukur kecepatan angin, putaran poros. 5. Untuk membebani turbin secara mekanik dapat dilakukan dengan menggunakan teknik rem prony dengan bantuan neraca pegas. 6. Untuk mengukur energy listrik pada generator dapat menggunakan amperemeter dan voltmeter. 7. Catat parameter-parameter yang telah diukur.

15

1.8 TABEL DATA HASIL PERCOBAAN No. Kecepatan Angin, Va (m/s) Suhu (oC) Putaran Beban (kg) Tegangan (V) Arus (A)

1.9 TABEL ANALISA HASIL PERCOBAAN No. Va(m/s) Suhu (oC) Beban (kg) Tegangan (V) Arus (A) Eangin (W) Emekani k (W) Energi Listrik Efesiensi Mekanik(% ) Efesiensi Total(%)

16

Tabel 3. Uraian mengenai keadaan angin dengan kecepatan angin yang terukur. Ska la Bea Skala uPetersen For t 0 Datar 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Datar Riakan ringan Riakan sampai bergelombang ringan Bergelombang Dahsyat Uraian jelas dari angin Lazim dipakai di laut Lazim dipakai di darat Tidak ada angin Suasana bunyi Lemah dan sunyi Kesejukan lemah Kesejukan ringan Kesejukan sedang Angin lemah Angin lemah Angin sedang Angin sedang Angin yang cukup kencang Angin yang cukup kencang Angin kencang Angin keras Angin taufan Taufan Taufan berat badai Kecepatan angin m/s 0-0,2 0,3-1,5 1,6-3,3 3,4-5,4 5,5-7,9 8,010,7 10,813,8 13,917,1 17,220,7 20,824,4 24,528,4 28,532,6 > 32,6 km/jam 0-1 2-5 6-11 12-19 20-28 29-38 39-49 50-61 62-74 75-88 89-102 103-117 > 117

Laut yang agak Angin sepoidahsyat sepoi Yang segar Laut yang liar Angin sepoisepoi yang kaku Laut yang tinggi Laut yang tinggi Laut yang sangat tinggi Laut yang luar biasa tinggi Dan liar Laut yang luar biasa tinggi Dan liar

17