I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pencemaran di Indonesia sudah mencapai tingkat yang mengkhawatirkan.

Asap dari kendaraan bermotor seperti mobil dan sepeda motor juga turut andil

dalam proses pencemaaran lingkungan. Sehingga dapat digaris bawahi bahwa

sumber energi yang bersumber dari bahan bakar fosil menyebabkan pencemaran

lingkungan. Sehingga para peneliti berkerja keras menemukan sumber energi

yang ramah lingkungan.

Energi angin yang bersih, karena tidak menghasilkan polusi dan

ketersediaanya di alam cukup melipah, mendorong peneliti melakukan penelitian

akan potensi energi yang terdapat pada angin.

Oleh karena itu dengan mengetahui proses konversi energi angin menjadi

energi mekanik dapat menjadi bahan pertimbangan dalam pengembangan energi

angin menjadi salah satu sumber energi yang terbarukan dan tidak menimbulkan

polusi bagi lingkungan.

1.2 Maksud dan Tujuan

Adapun maksud dan tujuan dilakukan percobaan ini, adalah agar setelah

melaksanakan percobaan ini diharapkan agar dapat:

1. mengetahui proses konversi energi angin menjadi energi mekanik

2. mengetahui peubah yang yang mengubah angin menjadi energi mekanik

dan merumuskannya dalam bentuk persamaan.

1

II. TINJAUAN PUSTAKA

Energi angin adalah pemanfaatan angin sebagai sumber energi. Sistem

energi angin adalah perubahan energi kinetik (pergerakan) dari angin menjadi

energi mekanik atau listrik yang bisa dimanfaatkan untuk kepentingan praktis.

Energi mekanik yang berasal dari angin dapat dimanfaatkan pelayaran

(transportasi) dan kepentingan yang lainnya, seperti memompa air dari sumur

yang dalam dan menggiling gandum.

Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan yang tinggi ke tekanan

yang rendah, yang terjadi dialam. Udara yang bergerak tersebut mempunyai

massa, kerapatan dan kecepatan. Sehingga dengan adanya faktor-faktor tersebut,

angin mempunyai energi kinetik dan energi potensial. Akan tetapi faktor

kecepatan lebih mendominasi posisi massa terhadap permukaan bumi. Dengan

demikian energi kinetik lebih dominan daripada energi potensial.

2

Energi angin di Indonesia memiliki prospek yang menguntungkan untuk

dikembangkan. Angin merupakan udara yang bergerak. Udara tersebut bergerak

dari wilayah yang mempunyai tekanan atmosfer tinggi menuju daerah yang

mempunyai tekanan atmosfer yang lebih rendah. Makin besar perbedaan tekanan

makin cepat udara bergerak. Seandainya tekanan udara seluruh permukaan bumi

sama, kemungkinan tak akan ada angin. Namun hal tersebut tidak akan terjadi,

karena jika dilihat kondisi matahari yang menyinari dan menghangatkan sebagian

wilayah bumi dan sebagian wilayah lainnya yang tetap gelap. Ditempat yang

hangat udaranya akan mengembang dan mempunyai tekanan udara yang lebih

rendah dibanding udara ditempat yang gelap atau dingin. Sehingga pemanasan

yang tak merata dari permukaan bumi menimbulkan perbedaan tekanan, sehingga

menyebabkan angin.

Angin dikendalikan oleh energi dari matahari, merupakan udara yang

bergerak, sehingga ia mempunyai energi gerak yakni energi kinetik. Dahulu

sekitar tahun tahun 600-an energi tersebut oleh orang asia dalam hal ini persia

mulai digunakan untuk menghembuskan layar yang dipasang pada puncak

menara, dan disambungkan pada roda batu di bawah. Saat angin menerpa layar,

layar bergerak dan kemudian menggerakkan roda batu untuk berputar. Putaran

roda tersebut kemudian digunakan untuk menggiling jagung ataupun memompa

air dari sumur, merupakan mesin kreasi orang Asia untuk pertanian, yang

berteknologi lahir pada zamannya.

Masalah pertanian jadi masalah kehidupan sehari-hari. Mesin tersebut, kini

disebut orang dengan kincir angin angin. Sekitar 500 tahun kemudian kincir angin

tersebut dibuat pula oleh orang Eropa, awalnya dibangun di Prancis sekitar tahun

1180 kemudian di Inggris tahun 1187.

Pembuatan kincir angin di Eropa terus berlangsung besar-besaran hingga

abad ke-19, yang kemudian menurun pembangunannya setelah ditemukan energi

angin yakni energi uap dan minyak. Tapi pada abad 19 perkembangan kincir

angin ditandaidengan lahirnya kincir angin untuk keperluan pembangkit listrik,

saat itu kincir angin model pembangkit listrik mulai dibangun di Denmark pada

1890.

3

Kemudian 100 tahun setelah itu, yakni pada tahun 1992, Denmark

menguasai hampir 40% manufaktur turbin angin untuk kincir angin, dan

meningkat menjadi 60% pada tahun 1997. Dan itu merupakan manufaktur turbin

angin kincir angin seluruh dunia. Yang merupakan prestasi tersendiri dari

Denmark yang merintis sekian lama.

Karakteristik angin

Angin merupakan gerakan gerakan udara akibat pemanasan matahari yang

tidak merata pada permukaan bumi

Gaya-gaya mengendalikan angin terdiri dari gaya gravitasi bumi, gaya

gradien tekanan udara, gaya Coriolis dan gaya gesekan permukaan

Peredaran angin dapat dibagi menjadi :

Angin lokal; misalnya: angin darat dan angin laut, angin lembah dan angin

gunung dan angin turun kering

Angin musim (di Indonesia); misalnya: angin musim timur dan angin

musim barat

Angin global; misalnya: angin geostropik dan angin gradien

7 KELAS ANGIN

Kelas

Ketinggian 10 m Ketinggian 50 m

Rapat daya

(W/m2)

Kecepatan

(m/detik)

Rapat daya

(W/m2)

Kecepatan

(m/detik)

1 <100 < 4.4 <200 <5.6

2 100-150 4.4-5.1 200-300 5.6-6.4

3 150-200 5.1-5.6 300-400 6.4-7.0

4 200-250 5.6-6.0 400-500 7.0-7.5

5 250-300 6.0-6.4 500-600 7.5-8.0

6 300-400 6.4-7.0 600-800 8.0-8.8

7 >400 >7.0 >800 >8.8

4

Pada umumnya angin yang dipakai sebagai pembangkit energi adalah angin yang

ada dipemukaan bumi, yakni pada ketinggian maksimal 1 km.

Perilaku dan Potensi Angin

Perilaku angin dapat diprediksikan dari data angin. Data angin yang

terpercaya memerlukan pencatatan yang lengkap dan kontinyu selama beberapa

tahun minimal satu tahun. Data yang didekat dengan stasiun pengukuran dapat

diprediksi dengan cara melakukan pengukuran selama beberapa bulan dan

kemudian mengkorelasikan hasil-hasilnya dengan data di stasiun pengukuran.

Seperti diketahui bahwa energi yang dimiliki oleh angin bergantung pada

kecepatannya, dilain pihak kecepatan angin disuatu tempat merupakan variabel

random sehimgga sulit diprediksi secara akurat. Oleh karena itu diperlukan

penggambaran secara statistik yakni dengan distribusi probabilitasnya. Data

angin yang diperlukan untuk memprediksi potensi angin disuatu tempat dapat

berupa distribusi kecepatan dan distribusi frekuensi kecepatan angin. Kedua data

tersebut masing-masing menggambarkan kecepatan angin rata-rata dan frekuensi

atau lamanya angin bertiup dalam periode tertentu.

Perilaku Angin Sebagai Fungsi Kecepatan

Kecepatan angin bertambah dengan naiknya ketinggian

Adanya fluktuasi kecepatan angin, misalnya terjadi turbulensi pada suatau

selang waktu tertentu

Turbulensi secara acak terhadap selang waktu

Terdapat korelasi turbulensi pada ketinggian berbeda

Bertambahnya kecepatan angin terhadap naiknya ketinggian sangat

bergantung pada kondisi permukaan bumi di bawahnya, hal tersebut

berkaitan dengan gaya gesek permukaan

Kecepatan rata-rata angin sebagai fungsi ketinggian ditunjukkan oleh

grafik dibawah ini, dengan hubungan: U(z) = (u*/0.4) ln (z/zo)

Dimana U(z) adalah kecepatan rata-rata angin pada ketinggian z. Variabel

u* dan zo masing-masing kecepatan gesek (friction velocity) dan lebar

5

kekasaran (roughhnesslenght) yang keduanya bergantung pada kondisi

permukaan alam, misalnya untuk gurun pasir zo berkisar 0.0002 s.d. 0.001

meter, sementara untyuk daerah perkotaan dengan bangunan-bangunan

nilai zo berkisar 1 s.d. 2 m.

Pada ketinggian tertentu kecepatan angin tidak lagi dipengaruhi oleh

kondisi permukaan tanah, ketinggian tersebut dinamakan ketinggian

gradien (gradien height)

Selang waktu pengukuran kecepatan angin merupakan variabel random,

sehingga pengukurannya selalu berupa rata-ratanya pada selang waktu

tertentu. A nemograf mencatat variasi kecepatan angin horizontal dan arah

angin terhadapa waktu. Dari hasil eksperimen diketahui bahwa selang

waktu yang baik untuk menghitung rata-rata kecepatan angin adalah antara

20 menit sampai 1 jam.

Analisa Lokasi Pendirian Turbin Angin

6

Lokasi di sekitar tempat pendirian turbin sangat perlu diperhatikan karena

menentukan perilaku angin ditempat tersebut

Lokasi dapat berupa:

1. Dataran dengan kekasaran permukaan seragam (uniform roughness)

2. Dataran dengan kekasaran berubah (changes in roughness)

3. Dataran dimana lokasi tersebut dapat penghalang-penghalang aliran air

seperti bangunan-bangunan, pohon-pohon dll

4. Bukit (perabungan)

5. lembah atau jurang

6. Celah antara pegunungan dll

Pengembangan Energi Angin di Indonesia

Energi angin yang bersih karena tidak menghasilkan polusi dan selalu

tersedia mendorong penmeliti melakukan survei potensi energinya diseluruh

Indonesia. Hal ini telah dilakukan Lembaga Antarikasa dan Penerbangan Nasional

(lapan) di 20 daerah.

7

Namun, daerah yang mamiliki energi angin potensial di Indonesia

ternyata hanya beberapa. Kecepatan angin rata-rata tahunan di Indonesia. Hanya

di Indonesia terutama di Bali, Nusa Tenggara Barat (NTB) dan Nusa Tenggara

Timur (NTT) kecepatannya lebih dari 5 meter per detik, diperkirakan potensinya

setara dengan 448.342 mW.

Lokasi yang memiliki energi angin potensial adalah Denpasar, Nusa Dua,

dan pulau Nusa Penida di Bali seta Penfui di Kupang, NTT. Menurut pengamatan

Lapan, potensi angin di Penfui tergolong besar, yaitu sekitar 2.130 kWh per meter

persegi pertahun.

Pengukuran yang akurat dari keceptan angin memerlukan turbin angin

dan yang dapat meramalkan tangkapan energi. Alat yang umum digunakan dalam

pengukuran kecepatan angin disebut anemometer. Anemometer yang paling

sering digunakan adalah tipe mangkok yang terdiri atas mangkok kecil dan poros

yang berputar.

Alat yang mengubah energi kinetik pada angin ke bentuk energi yang

dapat dimanfaatkan disebut wind machine. Pada dasarnya, semua wind machine

memindahkan energi kinetik dari angin dengan menghembuskannya perlahan dan

merubahnya energi ini menjadi energi mekanik dengan menggerakan putaran

poros. Dua tipe dasar dari dari wind machine diklasifikasikan sebagai drag dan

lift type.

Pada umumnya untuk merubah energi angin menjadi energi mekanik dapat

dilakukan dengan menggunakan kincir angin. Dikenal dua jenis kincir angin yaitu

kincir angin berporos aksial dan berporos horizontal. Berdasarkan klasifikasi

tersebut dikembangkan berbagai jenis kincir antara lain jenis drag, lift dan

generik.

Untuk mengembangkan angin di suatu wilayah harus diperhatikan

beberapa faktor, antara lain:

1. kecepatan angin dan perubahan kecepatan rata-rata (30-40 km/jam)

2. turbulensi angin

3. topografi, dan

4. ketinggian hembusan angin di atas wilayah.

8

III. METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu

a. Waktu : Selasa, 6 Desember 2005; pukul : 13.00-14.30

b. Tempat : Lab. Instrumentasi

3.2 Prosedur

a. Menempatkan kincir dan kipas angin pada jarak tertentu

b. Mengukur luas penampang sudu kincir angin

c. Menyalakan kipas angin dengan berbagai kecepatan (tombol 1 dan 2)

d. Mengukur kecepatan angin dari kipas dengan anemometer

e. Mengamati putaran kincir dan mencatat RPM

f. Mengukur daya yang dihasilkan oleh kincir tersebut dengan menggunakan

AVO meter

9

IV. ALAT DAN BAHAN

Adapun alat dan bahan yang digunakan dalam pengukuran tenaga angin

ini adalah sebagai berikut :

Alat: - Model kincir angin savonius

- Kipas angin sebagai sumber tenaga angin

- Hand anemometer; digunakan sebagai alat pengukur kecepatan angin

- Tachometer; berfungsi sebagai alat yang digunakan untuk mengukur

banyaknya putaran kincir akibat sumber angin (rpm)

- Avo meter; mengukur besarnya Arus, Tegangan, dan hambatan dari

kincir angin

10

V. HASIL DAN PEMBAHASAN

5.1 HASIL PERCOBAAN

No Hasil pengukuran Nilai

maksimum

Nilai

minimum

Rata-rata

1

2

3

4

5

6

7.

Kecepatan 1(V1)

Kecepatan 2(V2)

Rpm

Tegangan

Luas penampang

Diameter sudu kipas

Suhu ruangan

Daya motor

5.0 m/s

6.0m/s

203.5

putaran/5menit

=40.7

putaran/menit

=4.259 rad

260C

4.9m/s

5.9m/s

131.4

putaran/5menit

=26.28

putaran/menit

= 2.75 rad

25.70C

4.95m/s

5.95m/s

167.45

putaran/5menit

=33.49

putaran/menit

=3.5 rad

27.5 volt

0.075m2

24.2 cm

6 watt

11

Pengukuran dengan menggunakan Multimeter

DCV = 0.25 – 10- 50- 250- 500 –1KV ±5% FS 4KΩ/V

AC =1 0 – 50 – 250 – 1 KV±5% FS 4KΩ/V

DCA = 0.25-25-500 mA ±5% FS

Ω = x 1K – x 10 – x 1(or continuity test)

BATT = 1.5 V dry battery test

Luas penampang (A) kincir

= 30 x 25 = 750 cm2 = 0.075 m2

Perhitungan Tenaga angin yang dihasilkan

W = ρπD2V3 / 8g

= 1 gr/cm3x0.242mx (5.45m/s)3/ 8.9,81m/s2

= 1000kg/m3x0.242mx161.8786m3/s3/78.48m/s2

= 499.165 J

P = W/t

= 499.165/300s

= 1.66 W

5.2 PEMBAHASAN

Percobaan konversi energi ini berkaitan dengan pengukuran tenaga yang

dihasilkan oleh angin. Hal ini cukup menarik, karena kondisi Indoesia yang

membutuhkan alternativ energi dari sumber yang tersedia namun alami. Potensi

yang dapat dijadikan sebagai energi alternative salah satunya angin. Praktikum ini

mencoba untuk mengkaji bagaimana potensi energi angina ini, serta untuk

mengetahui besarnya tenaga yang dihasilkan.

Percobaan ini dilakukan untuk membuktikan kalau angin memiliki potensi

untuk dijadikan sebagai sumber energi alternativ. Perhitungan besarnya tenaga

yang dihasilkan oleh angin, dihitung dengan menggunakan persamaan P= W/t,

sedangkan W diperoleh dari perhitungan dengan menggunakan persamaan W =

ρπD2V3 / 8g. Nilai usaha yang diperoleh 499.154 joule, dan nilai daya atau tenaga

yang dihasilkan oleh angin adalah sebesar 1.66 Watt.Nilai daya yang dihasilkan

12

ini berbeda cukup jauh dengan daya keluaran dari motor, yaitu 6 watt.

Pengurangan daya ini bisa saja disebabkan oleh tegangan dalam dari kipas angin

serta kesalah dalam pembacaan skala.

Pada praktikum ini, jenis kincir angin yang digunakan adalah jenis

savonius. Dengan jumlah putaran yang dihasilkan selama 5 menit adalah 33.49

putaran/5 menit. Jumlah putaran ini cukup minim. Banyaknya putaran dihitung

denganmenggunakan tachometer yang diarahkan pada batang kincir savonius.

Jumlah yang kurang tepat ini mungkin disebabkan oleh pada saat pengukuran,

tachomter tidak tepat diarahkan pada batang savonius, sehingga hasil yang

diperoleh tidak tepat. Bisa juga putaran yang minim ini disebabkan oleh beban

dari kincir angina savonius ini, serta konstruksi savonius tang tidak sempurna.

Banyaknya putaran menunjukkan seberapa kuat energi angina dapat

menggerakkan kincir dengan beban tertentu.

VI . BAHAN DISKUSI DAN LAPORAN

1. Tuliskan pustaka yang berkaitan dengan tinjauan pustaka konversi energi

angin menjadi mekanik

Turbin angin atau kincir angin, mengubah energi kinetik angin kedalam

kerja mekanis.Untuk memproduksi listrik bolak balik ac, system ini

didisain harus selalu beroperasi pada kecepatan sudut yang tetappada

kecepatan angin yang berubah-ubah agar di dapat frekuensi yang konstan

Ada bermacam-macam jenis kincir angin, termasuk tubin rpofeller dan

lain-lain turbin aliran aksial., juga system radial yang dipasang pada

sumbu tegak.

Sistem yang digerakkan angin telah digunkan secara luas sejak abad ke

sepuluh untuk memompa air, menumbuk biji, dan pemakaian lain yang

memerlukan daya kecil.

Ada beberapa usaha untuk membangun system tenaga angin skala

besarguna membangkitkan listrik. Dalam perencanaan sebuah kincir angin,

adalah penting untuk menjaga agar perbandingan daya dan berat sekecil

mungkin. Ini mengurangi tegangan yang diakibatkan oleh daya sentrifugal

13

sudu. Secara teoritis, jumlah daya yang dapat diserap kincir angin dari

angin adalah 59% untuk turbin dengan cerobong dan untuk turbin terbuka

kira-kira 50-57% dari harga ini karena adanya kebocoran dan efek-efek

lain. Daya yang dihasilkan oleh kincir angin secara langsung tergantung

dari luas daerah yang disapu oleh sudu dan daya angin persatuan luas yang

tegak lurus pada kecepatan angin sebanding dengan kecepatan angin

pangkat tiga.

Rottor Fletner adalah system yang digerakkan oleh angin ide baru yang

terdiri dari silinder yang diputar oleh sumber daya dari luar. Ketika

silinder berputar akan terjadi tekanan tinggi pada silinder yang berbalik

melawan angin yang disebabkan adanya stagnasi aliran dilapisan batas. Ini

menyebabkan kenaikan gaya yang bekerja pada silinder. Dan efek ini

disebut efek megnus atau gaya magnus.Sistem pembangkit tenaga listrik

yang menggunakan angin yang baru telah diperkenalkan oleh

J>D>Madaras. Sistem ini mempunyai jalan kereta berbentuk

lingkarandengan ekumpulan gerobak datar kontinu. Masing-masing

gerobak mempunyai silinder 90 ft yang dipasang diatas gerobak dan

masing-masing silinder diputar dengan kecepatan 120 rpm. Ketika angin

mendorong gerobak sepanjang lintasannya, kcepatan sudut silinder

dibalik. Energi listrik diproduksi oleh generator yang digerakkan oleh roda

kereta.

Perencanaan dan suksesnya generator yang digerakkan oleh angin dalam

skala besar memiliki tantangan yang besar. Jika system direncanakan

untuk produksi listrik bolak balik, dibituhkan gaya dan kecepatan sud yang

konstan, saying sekali kecepatan angin tidak konstan baik dalam arah

maupun besarnya.Hal ini menyebabkan beban siklu yang lebih beratpada

sayap turbin dan menyebabkan masalah kelelahan.

2. Turunkan persamaan umum potensi energi atau daya pada kincir!

Mekanisme proses kincir angin :

- Hukum ke I thermodinamika

DQ = dh + d (V2/2g) + dZ + dW

14

- Hukum kedua thermodinamika

DQ = Tdg

Tdg = dh – PdV

Gabungan persamaan (1), (2), dan (3):

DW = - Pdv –d (V2/2g)

Diasumsikan P1 = P2

DW = - d (V2/2g)

W = -V22- V1

2/(2g) ; V2 = 0

W = mV1/ (2g) ; m = PVA

A = πD2/4

W = ρύAύ2 /(2g) = ρAV2/(2g)

W = ρπD2V3 / 8g

Persamaan energi pada aliran steadi :

(h1 + V12/(2g) + Z1) – (h2 + V2

2/(2g) + Z2)-W + Q =0

2. Berikan komentar mengenai peragaan kincir yang dijadikan percobaan

pada praktikun ini, berikan penjelasannya!

Jenis kincir angin yang digunakan dalam percobaan ini adalah jenis kincir

angin savonius. Bentuk kincri ini menyerupai lempengan yang dibentuk

huruf s. Dari hasil peragaan pada praktikum pengukuran besarnya tenaga

angin, kincir savonius dapat menghasilkan putaran rata-rata sebanyak

33.49 putaran per 5 menit. Besarnya daya yang dihasilkan kipas akan

berbanding lurus dengan banyaknya putaran dan berbanding terbalik

dengan beban dari kincir angina. Jika daya yang dihasilkan besar maka

jumlah putaran dari kincir akan maksimal persatuan waktu, namun akan

sedikit jika beban yang terdapat dalam kincir angin berat.

15

VI. KESIMPULAN DAN SARAN

7.1 Kesimpulan

1. Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan yang tinggi ke tekanan

yang rendah, yang terjadi dialam.

2. Energi angin adalah pemanfaatan angin sebagai sumber energi. Sistem

energi angin adalah perubahan energi kinetik (pergerakan) dari angin

menjadi energi mekanik atau listrik yang bisa dimanfaatkan untuk

kepentingan praktis

3. Angin dikendalikan oleh energi dari matahari, merupakan udara yang

bergerak, sehingga ia mempunyai energi gerak yakni energi kinetik.

4. Alat yang umum digunakan dalam pengukuran kecepatan angin disebut

anemometer.

5. Nilai usaha yang diperoleh 499.154 joule, dan nilai daya atau tenaga yang

dihasilkan oleh angin adalah sebesar 1.66 Watt.

6. Nilai daya yang dihasilkan ini berbeda cukup jauh dengan daya keluaran

dari motor, yaitu 6 watt. Pengurangan daya ini bisa saja disebabkan oleh

tegangan dalam dari kipas angin serta kesalah dalam pembacaan skala.

16

7.2 Saran

Untuk mengembangkan angin di suatu wilayah harus diperhatikan beberapa

faktor, antara lain:

kecepatan angin dan perubahan kecepatan rata-rata (30-40 km/jam)

turbulensi angin

topografi, dan

ketinggian hembusan angin di atas wilayah.

VIII. DAFTAR PUSTAKA

Hidayat, S. 2005. Turbin Skala Kecil. ITB. Bandung

Steiner, F.R. CIGR.1999. CIGR Handbook of Agricultural Engineering. American

Society of Agricultural Engineers.

Culp, Archie W. 1985. Prinsip-Prinsip Konversi Energi. Terjemahan oleh Darwin Sitompul. Erlangga : Bandung

17