Konversi Energi Angin

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. 2.

mengetahui proses konversi energi angin menjadi energi mekanik

mengetahui peubah yang yang mengubah angin menjadi energi mekanik dan merumuskannya dalam bentuk persamaan.

II. TINJAUAN PUSTAKA

1

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. 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 3

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 Ketinggian 10 m Kelas 1 2 3 4 5 6 7

Ketinggian 50 m Rapat daya Kecepatan

Rapat daya

Kecepatan

(W/m2)

(m/detik)

(W/m2)

(m/detik)

<100 100-150 150-200 200-250 250-300 300-400 >400

< 4.4 4.4-5.1 5.1-5.6 5.6-6.0 6.0-6.4 6.4-7.0 >7.0

<200 200-300 300-400 400-500 500-600 600-800 >800

<5.6 5.6-6.4 6.4-7.0 7.0-7.5 7.5-8.0 8.0-8.8 >8.8

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

4

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 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 5

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  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

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. 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.

7

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 1 2

Hasil pengukuran

Nilai

Nilai

Rata-rata

Kecepatan 1(V1)

maksimum 5.0 m/s

minimum 4.9m/s

4.95m/s

Kecepatan 2(V2)

6.0m/s

5.9m/s

5.95m/s

Rpm

203.5

131.4

167.45

putaran/5menit

putaran/5menit

putaran/5menit

=40.7

=26.28

=33.49

putaran/menit

putaran/menit

putaran/menit

=4.259 rad

= 2.75 rad

=3.5 rad

3

Tegangan

27.5 volt

4

Luas penampang

0.075m2

5

Diameter sudu kipas

24.2 cm

6

Suhu ruangan

7.

Daya motor

260C

25.70C 6 watt

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

11

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 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, 12

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 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 13

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

J>D>Madaras.

angin

Sistem

yang

ini

baru

mempunyai

telah jalan

diperkenalkan kereta

oleh

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

–

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- V12/(2g) ; V2 = 0

W = mV1/ (2g) ; m = PVA A = πD2/4 W = ρύAύ2 /(2g) = ρAV2/(2g) W = ρπD2V3 / 8g Persamaan energi pada aliran steadi : 14

(h1 + V12/(2g) + Z1) – (h2 + V22/(2g) + Z2)-W + Q =0 1. 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. 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

16

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