ANALISIS PERHITUNGAN DAYA ANGIN DI SEKITAR

BANDARA TJUT NYAK DHIEN NAGAN RAYA

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Dari Syarat-syarat Yang Diperlukan Guna

Memperoleh GelarSarjana Teknik Pada Universitas Teuku Umar

Disusun Oleh :

TEUKU JULIZAR

NIM : 06C10202020

JURUSAN : Teknik Mesin

BIDANG : Teknik Konversi Energi

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS TEUKU UMAR

ALUE PEUNYARENG – ACEH BARAT

2014

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pemanfaatan energi angin dengan menggunakan kincir angin sebagai alat

konversi energi sudah dikenal sejak ratusan tahun yang lalu. Di Eropa khususnya

Belanda, mulai abad XII kincir angin telah digunakan sebagai penggerak pompa

untuk sistem bendungan pada daerah-daerah pantai (Soeripno,1993).

Sejak ditemukannya minyak bumi kecenderungan pemanfaatan energi

angin untuk tata kehidupan manusia mulai menurun. Keadaan ini berlangsung

hingga terjadinya krisis energi. Manusia mulai menyadari perlunya

pengembangan pemanfaatan sumber energi non minyak termasuk pengembangan

pemanfaatan energi angin (Soeripno,1993).

Pemanfaatan sumber energi non minyak ini antara lain meliputi

permasalahan sebagai berikut.:

1. Pemanfaatan sumber energi non konvensional dan sumber energi yang dapat

diperbaharui.

2. Penggunaan sistem konversi energi dengan efisiensi cukup tinggi.

3. Penggunaan sistem konversi energi yang sederhana.

Energi angin sebagai suatu sumber energi yang dapat diperbaharui sudah

sepatutnya untuk dimanfaatkan sebaik-baiknya. Hal ini disebabkan adanya

beberapa faktor pendorong pengembangan pemanfaatan energi angin, seperti:

Energi angin merupakan energi lokal yang tidak memerlukan berbagai bentuk

2

pengadaan dan transportasi, sehingga sangat bermanfaat untuk daerah pedesaan

dan Pengaruh teknologi pemanfaatan energi pada lingkungan, sejauh yang

diketahui dewasa ini tidak mengganggu kelestarian lingkungan. (Soeripno,1993).

Apabila ditinjau pemanfaatan energi angin ini secara garis besar

berorientasi pada kebutuhan energi lokal atau pedesaan. hal ini menimbulkan

pandangan bahwa teknologi energi angin ini tepat untuk dikembangkan di

Indonesia, mengingat, wilayah Indonesia terdiri dari banyak wilayah pedesaan,

yang potensi anginnya memadai (Soeripno,1993).

Apabila ditinjau struktur dari sistem ini, maka permasalahannya secara

umum meliputi: Bagian rotor atau sudu yang fungsinya sebagai penangkap angin

dan meneruskannya ke poros dan sistem transmisi daya poros untuk menghasilkan

kerja berguna atau untuk konversi energi dalam bentuk lain, misal energi listrik.

Keduanya bertujuan mengkonversikan energi angin menjadi energi mekanis, yang

nantinya mungkin dimanfaatkan langsung sebagai penggerak pompa, penggerak

atau generator listrik (Soeripno,1993).

1.2 Rumusan Masalah

Untuk menjamin kesinambungan pemanfaatan energi angin, berbagai

rancangan pembuatan rotor atau sudu sebagai penangkap angin terus

dikembangkan dalam penelitian.

Dalam kesempatan ini penulis merencanakan kincir angin sudu airfoil

NACA 2410. Dipilihnya geometri airfoil NACA 2410 sebagai sudu kincir angin

karena konstruksinya sederhana yang memungkinkan pembuatan, pemeliharan

3

dan perbaikan dengan peralatatan bengkel yang sederhana dan mempunyai

manfaat yang sangat besar.

1.3 Tujuan Penelitian

Menganalisa Perhitungan Daya Angin di Sekitar Bandara Tjut Nyak Dhien

Nagan Raya.

1.4 Batasan Masalah

Pada perencanaan sudu kincir angin ini perhitungan diarahkan untuk

mendapatkan dimensi sudu kincir angin. Sedangkan perhitungan khusus untuk

menghitung kekuatan konstruksi kincir angin tidak dilakukan.

Pada perencanaan sudu kincir angin, dimensinya didasarkan pada besarnya

kecepatan angin dilokasi perencanaan yaitu di lakukan di Badan Meteorologi

Klimatologi dan Geofisika Stasiun Tjut nyak dhien Nagan Raya.

4

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Cara Kerja Kincir Angin

Dalam kerjanya, kincir angin mengkonversikan energi kinetik menjadi

energi mekanis yang kemudian akan memutar melalui poros engkol dan

mengerakkan pompa. Energi mekanis ini selanjutnya dapat dimanfaatkan untuk

memutar pompa air, generator, aerator dan lain-lain (Atmadi, 1982).

Bagian terpenting di dalam pengubahan energi kinetik angin menjadi

energi mekanik adalah rotor yang terdiri atas sudu-sudu. Sudu-sudu inilah yang

akan menghasilkan gaya lift sehingga dapat menggerakan rotor untuk berputar

(Atmadi, 1982).

Gambar 2.1 : Gaya lift pada sudu kincir angin

Sumber : Atmadi 1982

5

2.2 Teori Momentum Aksial

Dengan teori ini dilakukan analisis untuk mengetahui unjuk kerja dari

sistem Konversi Energi Angin (SKEA) ideal. Asumsi-asumsi dan ketentuan yang

disyaratkan untuk kondisi kerja dari kincir angin ideal adalah sebagai berikut:

1. Aliran uniform

2. Tekanan udara jauh sebelum dan sesudah meninggalkan sistem dianggap sama

dengan tekanan sekeliling

3. Kerapatan udara tetap (Robert W Fox, 1985).

Ada beberapa persamaan dasar yang akan digunakan dalam teori ini yaitu :

1. Kekekalan massa.

Terjadi kekekalan massa selama angin melintas sistem kincir angin

333222111 AVAVAV ............................................................................. [2.1]

2. Perubahan Momentum

Terjadi gaya thrust (Tthr) pada rotor yang disebabkan perubahan

momentum angin masuk dan meninggalkan sistem kincir angin.

2

222

2

111 AVAVTthr ................................................................................... [2.2]

3. Perbedaan Tekanan

Terjadi perbedaan tekanan antara kedua sisi rotor kincir angin, sisi depan

(Pb) dan sisi belakang (Pc). Gaya thrust yang terjadi dapat juga dinyatakan

dengan perbedaan tekanan antara Pb dan Pc dikalikan dengan luas rotor.

APPT cbthr ............................................................................................. [2.3]

4. Mengabaikan Elevasi

6

Menggunakan persamaan Bernoulli dengan mengabaikan faktor elevasi.

tan2

1 2 konsVgzP

tan2

1 2 konsVP .................................................................................... [2.4]

Gambar 2.2 : Notasi pada teori momentum aksial

Sumber : Atmadi 1982

Dari gambar 2.2 diatas dengan menggunakan persamaan Bernoulli antara

titik 1 dengan titik b didapat :

22

112

1

2

1AXb VVP

............................................................................ [2.5]

Untuk titik c dan 2 didapat :

2

22

2

2

1

2

1VPVP AXc

............................................................................. [2.6]

Dari kedua persamaan Bernoulli ini dapat dicari beda tekanan antara titik b

dan c, dengan mengeliminasi faktor-faktor yang sama.

2

2

2

12

1VVPP cb

.................................................................................. [2.7]

7

Dan gaya Thrust pada persamaan 2.3 dapat diubah menjadi :

2

2

2

12

1VVATthr

...................................................................................... [2.8]

Persamaan momentum dapat diubah menjadi persamaan berikut dengan

prinsip kekekalan massa :

21 VVAVT AXthr ..................................................................................... [2.9]

Dari persamaan 2.8 dan 2.9 akan didapat hubungn antara V1 dan V2

dengan VAX, yaitu :

212

1VVVAX

........................................................................................... [2.10]

Besarnya VAX lebih kecil dari V1, hal ini disebabkan adanya “Induced

Velocity” yaitu sebagian vektor kecepatan angin yang melewati rotor kincit dan

tidak dimanfaatkan untuk memutar sudu. Besarnya faktor ini dilambangkan

dengan a.

Maka secara sistematis besarnya VAX dapat dinyatakan sebagai :

11 VaVAX ................................................................................................ [2.11]

Dengan mensubstitusikan persamaan 2.11 dan 2.10 maka didapat :

aVV 2112 ................................................................................................ [2.12]

Daya yang dihasilkan kincir angin adalah perubahan energi kinetik dan

massa aliran udara yang melalui luasan rotor, dapat dituliskan :

2

2

2

12

1VVAVN AX

................................................................................. [2.13]

8

Dengan memasukkan persamaan 2.11 dan 2.12 maka persamaan daya

menjadi:

3

1

2

2

114 AVaaN

................................................................................... [2.14]

Pada persamaan 2.14 tampak bahwa data yang dihasilkan oleh rotor

merupakan kuadrat faktor induksi aksial. Maka untuk mendapatkan harga daya

maksimal yang dihasilkan oleh rotor secara teoritis harga da

dN harus sama dengan

nol.

02

114 3

1

2

AVaa

da

d

da

dN

............................................................... [2.15]

Dari persamaan 2.15 akan didapat harga a untuk daya maksimum, yaitu

pada a = 1/3. Jika nilai a ini didistribusikan ke persmaan 2.14 didapatkan :

3

12

1

27

16AVNmaks

......................................................................................... [2.16]

Dimana :

Nmaks = Daya maksimum ideal teoritis kincir angin (watt)

ρ = Density udara (kg/m3)

A = Luas bidang putar sudu kincir angin (m2)

V1 = Kecepatan udara bebas (m/dt)

Bila dibandingkan dengan daya yang dapat diberikan oleh angin (N) yang

besarnya :

3

12

1AVN

................................................................................................... [2.17]

9

Maka daya yang dihasilkan oleh suatu SKEA secara ideal hanya sebesar

0,593 dari jumlah energi yang dimiliki oleh angin dapat dimanfaatkan menjadi

energi mekanik. Jadi efesiensi maksimum suatu kincir angin adalah sebesar 59,3%

(Djijidihardjo, 1982).

2.3. Daya, Torsi dan Kecepatan

Suatu sudu kincir angin dapat berputar disebabkan adanya komponen gaya

angkat pada permukaan airfoil sudu saat angin melaluinya. Komponen gaya

angkat ini merupakan gaya tangensial sudu yang mempunyai jarak (lengan)

tertentu terhadap sumbu putar (Djijidihardjo, 1982).

Hasil kali antara gaya tangensial dengan lengan sering disebut torsi (T).

Seadainya sudu ini berputar dengan kecepatan tertentu (Ω), maka daya (N) yang

timbul sebesar :

.TN ........................................................................................................ [2.18]

Dimana : T = Torsi (Nm)

N = Daya (Watt)

Ω = Kecepatan sudut (rad/dt)

Telah dibahas sebelumnya bahwa energi kinetik yang dimiliki angin tidak

seluruhnya dapat dikonversikan menjadi gaya mekanik. Dengan demikian telah

terjadi kerugian daya sehingga daya mekanis yang sesungguhnya dihasilkan oleh

rotor kincir angin menjadi lebih kecil dari daya angin (Djijidihardjo, 1982).

10

2.4 Airfoil

Sudu kincir angin sering kali berpenampang airfoil, tetapi adakalanya sudu

ini memilii profil plat lengkung yang merupakan penyederhanaan dari bentuk

airfoil (Clanc LJ, 1975).

Pada gambar 2.3 dapat dilihat bahwa ketika udara mengalir melalui suatu

bentuk airfoil terbentur oleh hidung (nose) dari airfoil sehingga terpecah di titik a.

Angin tersebut melintasi lintasan yang berbeda dan sampai di titik b dalam waktu

yang sama. Lintasan punggung dari airfoil lebih panjang sehingga di daerah ini

kecepatan angin lebih cepat dibandingkan dengan daerah bawah (perut) airfoil.

Terjadinya perbedaab kecepatan ini akan menimbulkan perbedaan tekanan.

Tekanan pada perut airfoil lebih besar dari tekanan pada punggung airfoil

sehingga terjadilah gaya angkat (Lift) yang arahnya tegak lurus terhadap aliran

udara. Disamping itu terjadi gaya tahan (Drag) yang searah dengan aliran (Clanc

LJ, 1975).

2.5 Teori Elemen Sudu

Pada teori momentum aksial yang telah dibahas dimuka, telah didapatkan

hubungan antara luasan sudu kincir angin dengan daya yang dihasilkan. Tetapi

beberapa parameter perencanaan seperti jumlah sudu, lebar sudu, sudut serang dan

sudut puntir belum disinggung sama sekali. Untuk mengetahui parameter-

parameter tersebut dikembangkanlah suatu teori yang biasa disebut Teori Elemen

Sudu (Djijidihardjo, 1983).

11

2.5.1 Efek Sudut Puntir (Twist) pada kemampuan suatu sudu.

Seperti telah diuraikan pada bahasan mengenai airfoil, bahwa sudu kincir

angin mempunyai sudut serang tertentu terhadap arah datangnya angin. Sudut

serang ini sedemikian rupa sehingga menghasilkan daya angkat terbaiknya. Sudu

kincir angin berputar disebabkan gaya angkat pada permukaan sudu ketika udara

dengan kecepatan tertentu melaluinya, seperti gambar berikut:

Gambar 2.4 : Vektor kecepatan pada elemen sudu

Sumber : Utomo 1991

Ketika sudu kincir angin berputar dengan kecepatan sudut tertentu terjadi

perbedaan linear di sepanjang sudu. Kecepatan di bagian tepi (tip) relatif lebih

besar dibandingkan dengan di bagian akar (root). Akibatnya gaya angkat yang

terjadi di sepanjang tersebar merata (Utomo, 1991).

Untuk mendapatkan gaya angkat yang merata di sepanjang sudu yaitu

dengan cara mengatur besarnya sudut serang efektif pada tiap titik di sepanjang

sudu berbeda-beda, dimana bagian akar mempunyai sudut serang efektif yang

lebih besar dari pada di bagian tepi. Konsekuensinya didapatkan bahwa besarnya

12

sudut puntir β (Twist) di bagian akar lebih besar dan di bagian tepi lebih kecil

(Utomo, 1991).

2.5.2 Efek Putaran Wake (Olakan)

Pada teori momentum aksial telah diasumsikan bahwa tidak terjadi putaran

wake di sekitar sudu-sudu kincir angin. Tetapi pada kenyataan sesungguhnya

untuk mencari dimensi geometri sudu efek dari putaran wake ini tidak dapat

diasumsikan begitu saja, karena wake merupakan penyebab kerugian daya.

Terjadinya putaran wake dapat dimengerti dari gambar di bawah ini :

Gambar 2.6 : Sketsa terjadinya putaran wake

Sumber :Utomo 1991

Sudu-sudu dialiri udara dari arah tegak lurus bidang putar, selanjutnya

aliran udara akan berbelok yang disebabkan bentuk sudu dan torsi yang diberikan

sudu. Maka udara setelah melalui rotor akan berputar berlawanan arah dengan

arah putaran rotor. Sehingga pada permukaan airfoil sudu-sudu teijadi aliran

singkat yang mengakibatkan turunnya perbedaan tekanan pada kedua permukaan

tersebut. Akibatnya gaya angkat (Lift) yang dihasilkan sudu-sudu akan turun

(Utomo, 1991).

13

2.6 Teori Elemen Sudu

Pada teori momentum aksial dan teori efek putaran wake seperti yang

telah dibahas sebelumnya masih belum terlihat parameter perncanaan yang

berhubungan langsung dengan dimensi sudu kincir angin. Pada pembahasan teori

elemen sudu ini akan kita dapatkan persamaan yang berhubungan langsung

dengan dimensi sudu kincir angin. Yaitu dengan menggabungkan kedua teori

sebelumnya dengan teori elemen sudu.

Secara umum teori ini adalah menghitung gaya-gaya (Drag dan Lift) yang

terjadi pada suatu potongan penampang airfoil (elemen) sudu kincir angin.

Kemudian mengintegralkan sepanjang sudu, selanjutnya dikalikan dengan jumlah

sudu yang ada pada suatu rotor kincir angin untuk mendapatkan gaya thrust dan

torsinya ((Atmadi, 1982).

Gambar 2.7 : Notasi teori elemen sudu

Notasi yang dipakai dalam analisis ini dapat dilihat pada gambar diatas,

sedangkan elemen gaya angkat dan gaya hambat yang terjadi pada elemen sudu

diambil dari persamaan 2.23 dan 2.24 selanjutnya ditulis ulang menjadi :

14

drCVrClL 2

2

1

......................................................................................... [2.19]

drCVrClD 2

2

1

........................................................................................ [2.20]

Dimana : C = Panjang tali busur pada elemen sudu

Vr = Kecepatan relatif udara

Lihat gambar diatas, arah putaran sudu kincir angin adalah sejajar dengan

sumbu x dan gaya angkat sejajar dengan sumbu y.

Bila gaya-gaya yang berkerja pada elemen sudu diuraikan menurut sumbu

x dan sumbu y, akan kita dapatkan gaya thrust dan torsi :

sincos CddLdTthr .......................................................................... [2.21]

sincos CddLdT ............................................................................. [2.22]

Pada rotor yang mempunyai jumlah sudu B dan dengan memasukkan

persamaan 2.32 dan persamaan 2.33 maka besarnya gaya thrust dan torsi menjadi:

drCBVCddLdT rthr

2

2

1sincos

...................................................... [2.23]

drCBVsnCddLdT r

2

2

1cos

.......................................................... [2.24]

Dari gambar besarnya sudut tanΦ adalah :

ra

a

Ra

Va

'' 1

1

1

1tan

...................................................................... [2.25]

cos

1

sin

1 ' eaVaVr

.............................................................................. [2.26]

Dan juga jika Local Solidity Ratio (σ) didefinisikan :

15

r

BC

2

.......................................................................................................... [2.27]

Jika persamaan 2.38, 2.39 dan 2.40 dimasukkan kedalam persamaan 2.36

dan 2.37 akan didapatkan :

drrVCl

CdCladTthr

2

2

1tan1

sin

cos1 2

2

2

................................. [2.28]

drrrCl

CdCladT

2

2

1

tan1

cos

sin1 22

2

2'

................................. [2.29]

Dengan mengkombinasikan persamaan 2.41 dengan 2.29 dan persamaan

2.42 dengan 2.31 akan didapat persamaan :

tan1

sin

cos

1

42' Cl

CdCl

a

a

................................................................. [2.30]

tan1

cos1

4'

'

Cl

CdCl

a

a

......................................................................... [2.31]

Karena besarnya Cd/Cl adalah minimum persamaan 2.43 dan 2.44 dapat

disederhanakan menjadi :

2sin

cos

1

4 Cl

a

a

.......................................................................................... [2.32]

cos1

4'

' Cl

a

a

........................................................................................... .... [2.33]

16

Sedangkan hubungan antara a dengan a’ adalah sebagai berikut :

14

31'

a

aa

...................................................................................................... [2.34]

Jika persamaan 2.47 disubstitusikan kedalam persamaan 2.46 kemudian

dirupakan fungsi a. Selanjutnya fungsi a ini disubstitusikan kedalam persamaan

2.45 akan diperoleh :

cos14Cl ........................................................................................... [2.35]

Dengan mensubstitusikan Local Solidity Ratio (Persamaan 2.40) kedalam

persamaan 2.48 diatas akan didapatkan :

cos1.

8

ClB

rC

....................................................................................... [2.36]

Persamaan diatas dapat digunakan untuk mencari panjang tali busur (C)

terhadap tiap-tiap elemen sudu berjarak r dari pusat. Sedangkabn besarnya sudut

Φ pada persamaan diatas menurut jansen, WAM adalah sebesar :

cos1arctan3

2

.................................................................................. [2.37]

Dengan besarnya λr pada persamaan 2.50 menurut jansen, WAM pula

adalah sebesar :

R

rr

......................................................................................................... [2.38]

Dari gambar 2.6 besarnya sudut β adalah :

....................................................................................................... [2.39]

17

2.7 Dasar Perhitungan Daya

Besarnya daya poros yang dihasilkan oleh rotor kincir angin dapat ditulis

sebagai berikut :

235,0 RxxVxxxCpP uk ...................................................................... [2.40]

Dimana : Pk = Daya kincir angin (Watt)

Cp = Koefesien daya rotor

ρu = Massa jenis udara (1,2 kg/m3)

V = Kecepatan angin (m/dt)

R = Jari-jari rotor (m)

Dalam keadaan stasioner, besarnya daya poros dari kincir angin ini harus

sama dengan besarnya daya mekanis untuk menggerakkan pompa. Jadi

persamaannya :

pompamekanikkincir PP ......................................................................................... [2.41]

Daya mekanis pompa torak dapat dinyatakan sebagai :

p

PP hidrolis

kincir

................................................................................................ [2.42]

Dimana :

Phidrolis = Daya yang digunakan untuk memompa air tanpa gesekan

yang mencakup daya mekanis.

ηp = Efesiensi pompa

Adapun daya hidrolis dapat dihitung dengan persamaan :

qxHxgxP whideolis .................................................................................. [2.43]

Dimana : ρw = Massa jenis air laut (1025 kg/m3)

18

g = Percepatan gravitasi (9,81 m/dt2)

H = Tinggi pemompaan (m)

q = Jumlah air yang dipompakan (m3/dt)

Dan besarnya q dapat dinyatakan dengan persamaan :

i

nxQq

........................................................................................................ [2.44]

Dimana : Q = Volume air yang dipompakan per siklus pemompaan

N = Jumlah putaran rotor per detik (rps)

i = Angka transmisi

Kemudian besarnya Q dihitung dengan persamaan :

sdQ 2

4

..................................................................................................... [2.45]

Dimana : d = Diameter silinder pompa (m)

s = Panjang langkah torak (m)

Jadi persamaan 2.56 dapat ditulis kembali :

i

nxdxxsxHxgxP whidrolis

2

4

............................................................ [2.46]

Adapun putaran rotor diperoleh dengan hubungan sebagi berikut :

)(30

rpmRx

Vxxn

...................................................................................... [2.47]

)(2

rpmRxx

Vxn

....................................................................................... [2.48]

Dimana : n = Putaran rotor

λ = Ratio kecepatan ujung (Tip Speed Ratio)

19

V = Kecepatan angin rata-rata (m/dt)

R = Jari-jari rotor (m)

Agar dapat memompa air maka daya yang dimiliki oleh kincir angin harus

lebih besar dari daya yang digunakan untuk pemompaan, sehingga persamaan

2.55 menjadi:

p

PP hidrolis

kincir

.............................................................................................. [2.49]

Dengan memasukan persamaan 2.53, 2.59 dan 2.61 kedalam persamaan

2.62 akan didapat jari-jari kincir angin yaitu:

Ri

VdxsxHxgxwxpxRxxVxuxxCp

45,0

223

ixpxxVxuxCp

xdxsxHxgxwR

2

23

4

...................................................................... [2.50]

2.7.1 Teori Perhitungan Data Angin

Data angin sangat besar pengaruhnya dalam perencanaan sudu kincir

angin, untuk memperoleh informasi data angin dapat diperoleh dari stasiun

meteoroiogi dan geofisika terdekat dari rencana lokasi penempatan kincir angin

(Darwing Sembahyang,1978).

Untuk memperoleh gambaran potensi angin, dari data angin yang ada selanjutnya

diolah dan akan digambarkan :

1. Distribusi kecepatan dan arah angin rata-rata dan kecepatan maksimum

perbulan.

2. Distribusi relative arah angin

20

3. Distribusi peluang arah dan kecepatan angin

4. Frekuensi kecepatan angina

2.7.2 Distrbusi Kecepatan Dan Arah Angin

Untuk menyusun diagram kecepatan dan arah angin digunakan rumus

sebagai berikut :

1. Kecepatan angi rata-rata

N

ViV

Dimana : V = Kecepatan rata-rata angin tiap bulan

Vi = Kecepatan angin tiap hari

N = Jumlah hari

2. Distribusi arah angin rata-rata

Distribusi arah angin rata-rata adalah arah angin yang paling banyak

terjadi selama waktu pengamatan.

2.7.3 Frekuensi Kecepatan Angin

Frekuensi kecepatan angin menyatakan distribusi jumlah hari

berlangsungnya kecepatan angin tertentu pertahun, dinyatakan sebagai persentase

terhadap jumlah hari pengamatan selama satu tahun (Darwin Sembahyang).

Untuk memperoleh frekwensi kecepatan angin dipergunakan rumus :

%100xVT

VTVP

.................................................................................. [2.51]

Dimana : P(V) = Kemungkinan bertiupnya angin dengan kecepatan V

T(V) = Jumlah hari bertiupnya angin dengan kecepatan V per tahun

21

ΣT(V) = Jumlah hari pengamatan per tahun

2.7.4 Distribusi Peluang Arah Dan Kecepatan Angin

Informasi ini berguna untuk menentukan arah dan kecepatan angin utama,

untuk mempertimbangkan orientasi suatu kincir angin yang rotornya mempunyai

kedudukan arah yang tetap (Darwin Sembahyang, 1978). Harga persentase

frekwensi komulatif range kecepatan dengan arah tertentu didefinisikan oleh

rumus :

%100xAVT

AVTVP

...................................................................... [2.52]

Dimana:

T(>V)A = Jumlah jam komulatif kecepatan V, dibanding dengan arah A

pertahun

ΣT(>V)A = Jumlah total jam komulatif kecepatan V, dilampaui dengan

arah A selama waktu pengamatan

P(>V) = Prosentase frekuensi komulatif range kecepatan dengan arah

tertentu.

22

BAB III

METODOLOGI PERENCANAAN

Adanya variasi-variasi pada berbagai jenis Sistem Konversi Energi Angin

(SKEA) menyebabkan unjuk kerja yang dihasilkan oleh suatu kincir angin akan

berbeda-beda. Variasi-variasi ini disebabkan adanya beberapa faktor yang

mempengaruhi hasil perencanaan suatu kincir angin. Faktor-faktor perencanaan

ini selanjutnya disebut sebagai perameter perencanaan kincir angin (Daniel V

hunt,1981).

Pemanfaatan energi angin melalui suatu SKEA sebaiknya diketahui lebih

dahulu karakteristik kerja dari alat-alat atau pesawat yang akan digerakan

sehingga dengan adanya karakteristik kerja yang sesuai antara kincir angin yang

dikehendaki dengan alat yang digerakan akan didapatkan hasil yang memuaskan.

Namun dengan adanya variasi-variasi itu pula, sehingga memungkinkan untuk

pemanfaatan energi angin dalam berbagai kebutuhan (Daniel V hunt,1981).

Bertitik tolak pada hal-hal diatas, maka penelitian parameter perencanaan

SKEA perlu dilakukan. Oleh karena itu perlu diketahui sifat-sifat dan pengaruh

parameter-parameter itu terhadap kincir angin.

3.1 Tempat dan Waktu

Penelitian di lakukan di Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika

(BKMG) Stasiun Tjut nyak dhien Nagan Raya, dan data nya dapat di peroleh

setiap minggu, bulan dan tahunan.

23

3.2 Langkah Langkah dan Perencanaan Kincir Angin

Kecepatan angin rata-rata paling penting artinya dalam perencanaan suatu

SKEA, karena dengan ini akan diperhitungkan beban perencanaan dan daya

keluar rata-rata yang hendak dihasilkan. Disamping itu perlu juga diketahui

bagaimana karakteristik angin bertiup, distribusi kecepatan angin sepanjang

tahunnya. Maka dari itu survei potensi angin dilakukan untuk mendapatkan data.

Data kecepatan dan arah angin didapatkan dari Badan Meteorologi

Klimatologi dan Geofisika Stasiun Tjut nyak dhien Nagan Raya.

3.3 Airfoil

Jenis Airfoil yang akan digunakan sudu kincir angin sangat berpengaruh

terhadap unjuk kerja yang dihasilkan kincir angin. Pada bab kedua telah diuraikan

hubungan antara profil airfoil dengan koefisien Lift dan Drag yang dihasilkan,

serta sudut serang efektif untuk mendapatkan kemampuan terbaiknya.

Untuk jenis airfoil NACA 2410 didapatkan sudu serang efektifnya yaitu

sebesar 32,5°. Selanjutnya sudut serang ini digunakan sebagai sudut serang

rencana.

3.4 Tip Speed Ratio

Tip Speed Ratio juga menentukan karakteristik keluaran dari SKEA,

dengan keluaran daya yang sama kincir angin mempunyai Tip Speed Ratio yang

rendah akan menghasilkan torsi yang besar. Tip Speed Ratio kincir angin untuk

menghasilkan daya listrik yaitu sebesar 6 (λ=6).

24

Gambar 3.4 : Tip Speed Ratio Vs Torsi

3.5 Distribusi Chord

Distribusi chord sepanjang sudu secara ideal akan berbentuk hiperbolik,

tetapi dengan bentuk ideal ini akan mengalami kesulitan dalam pembuatannya.

Sehingga dicari bentuk penyederhanaannya yaitu bentuk trapezium dan

rectangular. Tentu saja dengan adanya penyederhanaan akan mengalami kerugian

daya, perhatikan gambar 3.5 di bawah.

Gambar 3.5 : Pengaruh Tip Speed Ratio dan bentuk geometri sudu terhadap

koefesien daya.

Untuk perencanaan dipilih bentuk sudu rectangular, disebabkan sudu

rectangular merupakan bentuk sudu yang paling mudah pembuatannya dibanding

dengan dua bentuk lainnya.

25

3.6 Solidity (σ)

Solidity (σ) didefinisikan sebagai perbandingan luas sudu dengan luas

lintasan sudu. Pengaruh dari harga Solidity dapat dijelaskan sebagai berikut :

Dengan Solidity yang semakin tinggi akan menyebabkan luasan sudu atau

jumlah sudu rotor bertambah sehingga torsi yang dihasilkan akan besar dan untuk

keluaran daya tertentu putaran yang dihaslkan akan kecil, atau dengan kata lain

mengurangi Tip Speed Ratio (λ).

Hubungan antara Solidity dengan Tip Speed Ratio dapat dilihat pada

gambar di bawah ini :

Gambar 3.6 : Hubungan Solidity dengan Tip Speed Ratio

3.7 Jari-jari kincir angin

Untuk mendapatkan besarnya sudut puntir pada sudu kincir angin perlu

diketahui besarnya diameter atau jari-jari kincir angin. Besarnya jari-jari kincir

26

angin didasarkan pada kebutuhan daya yang digunakan untuk menghasilkan

energi listrik yang direncanakan.

27

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Distribusi Kecepatan dan Arah Angin

4.1.1. Kecepatan Angin Rata-Rata

Data kecepatan dan arah angin didapatkan dari Badan Meteorologi

Klimatologi dan Geofisika Stasiun Tjut Nyak Dhien Nagan Raya. Seperti terlihat

pada Tabel 4.1.

Tabel 4.1 : Distribusi Arah dan Kecepatan Angin Tahun 2013

BULAN

ANGIN

Kec. rata-rata (knot) Arah

Januari 4 BD

Februari 3 BL

Maret 3 B

April 3 S

Mei 2 B

Juni 2 B

Juli 2 B

Agustus 3 B

September 3 BD

Oktober 3 B

November 3 S

Desember 3 S

28

Dengan menggunakan persamaan 2.7. maka dapat diketahui kecepatan

angin rata-rata pertahunnya, dihitung sebagai berikut :

N

ViV

Dimana : V = Kecepatan rata-rata angin tiap tahun

Vi = Kecepatan angin tiap bulan

N = Jumlah bulan

Dengan menggunakan rumus diatas maka data pada tabel 4.1. dihasilkan :

N

ViV

Maka dihasilkan kecepatan rata-rata angin pertahunnya di Badan Meteorologi

Klimatologi dan Geofisika Stasiun Tjut Nyak Dhien Nagan Raya adalah 2,83

knot

4.1.2. Distribusi Arah Angin Rata-Rata

Distribusi arah angin rata-rata yang paling banyak terjadi selama kurun

waktu setahun pengambilan data seperti terlihat pada Tabel 4.1. adalah arah angin

29

yang dominan yaitu pada arah angin barat mendominasi 6 bulan pengambilan data

dari 12 data keseluruhan yang didapatkan.

4.2. Frekuensi Kecepatan Angin

Frekuensi kecepatan angin dhitung dengan menggunakan persamaan 2.8,

yaitu :

%100xVT

VTVP

Dimana : P(V) = Kemungkinan bertiupnya angin dengan kecepatan V

T(V) = Jumlah bulan bertiupnya angin dengan kecepatan V per tahun

ΣT(V) = Jumlah bulan pengamatan per tahun

Dengan mensubtitusikan data pada tabel 4.1. ke persamaan 2.5, maka dihasilkan

frekuensi kecepatan angin sebagai berikut :

%100xVT

VTVP

- Kecepatan rata – rata 4 knot

P (4 knot) – 0,083 100%

P (4 knot) = 8,33%

Untuk kecepatan rata-rata 4 knot didapatkan frekuensi kecepatan angin

rata-rata pertahunnya 8,33 %

30

- Kecepatan rata – rata 3 knot

Untuk kecepatan rata-rata 3 knot didapatkan frekuensi kecepatan angin

angin rata-rata pertahunnya 66,66 %

- kecepatan rata-rata 2 knot

Untuk kecepatan rata-rata 2 knot didapatkan frekuensi kecepatan angin

angin rata-rata pertahunnya 25%

Dari hasil perhitungan frekuensi kecepatan angin rata-rata pertahunnya di

Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Stasiun Tjut Nyak Dhien Nagan

Raya didapatkan frekuensi terbesar terjadi pada kecepatan angin 3 knot dengan

frekuensi 66,66%.

31

4.3. Distribusi Peluang Arah dan Kecepatan Angin

Distribusi peluang arah dan kecepatan angin dihitung dengan

menggunakan persamaan 2.9. maka dihasilkan :

%100xAVT

AVTVP

Dimana :

T(>V)A = Jumlah bulan komulatif kecepatan V, dibanding dengan arah A

pertahun

ΣT(>V)A = Jumlah total bulan komulatif kecepatan V, dilampaui dengan

arah A selama waktu pengamatan

P(>V) = Prosentase frekuensi komulatif range kecepatan dengan arah

tertentu

Jika komulatif kecepatan angin yang digunakan (V) 3 knot dan arah

pengamatan adalah arah angin barat, maka dengan menggunakan persamaan 2.6.

dihasilkan :

32

Dan Jika komulatif kecepatan angin yang digunakan (V) 2 knot dan arah

pengamatan adalah arah angin barat, maka dengan menggunakan persamaan 2.9.

dihasilkan :

Dari hasil diatas menunjukkan bahwa kedudukan arah rotor kincir angin

menghadap ke arah barat dengan kecepatan angin utama 3 knot

4.4. Perhitungan Daya Angin

Jika dalam perencanaan menggunakan kincir angin dengan spesifikasi

sebagai berikut :

Turbin Angin Tipe Airfoil NACA 0018 spesifikasi :

- Blade turbin : 3 buah

- Tinggi blade (span) : 300 mm

- Diameter Turbin : 300 mm

- Panjang Chord : 100 mm

Dengan menggunakan persamaan 2.6. maka akan didapatkan daya angin

untuk daerah Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Stasiun Tjut Nyak

33

Dhien Nagan Raya dengan kecepatan angin rata-rata yang digunakan 1,455 m/s

(2,83 knot x 0,514 = 1,455 m/s) dan densitas udara 1,06 kg/m3, yaitu :

P = 0,5 ρ v2 A

Dimana : P = Daya angin ( N.m/s)

ρ = Densitas udara yang mengalir (kg/m3)

v = Kecepatan angin (m/s)

A = Luas sudu (m2) ;

Menghitung luas sudut sama dengan L x D, dimana L adalah panjang blade dan D

adalah diameter turbin, maka luas sudu

A = L x D

A = 0,3 m x 0,3 m

A = 0,09 m2

Maka dihasilkan daya angin :

P = 0,5 (1,06 kg/m3) (1,455 m/s)

2 (0,09 m

2)

P = 0,101 Kg.m/s

Konversi satuan Kg ke Newton (1Kg = 9,8 N)

P = 0,101 x 9,8

34

P = 0,9898 N.m/s

P = 0,9898 watt

Jadi dapat diketahui bahwa daya angin rata-rata di sekitar daerah Badan

Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Stasiun Tjut Nyak Dhien Nagan Raya

adalah 0,9898 watt

32

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 KESIMPULAN

Dari hasil perhitungan yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan

sebagai berikut :

1. Menganalisa Perhitungan Daya Angin di Sekitar Bandara Tjut Nyak Dhien

Nagan Raya.

5.2 SARAN

1. Perlu dikumpulkan data angin yang lebih banyak lagi 2 sampai degan 3 tahun

untuk mendapatkan gambaran potensi energy angin yang lebih akurat.

2. Diharapkan adanya penelitian lebih lanjut mengenai pemanfaatan energi

angin.

DAFTAR PUSTAKA

1. Budi Utomo, Membuat dan Menerbangkan Pesawat Model, elex Media Koputindo,

1991.

2. Clancy LJ, AERODYNANICS, PIzma Publishing Limeted, Greatnbritain, 1975.

3. Daniel V hunt, WIND POWER

A Hand Book on WIND ENERGY CONVERSION SYSTEM

Litton Education Publishing Inc, New York, 1981.

4. Darwin Sembahyang, Analisa Data Angin di Jakarta Untuk Untuk Pemanfaatan Energi

Angin, Majalah LAPAN NO. 14 Tahun 1978.

5. Harijini Djijidihardjo, WIND ENERGY SYSTEM.

Alumni, Bandung, 1983.

6. Harijono Djojodihardjo dan Sulistyo Atmadi. Perencanaan Kincir Angin

Propeler,Plat Lengkung Untuk Pengisisan Baterai Jenis EN-P-02 XA, Majalah LAPAN

No. 24 Tahun 1982.

7. Robert W Fox,Introduktion To Fluid Mechanics

Jhon Willey and Sound, New York 1985.

8. Soeripno, Rancangan Subsistem Mekanik Kincir Angin Sudu Majemuk 4 Daun Untuk

Pemompaan Air Tambak Garam/ Tambak Udang, Majalah LAPAN No. 66 Tahun 1993.

9. Soeripnoe, Perancangan Torak Pompa Kincir Angin Untuk Pemompaan Air Tambak

Garam Dan Air Tawar Dangkal, Majalah LAPAN No. 67 Tahun 1993.