TUGAS MEKANIKA FLUIDA

MAKALAH MEKANIKA FLUIDA

KINCIR ANGIN

OLEH

MAHARDHIKA MAULANA

GEOFISIKA

11/316736/PA/13863

UNIVERSITAS GADJAH MADA

YOGYAKARTA

2014

1

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas

rahmat dan hidayah-Nya, saya dapat menyelesaikan tugas Makalah Mekanika Fluida “Kincir

Angin” ini dengan baik dan tepat waktu.

Maksud dan tujuan dari pembuatan makalah ini adalah untuk memenuhi salah satu

tugas dari mata kuliah Mekanika Fluida yang diampu oleh Bapak Prof. Dr. Kirbani Sri

Brotopuspito. Makalah yang saya buat ini membahas tentang mekanika fluida dari kincir

angin.

Dalam proses penyusunan makalah ini, saya banyak menjumpai hambatan dalam

penyajiannya. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima

kasih kepada berbagai pihak yang telah membantu dalam penyempurnaan tugas makalah ini

sehingga tugas ini dapat terselesaikan dengan baik.

Saya menyadari bahwa makalah ini masih sangat jauh dari kata sempurna, oleh karena

itu segala saran dan kritik yang membangun dari semua pihak sangat saya harapkan demi

perbaikan pada tugas selanjutnya. Harapan saya semoga tugas ini bermanfaat khususnya bagi

kami dan bagi pembaca lain pada umumnya.

Yogyakarta, 1 Juli 2013

Penyusun

Mahardhika Maulana

2

ABSTRACT

Patterns of energy consumption continues to increase from time to time lead to energy

shortages that almost in all countries racing to generate energy from new energy sources and

renewable. The selected one is wind energy. This paper aims to examine the characteristics

for torque windmill, windmill power, windmill performance, and power coefficient. The

working principle of windmill wind resource is derived from the engine speed rotating fan,

then forwarded to the director through a wind tunnel towards the windmill and play the air

due to the resulting fluid velocity.

Maximum power of windmill 3.8 watts windmill obtained on waterwheel with a

diameter of 100 cm when the wind speed is 6.71 m / s and sebesar0 torque, 69 Nm. While the

maximum power coefficient is also obtained from the wheel with diameter of 100 cm by

5.24% when TSR was 0.41. While the greatest power coefficient obtained at 28.39 rpm shaft

speed and wind speed 5.11 m / s gained 5.64% on the wheel with a diameter of 100 cm with a

TSR of 0.29.

Keywords: wind energy, windmill, windmill power, torque, power coefficient

ABSTRAK

Pola konsumsi energi yang senantiasa meningkat dari waktu kewaktu menyebabkan

kelangkaan energi sehingga hampir di semua negara berpacu untuk membangkitkan energi

dari sumber-sumber energi baru dan terbarukan. Salah satu yang dipilih adalah energi angin.

Makalah ini bertujuan untuk mengkaji karakteristik kincir angin dengan mencari torsi, daya

kincir, kinerja kincir, dan koefisien daya. Prinsip kerja dari kincir angin yaitu sumber angin

diperoleh dari putaran mesin yang memutar kipas, kemudian diteruskan ke pengarah melalui

wind tunnel yang menuju dan memutar kincir angin akibat kecepatan fluida udara yang

dihasilkan.

Daya kincir maksimal sebesar 3,8 watt didapatkan pada kincir dengan diameter 100

cm saat kecepatan angin 6,71 m/s dan menghasilkan torsi sebesar0,69 Nm. Sedangkan

koefisien daya maksimal juga didapatkan dari kincir dengan diameter 100 cm sebesar 5,24

% saat tsr sebesar 0,41. Sedangkan koefisien daya terbesarnya diperoleh pada putaran poros

28,39 rpm dan kecepatan angin 5,11 m/s didapatkan sebesar 5,64% pada kincir dengan

diameter 100 cm dengan tsr sebesar 0,29.

Kata kunci : energi angin, kincir angin, daya kincir, torsi, koefisien daya

3

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ………………………………………………………………………. i

KATA PENGANTAR ……………………………………………………………………... ii

ABSTRAK …………………………………………………………………………………. iii

DAFTAR ISI ……………………………………………………………………………….. iv

DAFTAR GAMBAR ………………………………………………………………………. vi

PENDAHULUAN ………………………………………………………………………….. 1

A. Latar Belakang …………………………………………………………………... 1

B. Maksud dan Tujuan ………………………………………………………………. 2

DASAR TEORI …………………………………………………………………………….. 3

A. Sejarah Kincir Angin ……………………………………………………………... 3

B. Tipe Kincir Angin ………………………………………………………………... 3

C. Prinsip Kerja Kincir Angin ………………………………………………………. 6

1. Gaya Drag ………………………………………………………………… 6

2. Gaya Lift ………………………………………………………………….. 6

D. Mekanika Fluida Kincir Angin …………………………………………………... 6

1. Torsi ………………………………………………………………………. 6

2. Daya Kincir ………………………………………………………………... 6

3. Koefisien Daya ……………………………………………………………. 7

iv

E. Turbin Angin …………………………………………………………………….. 8

1. Tipe Turbin Angin ……………………………………………………….. 8

2. Kelebihan dan Kelemahan Turbin Angin Sumbu Horisontal (TASH) ……. 9

3. Kelebihan dan Kelemahan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) …….. 9

4. Cara Kerja Turbin Angin ………………………………………………… 10

5. Mekanika Fluida Turbin Angin …………………………………………. 11

PEMBAHASAN …………………………………………………………………………… 12

KESIMPULAN DAN SARAN ……………………………………………………………. 13

DAFTAR PUSTAKA …………………………………………………………………….... 14

v

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Berbagai jenis kincir dengan sumbu vertikal,sumbu kombinasi dan lain-lain …… 4

Gambar 2. Berbagai jenis kincir angin sumbu horizontal ……………………………………. 5

Gambar 3. Komponen turbin angin …………………………………………………………... 10

vi

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Energi merupakan inti dari semua kegiatan baik kegiatan industri maupun non

industri, dengan terus berkembangnya teknologi maka akan berimbas pada kebutuhan

pasokan energi. Karena hal itu dibutuhkan energi alternative yang berkonsep baru dan

terbarukan untuk mendukung pasokan energi salah satunya adalah energi Angin.

Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia. Perahu-perahu layar

menggunakan energi ini untuk menggerakan kapal. Dan sebagaimana diketahui, pada

asasnya angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara panas dan udara 2 dingin. Di

tiap daerah keadaan suhu dan kecepatan angin berbeda. Energi angin yang tersedia di

Indonesia ternyata belum dimanfaatkan sepenuhnya sebagai alternatif penghasil listrik.

Angin selama ini dipandang sebagai proses alam biasa yang kurang memiliki nilai

ekonomis bagi kegiatan produktif masyarakat. Padahal, di berbagai negara, pemanfaatan

energi angin sebagai sumber energi alternatif nonkonvensional sudah semakin

mendapatkan perhatian. Hal ini tentu saja didorong oleh kesadaran terhadap timbulnya

krisis energi dengan kenyataan bahwa kebutuhan energi terus meningkat sedemikian

besarnya. Di samping itu, angin merupakan sumber energi yang tak ada habisnya sehingga

pemanfaatan sistem konversi energi angin akan berdampak positif terhadap lingkungan.

Mesin fluida adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi mekanik menjadi

energi potensial dan sebaliknya, merubah energi mekanik dalam bentuk fluida, dimana

fluida yang dimaksud adalah air, uap, dan gas. Berdasarkan pengertian diatas maka secara

umum mesin-mesin fluida dapat digolongkan dalam dua golongan yaitu :

- Mesin kerja adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis menjadi

energi fluida, contohnya : pompa, blower, kompresor.

- Mesin tenaga adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi fluida menjadi

energi mekanis seperti : kincir air, kincir angin, turbin air, turbin uap.

Kincir angin adalah salah satu dari mesin fluida, oleh karena itu dapat dianalisa

mekanika fluidanya.

vii

B. Maksud dan Tujuan

Maksud dari paper ini adalah analisa mekanika fluida pada kincir angin adalah

untuk mengumpulkan materi yang lengkap dan terpadu yang berkaitan dengan mekanika

fluida pada kincir angin.

Tujuan dari analisa mekanika fluida pada kincir angin adalah untuk mengetahui dan

memahami prinsip kerja dan mekanika fluida kincir angin.

DASAR TEORI

A. Sejarah Kincir Angin

Naskah tertua tentang kincir angin terdapat dalam tulisan Arab dari abad ke-9

Masehi yang menjelaskan bahwa kincir angin yang dioperasikan di

perbatasan Iran dan Afganistan sudah ada sejak beberapa abad sebelumnya, kadang

disebut Persian windmill. Jenis yang sama juga digunakan di Cina untuk menguapkan air

laut dalam memproduksi garam. Terahir masih digunakan di Crimea, Eropa dan Amerika

Serikat. Kincir angin digunakan untuk mengalirkan kemudian membendung air. Kincir

angin juga digunakan untuk mengeringkan tanah yang basah. Turbin angin terdahulu

banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal

dengan Windmill. Sebagai pembangkit listrik, turbin angin telah digunakan di Denmark

sejak tahun 1890.

Dengan adanya perkembangan teknologi dan arsitektur, penggunaan kincir angin

pun juga berkembang. Sekitar abad 17, banyak terjadi revolusi di negara-negara Eropa.

Kincir angin kemudian memegang peran penting dalam berbagai bidang di sana.

viii

B. Tipe Kincir Angin

Kincir angin adalah sebuah mesin yang mengubah energi angin menjadi energi

gerak pada baling-balingnya.

Berdasarkan posisi sumbunya, kincir angin dibagi menjadi:

- Kincir angin sumbu horizontal

Turbin angin sumbu horizontal ialah jenis turbin angin yang paling banyak digunakan.

Turbin ini terdiri dari sebuah menara yang di puncaknya terdapat sebuah baling-baling

yang berfungsi sebagai rotor dan menghadap atau membelakangi arah angin.

Kebanyakan turbin angin jenis ini mempunyai dua atau tiga bilah baling-baling

walaupun ada juga turbin bilah baling-balingnya kurang atau lebih daripada yang

disebut diatas. Kincir angin dengan sumbu horizontal mempunyai sudu yang berputar

dalam bidang vertikal seperti halnya propeler pesawat terbang. Kincir angin biasanya

mempunyai sudut dengan bentuk irisan melintang khusus di mana aliran udara pada

salah satu sisinya dapat bergerak lebih cepat dari aliran udara di sisi yang lain ketika

angin melewatinya. Fenomena ini menimbulkan daerah tekanan rendah pada belakang

sudu dan daerah tekanan tinggi di depan sudu. Perbedaan tekanan ini membentuk gaya

yang menyebabkan sudut berputar.

ix

Gambar 2. Berbagai jenis kincir angin sumbu horizontal

Sumber : Himran, Syukri, (2006)

- Kincir angin sumbu vertikal

x

Kincir angin dengan sumbu vertikal bekerja dengan prinsip yang sama seperti halnya

kelompok horizontal. Namun, sudunya berputar dalam bidang yang paralel dengan

tanah. Turbin sumbu vertikal dibagi menjadi dua jenis yaitu: Savonius dan Darrieus.

a. Turbin Darrieus

Turbin Darrieus mula-mula diperkenalkan di Perancis pada sekitar tahun 1920-an.

Turbin angin sumbu vertikal ini mempunyai bilah-bilah tegak yang berputar kedalam

dan keluar dari arah angin (Daryanto, 2007). Contoh turbin Darrieus ditunjukkan pada

Gambar 2.

Gambar 2 Turbin Darrieus.

Sumber: Daryanto (2007).

b. Turbin Savonius

Turbin Savonius diciptakan pertama kali di negara Finlandia dan berbentuk S apabila

dilihat dari atas. Turbin jenis ini secara umumnya bergerak lebih perlahan dibandingkan

jenis turbin angin sumbu horizontal, tetapi menghasilkan torsi yang besar. Contoh

turbin Savonius ditunjukkan pada Gambar 3.

Contoh kincir angin poros vertikal :

Post will, hollow-post will, tower will, smock will.

xi

Gambar 1. Berbagai jenis kincir dengan sumbu vertikal,sumbu kombinasi dan lain-lain

Sumber : Himran, Syukri, (2006)

xii

C. Prinsip Kerja Kincir Angin

Ada 2 gaya yang bekerja pada batang kincir yaitu gaya lift dan drag, pada model kincir

diatas maka batang kincir bergerak/terangkat karena gaya lift.

1. Gaya Drag

Dalam dinamika fluida, gaya hambat yang kadang-kadang disebut hambatan

fluida atau hambatan seret adalah gaya yang menghambat pergerakan sebuah benda

padat melalui sebuah fluida (cairan atau gas). Bentuk gaya hambat yang paling umum

tersusun dari sejumlah gaya gesek, yang bertindak sejajar dengan permukaan benda,

plus gaya tekanan, yang bertindak dalam arah tegak lurus dengan permukaan benda.

2. Gaya Lift

Gaya angkat tekanan udara yang berada di bawahpermukaan sayap lebih besar

daripada tekanan udara di atas permukaan sayap.

D. Mekanika Fluida Kincir Angin

1. Torsi

Torsi adalah perkalian vector antara jarak sumbu putar dengan gaya yang

bekerja pada titik yang berjarak dari sumbu pusat. Yang dapat dirumuskan sebagai

berikut:

dimana :

τ = torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros (Nm)

r = jarak lengan ke poros (m)

F = gaya pada poros (N)

2. Daya Kincir

Perhitungan daya pada gerak melingkar pada umumnya dapat dituliskan sebagai

berikut:

xiii

τ=r . F

P=T . ω

dimana :

P = daya (watt)

ω = kecepatan sudut (rad/s)

T = torsi dinamis (Nm)

Jika pada kincir angin besarnya kecepatan sudut (ω) :

Maka besarnya daya kincir :

Pk=T .ω

Pk=T .2πn60

dimana :

Pk = daya poros kincir angin (watt)

n = putaran poros setiap menit (rpm)

3. Koefisien Daya

Koefisien daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh

kincir (Pk) dengan daya yang disediakan oleh angin (Pa) sehingga dapat dirumuskan

sebagai berikut:

xiv

ω=2 πn60

Pk=Tπn30

Cp= PkPa

×100 %

dimana:

Cp = koefisien daya (%)

Pk = daya yang dihasilkan oleh kincir (watt)

Pa = daya yang dihasilkan oleh angin (watt)

E. Turbin Angin

Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik.

Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam

melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi. Prinsip dasar turbin angin adalah

mengkonversi tenaga mekanik dari putaran kincir menjadi energi listrik dengan induksi

magnetik. Putaran kincir dapat terjadi dengan efektif dengan mengaplikasikan dasar teori

aerodinamika pada desain batang kincir (blade). Ketersediaan angin dengan kecepatan yang

memadai menjadi faktor utama dalam implementasi teknologi kincir angin.

Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik

masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya

alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin

angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensonal (Contoh:

PLTD,PLTU)

1. Tipe Turbin Angin

Turbin angin dapat dibagi menjadi dua yaitu :

- Turbin angin sumbu horizontal (TASH)

Turbin angin sumbu horizontal memiliki generator listrik dan poros rotor utama

di puncak menara.

- Turbin angin sumbu tegak (TASV)

Turbin angin sumbu vertikal/tegak memiliki poros/sumbu rotor utama yang

disusun tegak lurus.

xv

2. Kelebihan dan Kelemahan Turbin Angin Sumbu Horisontal (TASH)

Kelebihan TASH

Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di tempat-

tempat yang memiliki geseran angin.

Kelemahan TASH

- TASH yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang yang sangat tinggi

dan mahal serta para operator yang tampil

- TASH membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan agar dapat

membelokkan kincir ke arah angin

- TASH yang tinggi dapat memengaruhi radar airport

- Ukurannya yang tinggi merintangi jangkauan pandangan dan mengganggu

penampilan lansekap

3. Kelebihan dan Kelemahan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV)

Kelebihan TASV

- Tidak membutuhkan struktur menara yang besar

- Tidak harus mengubah posisinya jika arah angin berubah

- Memiliki kecepatan awal yang lebih rendah dibandingkan dengan kincir angin

poros horizontal, cocok untuk daerah yang memiliki potensi angin yang rendah

- TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran

dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah

sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat

kencang

xvi

- TASV bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi dilarang

dibangun

Kelemahan TASV

- Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi TASH karena

drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar

- TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di

elevasi yang lebih tinggi

- Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi

untuk mulai berputar

- Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi tekanan

pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan

4. Cara Kerja Turbin Angin

Cara kincir angin untuk pembangkit tenaga listrik bekerja sangat sederhana yaitu:

- Angin akan meniup bilah kincir angin sehingga bilah bergerak

- Bilah kincir angin akan memutar poros didalam nacelle

- Poros dihubungkan ke gearbox, di gearbox kecepatan perputaran poros

ditingkatkan dengan cara mengatur perbandingan roda gigi dalam gearbox

- Gearbox dihubungkan ke generator kemudian generator mengubah energi

mekanik menjadi energi listrik

- Dari generator energi listrik menuju transformer untuk menaikan tegangannya

kemudian baru didistribusikan ke konsumen

xvii

Gambar 3. Komponen turbin angin

5. Mekanika Fluida Turbin Angin

Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin dengan diameter

kipas r adalah :

dimana:

P = daya (watt)

ρ = kerapatan angin (kg/m3)

R = jari-jari rotor/sudu (m)

v = kecepatan angin (m/s)

Persamaan di atas merupakan sebuah persamaan untuk kecepatan angin pada turbin

yang ideal, dimana dianggap energi angin dapat diekstrak seluruhnya menjadi energi

listrik. Namun kenyataannya tidak seperti itu. Jadi terdapat faktor efisiensi dari

mekanik turbin angin dan efisiensi dari generator sendiri.

Sehingga daya yang dapat diekstrak menjadi energi angin dapat diketahui dari

persamaan berikut:

xviii

P=12

ρ π R2 v3

Pwt=ηwt12

ρ A v⃗3

dimana:

η = efisiensi kincir angin (%)

PEMBAHASAN

Pada tugas akhir ini telah diketahui bahwa cara kerja kincir angin adalah dengan sudu

yang membuka dan menutup secara otomatis karena adanya tiupan angin. Saat posisi sudu

terbuka, itulah sudu yang menerima angin dan secara otomatis sudu yang seporos akan menutup,

hal ini memungkinkan untuk meminimalkan rugi-rugi gesekan yang terjadi karena melawan arah

angin.

Pada prinsip kerjanya, tiupan angin akan memutar kincir angin sehingga memutar poros

yang akan diteruskan keberbagai aplikasi, misalnya diteruskan ke generator untuk menghasilkan

listrik, atau ke transmisi lain yang digunakan untuk menggiling gandum. Dari data perhitungan

dapat diketahui bahwa daya kincir model ini relatif kecil atau sebesar 3,79 watt pada kecepatan

angin 6,71 m/s menggunakan kincir dengan diameter 100 cm. Sedangkan koefisien daya

terbesarnya diperoleh pada putaran poros 28,39 rpm dan kecepatan angin 5,11 m/s didapatkan

sebesar 5,64% pada kincir dengan diameter 100 cm dengan tsr sebesar 0,29.

Kecilnya daya kincir disebabkan oleh beberapa hal, diantaranya kontur kincir yang

kurang aerodinamis menyebabkan masih besarnya gaya drag yang ditimbulkan saat salah satu

sudu dalam posisi menentang arah angin. Kesentrisanporos, baik poros utama maupun poros

sudu juga mempengaruhi kinerja kincir.Berat kincir angin model 8 kg, mempengaruhi efisiensi

kincir model, pemilihan material yang lebih ringan memungkinkan untuk menambah efisiensi

kincir angin. Putaran poros yang terukur juga relatif kecil antara 9,42 rpm hingga 67,02 rpm.

Dari pembahasan ini dapat diketaui, bahwa semakin besar diameter kincir maka kinerja kincir

juga akan menjadi semakin baik.

xix

KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan

Dari pembahasan di atas disimpulkan bahwa:

1. Kincir angin adalah salah mesin tenaga yang mengubah energi fluida menjadi energi

mekanis

2. Prinsip kerja kincir angin dipengaruhi oleh gaya draf dan gaya lift

3. Turbin angin adalah salah contoh dari kincir angin yang mengubah energi fluida

menjadi energi listrik

4. Semakin besar diameter kincir maka daya yang dihasilkan semakin besar

5. Pemelihan material yang ringan dapat menambah efisiensi kincir angin

B. Saran

Beberapa hal penting yang dapat digunakan untuk pembuatan kincir angin:1. Berat material kincir angin dibuat seringan mungkin, untuk meningkatkan efisiensi

kincir2. Bentukan kincir dibuat aerodinamis, untuk meminimalkan gaya drag yang dapat

menghambat putaran kincir3. Poros kincir harus lurus, agar saat berputar tidak oleng

xx

DAFTAR PUSTAKA

Himran, Syukri, 2005. Energi Angin, CV Bintang Lamumpatue: Makassar

Arifudin, Momon, 2010. Model Kincir Angin Poros Vertikal Dengan Empat Sudu Datar Empat

Ruang yang Dapat Membentang dan Mengatup Secara Otomatis, FST – Universitas Sanata

Dharma: Yogyakarta

White, Frank M, Harianddja, Manahan. 1986. Mekanika Fluida (terjemahan). Edisi I, Erlangga,

Jakarta

Ikhwanul, Ikhsan; Hipi M. Akhbar, 2011. Analisis Pengaruh Pembebanan Terhadap Kinerja

Kincir Angin Tipe Propeller Pada Wind Tunnel, Makassar

Stefanus Andryanto, 2011. Unjuk Kerja Model Kincir Angin Poros Vertikal Dengan Empat Sudu

yang Membuka dan Menutup Secara Otomatis Dengan Variasi Diameter, Yogyakarta

Anonim. http://en.wikipedia.org/wiki/Windmill diakses pada tanggal 25 Juni pukul 15.45

Anonim. http://id.wikipedia.org/wiki/Kincir_angin diakses pada tanggal 25 Juni pukul 16.05

Anonim. http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin diakses pada tanggal 24 Juni pukul 19.35

xxi

xxii