LAPORAN
TUGAS AKHIR ”ANALISA TEGANGAN TALI BAJA ( SELING ) PADA KONSTRUKSI KINCIR ANGIN” “Analisa tegangan tali baja (seling) pada konstruksi Kincir Angin Pembangkit Listrik Tenaga Angin 200 Waat”
Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Kurikulum Sarjana Strata Satu ( S-1 ) Pada Program Studi Teknik Mesin - Fakultas Teknik
Disusun oleh : AMIN MUCHRONI 4130412 - 029
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2009
LEMBAR PENGESAHAN Saya yang bertanda tangan dibawah ini : Judul Tugas Akhir : ”ANALISA TEGANGAN TALI BAJA (SELING) PADA KONSTRUKSI KINCIR ANGIN” “Analisa tegangan tali baja (seling) pada konstruksi Kincir Angin Pembangkit Listrik Tenaga Angin 200 Waat”
Disusun Oleh Nama
: Amin Muchroni
NIM
: 4130412-029
Program Studi : Teknik Mesin Fakultas
: Teknik
Universitas
: Mercu Buana
Mengetaui, Pembimbing
Koordinator TA
( DR. A. Hamid, M.Eng )
( DR. A. Hamid, M.Eng )
Ketua Program studi
( DR. A. Hamid, M.Eng )
i
ABSTRAK
Pemanfaatan Energi Angin merupakan pemanfaatan energi terbarukan yang paling berkembang pada saat ini. Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power), adalah pembangkit yang memanfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik. Alat utamanya adalah generator, dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari gerakan blade ( baling-baling ) yang bergerak karena hembusan angin. Pembangkit ini lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam menghasilkan listriknya. Dalam perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Angin, salah-satu hal yang paling penting adalah mengenai perhitungan kekuatan tiang dan kawat seling sebagai penguat tiangnya. Hal ini diperhitungkan karena besarnya gaya dorong angin di beberapa ketinggian. Perancangan ini bertujuan untuk membuat kincir angin dengan tiang penyangganya yang kokoh dan tahan terhadap gaya yang disebabkan oleh daya dorong angin. Selain tiang penyangga hal yang perlu diperhitungkan agar kincir angin tetap kokoh adalah kekuatan kawat seling, yang berfungsi sebagai pendukung tiang penyangga. Perancang kincir angin ini menggunakan perhitungan pembebanan statis dengan metode perhitungan Σ Fy. Dari hasil analisa perhitungan didapatkan, tiang penyangga kincir mendapatkan tegangan tekan dari alat utama kincir sebesar 0,696 N/mm, sehingga tiang yang digunakan pada kenyataannya harus mempunyai kekuatan tegangan maksimum yang lebih besar dari nilai 0,696 N/mm. Gaya yang terjadi pada tali baja (seling) pada saat Vo = 3 m/s adalah pada tali A(Fta) sebesar 362,11 N,tali B(Ftb) = C(Ftc) sebesar 351,72 N, dan pada saat Vo = 6 m/s gaya yang terjadi pada tali A(Fta) sebesar 452,5 N,di tali B(Ftb) = C(Ftc) sebesar 381,84 N.
Kata kunci :
Pembangkit Listrik Tenaga Angin,Tali baja ( seling ),Tiang penyangga
ii
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
DAFTAR ISI
Halaman judul Lembar Pengasahan .......................................................................................................i Abstrak .........................................................................................................................ii Kata Pengantar ............................................................................................................iii Daftar Isi .......................................................................................................................v Daftar Gambar .............................................................................................................ix Daftar Tabel ..................................................................................................................x Notasi ...........................................................................................................................xi
Bab I Pendahuluan ........................................................................................................1 I.1 Latar Belakang ...............................................................................................1 I.2 Perumusan Masalah ........................................................................................5 I.3 Batasan Masalah .............................................................................................6 I.4 Tujuan Penulisan ............................................................................................8 I.5 Metode Penulisan ...........................................................................................8 I.6 Sistematika Penulisan .....................................................................................9
Bab II Tinjauan Pustaka ..............................................................................................12
Laporan Tugas Akhir
v
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
2.1 Dasar Teori ....................................................................................................12 2.2 Sifat Angin dan Geografis ............................................................................13 2.3 Karakteristik Angin ......................................................................................13 2.3.1 Distribusi Kecepatan dan Arah Angin ……………………………….14 2.3.2 Besar Energi Angin yang dapat di manfaatkan ...................................16 2.3.3 Nilai Rancangan Kec. Awal,Kec. Rated dan Kec. Furling ..................17 2.3.4 Data Kecepatan Angin .........................................................................18 2.4 Pengertian Kincir Angin ...............................................................................19 2.5 Pengembangan Kincir Angin ........................................................................20 2.5.1 Kincir Angin Konvesional ..................................................................20 2.5.2 Kincir Angin Modern……………………………………………......22 2.5.3 Jenis-jenis Kincir Angin ………………………………………….....24 2.6 Profil Sudu Kincir Angin ………………………………………………......29 2.7 Gaya yang bekerja pada Sudu .......................................................................29
Bab III. Metodologi penelitian ...................................................................................30 3.1 Pinsip Kerja Kincir ........................................................................................30 3.2 Dasar teori konstruksi dari kincir Angin .......................................................30 3.3 Parameter yang diukur ...................................................................................32 3.3.1 Analisa Kecepatan Angin Relatif ......................................................33 3.3.2 Analisa Gaya Angkat ( Lift Force ) ...................................................33 3.3.3 Analisa Gaya Geser ( Drag Force ) ....................................................34
Laporan Tugas Akhir
vi
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
3.3.4 Analisa Gaya Dorong ( Thrust ) ........................................................35 3.3.5 Analisa Gaya yang terjadi pad batang pipa ( tower ) ........................36 3.3.6 Analisa Tegangan yang terjadi pada kawat baja ...............................38 3.4 Metode Experimental ....................................................................................39 3.4.1 Persiapan dan langkah kerja dalam Ekperimen ................................40 3.4.2 Pengambilan Data dan Benda Uji .....................................................41 3.4.3 Benda Uji ..........................................................................................41 3.5 Urutan Langkah Penelitian ...........................................................................43
Bab IV. Analisa dan Perhitungan ...............................................................................44 4.1 Kecepatan Relatif Agin...................................................................................44 4.2 Gaya Angkat ( Lift Force ) dan Gaya Geser ( Drag Force )...........................47 4.2.a Gaya angkat dan gaya geser pada Ø = 6 ...................................................48 4.3 Gaya Dorong ( thrust )....................................................................................49 4.4 Analisa Gaya yang terjadi pad batang pipa ( tower )......................................50 4.5 Analisa Gaya Tarik pada kawat Baja ( seling ) .............................................52 4.5.1 Analisa Gaya pada Pasak ...................................................................58 4.6 Analisa Tegangan pada kawat Baja ( seling ) ................................................61 4.6.1 Analisa Tegangan tiap kawat baja ( seling ) ......................................62 4.6.1a. Analisa tegangan pada kawat A saat Vo = 3 m/s ............................62 4.6.1b. Analisa tegangan pada kawat B saat Vo = 3 m/s ............................62 4.6.1c Analisa tegang pada kawat C saat Vo = 3 m/s ................................63
Laporan Tugas Akhir
vii
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
4.6.1d Analisa tegang pada kawat A saat Vo = 6 m/s ...............................64 4.6.1e Analisa tegangan pada kawat B saat Vo = 6 m/s ............................64 4.6.1f Analisa tegangan pada kawat C saat Vo = 6 m/s ............................65
Bab V. Kesimpulan dan Saran ....................................................................................67 Daftar Pustaka .............................................................................................................69 Lampiran
Laporan Tugas Akhir
viii
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Kecepatan angina per bulan BMG Cengkareng tahun 2008 ...................18 Tabel 2.2 Spesifikasi beberapa kincir angin modern ...............................................23
Laporan Tugas Akhir
x
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Sketsa sederhana rancang bangun kincir Angin ..................................7 Gambar 2.1 Macam-macam kincir angin poros datar .............................................26 Gambar 2.2 Macam-macam kincir angin poros tegak ............................................27 Gambar 2.3 Bentuk kincir angin Up Win dan kincir angin savonius …………….28 Gambar 3.1 Koefesien gaya angkat dan gaya geser terhadap angel of attck ..........35 Gambar 3.2 Diagram alir perancangan ...................................................................43 Gambar 4.1 Instalasi kawat tampak atas .................................................................52 Gambar 4.2 Analisa arah tegangan kawat ...............................................................52 Gambar 4.3 Tampak samping kawat A ...................................................................58 Gambar 4.4 Analisa arah kawat pasak A ................................................................58 Gambar 4.5 Tampak samping kawat B ...................................................................59 Gambar 4.6 Analisa arah kawat pasak B ................................................................59 Gambar 4.7 Tampak samping kawat C ...................................................................60 Gambar 4.8 Analisa arh kawat pasak C ..................................................................60
Laporan Tugas Akhir
ix
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
NOTASI
a
Axial Induction Faktor
( tanpa satuan )
a’
Tangential Induction Faktor
( tanpa satuan )
A
Luas Penampang
( m2 )
b
Lebar Permukaan
(m)
c
Panjang Blade
(m)
CL
Koefisien Lift
( tanpa satuan )
CD
Koefisien Drag
( tanpa satuan )
D
Gaya Geser
(N)
Fte
Gaya tekan
(N)
g
Gravitasi
( m/s2 )
l
Panjang
(m)
L
Gaya Angkat
(N)
M
Momen lentur
( Nm )
m
Massa
( kg )
mi
Laju Aliran Massa
( kg/s )
Nb
Jumlah Blade
( tanpa satuan )
Laporan Tugas Akhir
xi
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
p
Tekanan
P
Daya
( Watt )
Q
Torsi
( Nm )
QF
Torsi dari pengaruh Gaya Angkat dan Gaya Geser ( Nm )
Qm
Torsi Berdasarkan Momentum
( Nm )
r
Jari–Jari Blade
(m)
R
Jari- Jari Rotor
(m)
Re
Reynolds Number
( tanpa satuan )
T
Temperatur
(K)
TF
Thrust dari pengaruh Gaya Angkat dan Gaya Geser ( N )
TLF
Tip Loss Faktor
( tanpa satuan )
Tm
Thrust Berdasarkan Momentum
(N)
TSR
Tip Speed Ratio
( tanpa satuan )
U∞
Kecepatan aliran freestream fluida
( m/s )
u
Perubahan Kecepatan Swirl dari Upstream ke Rotor ( m/s)
v
Volume
vi
Perubahan Kecepatan Angin dari Upstream ke Rotor ( m/s )
V
Kecepatan
( m/s )
Vi
Kecepatan Relatif Angin
( m/s )
Laporan Tugas Akhir
( )
( m3 )
xii
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Vo
Kecepatan Angin awal
W
Berat
w
Lebar Blade
(m)
z
Total Head
(m)
α
Angel of Attack
( derajat )
µ
Viscositas Fluida
( Ns/m2)
ρ
Massa Jenis Fluida
( kg/m3 )
φ
Besar Sudut antara Blade terhadap Arah Angin
( derajat )
θ
sudut puntir
( derajat )
Ω atau ω
Rotasi Putaran Kincir Angin
( Rad/s )
λT
Koefisien Thrust
( tanpa satuan )
λQ
Koefisien Torsi
( tanpa satuan )
Solidity
( tanpa satuan )
σ
Laporan Tugas Akhir
( m/s ) ( kg )
xiii
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Listrik sudah menjadi suatu kebutuhan yang sangat penting bagi kelangsungan hidup masyarakat Indonesia, baik diperumahan, perkantoran maupun sektor perindustrian, di Indonesia catu daya utama hanya berasal dari PLN,sayangnya Pemenuhan energi listrik untuk berbagai kebutuhan saat ini dirasakan masih sangat tergantung pada sumberdaya energi tak terbarukan yang relatif semakin terbatas. Padahal Indonesia merupakan negara kepulauan yang 2/3 wilayahnya adalah lautan dan mempunyai garis pantai terpanjang di dunia yaitu ± 80.791,42 Km merupakan wilayah potensial untuk pengembangan pembanglit listrik tenaga angin, namun sayang potensi ini nampaknya belum dilirik oleh pemerintah. Menurunnya tinggi muka air di berbagai bendungan-terutama yang dimanfaatkan sebagai sumber pembangkit listrik tenaga air (PLTA)-telah menurunkan pasokan listrik di Jawa hingga 500 megawatt. Sebagai salah satu sumber pemasok listrik, PLTA bersama pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dan pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) memang memegang peran penting terhadap ketersediaan listrik terutama di Jawa, Madura, dan Bali. Energi angin yang sebenarnya berlimpah di Indonesia ternyata belum dimanfaatkan sebagai alternatif Laporan Tugas Akhir
1
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
penghasil listrik. 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.
Asal energi angin
Semua energi yang dapat diperbaharui dan bahkan energi pada bahan bakar fosil-kecuali energi pasang surut dan panas bumi-berasal dari Matahari. Matahari meradiasi 1,74 x 1.014 kilowatt jam energi ke Bumi setiap jam. Dengan kata lain, Bumi menerima 1,74 x 1.017 watt daya.Sekitar 1-2 persen dari energi tersebut diubah menjadi energi angin. Jadi, energi angin berjumlah 50-100 kali lebih banyak daripada energi yang diubah menjadi biomassa oleh seluruh tumbuhan yang ada di muka Bumi.
Sebagaimana diketahui, pada dasarnya angin terjadi karena ada perbedaan temperatur antara udara panas dan udara dingin. Daerah sekitar khatulistiwa, yaitu pada busur 0°, adalah daerah yang mengalami pemanasan lebih banyak dari Matahari dibanding daerah lainnya di Bumi.Daerah panas ditunjukkan dengan warna merah, oranye, dan kuning pada gambar inframerah dari temperatur permukaan laut yang diambil dari satelit NOAA-7 pada Juli 1984. Udara panas lebih ringan daripada udara Laporan Tugas Akhir
2
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
dingin dan akan naik ke atas sampai mencapai ketinggian sekitar 10 kilometer dan akan tersebar ke arah utara dan selatan. Jika Bumi tidak berotasi pada sumbunya, maka udara akan tiba di kutub utara dan kutub selatan, turun ke permukaan lalu kembali ke khatulistiwa. Udara yang bergerak inilah yang merupakan energi yang dapat diperbaharui, yang dapat digunakan untuk memutar turbin dan akhirnya dapat menghasilkan listrik.
Di Indonesia telah mulai dikembangkan proyek percontohan baik oleh lembaga penelitian maupun oleh pusat studi beberapa perguruan tinggi. Proyek ini perlu memperoleh perhatian dari pihak yang terkait untuk dikembangkan karena membutuhkan riset yang cukup intensif mengenai kecepatan angin, lokasi penempatan turbin angin, serta cara untuk mengatur pembebanan turbin yang tidak merata. Misalnya pada malam hari angin cukup kencang, sedangkan pada pagi dan siang hari kecepatan angin turun sehingga harus ada mekanisme penyimpanan energi serta mekanisme untuk menstabilkan fluktuasi tegangan listrik yang dihasilkan.
Kelebihan dan Kekurangan Pembangkit Listrik Tenaga Angin
Kelebihan :
1. Ramah Lingkungan (environmental friendly)
2. Praktis digunakan pada wilayah pesisir pantai
Laporan Tugas Akhir
3
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
3. Tidak memerlukan perawatan khusus
4. Teknologinya tidak rumit
5. Disainnya dari bahan yang tidak mudah karatan (korosi)
6. Mudah mengoperasikan
Kekurangan :
1. Butuh biaya yang cukup besar untuk pembelian dan pelatihan operator teknis
2. Tersedianya suku cadang dan aki mobil yang cukup, apalagi letaknya jauh di pulau
Dalam situasi yang serba kekurangan pasokan listrik seperti sekarang, tampaknya alternatif energi angin perlu dikaji ulang. Selain hasilnya selalu berkelanjutan, harganya pun kompetitif dibanding pembangkit listrik lainnya.
Laporan Tugas Akhir
4
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
1.2. Perumusan Masalah
Energi listrik sangat penting dalam kehidupan sekarang ini, namun tidak semua daerah di Wilayah Indonesia dapat merasakan aliran listrik dari PLN. akibat krisis energi Listrik dari PLN yang terjadi saat sekarang ini,maka pemanfaatan Energi Angin sebagai Energi alternative pada pembangkit Listrik Tenaga Angin,terutama pada daerah-daerah pegunungan dan pesisir pantai yang memiliki potensi Angin melimpah, diharapkan dapat membantu mengatasi krisis energi Listrik yang terjadi pada saat sekarang ini. Terutama pada daerah –daerah pedalaman sehingga tidak serta merta bergantung pada keberadaan listrik dari PLN. Pemanfaatan Energi Angin merupakan pemanfaatan energi terbarukan yang paling berkembang pada saat ini. Pembangkit Listrik Tenaga Angin (Wind Power), adalah pembangkit yang memanfaatkan hembusan angin sebagai sumber penghasil listrik. Alat utamanya adalah generator, dengan generator tersebut maka dapat dihasilkan arus listrik dari gerakan blade ( baling-baling ) yang bergerak karena hembusan angin. Pembangkit ini lebih effisien dari pada pembangkit listrik tenaga surya didalam menghasilkan listriknya.
Laporan Tugas Akhir
5
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
1.3.Batasan Masalah
Dalam penulisan Tugas Akhir ini penulis hanya berfokus pada analisa beban yang diterima batang pipa (tower) dan tegangan maupun gaya yang terjadi pada kawat seling sebagai pengikat konstruksi tiang penyangga ( tower ) pada pembangkit Listtrik Tenaga Angin yang berfungsi sebagai pengaman,pokok bahasan yang akan di bahas hanya pada menganalisa beban yang terjadi pada batang dan untuk mengetahui tegangan yang terjadi atau yang dialami oleh kawat seling sebagai pengaman pada konstruksi tiang penyangga ( tower ) tersebut sehingga diketahui berapa tegangan yang diterima akibat gaya dorong(thrust) angin pada kincir angin pembangkit listrik.
Laporan Tugas Akhir
6
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Secara sederhana sketsa kincir anginnya adalah sebagai berikut :
Gambar 1.1. Sketsa Sederhana Rancang Bangun Kincir Angin
Laporan Tugas Akhir
7
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
1.4. Tujuan Penulisan.
Tujuan penulisan antara lain :
1. Mengetahui System kerja dari Kincir Angin 2. Mengetahui kecepatan Putaran kincir Angin yang dapat menghasilkan Listrik 3. Menghitung daya listrik yang dapat hasilkan oleh sistem 4. membuat instalasi penampungan Listrik sebelum digunakan untuk keperluan rumah tangga. 5. Mengetahui berapa besar tegangan yang terjadi pada tali pengaman pada konstruksi tiang penyangga kincir angin
1.5. Metodologi Penulisan
Penulisan tugas akhir ini terdiri dari lima bab yang membahas tentang perhitungan tegangan pada tali/kawat pengaman pada konstruksi tiang penyangga pada kincir angin yang meliputi; teori pendukung penghitungan serta analisa dan hasil pengujian serta satu bab mengenai kesimpulan dan saran-saran tambahan lainnya,metodologi yang digunakan adalah :
a. Studi literatur
Laporan Tugas Akhir
8
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Penulis akan mencari literatur mengenai perhitungan pada pembangkit listrik tenaga angin dan sistem pemasangannya,dan hal-hal lain yang ada hubungannya dengan pokok permasalahan yang sedang di bahas.
b. Studi Observasi
yaitu pengamatan langsung ke lokasi dan melakukan wawancara langsung dengan pihak-pihak yang berkompeten,sehingga didapat data-data atau informasi yang lebih jelas dan akurat.
c. Analisa dan Evaluasi
Dengan spesifikasi yang telah ditentukan ,maka penulis akan mencoba melakukan analisa dan perhitungan yang terjadi pada kawat pengaman dan melakukan Evaluasi atau perbaikan pada bagian-bagian yang perlu di evaluasi,agar sistem dapat berfungsi dan berjalan lancar.
1.6. Sistematika Penulisan .
Dalam penulisan ini,penulis menggunakan sistematika penulisan yang terdiri dari lima bab antara lain :
Laporan Tugas Akhir
9
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
BAB I PENDAHULUAN
Pada bab pendahuluan ini adalah terdiri dari pendahuluan dan latar belakang masalah,metodologi penulisan, tujuan penulisan,perumusan masalah ,pembatasan masalah kontribusi dan sistematika penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA Bab ini memuat teori-teori yang berkaitan dengan penelitian yang dilakukan, hasil – hasil dan kesimpulan dari penelitian terdahulu serta berbagai persamaan dan pengertian yang mendukung penelitian tersebut.
BAB III METODE PENELITIAN Bab ini memuat tentang teori-teori tentang perhitungan pembahasan, prosedur pelaksanaan penelitian dan pengambilan data, dimensi benda uji serta spesifikasi peralatan yang digunakan. BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN Bab ini memuat contoh perhitungan, hasil perhitungan yang ditampilkan dalam bentuk grafik serta analisa dan pembahasan dari hasil penelitian tersebut. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini memuat kesimpulan dari hasil penelitian yang dilakukan serta saransaran yang ditujukan untuk penelitian-penelitian selanjutnya.
Laporan Tugas Akhir
10
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
LAMPIRAN
DAFTAR PUSTAKA
Laporan Tugas Akhir
11
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
BAB. II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Dasar Teori
Energi Angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia,perahu perahu layar menggunakan energi angina untuk melewati perairan sudah lama sekali,pada ratusan tahun yang lalu banyak kapal kapal layar kecil menelusuri pantai pantai dieropa,seperti Cristopher Colombus masih memakai kapal layar pada abad ke 15 untuk menemukan benua Amerika.seperti halnya diIndonesia dulu banyak para pedagang menggunakan kapal layar untuk keperluan perniagaannya antar pulau. Ditemukannya kincir angina telah digunakan untuk menggiling tepung dan lain sebagainya di Persia pada sekitar abad ke-17 sungguhpun bentuk kincir-kincir angin berlainan dengan kincir angin dieropa.namun kincir angin Persia ini merupakan asal muasal kincir angina eropa,kincir angin dinegeri Belanda yang digunakan untuk mengerakkan pompa irigasi dan untuk menggiling tepung hingga kini masih terkenal.walaupun saat ini hanya sebagai obyek wisata,akan tetapi dalam rangka mencari bentuk sumber energi yang bersih dan terbarukan ,energi angin kembali dapat perhatian yang cukup besar.
Laporan Tugas Akhir
12
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Seperti kita ketahui pada dasarnya angin terjadi karena adanya perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin didaerah katulistiwa yang panas,udara menjadi panas mengembang dan menjadi ringan,naik keatas dan bergerak kedaerah yang lebih dingin
,misalnya daerah kutub,sebaliknya didaerah kutub yang dingin udaranya menjadi dingin dan turun kebawah dengan demikian terjadi perputaran udara,berupa perpindahan udara dari kutub utara kegaris katulistiwa menyusuri kepermukaan bumi dan sebaliknya suatu perpindahan udara dari garis katulistiwa kembali kekutub utara ,melalui lapisan udara yang liebih tinggi. Prinsipnya adalah bahwa angina terjadi karena adanya perbedaan suhu udara dibeberapa tempat dipermukaan bumi.
2.2. Sifat Angin dan Geografi Pada dasarnya angina terjadi karena adanya perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin dan perbedaan tekanan udara dimana angin pada siang hari berhembus dari laut kedarat (angin darat)sedangkan pada malam hari berlangsung dari darat kelaut(angin laut).
Laporan Tugas Akhir
13
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Kecepatan angin juga tergantung dari ketinggian dan kekasaran daerah ,semakin tinggi kearah langit,kecepatan angina semakin besar dan semakin banyak hambatan kecepatan angina semakin rendah.
2.3. Karakteristik Angin Pemanfaatan energi angin sebagai sumber energi selain memerlukan pengembangan dan pengawasan teknologinya juga memerlukan informasinya tentang potensi dan karakteristik energi angin yang dapat dimanfaatkan ,data yang digunakan bersumber dari Badan Meteorologi dan Geofisika. Untuk pemanfaatan energi angin sebagai energi pengganti perlu dilakukan
1. Distribusi kecepatan dan arah angin rata-rata serta kecepatan angin maximal perbulan 2. Distribusi peluang arah dan kecepatan angin. 3. Distribusi komulatip kecepatan angin 4. Besar energi angin yang dapat dimanfaatkan . 2.3.1. Distribusi Kecepatan dan Arah Angin. Untuk memperoleh gambaran fluktuasi kecepatan dan arah angin yang langsung selama satu tahun,disusun diagram distribusi kecepatan angin rata-rata perbulan, kecepatan maximal dan minimal perbulan dan distribusi arah angin rata-rata
Laporan Tugas Akhir
14
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
perbulan .dalam menyusun diagram tersebut digunakan rumrus-rumus pendekatan sbb: a) Kecepatan angin rata-rata V =
∑Vi
( 2.1 )
N
Dimana : V = Kecepatan rata-rata ( m/s) Vi = Kecepatan perpengamatan (m/s) N = Jumlah pengamatan perbulan
b) Arah angin rata-rata A=
∑ Ai N
Dimana : A = Arah angina rata-rata Ai = Arah angin perpengamatan N = Jumlah pengamatan perbulan
Semakin banyak pengamatan yang dilakukan, semakin baik ramalan pendekatan dengan rumus tersebut.
Laporan Tugas Akhir
15
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
2.3.2. Besar Energi Angin Yang Dapat Dimanfaatkan. Sebagaimana diketahui menurut fisika klasik energi kinetic dari sebuah benda dengan massa m dan kecepatan V adalah E = ½.m.V2 dengan ketentuan, kecepatan V tidak mendekati kecepatan cahaya rumus ini berlaku juga untuk angin yang merupakan udara yang bergerak
E=
1 .m.va 2
( 2.3)
Dimana : E = Energi (Joule) m = masa udara (kg/ m2) va = kecepatan angin (m/s) Bilamana suatu blok udara yang mempunyai penampang A (m2) dan bergerak dengan kecepatan Va ( m/s) maka jumlah masa yang melewati suatu tempat adalah : m = A.va.ρ (kg/s)
( 2.4 )
Dimana : A = Luas penampang (m2) va = Kecepatan angin (m/ s) ρ = kepadatan udara (Kg/ m3)
Dengan demikian maka energi yang dapat dihasilkan persatuan waktu adalah :
P=
1 ρ.A va3 2
(2.5)
Dimana : P = daya (W) ρ = kepadatan udara (1,225 Kg/ m3) pada suhu 20 º C
Laporan Tugas Akhir
16
Fakultas Teknik
va = Kecepatan angin
Teknik Mesin
(m/ s)
A = Luas penampang (m2)
η = Efesiensi kincir angin ( % ) Persamaan diatas merupakan sebuah persamaan untuk sebuah kecepatan angin pada turbin yang ideal,dimana dianggap energi angin dapat diekstract seluruhnya menjadi energi listrik.Namun kenyataannya tidak demikian,jadi terdapat faktor efesiensi dari mekanik turbin angin dan efesiensi dari generator sendiri. Sehingga daya yang dapat diekstrak menjadi energi dapat diketahui dari persamaan berikut : 1 3 P = .ρ .η . A.v a . 2
( 2.6 )
2.3.3. Nilai Rancangan Kecepatan Awal,Kecepatan Rated Dan Kecepatan Furling..
Definisi dari ketiga kecepatan tersebut diatas adalah : 1. Kecepatan awal ( Cut in) yaitu Kecepatan angin dimana kincir angin itu mulai menghasilkan daya listrik atau pemompaan 2. Kecepatan rencana(rated) yaitu kecepatan angin dimana kincir penggerak generator/pompa mencapaikeluaran dengan efesiensi tertinggi. 3. Kecepatan Furling yaitu kecepatan angin dimana kincir angin tidak beroperasi guna menghindari kerusakan/kecepatan batas operasi.
2.3.4. Data Kecepatan Angin.
Laporan Tugas Akhir
17
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Data kecepatan angin yang diperoleh penulis berdasarkan data yang valid yang berasal dari stasiun pemantau cuaca BMG yang berada di daerah Jakarta dimana data tersebut adalah kecepatan angin dalam kurun waktu 2 tahun. Sebagai bahan studi awal dari perancangan kincir angin maka penulis mengambil nilai rata-rata dari kecepatan angin yang berada diwilayah Cengkareng dan lainya perbulan. BULAN
V rata-rata (m/s)
JANUARI
2,9
FEBRUARI
2,7
MARET
2,2
APRIL
2,1
MEI
2,4
JUNI
2,6
JULI
2,7
AGUSTUS
2,8
SEPTEMBER
2,2
OKTOBER
2,4
NOPEMBER
2,5
DESEMBER
2,5
Tabel 2.1. Kecepatan Angin per bulan di BMG Cengkareng tahun 2008
2.4. Pengertian Kincir Angin
Laporan Tugas Akhir
18
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Turbin angin atau yang sering disebut Kincir Angin adalah salah satu mesin konversi energi yang mengasilkan energi listrik dari pemanfaatan perubahan energi kinetic angin menjadi energi mekanik untuk memutar generator listrik Sehingga dapat membangkitkan energi listrik. Kincir angin secara umum dapat dikatakan adalah suatu alat yang digerakan oleh udara untuk menghasilkan gaya mekanis dan dilanjutkan sesuai kebutuhan. Penggunaan desain berbagai kombinasi yang berbeda beda yang meliputi bentuk Sudu, Jumlah Sudu dan tentunya sudu tersebut ditetapkan sebagai variable untuk menetapkan perbandingan perlengkapan pada transmisi untuk menghasilkan efisiensi lebih tinggi keandalan lebih besar atau untuk mengurangi biaya, model yang paling sederhana berdasarkan teori daya gerak yang dikembangkan selama berabad yang lalu untuk meramalkan bentuk baling-baling kapal, adaptasidari teori awal ini untuk memutar turbin telah dikerjakan oleh Bilau pada tahun 1925 dan belz pada tahun 1927, yang telah dipakai selama bertahun-tahun kincir angin yang utama menjadi keinginan umum antara lain adalah Horisontal Axis ( poros datar) dan Vertikal Axis (poros tegak). Orang-orang dulu menggunakan kincir angin untuk keperluan tradisional antara lain : penggrendaan, menggiling tepung/jagung, multi blade memutar pompa dan baling-baling modern seperti jenis kincir angin yang belakangan sering disebut cros wind axis turbin yang mungkin mempunyai asal lebih awal dan meliputi suatu bentuk wujud dari cina masa lampau . Perkembangan kincir angin secara umum sangat tergantung pada biaya teknologi energi angin pada lingkungan spesifik dengan biaya penyediaan bahan
Laporan Tugas Akhir
19
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
bakar minyak (BBM) dan listrik yang relative tinggi adalah potensial teknologi kincir angin kecil untuk penerapan yang spesifik itu terus berkembang sebagai teknologi energi alternative yang menguntungkan. Pemanfaatan teknologi energi angin untuk nelayan tradisional baik dalam kegiatan penagkapan maupun rumah tangga merupakan teknologi alternative yang potensial mengingat kondisi daerah pesisir yang spesifik memiliki daya angin yang relative besar dan sulit terjangkau listrik sentral (gambar macam-macam kincir angin).
2.5. Pengembangan Kincir Angin. 2.5.1. Kincir Angin Konvensional
Perkembangan teknologi energi angin ditandai dengan berkembangnya teknologi konversi energi angina mekanik atau kincir angin untuk penggilingan dan pemompaan pada sekitar abad ke 12. Teknologi kincir angin yang lampau awalnya sangat sederhana berkembang menjadi sangat komplek yang terdiri atas sejumlah peralatan dan mekanis untuk operasi stabilitas kincir angina ditingkatkan dengan mengubah sumbu motor yang semula datar menjadi inklunasi sehingga unsure dan titik beratnya lebih dekat ke sumbu tiang. Kontruksi spor unsure disempurnakan praktis, efisiensi layur ditingkatakan dengan mengubah kordinat simetris menjadi perbandingan yang tepat serta sudut unsure yang konstan diberi twist untuk mendapatkan orientasi otomatis dikembangkan mekanisme pengaruh dan luar teknologi kincir angina sudah mejemuk
Laporan Tugas Akhir
20
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
yang berkembang pada sekitar abad 19 dimulai dengan kordinat rotor empat daun dari lajur hingga rotor sudut majemuk dari plat langkah yang efektif dan ekonomis. Teknologi konversi angin atau kincir angin berkembang sebagai energi alternative untuk
listrik pedesaan akibat mahalnya distribusi listrik sentral. Teknologi listrik angina pertama kali dikembangkan tahun 1888 dengan menerapkan rotor sudu majemuk diameter 17 m, jumlah sudu 144 dan keluaran daya 12 kw digunakan untuk pengisian baterai dan beroperasi hingga tahun 1908. Kemudian dikembangkan teknologi listrik angin dengan ukuran lebih besar. Teknologi rotor sudu majemuk secara operasional sukses namun putaran rotor yang rendah tidak sesuai untuk menggerakan generator listrik. Teknologi kincir angin berkembang pesat dengan diperkenalkanya prinsip Aerodinamika dan fasilitas terowongan angin. Penerapan teknologi pesawat terbang pada rotor turbin angina dan introduksi efisiensi bets sebesar 16/27 pada abad ke 20 meningkat lebih lanjut analisis dan rancangan kincir angin propeller. Sejumlah kincir angina kecepatan tinggi berprofil air foil telah dikembangkan dibeberapa Negara . Beberapa diantaranya yang sukses tipe sumbu datar tiga sudu Jacob (AS) dua sudu Areo watz (Prancis) dan dua sudu Winco Windcharger (AS). Pada akhir tahun 1930 an telah berkembang kincir angin kecil berbagai tipe dan ukuran,keandalan tinggi,usia pakai lebih dari sepuluh tahun,memiliki dua atau
Laporan Tugas Akhir
21
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
tiga sudu.posisi rotor arus hulu,soliditas rendah dan menggunakan orientasi daun ekor.
2.5.2. Kincir Angin Modern
Teknologi kincir angina dikembangkan lebih lanjut berdasarkan konsep dan bentuk yang dimungkinkansejak 1945.kincir angin modern skala kecil diameter rotor < 12 mm atau dengan rated <40 kw dirancang dengan konfigurasi komponenkomponen berikut: •
Rotor dirancang dengan prinsip aerodinamika,dua sudu atau lebih,putaran variable dan dibuat dari fiber glass atau kayu dilapisi epoxi.
•
Naf umumnya rigid,bentuk datar atau bersudut dibuat dari logam.
•
Poros utama ditumpu dengan bantalan dan dibuat dari logam.
•
Transmisi daya mekanik(opsi) umumnya kotak gigi.
•
Kontrol pitch tetap atau variable,dengan prinsip membatasi putaran maximum.
•
Pengereman mekanik tau listrik.
•
Generator DC atau AC dengan rectifier untuk penerapan mandiri,dan induksi untuk interkoneksi local.
Laporan Tugas Akhir
22
Fakultas Teknik
•
Teknik Mesin
Nosel/tempat komponen diatas menara,berorientasi otomatis,dari dalam nosel bergerak disalurkan daya listrik,sinyal control,atau data lain kekabel dan melalui cincin seret atau lilitan kabel.
•
Menara latis atau tubular dengan atau tanpa penguat,dibuat dari logam dan bertumpu pada fondasi beton
Tabel spesifikasi beberapa kincir angin modern :
Tabel 2.2. Spesifikasi Beberapa Kincir Angin modern
Laporan Tugas Akhir
23
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
2.5.3. Jenis-jenis Kincir Angin
Beberapa jenis kincir angin beragam bentuk dan system kerjanya dengan berbagai kebutuhan , antara lain 1) Sistem Konversi Energi Angin ( SKEA ) a) Skea mekanik ( Kincir Angin ) * poros datar : sudu majemuk, fenomena,bicycle,dll * poros tegak savonious b) SKEA LISTRIK ( Turbin Angin ) * Poros Datar ( horizontal Axis wind turbin ) 2-6 sudu * Poros tegak ( vertical Axis wind tubin ) : savonius,darieus dan giromill 2) Skala kecil yang dihasilkan Sistem Konversi Energi Angin a) Skala kecil ( small scall )
: s/d 10 kw
b) Skala Menengah Medium scall ) : 10 kw- 100 kw c) Skala besar ( Large scall )
: > 100 kw
Keunggulan dari pemanfaatan kincir angin adalah pengembangan teknologi tepat guna yang menggunakan konversi angin skala kecil sebagai energi alternative,selain juga mengurangi ketergantungan energi konvensional dalam pengembangannya industri menengah dan kecil serta untuk pemasokan energi masyarakat untuk kebutuhan sendiri.
Laporan Tugas Akhir
24
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Manfaat lain dari pemanfaatan energi angin adalah mengurangi pencemaran akibat gas buang motor,diesel atau motor bakar serta mencegah penebangan pohon untuk keperluan kayu bakar.
Keunggulan dari pemanfaatan energi kincir angin adalah: •
Pengoperasian dan pemeliharaannya mudah
•
Dapat meningkatkan aktifitas ekonomi dan kualitas hidup masyarakat.
•
Cocok untuk listrik pedesaan dan digunakan untuk para nelayan dalam penerangan lampu penyorot dilaut lepas yang tidak dijangkau jaringan PLN.
•
Menghemat devisa Negara,karena mengurangi subsidi bbm pemerintah Energi angin merupakan energi alternatip yang dapat diperbaharui
menggnakan potensi angin yang ada,tidak menghasilkan gas buang dan tentunya ramah lingkungan. Pada dasarnya penggunaan tenaga angin diperkirakan untuk keperluan-keperluan seperti: •
Menggerakkkan pompa-pompa air untuk irigasi,ataupun untuk mendapatkan air tawar bagi ternak
•
Menggiling padi untuk mendapatkan beras.
•
Menggergaji kayu.
•
Membangkitkan tenaga listrik
Laporan Tugas Akhir
25
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Gambar 2.1 Macam-macam kincir angin poros datar (Horisontal axis wind turbin) (www.energy.iastate.edu)
Laporan Tugas Akhir
26
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Gambar 2.2 Macam-macam Kincir Angin Poros Tegak (Vertical Axis Wind Turbin)
Laporan Tugas Akhir
27
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Gambar 2.3. Bentuk Kincir Angin Up Wind dan Kincir Angin Savonius
Laporan Tugas Akhir
28
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
2.6. Profil Sudu Kincir Angin Kincir angin dapat dibuat dari berbagai type airfoil dan bahan,mulai dari plat kurva,airfoil simetris dan lain sebagainya.sedangkan bahan yang dapat dipakai pada pembuatan airfil juga bervariasi,seperti bambu, kayu,plat baja,epoxi,plat aluminium dan lain-lain.
2.7. Gaya-Gaya Yang Bekerja Pada Sudu 1) Gaya tekan angin yaitu gaya tekan pada permukaan sudu yang berlaku sebagai layar. 2) Gaya aerodinamis yaitu gaya-gaya yang timbul pada permukaan sudu berupa gaya angkat dan gaya geser dimana sudu berlaku sebagai airfoil. 3) Gaya dorong yaitu gaya yang timbul akibat terbentuknya dinding nozel antara bagian bawah sudu dengan dinding selubung,dinding luas sisi masukan aliran udara lebih besar dari sisi keluarannya pada saat sudu berubah posisi. Sedangkan gaya-gaya yang menyebabkan posisi sudu berubah secara variable adalah: 1) Gaya sentrifugal yang timbul akibat putaran rotor dan menyebabkan sudu dorong keluar keposisi membuka. 2) Gaya tekan angin yang diterima sudu saat permukaannya tegak lurus arah angin dan menyebabkan sudu terdorong kedalam keposisi menutup
Laporan Tugas Akhir
29
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
BAB. III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Prinsip Kerja Kincir Kincir Angin yang dibuat ini adalah kincir angin dengan poros horizontal dengan tiga buah sudu variable.yang berhubungan poros rotor generator.Angin yang ada disekitar kincir angin akan memutar blade sehingga akan menghasilkan arus listrik pada generator.dan sebagai penyeimbang pada generator bagian belakang dilengkapi ekor penyeimbang yang juga berfungsi sebagai penunjuk arah.Gaya yang terjadi pada sudu-sudu kincir angin ini adalah kombinasi dari gaya-gaya aerodinamis, gaya angkat dan gaya geser, sehingga menghasilkan momen torsi yang besar.
3.2. Dasar teori konstruksi batang pipa (tower) dari kincir Angin Batang merupakan structural yang paling penting yang memiliki ketahanan terhadap lenturan akibat beban yang diterapkan. Analisis kapasitas beban dari batang terdiri atas, pertama, dalam menetapkan syarat-syarat keseimbangan batang secara keseluruhan. Kedua, hubungan antar gaya yang dihasilkan dan ketahanan dalam (internal) yang menyertai batang untuk menopang gaya ini harus ditetapkan. Bagian pertama dari analisis ini memerlukan penerapan prinsip-prinsip statistika,
Laporan Tugas Akhir
30
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
sedangkan bagian kedua menyangkut karakteristik kekuatan bahan dan biasanya dibahas dalam mekanika benda padat atau mekanika bahan Kincir angin yang digunakan sebagai studi pada tugas akhir ini menggunakan konstruksi tiang (tower)dengan batang pipa sebagai penyangga atau tempat kedudukan alat pembangkit listrik tenaga angin dimana idealnya dalam pemasangan alat ini pada kondisi lingkungan atau tempat yang lapang yang bebas dari gedunggedung atau pepohonan, sebagai contoh jika tower yang dipakai dengan ketinggian 6 meter maka area yang bebas dari pepohonan dan lain sebagainya adalah sepuluh kali lipat dari ketinggian tower itu sendiri sehingg alat tersebut dapat berfungsi dengan baik dengan harapan alat tersebut dapat bermanfaat dan menghasilkan listrik sesuai dengan fungsi alat itu sendiri.sedangkan diameter tower sekitar 2 inc yang berfungsi sebagai penopang atau tempat meletakkan satu set generator lengkap dengan blade dan sirip ekor sebagai penyeimbang yang berfungsi sebagai penunjuk arah, dan sebagai pengaman tiang penyangga digunakan tali kawat baja atau seling yang berfungsi sebagai pengaman atau penyeimbang dari konstruksi tiang penyangga agar berdiri tegak karena beban yang diterima oleh tiang tersebut yang mana akibat dari berputarnya kincir angin akan timbul gaya-gaya yang terjadi pada tiang atau batang pipa sebagai penopang utama dimana terdapat satu set kincir angin dan gaya-gaya yang terjadi pada batang adalah akibat pengaruh seperti gaya trhust,gaya geser,gaya angkat dimana pada batang itu sendiri akan terjadi seprti momen lentur akibat gaya dorong ( thrust ).
Laporan Tugas Akhir
31
Fakultas Teknik
3.3.
Teknik Mesin
Parameter yang Diukur Analisa dimensi sangat diperlukan untuk mengetahui apakah suatu parameter
berpengaruh terhadap suatu percobaan atau tidak.pada pembangkit litrik tenaga angin,parameter-parameter yang mempengaruhi karakteristik aliran adalah massa jenis fluida ( ρ ),viscositas fluida
,kecepatan angin(Vo),besar sudut antara blade
terhadap arah angin(Q),jumlah blade(Nb),panjang blade(C),dan lebar blade(W),dalam penelitian analisa dimensi digunakan untuk mengetahui variabel apa saja yang mempengaruhi gaya angkat(Lifting Force),gaya geser(Drag Force), gaya dorong ( thrust) torsi(Q),tenaga(W)yang dihasilkan oleh rotor,cara yang digunakan adalah dengan menerapkan teori momentum baling-baling (Blade Element Moment Theory).
3.3.1. Analisa Kecepatan Angin Relatif Untuk mengetahi kecepatan angin relatif dapat menggunakan persamaan berikut : Vin = Vo + vi
= Vo ( 1-a )
Vrot = ΩR – u = ωr ( 1+a’ )
dan
( 3.1 )
( 3.2 )
Jadi kecepatan relatif angin adalah : 2 Vi = Vin2 + Vrot
Laporan Tugas Akhir
( 3.3 )
32
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
dimana :
Vi
: Kecepatan relatif angin
Vo
: Kecepatan angin awal ( m/s )
vi
: Perubahan kecepatan angin dari upstream ke Rotor melalui anulus ( m/s)
3.3.2. Analisa Gaya Angkat (Lift Force ) Gaya angkat yang diukur pada penelitian ini meliputi gaya angkat pada tiap blade,parameter-parameter yang mempengaruhi gaya angkat adalah massa jenis fluida( ρ ),kecepatan relatip angin (Vi),Angel of attack
( α ),Koefesien
Lift(CL),panjang ( c ),dan lebar blade(W),gaya angkat diperoleh dengan persamaan:
1 L = C L . .ρ .Vi 2 .c.w.g 2
( 3.4 )
Dimana :
L : Gaya angkat CL : Koefisien Gaya angkat ρ
: Kerapatan Udara
Vi
: Kecepatan relatif angin
c
: Panjang blade
Laporan Tugas Akhir
33
Fakultas Teknik
w
Teknik Mesin
: Lebar blade
3.3.3.Gaya Geser ( Drag Force ) Gaya Geser ( Drag Force )yang diukur pada penelitian ini meliputi gaya geser pada tiap blade,parameter-parameter yang mempengaruhi gaya geser adalah massa jenis fluida ( ρ ),kecepatan relatip angin ( Vi ), Angel of attack ( α ),koefesien drag ( CD ),panjang ( c ),lebar blade (W ) dengan persamaan :
1 D = C D . .ρ .Vi 2 .c.w.g 2
( 3.5 )
Dimana: D : Gaya Geser CD : Koefesien Gaya Geser Vi : Kecepatan Relatip Angin W : Lebar Blade c : Panjang Blade ρ
: kerapatan udara
Untuk mendapatkan koefisien lift dan koefisien drag maka di gunakan pendekatan grafik dibawah ini :
Laporan Tugas Akhir
34
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Gambar 3.1 Koefisien Gaya angkat dan Gaya geser terhadap angle of attack ( α =
3o ), untuk tipe sayap profil S809 yang dipakai pada percobaan. ( Reff : Michael Schmidt/ The Economic Optimization of Wind Turbine Design )
3.3.4. Analisa Gaya Dorong ( Thrust )
Sedangkan untuk gaya dorong (Thrust ) yang diukur berdasarkan pengaruh dari gaya angkat dan gaya geser yang bekerja pada tiap-tiap blade. Parameterparameter yang mempengaruhi : Sudut antara blade terhadap arah angin ( θ ), Kerapatan udara ( ρ ), kecepatan relatif angin ( Vi ), Angel of attack ( α ), besar sudut antara blade terhadap arah angin ( φ ), Koefisien Lift ( CL ), Panjang ( c ) dan Lebar
Laporan Tugas Akhir
35
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
blade ( w ), Jari-jari Rotor ( R ), Thrust diperoleh melalui persamaan dibawah ini, namun terlebih dahulu perlu dicari koefisien Thrust :
λ T = CL . cos φ − CD . sin φ
( 3.6 )
dimana
λT : Koefisien Thrust Sehingga diperoleh :
1 TF = λ T . . ρ .Vi 2 .c.w 2
( 3.7 )
dimana : : Thrust ( N )
TF
Kemudian untuk mendapatkan TF
total
dikalikan dengan jumlah blade pada rotor,
maka : TF
total
= 3 . TF
( 3.8 )
3.3.5. Analisa Gaya yang terjadi pada batang pipa ( tower )
Analisa Beban yang terjadi pada batang pipa ( tower ) sebagai penopang pada konstruksi pembangkit listrik tenaga angin antara lain momen lentur yang terjadi akibat gaya dorong (thrust) dimana dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut :
Laporan Tugas Akhir
36
Fakultas Teknik
Ml = F . ℓ
Dimana :
Teknik Mesin
( 3.9.)
Ml
: momen lentur
F : Gaya ℓ
: tinggi batang pipa
Sedangkan untuk mengetahui tegangan yang terjadi pada batang pipa (tower)dapat dicari dengan persamaan berikut :
σ =
Fte A
( 3.10 )
Sedangkan gaya tekan (Fte) pada batang pipa merupakan beban/berat (W) yang diterima oleh batang pipa (tower) dan dapat dihitung
menggunakan persamaan
dibawah ini :
W= m.g
( 3.11 )
Sementara untuk mencari luas penampang berongga/pipa ( A ) itu sendiri dapat dengan menggunakan persamaan dibawah ini: A=
π 4
(D2 − d 2 )
Laporan Tugas Akhir
( 3.12 )
37
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Sehingga tegangan tekan yang terjadi pada batang pipa yaitu :
σ te =
m.g A
( 3.13 )
Dimana : Fte : gaya tekan
σ te : tegangan tekan A
: luas penampang batang pipa
m : massa g : gravitasi ( 9,8 m/s²) D : diameter luar batang d : diameter dalam batang
3. 3.6. Analisa Tegangan yang terjadi pada kawat baja ( Sling )
Analisa tegangan-tegangan yang terjadi pada kawat sling sebagai penopang atau pengaman batang tower pada konstruksi pembangkit listrik tenaga angin merupakan akibat dari beban yang diterima oleh batang pipa (tower) dan juga gaya dorong ( thrust ) akibat pengaruh kecepatan angin yang memutar baling-baling pada kincir angin pembangkit listrik. Perhitungannya menggunakan prinsip kesetimbangan gaya.
3.4.
Metode Experimental
Laporan Tugas Akhir
38
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Ekperimen yang ditunjang oleh beberapa hal sebagai peralatan ekperimen yang digunakan untuk memperoleh hasil yang ingin dicapai adalah: •
Pembangkit listrik tenaga angin set adalah merupakan satu set pembangkit listrik dengan penggerak tenaga angin berupa : 1) Blade tiga pcs 2) Generator set 3) Inverter dari arus DC menjadi AC 4) Mounting dan Braket
•
Anemometer yang berfungsi untuk mengukur kecepatan angin ( fluida kerja ) pada saaat percobaan
•
Nachometer digunakan untuk mengukur jumlah putaran rotor permenit ( Rpm ) pada saat percobaan.
•
Multi meter digunakan untuk mengukur tegangan keluaran ( volage ) dari generator.
•
Wind Source disini maksudnya adalah sumber angin alam yang kita ambil dibeberapa tempat yang berpotensi angin cukup besar dengan kecepatan bervariasi. .
3.4.1. Persiapan dan langkah kerja dalam ekperimen
Laporan Tugas Akhir
39
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Untuk melakukan ekperimen tentang pengaruh sudut arah aliran angin terhadap blade dalam hal ini juga pengaruh variasi kecepatan angin maka langkah kerjanya adalah sebagai berikut : • Persiapan peralatan ekperimen. • Pelaksanaan ekperimen dan pengambilan data dengan menggunakan wind
source,alat ukur serta benda uji yang sudah ditentukan.
• Pengolahan data hasil ekperimen. • Mengulang percobaan untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat.
Langkah awal ini merupakan proses penentuan dimensi, perakitan benda uji dan posisi wind source serta pemasangan alat ukur, benda uji ditempatkan pada posisi axial terhadap wind source dengan kedudukan yang kokoh diatas lantai atau tanah, reflector ditempelkan pada salah satu blade untuk kemudian ditembak dengan sinar sensor oleh tachometer yang akan menghitung jumlah putaran rotor, kemudian anemometer dipasang diantara wind source dan rotor untuk memonitor kecepatan angin yang bekerja sedangkan multimeter dipasang pada output generator untuk memonitor tegangan DC yang keluar
3.4.2. Pengambilan Data dan Benda Uji
Laporan Tugas Akhir
40
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Tahap ini adalah tahap yang penting dalam ekperimen dimana data yang diperoleh akan dianalisa dan dimasukan kedalam rumus perhitungan yang telah dibuat sebelumnya. Proses pengambilan data dilakukan dengan langkah-langkah sebagai
berikut: 1) Pengukuran putaran rotor ( Rpm )pada tiap-tiap perubahan kecepatan angin, kecepatan angin sesuai dengan table yang telah ditentukan. 2) Pengukuran tegangan DC yang keluar dari generator pada tiap-tiap perubahan kecepatan angin, kecepatan angin diatur sesuai dengan table yang telah ditentukan. 3) Melakukan modifikasi dengan merubah sudut antara blade terhadap arah angin hal ini dilakukan dengan menyisipkan slim ( potongan plat tipis ) antara baut ikatan 4) rotor dengan blade sehingga akan merubah besar sudut ø sesuai dengan nilai tabel yang telah ditentukan. 5) Ulangi langkah satu dan dua untuk setiap perubahan sudut ø.
3.4.3. Benda Uji
Pada ekperimen ini,benda uji yang digunakan adalah pembangkit listrik tenaga angin dengan kapasitas daya 200 watt. Data profil model dengan spesifikasi sebagai berikut :
Laporan Tugas Akhir
41
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
1) Model
: 200
2) Rated Power (W )
: 200
3) Tegangan Keluaran rata-rata (v)
: 24 DCV
4) Rotor diameter (m)
: 2,2
5) Start wind speed (m/s)
:3
6) Scurity wind speed (m/s)
: 16
7) Rated rotated speed (rpm/m)
: 450
8) Material blade
: Fiber Glass Steel
9) Jumlah blade
:3
10) Tinggi tower (m)
:6
11) Tower diameter (m)
: 60
12) Pipe inverter
: Modified wave
13) Kapasitas bateray yang digunakan
: 12V/100AH
14) Jumlah bateray
:2
15) Berat total
: 80
Dalam penulisan tugas akhir ini akan menitik beratkan pada analisa terhadap daya/tegangan yang diterima oleh seling /kawat pengikat akibat daya yang dihasilkan oleh generator dan pengaruh trhust
dari perputaran blade pada kincir angin
pembangkit listrik.
3.5. Urutan Langkah Penelitian
Laporan Tugas Akhir
42
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
START
Ø Pipa = 2” Ø Seling = 6mm
Perhitungan ΣF=0 σ=F/A M=F·L
TIDAK σ tarik ≥ σ ijin
σ tarik < σ ijin YA σ tarik < σ ijin Hasil Perhitungan σ tarik A………N/m2 σ tarik B………N/m2 σ tarik C………N/m2 σ batang………N/m2
END
Gambar 3.2 Diagram Alir Perancangan
Laporan Tugas Akhir
43
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
BAB.IV
ANALISA DAN PERHITUNGAN Spesifikasi dimensi dari alat uji adalah : c = 0,935 m w = 0,105 m D = 60,33 mm d = 52,51 mm d seling = 6mm g = 9,8 m/s² Nb= 3 r = 0,935 m R = 1,065 m α = 3°
ρ = 1,176 kg/m3
4.1.Kecepatan Relative Angin Kecepatan relative angin pada Ф = 6° dimana diketahui a = 0,2653 dan
Laporan Tugas Akhir
a’ = 0,0548
44
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Dengan menggunakan persamaan ( 3.1 ) : Vin = Vo + vi = Vo ( 1- a ) Dan persamaan (3.2) Vrot = ΩR – u = ωr ( 1+a’ )
Saat Vo = 3 m/s Vin = Vo + vi
= Vo ( 1-a )
maka : Vin,i
= 3 + vi
= 3 ( 1 - 0,2653 )
Vin,i
= 3 + vi
= 2,204 m/s
vi
= 2.204 – 3 = -0,796 m/s
Vrot = ΩR – u = ωr ( 1+a’ )
dari data hasil percobaan diketahui putaran kincir = 150 Rpm sehingga ω atau Ω = 150 = 2,5 m/s 60 Dari spesifikasi alat diperoleh : r = 0.935 m R = 1.065 m
Laporan Tugas Akhir
45
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Maka : Vrot
= ΩR – u
= 2,5 . 0,935 ( 1 + 0,0548 ) = 2,465 m/s
Vrot u
= ( 2,5 . 1,065 ) - u
= 2,465 m/s
= 2,662 – 2,465
= 0,197 m/s
Jadi Kecepatan relatif angin adalah dengan menggunakan persamaan ( 3.8 ) : 2 Vi = Vin2 + Vrot
Vi = (2,204)2 + (2,465)2
Vi = 3,306 m/s
Jadi : Pada φ
1
= 60 , saat Vo = 3 m/s ;
diperoleh Vi = 3,306 m/s
Saat Vo = 6 m/s Vin
= 6 + vi
= 6 ( 1 - 0,2653 ) = 4,408 m/s
vi
= 4,408 – 6 = -1,591 m/s
kemudian dari data hasil percobaan diketahui putaran = 450 Rpm
Laporan Tugas Akhir
46
Fakultas Teknik
sehingga ω atau Ω =
Teknik Mesin
450 = 7,5 m/s 60
Maka : Vrot
= ΩR – u
= 7,5 . 0,935 ( 1 + 0,0548 ) = 7,397 m/s
Vrot
= ( 7,5 . 1,065 ) - ui
= 7,397 m/s
u
= 7,987 – 7,397
= 0,59 m/s
Jadi Kecepatan relatif angin adalah : Vi = (4,408)2 + (7,397)2
Vi = 8,61 m/s Jadi : Pada φ 1 = 60 , Vo = 6 m/s ;
diperoleh Vi = 8,61
m/s
4.2. Gaya angkat ( Lift force ) dan Gaya geser ( Drag force )
Dari persamaan ( 3.4 ) untuk gaya angkat : 1 L = C L . .ρ .Vi 2 .c.w.g 2
Dari persamaan ( 3.5 ) untuk gaya geser : 1 D = C D . .ρ .Vi 2 .c.w.g 2
Laporan Tugas Akhir
47
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Dari perhitungan sebelumnya diketahui ρ = 1,176 kg/m3 Dari spesifikasi alat di ketahui :
c
= 0,935 m
w
= 0,105 m
g
= 9,8 m/s²
dari diagram lif and drag coeficient Gambar 3.2 pada bab III , diketahui pada : α = 30 maka
CL = 0,4 CD = 0,01
4.2.a. Gaya angkat dan Gaya geser pada φ = 60 Pada kecepatan Vo Diketahui
Vi
= 3
m/s
= 3.3 m/s
1 . 1,176 . 3,3 2 . 0,935 . 0,105 2 L = 2,466 N
Sehingga :
L = 0,4
dan :
D = 0,01 . 1 . 1,176 . 3,32 . 0,935 . 0,105
.
2 D = 0,062 N
Pada kecepatan Vo Diketahui
Vi
= 6
m/s
= 8,61 m/s
Laporan Tugas Akhir
48
Fakultas Teknik
Sehingga :
L = 0,4
.
Teknik Mesin
1 . 1,176 . 8,61 2 . 0,935 . 0,105. 9,8 2
L = 16,79 N dan
D = 0,01 .
1 . 1,176 . 8,612 . 0,935 . 0,105 . 9,8 2
D = 0,42 N
4.3. Analisa thrust berdasarkan gaya angkat dan gaya geser pada φ = 60 Dari persamaan ( 3.6 ) diperoleh :
λT
= 0,4 . cos 60 - 0,01 . sin 60 = 0,3968
Saat Vo = 3 m/s Diketahui :
Vi
= 3,3 m/s
ρ
= 1,176 kg/m3
c
= 0,935 m
w
= 0,105 m
R
= 1,065 m
g
= 9,8 m/s2
Laporan Tugas Akhir
49
Fakultas Teknik
Maka :
TF
= 0,3968 .
TF
= 2,45 N
Teknik Mesin
1 . 1,176 . 3,32 . 0,935 . 0,105 . 9,8 2
TF total = 3 . TF TF total = 3 . 2,45 = 7,35 N
Saat Vo = 6 m/s Diketahui :
Vi
= 8,61 m/s
maka :
TF
= 0.3968 .
1 . 1,176 . 8,612 . 0.935 . 0.105 . 9,8 2
= 16,65 N
TF total = 3 .16,65 = 49,95 N
4.4. Analisa Gaya yang terjadi pada batang ( tower ) Dari persamaan (3.9) diketahui : Ml = F . ℓ Dimana diketahui gaya dorong (thrust) berdasarkan gaya angkat dan gaya geser pada Ф = 6° pada kecepatan angin 6 m/s,jadi Ml = F . ℓ = 49,95 N . 6 m = 299,7 N.m
Laporan Tugas Akhir
50
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Sedangkan tegangan yang terjadi pada batang pipa (tower) dengan maenggunakan persamaan (3.10) yaitu :
σ =
Fte A
Tetapi terlebih dulu harus mencari gaya tekan ( Fte ) pada batang pipa yang merupakan berat/beban ( W ) yang diterima batang pipa dengan menggunakan persamaan (3.11) yaitu:
W=m.g = 50 kg . 9,8 m/s² = 490 kgm/s² = 490 N
Kemudian untuk mencari luas penampang batang berongga/pipa ( A ) dengan menggunakan persamaan (3.12) yaitu : A =
π 4
(D 2 − d 2 )
= 0,785 ( 60² - 52² ) = 0,785 ( 896 ) = 703,36 mm² Sehinga diketahuilah tegangan tekan yang terjadi pada batang pipa (tower) yaitu dengan persamaan (3.13) yaitu :
Laporan Tugas Akhir
51
Fakultas Teknik
σ te =
Teknik Mesin
m.g A
=
50.9,8 703,36
=
490 703,36
= 0,696 N/mm²
4.5. Analisa gaya yang terjadi pada tali Baja ( seling ) pada ø 6°
Gambar 4.1 Instalasi Kawat Tampak Atas
Laporan Tugas Akhir
Gambar 4.2 Analisa Arah Tegangan Kawat
52
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
* ] Σ Fy = W + FTAy + ( FTBy + F TCy ) 0
= m . g + FTAy + ( FTBy + FTCy )
0
= 50 . 9,8 + FTAy + (F TBy +F TCy )
0
= 490 – FTAy – ( FTBy + FTCy )
490
= FTAy – ( F TBy + FTCy )
FTAy + ( FTBy + FTCy ) =
490
FTA sin 45° + ( FTB sin 45° + FTC sin 45°
= 490
( FTA + FTB + FTC ) sin 45°
= 490
0,707 FTA + FTB + FTC
= 490 = 693,06
Σ Fx = 0
Saat Vo = 3 m/s,F angin = 7,35 N *] F angin + FTAx – FTBx – FTCx = 0 7,35 N + TA cos 45° - TC cos 45° - TB cos 45° = 0 7,35 = FTA cos 45° + FTC cos 45° + FTB 45 cos 45° 7,35 = ( FTA + FTC + FTB ) cos 45° 7,35 = ( FTA +FTC + FTB ) . 0,707 10,39 = ( FTA + FTC + FTB )
Laporan Tugas Akhir
53
Fakultas Teknik
*]
10,39 693,06
= - FTA + FTB + FTC = FTA + FTB + FTC +
703,45 703,45 2
Teknik Mesin
=
2 FTB + 2 FTC
=
2 ( FTB = FTC )
= FTB + FTC 351,72
= FTB + FTC
FTB = FTC =
351,72 2
= 175,86 N
*]
10,39 10,39
= FTA + ( FTB + FTC ) =
FTA + ( -351,72 )
FTA = -351,72-10,39 = 362,11 N. * ] FTB sebenarnya pada bidang OBD adalah :
*]
FTB cos 60°
= 175,86 N
FTB . 0,5
= 175,86 N
FTB
= 351,72
N
FTC sebenarnya pada bidang OCD adalah : FTC cos 60°
= 175,86 N
FTC 0.5
= 175,86 N
Laporan Tugas Akhir
54
Fakultas Teknik
= FTC
Teknik Mesin
175,86 0,5
= 351,72 N.
Analisa titik O Σ Fy = 0 FTAy + FTCy + FTBy + W – Fpp = 0 FTA sin 45° + FTC sin 45° + FTB 45° + W = Fpp Sin 45° ( FTA + FTC + FTB ) + 490 = Fpp Sin 45° ( 362,11 +351,72+351,72) + 490 = Fpp 0,707 ( 1065,55) + 490 = Fpp 1411,98
= Fpp Fpp = 1411,98 N
Saat Vo = 6 m/s,F angin = 49,95 N *]
F angin + FTAx – FTCx – FTBx = 0 49,95 N + TA cos 45° - TC cos 45° - TB cos 45° = 0 49,95 = FTA cos 45° + FTC cos 45° + FTB 45 cos 45° 49,95 = ( FTA + FTC + FTB ) cos 45° 49,95 = ( FTA +FTC + FTB ) . 0,707 70,65 = ( FTA + FTC + FTB )
Laporan Tugas Akhir
55
Fakultas Teknik
*]
70,65
Teknik Mesin
= FTA + FTB + FTC
693,06
= FTA + FTB + FTC
763,71
=
763,71 2
+
2 FTB + 2 FTC
=
2 ( FTB = FTC )
= FTB + FTC 381,85
= FTB + FTC
FTB = FTC =
381,85 2
= 190,92 N *]
70,65 70,65 FTA
= FTA + ( FTB + FTC ) = FTA + ( -381,85 ) = -381,85 – 70,65 = 452,5 N
* ] FTB sebenarnya pada bidang OBD adalah :
*]
FTB cos 60°
= -190,92 N
FTB . 0,5
=
FTB
= 381,84 N
-190,92 N
FTC sebenarnya pada bidang OCD adalah : FTC cos 60°
= 190,92 N
Laporan Tugas Akhir
56
Fakultas Teknik
FTC 0.5
= 190,92 N =
FTC
Teknik Mesin
=
190,92 0,5 381,84 N.
Analisa titik O Σ Fy = 0 FTAy + FTCy + FTBy + W – Fpp = 0 FTA sin 45° + FTC sin 45° + FTB 45° + W = Fpp Sin 45° ( FTA + FTC + FTB ) + 490 = Fpp Sin 45° ( 452,5 + 381,84 + 381,84) + 490 = Fpp 0,707 ( 1216,18 ) + 490 = Fpp 1562,61
= Fpp Fpp = 1562,61 N
Laporan Tugas Akhir
57
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
4.5.1 Analisa gaya pada pasak Analisa di titik A
D
A
O
FLOOR TAMPAK SAMPING A- O
Gambar 4.3 Tampak Samping Kawat A
Gambar 4.4 Analisa Arah Kawat Pasak A
Saat Vo = 3 m/s Σ Fy = FTAy - Fp 0
= FTA sin 45° - Fp = 362,11 sin 45° - Fp = 362,11. 0,707
FPA = 256,0 N
Saat Vo = 6 m/s Σ Fy = FTAy - Fp 0
= FTA sin 45° - Fp = 452,5 sin 45° - Fp = 452,5. 0,707
Laporan Tugas Akhir
58
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
FPA = 319,9 N Analisa di titik B
Gambar 4.5 Tampak Samping Kawat B
Gambar 4.6 Analisa Arah Kawat Pasak B
Saat Vo = 3 m/s ΣFy = FTBy – FPB 0 = FTB sin 45° - FPB = 351,72 .0,707 FPB = 248,6 N
Saat Vo = 6 m/s Σ Fy
=0
FTBy – FPB = 0 FTB sin 45° - FPB = 0
Laporan Tugas Akhir
59
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
381,84 .0,707 FPB = 269,9 N
Analisa di titik C
Gambar 4.7 Tampak Samping Kawat C
Gambar 4.8 Analisa Arah Kawat Pasak C
Saat Vo = 3 m/s Σ Fy
=0
FTCy – FPC = 0 TC sin 45° - FPC = 0
= 351,72 .0,707 FPC
= 248,6 N
Laporan Tugas Akhir
60
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Saat Vo = 6 m/s ΣFy
= FTCy – FPC
= FTC sin 45° - FPC
= 381,84 .0,707 FPC
= 269,9 N
4. 6 . Analisa tegangan yang terjadi pada kawat baja ( seling ) Dari perhitungan-perhitungan sebelumnya telah diketahui seperti kecepatan relatif angin, gaya angkat dan gaya geser akibat pengaruh dari kecepatan angin,gaya dorong (thrust),momen lentur ( Ml ) yang terjadi pada batang pipa (tower),gaya tekan ( Fte ) dan juga tegangan tekan ( σ te ) yang terjadi pada batang pipa (tower) langkah selanjutnya adalah mencari tegangan – tegangan yang terjadi pada kawat seling . 4.6.1 Analisa tegangan tiap kawat seling (tali baja) Dimana diketahui :
σ =
F A
Dimana : A =
π 4
.d²
= 0,785.6² = 28,26 m
Laporan Tugas Akhir
61
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
4.6.1.a Analisa tegangan pada kawat A saat Vo = 3 m/s
σ = σ
=
F A Fta A
σ TA
=
362,11 28,26
= 12,81 N/mm² Safety faktor pada tali A Sf
=
=
σ σTA 1800 12,81
= 14,05 Jadi tali A aman pada saat Vo = 3 m/s dengan safety faktor sebesar 14,05
4.6.1.b Analisa tegangan pada kawat B saat Vo = 3 m/s
σ =
F A
σ =
Ftb A
σ TB
=
351,72 28,26
= 12,44 N/mm²
Laporan Tugas Akhir
62
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Safety faktor pada tali B Sf =
σ σTB
=
1800 12,44
= 14,46 Jadi tali B aman pada saat Vo = 3 m/s dengan Safety faktor sebesar 14,46
4.6.1.c Analisa tegangan pada kawat C saat Vo = 3 m/s
σ = σ σ TC
=
=
F A Ftc A
351,72 28.26
= 12,44 N/mm²
Safety faktor pada tali C Sf =
= =
σ σTC
1800 12,44 14,46
Laporan Tugas Akhir
63
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Jadi tali C aman pada saat Vo = 3 m/s denganSafety faktor sebesar 14,46
4.6.1.d Analisa tegangan pada kawat A saat Vo = 6 m/s
σ = σ
=
F A Fta A
452,5 28,26
σ TA =
= 16,01 N/mm² Safety faktor pada tali A Sf =
= =
σ σTA
1800 16,01 11,24
Jadi pada tali A aman saat Vo = 6 m/s dengan safety faktor sebesar 11,24
4.6.1.e Analisa tegangan pada kawat B saat Vo = 6 m/s
σ =
F A
Laporan Tugas Akhir
64
Fakultas Teknik
σ = σ TB
=
Teknik Mesin
Ftb A
381,84 28,26
= 13,51 N/mm²
Safety faktor pada tali B Sf =
= =
σ σTB
1800 13,51 13,32
Jadi pada tali B aman saat Vo = 6 m/s dengan safety faktor sebesar 13,32
4.6.1.f Analisa tegangan pada kawat C saat Vo = 6 m/s
σ =
σ σ TC
F A
=
Ftc A
=
381,84 28,26
= 13,51 N/mm²
Laporan Tugas Akhir
65
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
Safety faktor pada tali C Sf
=
σ σTC
=
1800 13,51
=
13,32
Jadi pada tali C aman pada saat Vo = 6 m/s dengan safety faktor sebesar 13,32
Laporan Tugas Akhir
66
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Setelah melakukan perancangan dan perakitan kincir angin dan melakukan percobaan pada beberapa tempat yang berbeda maka dari hasil percobaan kincir angin tersebut serta dengan perhitungan – perhitungan dan pendekatan secara teori dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Dari hasil perhitungan didapatkan bahwa gaya yang terjadi pada kawat seling(tali baja) akibat gaya dorong pada kecepatan angin 3 m/s adalah sebesar pada Fta = 362,11 N,pada Ftb=Ftc = 351,72 N. 2. Gaya pada kecepatan angin 6 m/s didapat Fta = 452,5 N,dan pada Ftb=Ftc = 381,84 N. 3. Sedangkan tegangan tekan yang diterima oleh tiang penyangga sebesar 0,696 N 4. Tegangan yang terjadi pada tali baja (seling)saat kecepatan angin 3 m/s pada tali A sebesar σ
TA=
12,81 N/mm² ,dan pada σ
TB
=σ
TC
= 12,44
N/mm²
Laporan Tugas Akhir
67
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
5. Tegangan yang terjadi pada kawat baja (tali seling)saat kecepatan angin 6 m/s pada tali A sebesar σ
TA=
16,01 N/mm,dan pada σ
TB
=σ
TC
=
13,51 N/mm²
5.2. Saran 1. Tegangan pada tiang harus lebih besar dari tegangan yang diakibatkan oleh pembebanan alat utama dari kincir (generator) 2. Dianjurkan harus menggunakan material yang sesuai 3. Untuk mempermudah dalam pengejaan atau dalam perhitungan menggunakan alat bantu komputer.
Laporan Tugas Akhir
68
Fakultas Teknik
Teknik Mesin
DAFTAR PUSTAKA
[ 1 ] Buhl Jr, L. august, A new empirical relationship between thrust coefficient and induction foctor for the turbulentwindmill state. Technical report NREL/TP-50036834.,2005. [ 2 ] etd.gatech.edu/theses/available/etd-1114.2007. [ 3 ] Farret,Felix A, M. Godoy Simoes.Integartion of Alternative Sources of Energy.John Wiley& Sons, Inc.,New Jersey, 2006. [ 4 ] its.ac.id/ personal/files/material/344-hantoro-ep-1.pdf [ 5 ] Kincirangin.info [ 6 ] Manwell, J.F., J.G. McGowan,and A.L. Rpgers.”Wind Energy Explained Theody,Design, and Application.” John Wiley & Sons Ltd, West Sussex, England. 2002 [ 7 ] R.aerodyndesign.com/ANALYSIS/ANALYSIS.htm [ 8 ] ST.Ach.Muhib Zaenuri,Kekuatan Bahan,penerbit “ANDI” [ 9 ] STimo Shenko, Dasar Perhitungan Kekuatan Bahan, “ Restu Agung “,Jakarta. [10] Wikipedia.org/wiki/Wind turbine design – 88k
Laporan Tugas Akhir
69
ARAH DAN KECEPATAN TAHUN 2008 STASIUN METEOROLOGI KLAS I CENGKARENG
TGL
JAN KEC. ARAH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
JML RATA2
6.8 4.9 6.3 5.4 4.8 5.5 6.1 5.5 8 6.3 5.8 8.3 10.1 10.3 7.4 5.9 6.7 6.6 6 5.3 4.8 4.8 1.9 5.5 3.8 4.5 4.3 3.3 4.5 4.6 3.9 178 5.7
315 225 225 225 270 315 315 270 270 225 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 315 315 90 45 90 180 280 90 225
PEB KEC. ARAH 4.2 4.1 3.4 5 4.2 4.8 5.7 4.2 4.1 5.3 4.6 6.3 6.7 7.5 5.5 5.1 6.1 6.2 4 5.5 4.8 5 5.6 6.4 4.2 3.3 4.9 8.7 5.8
180 360 90 270 90 360 315 90 90 270 270 315 225 225 270 315 315 315 315 360 270 225 270 225 315 225 270 270 270
270 315
-
151.2 5.2
-
MARET KEC. ARAH 6.4 5.2 7 7.9 4.8 4.3 4.5 3.1 2.5 4 4.1 4.8 3.7 4.1 3.4 4.1 3.4 3.4 5.2 5.8 5.9 8.2 5.3 4.6 4.3 2.9 4.7 3.8 5.6 4 5.6 146.6 4.7
225 225 225 225 225 90 225 45 90 180 225 225 90 90 90 180 90 90 270 225 270 225 270 360 180 90 90 90 270 90
APR KEC. ARAH 5 6.3 4.3 4 5.1 4 4.3 4.4 4.1 3.9 4.1 2.7 4.7 2.1 5.1 4.6 4.6 3.6 3.5 5.4 3.9 3 4.3 2.9 4.3 4.8 3.8 4.2 2.3 3.3
225 225 90 225 180 90 180 360 90 90 225 90 45 90 45 90 225 90 90 180 90 90 135 90 90 180 90 315 90 90
90
90
-
122.6 4.1
-
MEI KEC. ARAH 3.8 3.8 4.5 3.9 2.2 4.1 3.8 3.1 4.6 4.6 4.4 4.4 4.1 5.8 3.3 3.8 5.3 7.2 5.7 6.3 4 5.6 5.3 4.4 4.9 4.9 5.2 6.3 5.7 5.6 4.8 145 4.7
180 135 180 180 90 90 90 315 360 360 225 180 360 45 90 180 45 180 180 45 180 45 225 180 45 90 180 45 45 45
JUN KEC. ARAH 6.7 5.6 4.3 3.5 5.1 4.9 4.3 3.8 5.3 4.5 3.3 3 4 4.6 2 5.2 4.1 6.3 4.8 5.2 6.5 4.8 5.9 6.5 6.5 6.4 5.3 7.2 8.1 5
90 45 180 90 180 180 180 90 45 90 225 90 45 90 90 45 90 45 90 180 90 45 90 90 90 90 45 90 90 45
90 -
153 5.1
-
ARAH DAN KECEPATAN TAHUN 2008 STASIUN METEOROLOGI KLAS I CENGKARENG
TGL
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 JML RATA2
JUL KEC. ARAH 4.2 3.2 4.3 5.9 5.4 2.8 4.4 4.2 4.8 4.8 4.7 5 4.6 5.3 9.7 7.8 8.8 6.3 5.6 4.4 5 3.5 4.9 6.8 5.6 3.8 6 4.8 7 4.6 5 163 5.3
90 90 90 90 90 90 225 90 90 180 180 45 180 90 90 90 45 45 45 360 45 45 45 180 45 90 180 90 90 135
360 -
AGS KEC. ARAH 9.5 5.5 2.3 4.5 2.4 3.7 8 9.6 10.8 8.5 7 4.6 3.4 8.4 6.4 4.3 3.8 4.2 6.2 4.5 5.3 4.8 4.2 5.2 4.4 6.4 5.7 4.3 3.7 3.4 4.5 169.5 5.5
90 90 90 45 90 360 90 90 90 90 90 90 90 90 180 45 45 90 90 45 45 225 90 180 45 45 225 180 180 90
SEP KEC. ARAH 2.1 3.8 2.9 4.2 3.4 3.5 5 5.7 4.5 4.8 3.3 2.8 7.8 9.7 5.1 5.5 3.8 4 3.2 4 3.5 3.3 2 4.4 4.8 4 4.2 3.6 4.8 4.1
90 90 90 90 90 225 90 45 225 180 225 45 90 90 90 270 225 225 225 225 225 90 90 180 180 180 180 180 180 180
180 -
127.8 4.3
-
OKT KEC. ARAH 4.4 5.7 4.5 3.5 3 4.2 3 3.2 4.8 5.1 4.2 5 5.8 5.5 5.1 4 5.8 3.4 5.6 2.9 6.5 5.6 6.2 5.5 3.4 5.9 2.9 5.3 3.1 3.4 5.8 142.3 4.6
180 45 90 180 225 225 225 90 45 45 225 90 180 90 45 225 90 45 225 90 225 225 225 270 225 180 90 180 90 45
NOP KEC. ARAH 3.1 6.5 4.5 6.4 2.5 4.3 3 3.7 5 5.1 4.8 4.2 4.1 1.7 4.1 5.4 4 8.3 9 4 4.4 5.8 5.6 9.3 8.3 5.1 5.6 3.1 3.3 2.8
90 180 225 90 90 180 180 90 225 225 90 360 180 90 90 270 225 270 180 225 225 270 315 270 270 225 270 270 180 180
DES KEC. ARAH 3.4 3 2.2 3 2.5 3.8 5.8 6.3 5.4 4.4 5 4 3.8 5.5 5 3.2 3.2 4 1.2 3.3 4.5 3.3 5.7 5 9.5 8.2 8.8 9.1 8.9 6.8
90 90 90 90 90 270 270 270 270 270 270 225 270 225 270 315 315 315 90 9 315 315 270 270 225 225 225 270 225 225
45
-
147 4.9
-
152 4.9
-
ARAH DAN KECEPATAN TAHUN 2007 STASIUN METEOROLOGI KLAS I CENGKARENG
TGL
JAN KEC. ARAH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
JML RATA2
10.4 10.3 11.8 9.1 8.4 9 9.1 5.8 6.6 7.6 9.1 7 9.9 8.2 6.5 4.4 3.8 6.1 4.4 2.7 4.2 5.1 4.5 3.1 4.6 4 4.2 5.5 8.4 8 9 210.8 6.8
270 270 225 270 270 270 225 270 225 270 270 270 270 270 270 315 90 180 90 90 315 315 90 90 90 90 225 315 315 315 315 -
PEB KEC. ARAH 5.2 7.3 8.1 6.6 4.8 3.8 4.9 3.7 2.5 3.7 4.2 4.6 3.3 3.5 4.5 3.4 4.1 3.4 3.8 0.9 2.9 4.8 3.8 1.6 4.3 4 5.6 9.7
123 4.4
315 315 315 315 90 90 315 10 90 90 90 90 90 315 90 90 90 90 90 90 90 225 90 90 90 315 270 270
-
MARET KEC. ARAH 10.2 8.6 9.6 7.1 8.5 9.2 7.8 6.5 5.4 5 3 2.6 5.7 5.1 5.6 8.1 7.1 6.6 5.4 6.2 7.8 8.5 5.4 8.7 9.6 9.6 6.1 5.8 4.5 1.7 5 206 6.6
225 225 270 270 225 270 270 315 90 90 90 90 225 90 225 270 225 225 225 225 225 225 225 225 270 270 270 225 225 90 90
APR KEC. ARAH 5.1 4 5.7 3.3 3 2.2 4 3 3.9 4 3.8 4.2 4.5 5.6 4.5 2.7 1.8 3.4 3.3 4.2 3.8 3.1 2.9 4.7 4.8 3.5 4.3 3 4 4.2 114.5 3.8
90 10 360 90 90 90 90 90 90 90 90 90 225 270 45 90 90 225 90 90 90 90 90 225 90 90 180 180 270 45 -
MEI KEC. ARAH 5.1 3.5 5.7 5 3.5 3 6 5.2 4 4 9.2 6.8 6.5 3.8 3.8 3 2.6 2.4 2.8 2.6 2.5 4.8 5.5 4.8 5.6 3 3.3 4.8 3.4 3.9 3.1 133.2 4.3
225 90 45 90 90 90 45 90 90 315 90 90 90 90 45 90 135 90 90 180 90 90 90 90 45 90 90 90 90 45 90 -
JUN KEC. ARAH 4.5 3.5 5 6.3 3.9 3.1 2.8 5.5 3.4 3 4.2 3 3.9 3.1 2.6 2.4 2.6 3.6 2.5 2.6 3.3 4 2.6 2.7 4.3 2.3 2.9 3.9 2.8 3.3 103.6 3.5
90 90 90 45 270 90 90 225 90 180 180 90 45 90 90 180 90 90 90 90 180 180 90 90 360 90 90 90 90 90 -
ARAH DAN KECEPATAN TAHUN 2007 STASIUN METEOROLOGI KLAS I CENGKARENG
TGL
JUL KEC. ARAH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
2.9 3.8 5.4 4 3.3 3.8 2 3.6 2.9 5 3.8 2.3 3.8 6.3 6.1 7.9 9.9 6.3 6.2 8.2 5.2 2.3 2.3 3.3
JML RATA2
110.6 4.6
90 45 180 90 90 90 90 90 180 45 180 90 90 90 90 90 90 90 90 90 225 90 90 180
-
AGS KEC. ARAH 3.9 4.4 4.4 3 4.9 5.9 5 3.5 3.4 4.7 6.7 5.5 6.6 3.8 3.5 6.2 4.3 7.2 5.5 4.1 2 3.9 5.2 3.4 3.8 4.7 5.7 4.5 5.5 5.2 6 146.4 4.7
180 90 180 90 90 90 90 90 90 90 180 90 90 90 180 45 180 180 45 270 90 90 45 90 225 360 180 45 90 180 180 -
SEP KEC. ARAH 4.7 4.5 3 3.8 5.3 6.5 3.8 4.4 4 4.1 4.4 5.5 4.3 4 4.4 4.2 4.3 4.2 5.1 3.4 5 4.8 3.1 3.3 4.9 5 5.2 4.6 4.6 5.8 134.2 4.5
45 45 90 180 45 90 225 180 90 180 225 180 360 45 315 90 180 45 45 90 180 225 90 90 180 180 180 180 225 225 -
OKT KEC. ARAH 4.2 4.3 3.8 6 5.4 4.5 5.3 5.3 3.5 4.8 3.9 4.9 4.7 4.3 4.8 4.2 4.5 3.8 3.4 6 3.8 5.2 2.2 5.2 3.1 5 4.7 3.5 2.8 4 3.3 134.4 4.3
225 180 90 45 45 90 180 90 180 180 90 180 180 225 180 180 225 90 225 225 180 90 90 270 225 180 180 225 90 225 90 -
NOP KEC. ARAH 4.2 4.3 3.8 6 5.4 4.5 5.3 5.3 3.5 4.8 3.9 4.9 4.7 4.3 4.8 4.2 4.5 3.8 3.4 6 3.8 5.2 2.2 5.2 3.1 5 4.7 3.5 2.8 4
4.4
225 180 90 45 45 90 180 90 180 180 90 180 180 225 180 180 225 90 225 225 180 90 90 270 225 180 180 225 90 225
DES KEC. ARAH 3.5 2.3 5.5 4.8 5.7 3.3 3 3.4 3.3 4 6.4 6.9 4 2.3 4.6 2.3 3.3 2.2 3.7 4.3 5 4.9 4.6 5.5 5.7 8 6.8 8.8 9.7 4.1 5 146.9 4.7
90 90 315 315 270 225 90 90 90 90 225 225 90 90 315 90 90 90 180 90 225 270 270 90 315 225 225 270 225 90 315 -
