Buku Kincir [PDF]

Citation preview

KINCIR ANGIN PRAKTIS



Nur Untoro



KATA PENGANTAR



Syukur alhamdulillah, puji bagi Allah yang telah menganugerahkan hidayahNya sehingga penulisan buku ini dapat diselesaikan. Kebutuhan energi masyarakat modern makin meningkat, di lain pihak minyak bumi dan gas yang selama ini menjadi sumber energi utama persediaannya semakin menipis. Dengan sendirinya harga BBM dan gas selalu meningkat. Indonesia selain kaya akan kekayaan alam, juga kaya potensi energi alternatif, energi terbarukan yang ramah lingkungan, baik energi air, biomassa, biodiesel, energi angin dan lain-lain. Potensi energi terbarukan tersebut masih sangat sedikit dimanfaatkan oleh masyarakat, sehingga perlu mendapat perhatian serius. Musim kemarau panjang seperti tahun 2015 ini, merupakan cobaan atau ujian. Berpuluh ribu hektar lahan pertanian kekeringan. Pompanisasi tenaga diesel tidak lagi sanggup dibiayai petani. Mereka hanya bisa memandangi sawahnya yang kering kerontang hingga terbelah-belah. Padahal Allah telah banyak menyediakan energi di musim kemarau, angin bertiup sepanjang hari. Angin berlalu begitu saja tanpa kesan apalagi manfaat, yang semestinya dapat digunakan untuk pompanisasi lahan pertanian. Tidak semua orang Indonesia tertidur oleh semilir angin. Bapak Hasim Hanafi salah satu contoh seseorang yang pikirannya terbang tinggi bersama angin, dia ciptakan kincir angin untuk penggerak pompa dengan “trade mark’” EGRA alias Energi Gratis, yang diantaranya telah dipasang di taman buah “Mekar Sari”. Energi angin sesungguhnya memiliki banyak manfaat yang masih terus untuk digali, baik untuk mekanisasi, maupun pembangkit energi listrik. Di Belanda, Amerika Serikat, Afrika, bahkan di Etiopia, kincir angin telah lama dan banyak digunakan. Namun di Indonesia kincir angin belum banyak digunakan, apalagi buku yang menyuguhkan teori singkat tentang energi angin dan pemanfaatannya. Oleh karena itu saya sebagai salah satu peneliti energi angin, ingin berbagi pengalaman kepada masyarakat melalui tulisan ini. Buku ini menitikberatkan pada pemanfaatan kincir angin praktis namun dalam memanfatkan selalu didasarkan pengetahuan teoritis dan penelitian yang telah dilakukan. Saya menyadari bahwa pengetahuan dan pengalaman bidang energi angin dan keteknikan ini masih sangat dangkal dan sedikit, namun karena merupakan hobi dan panggilan nurani, saya memberanikan diri untuk menulis buku ini. Oleh karena itu kritik-saran masukan dari kalangan ahli yang peduli terhadap krisis energi dan masyarakat sangat saya nantikan demi kemajuan kita bersama. Akhirnya, semoga Allah meridloi pembuatan buku ini, dan dapat bermanfaat bagi petani, pelajar, mahasiswa, dan semua pihak yang ingin bercanda, bernyanyi bersama angin. Amiin! Yogyakarta, Desember 2015 Penulis



ii Nur Untoro Kincir Angin Praktis



DAFTAR ISI



Kata Pengantar Daftar isi BAB I . ENERGI ANGIN A. Pengantar B. Energi angin C. Keunggulan kelemahan energi angin BAB II. KINCIR ANGIN A. Prinsip kerja kincir angin B. Daya kincir angin C. Tipe kincir angin D. Karakteristik kincir angin BAB III. PENGGUNAAN KINCIR ANGIN A. Kincir angin untuk mekanisasi B. Kincir angin sebagai pembangkit listrik BAB IV. POMPA DAN MOTOR LISTRIK A. Subsistem motor pompa B. Pompa air C. Motor listrik BAB V. MEKANIK TRANSMISI DAYA A. Tuas/pengungkit B. Transmisi daya BAB VI. KINCIR ANGIN SEBAGAI PENGGERAK POMPA A. Pompa air penggerak tak langsung B. Pompa air penggerak langsung BAB VII. KINCIR ANGIN SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK A. Kincir direct drive B. Kincir nondirect drive C. Baterai dan inverter



1 1 4 6 7 9 11 14 17 21 22



29 30 33 39 45 48 51



iii Nur Untoro Kincir Angin Praktis



Penulis Nur Untoro dilahirkan di Bantul 26 Nopember 1966. Sekolah dasar di SDN Pundung II Imogiri lulus tahun 1978, SMPN I Imogiri lulus tahun 1981, SMAN I Bantul lulus tahun 1986. Melanjutkan kuliah di IKIP Yogyakarta jurusan Pendidikan Fisika, lulus tahun 1991. Selesai kuliah melakukan eksperimen sepeda listrik, berhasil menempuh perjalan Imogiri-Yogyakarta pergi pulang sekitar 40km. Tahun 1993 melanjutkan kuliah S2 di ITB jurusan Fisika, lulus tahun 1995. Tahun 1996 Diangkat menjadi staf pengajar di Jurusan Pendidkan MIPA FKIP Universitas Haluoleo Kendari. Tahun 1999 Unhalu membuka FMIPA, penulis dipindahtugaskan ke Jurusan Fisika FMIPA Universitas Haluoleo Kendari. Pada tahun 2013 pindah tugas ke Program Studi Pendidikan Fisika UIN Sunan Kalijaga Yogyakarta hingga sekarang. Sejak kecil penulis sangat tertarik untuk melakukan penelitian/eksperimen. Ketika masih duduk di kelas 4 SD telah mencoba mempraktekkan membuat minyak kayu putih yang pernah dibaca dibuku. Membuat sel baterai dari garam dapur, dan melakukan elektrolisa saat kelas 6 SD. Sangat tertarik dengan mesin motor, sejak di SD telah membayangkan mesin motor itu bekerja seperti mercon bambu. Sangat penasaran mengapa mobil bisa membelok tanpa as belakang patah, sehingga tempat bermain yang paling disukai adalah di bengkel. Ketika di SMA menemukan prinsip kerja stroboskop. Penulis mengajar pada program studi Fisika, mata kuliah yang diajarkan adalah Elektromagnetika, Material dan Energi, dan Eksperimen fisika. Bidang penelitian yang ditekuni saat ini adalah bidang energi terbarukan, terutama masalah energi angin.



iv Nur Untoro Kincir Angin Praktis



I. ENERGI ANGIN



A. Pengantar Angin adalah udara yang bergerak. Udara bergerak karena terjadi perbedaan tekanan udara. Perbedaan tekanan sebagai akibat pemanasan atmosfir yang tidak merata. Udara yang panas memuai, masa jenis mengecil, tekanan rendah sehingga terdesak oleh udara dingin yang bertekanan lebih besar. Jadi angin bertiup dari daerah yang temperatur udaranya rendah, menuju daerah yang temperatur udaranya tinggi. Pemanasan atmosfir oleh matahari selalu tidak merata, daerah katulistiwa mendapat radiasi matahari lebih besar daripada daerah-daerah lain yang memiliki lintang lebih besar. Sebagai akibatnya terjadi angin yang secara global bertiup dari daerah lintang besar menuju katulistiwa.



g An



in



gl



ob



al



Bumi



katulistiwa



g An in gl ob al



Gambar 1.1 Angin global Perbedaan temperatur atmosfir secara global, menyebabkan terjadinya angin global. Jadi secara umum daerah dengan lintang besar bertiup angin kencang, sedang daerah sekitar katulistiwa, angin bertiup kurang kencang. Selain itu perbedaan temperatur atmosfir terjadi secara lokal, seperti perbedaan temperatur udara antara di atas laut dan di atas daratan. Pada siang hari udara di atas daratan lebih panas daripada udara di atas lautan, sehingga bertiup angin dari laut menuju darat dan disebut angin laut. Panas yang diterima lautan pada siang hari masih banyak tersimpan hingga malam hari, sedang panas yang diterima oleh daratan cepat “hilang”. Keadaan tersebut menyebabkan pada malam hari udara di atas lautan lebih panas dari pada udara di atas daratan, sehingga angin bertiup dari darat menuju laut, dan disebut angin darat. Pada lingkup lokal, perbedaan temperatur udara terjadi pula oleh karena perbedaan topografi, seperti antara gunung dan lembah. Keadaan ini dapat menyembabkan terjadinya angin gunung dan angin lembah. B. Energi angin Energi kinetik yang dikandung dalam satu unit volume udara adalah ½ v2. Jumlah energi yang melintasi sebuah unit luasan tegak lurus terhadap angin berkecepatan v dalam satu sekon adalah dikandung dalam sebuah volume dengan panjang v sepanjang arah kecepatan angin. Total energi yang melintas suatu unit luas per sekon sama dengan daya yang melintasi unit luas dan sama dengan Nur Untoro Kincir Angin Praktis



1



1 (1.1)  v3 2 Jika kecepatan angin membentuk sudut  dengan normal n pada unit luasan, maka daya menjadi 1 (1.2) P =  v 3 cos  2 Rapat udara  kira-kira 1,2 kgm-3, tetapi lebih tepatnya p (1.3) = 287 T dengn p dalam pascal dan T dalam kelvin. Tekanan dan temperatur udara biasanya diukur lebih baik, daripada mengukur langsung densitasnya. Dalam kenyataan kecepatan angin tidak konstan, pengukuran kecepatan dilakukan berulang kali. Pengukuran berulangkali tersebut digunakan untuk menentukan rapat daya angin (wind power density) ditentukan dengan persamaan: 1 n (1.4) WPD =   vi3 W / m2 2n i =1 dengan n = jumlah data, dan  rapat massa udara. Berdasarkan persamaan (1.4) bahwa daya angin yang melintas suatu permukaan sebanding dengan kecepatan angin pangkat tiga, oleh karenanya kecepatan angin menjadi perhatian sentral. Kecepatan angin diukur dengan alat yang disebut anemometer. Anemometer ada beberapa jenis, namun anemometer yang digunakan dalam survei energi angin adalah tipe anemometer mangkuk (cup anemometer). P=



(



)



Gambar 1.2. Anemometer mangkuk Pengukuran kecepatan angin secara umum seperti yang dilakukan di air port dan BMG, dilakukan pada ketinggian 10m dari tanah. Selain kecepatan angin berubah dengan waktu, kecepatan angin juga tidak sama pada ketinggian yang berbeda. Makin tinggi suatu tempat makin tinggi kecepatan angin. Jika pada ketinggian z1 kecepatan angin v1, maka kecepatan angin pada ketinggian z2 adalah:



z  v2 = v1   2   z1 







(1.5)



dengan α adalah the wind shear exponent nilainya sekitar 1/7 = 0,143.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



2



Pengukuran kecepatan angin untuk kepentingan survei energi angin, anemometer dipasang pada berbagai ketinggian, yaitu 10m, 25m, dan 40m. Hal ini dilakukan untuk kepentingan perencanaan pembangunan kincir angin yang tingginya dapat mencapai 100m. Ketinggian anemometer tersebut merupakan titik terendah daun kincir angin.



Gambar 1.3 Pengaruh ketinggian terhadap kecepatan angin Pengukuran kecepatan angin di air port hanya beberapa kali sehari, namun pengukuran angin untuk survei energi angin dilakukan setiap 10 menit. Hal tersebut dilakukan untuk mengetahui kontinuitas hembusan angin, lebih tepatnya adalah parameter Intensitas turbulensi (turbulence intensity): turbulensi angin adalah cepat gangguan atau ketidakteraturan kecepatan angin, arah, dan komponen vertikal. Intensitas turbulensi merupakan karakteristik yang penting suatu lokasi, sebab tingkat turbulensi yang besar akan memperkecil daya luaran. intensitas turbulensi didefinisikan : TI =







(1.6) v dengan TI adalah intensitas turbulensi, σ simpangan deviasi standar kecepatan angin, dan v kecepatan angin rata-rata. TI merupakan indikator turbulensi dengan tingkat rendah lebih kecil atau sama dengan 0,1, tingkat sedang 0,25, dan tingkat tinggi lebih dari 0,25. Angin berubah dengan musim, karenanya survei angin untuk penentuan potensi angin minimal dilakukan satu periode musim, yaitu satu tahun. Di Indonesia dikenal musim angin barat dan musim angin timur. Pada waktu pergantian musim angin berhembus tidak menentu, atau bahkan tidak ada angin. Bagaimana memperkirakan kecepatan angin bila kita tidak memiliki anemometer? Untuk memperkirakan kecepatan angin dapat digunakan lambaian pohon yang ditiup angin. Semakin kencang angin, pohon meliuk/melambai semakin jauh.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



3



Gambar 1.4 Perkiraan kecepatan angin Departemen Energi Amerika mengklasifikasi angin di suatu lokasi berdasarkan tingkat rapat daya menjadi 7 kelas sebagai berikut: Table 1.1 Classes of Wind Power Density 10m



30m



50m



Wind Power Class



Wind Power Density, W/m2



Speedb, m/s (mph)



Wind Power Density, W/m2



Speedb, m/s (mph)



Wind Power Density, W/m2



Speedb, m/s (mph)



1



≤ 100



≤ 4.4 (9.8)



≤ 160



≤ 5.1 (11.4)



≤ 200



≤ 5.6 (12.5)



2



≤ 150



≤ 5.1 (11.5)



≤ 240



≤ 5.9 (13.2)



≤ 300



≤ 6.4 (14.3)



3



≤ 200



≤ 5.6 (12.5)



≤ 320



≤ 6.5 (14.6)



≤ 400



≤ 7.0 (15.7)



4



≤ 250



≤ 6.0 (13.4)



≤ 400



≤ 7.0 (15.7)



≤ 500



≤ 7.5 (16.8)



5



≤ 300



≤ 6.4 (14.3)



≤ 480



≤ 7.4 (16.6)



≤ 600



≤ 8.0 (17.9)



6



≤ 400



≤ 7.0 (15.7)



≤ 640



≤ 8.2 (18.3)



≤ 800



≤ 8.8 (19.7)



7



≤ 1000



≤ 9.4 (21.1)



≤ 1600



≤ 11.0 (24.7)



≤ 2000



≤ 11.9 (26.6)



Kelas 4 atau lebih tinggi umumnya dianggap cocok untuk penerapan sebagian besar kincir angin. Kelas 4 ini dikategorikan sebagai klas dengan kecepatan angin rendah. Kelas 3 cocok untuk pengembangan kincir angin dengan tower tinggi (misal, 50m). Klas 2 merupakan batas, dan kelas 1 tidak cocok untuk pengembangan energi angin. Pada kelas 1 tidak cocok untuk dikembangkan kincir angin untuk pembangkit listrik, namun masih memungkinkan penggunaan kincir angin untuk penggerak pompa.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



4



C. Keunggulan dan kelemahan energi angin Energi angin memiliki keunggulan dan kelemahan dibanding penggunaan energi lainnya. Keunggulan energi angin diantaranya: 1. Energi angin berasal dari angin, sehingga merupakan sumber energi yang bersih, tidak memberikan polusi seperti pembakaran bahan bakar fosil batubara, minyak dan gas. 2. Energi angin bersifat terus menerus ada selama matahari masih bersinar. 3. Energi angin merupakan energi termurah dalam kelompok energi terbarukan saat ini, dengan harga 4 – 6 cent dolar per kwh, bergantung kecepatan angin 4. Kincir angin dapat dibangun diladang atau peternakan, yang banyak angin, dan dapat berdampak ekonomi di daerah pedesaan. Petani tetap masih bekerja, pemilik kincir angin membayar sewa kepada petani pemilik lahan. Kelemahan energi angin: 1. Energi angin harus bersaing dengan energi konvensional pada basis pembiayaan. Hal ini bergantung seberapa besar potensi energi angin di lokasi. Modal pembangunan pembangkit listrik tenaga angin jauh lebih besar dibanding pembangkit energi konvensional. Namun setelah 10 tahun pembiayaan pembangkit listrik tenaga angin turun drastis. 2. Tantangan utama penggunaan energi angin sebagai pembangkit listrik adalah ketidak teraturan angin bertiup, kadang-kadang angin tidak bertiup ketika listrik dibutuhkan. Energi angin tidak bisa disimpan, kadang angin berhembus kencang tidak bertepatan dengan permintaan energi listrik. 3. Lokasi yang berangin bagus biasanya jauh di luar kota, sedangkan kebutuhan listrik terbesar berada di kota. 4. Kincir secara umum mempunyai dampak relatif kecil terhadap lingkungan, diantara dampak tersebut suara bising, dan kadang-kadang burung mati tersambar kincir.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



5



II. KINCIR ANGIN



A. Prinsip kerja kincir angin. Energi yang dimiliki angin dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan seperti menjalankan perahu layar dan memutar kincir angin. Bagaiamana kincir angin bekerja? Sesungguhnya prinsip kerja kincir angin mirip prinsip kerja layar pada perahu layar. Mungkin kita merasa terlalu sederhana untuk memahami prinsip kerja perahu layar, namun anda pasti akan tercengang jika melihat perahu layar yang dapat berlayar dalam arah 11o dari arah datangnya angin.



k Gera



p e ra



hu angin



o 11



Gambar 2.1 Gerak perahu layar yang aneh Dengan teknik pengarahan perahu secara zig-zag perahu layar dapat bergerak menuju arah datangnya angin, aneh bukan? Perahu layar dan kincir angin bekerja dengan prinsip yang sama. Gerak perahu atau putaran kincir disebabkan oleh gaya hambat (drag force) dan gaya angkat (lift force). Perhatikan daun kincir yang aerodinamik Gambar 2.2. Gambar 2.2 merupakan penampang lintang kincir modern yang aerodinamik.



angin tak terganggu



beta gama



Lift



gerak kincir



angin relatif chord line



angin relatif



Drag



Leading edge bidang rotasi



Gambar 2.2 Model daun kincir aerodinamis Gaya hambat searah dengan arah angin relatif, sedangkan gaya angkat tegak lurus arah angin relatif. Pada gambar 2.2 diasumsikan kincir sumbu horisontal dan bergerak ke atas, maka kecepatan angin relatif ke arah bawah. Angin membentuk sudut , yang disebut sudut serang (angle of attack). Ketika angin menumbuk daun kincir akan terbelah yaitu melalui sisi atas dan sisi bawah. Kecepatan angin yang melalui sisi atas lebih besar daripada kecepatan angin melalui sisi bawah. Berdasarkan hukum Bernaulli, perbedaan tekanan antara kedua sisi (pbawah -patas) tersebut menghasilkan gaya angkat.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



6



(



1 2 2  vatas − vbawah 2



pbawah − patas =



)



(2.1)



Kecepatan angin yang melalui sisi atas (atas) dan sisi bawah (bawah) daun kincir ditentukan oleh bentuk daun kincir, yang selanjutnya dikarakterisasi sebagai koefisien angkat (coefficient of lift). Sehingga gaya angkat blade ditentukan oleh kecepatan angin, luas blade, dan koefisien angkat. Gaya angkat = ½ v2 × koefisien angkat × luas (2.2) Begitu juga besar gaya hambat dapat dinyatakan dalam koefisien hambat (coefficient of drag) yaitu : Gaya hambat = ½ v2 × koefisien hambat × luas (2.3) dengan  adalah rapat massa udara, v laju angin, dan luas merupakan luas sapuan daun kincir. Resultan gaya angkat dan gaya hambat diuraikan dalam dua arah, yaitu tegak lurus arah angin dan searah angin. Resultan gaya tegak lurus arah angin menghasilkan gaya putar, dan resultan gaya searah angin terserap oleh tower. Besar gaya dorong maksimum terjadi ketika kincir menstansfer daya angin maksimum, yaitu jika v2 = 1/3 v1. Substitusi nilai ini pada gaya dorong diperoleh: Fmax = 4 / 9  A v12 (2.4) Daun kincir angin (blade) berbentuk airfoil yang dirancang dengan perhitungan yang rumit, atau menggunakan software perancang airfoil, hasilnya dibuat protipe blade untuk diuji di terowongan angin (wind tunnel aerodynamic) untuk menentukan karakteristik koefisien lift dan drag. Blade yang bagus lift 10 hingga 20 kali lebih besar dari drag, dengan demikian kincir angin menghasilkan gaya putar besar tetapi tiang (tower) tidak mengalami gaya dorong yang besar. B. Daya kincir angin Prinsip kerja kincir angin ditunjukkan Gambar 2.3. Angin datang dari arah kiri dengan kecepatan v1 melalui suatu luasan A1, selanjutnya menumbuk kincir dengan luas sapuan A, dan keluar dengan kecepatan v2 melalui luasan A2. Low stream



Upstream



Vax



V1 A1



A



A2



V2



Gambar 2.3. Skema kincir angin Pada aliran udara tersebut berlaku kekekalam massa (kontinuitas massa), yaitu:  A v = konstan ρ A1v1 = ρ A vax = ρ A2v2



(2.5)



dengan  adalah rapat massa udara. Perubahan momentum udara menghasilkan gaya dorong (F) pada kincir: Nur Untoro Kincir Angin Praktis



7



F = ( ρ A1 v1 ) − ( ρ A2 v2 )



(2.6)



Berdasarkan persamaan (2.4), gaya dorong dapat direduksi menjadi: F =  A vax (v1 − v2 )



(2.7)



Perbedaan daya agin sebelum masuk kincir dan setelah meninggalkannya adalah sama dengan perkalian gaya dorong (F) dan kecepatan (vax): Pkin =



1 2



( A1 v1 )(v1 )2 − 12 ( A2 v2 )(v2 )2 =  A vax (v1 − v2 ) vax



(2.8)



dengan Pkin adalah daya yang dihasilkan kincir. Solusi untuk vax: vax = ½ (v1 + v2) Kecepatan angin saat menumbuk kincir merupakan rata-rata kecepatan angin sebelum memasuki kincir (upstream) dan kecepatan angin saat meninggalkannya (lowstream). Substitusi (2.9) ke persamaan (2.8) menjadi: Pkin = 1 2  A vax (v12 − v22 ) = 1 4  A (v13 − v23 − v1v22 + v12v2 )



(2.9)



(2.10)



Daya maksimum kincir angin diperoleh dengan mendiferensialkan (2.10) terhadap v2 dan menyamakannya dengan nol: dPkin = dv2



1



4



 A(− 3v22 − 2v1v2 + v12 ) = 0



(2.11)



Karena luas kincir  nol, rapat massa udara  0, maka dalam kurung harus nol, hasilnya: v2 = 1/3 v1



(2.12)



Substitusi (2.12) ke (2.10) diperoleh: Pkin = 16 / 27 1 / 2  Av 3



(2.13)



Secara teoritis fraksi maksimum dari daya angin yang dapat ditransver oleh kincir angin adalah 16/27 = 59,3%, fraksi ini disebut koefisien Betz. Karena kincir angin tidak aerodinamik sempurna dan kerugian mekanik, daya yang dapat ditransfer oleh kincir lebih kecil dari nilai tersebut. Daya mekanik (shaft power) kincir angin : P = Cp ½  A v3



(2.14)



Dengan P adalah daya (W), Cp adalah koefisien performance (rasio daya kincir terhadap daya angin ) atau efisiensi, v adalah kecepatan angin (m/s). Jadi daya maksimum kincir angin yang dapat ditransfer adalah 59,3% dari daya angin yang melewati luasan sapuan kincir angin. Persamaan (2.14) menunjukkan bahwa:  Daya kincir angin berbanding lurus dengan rapat massa udara  Daya kincir angin berbanding lurus dengan luas sapuan kincir (A), dan  Daya kincir angin berbanding kecepatan angin pangkat tiga, , yang berarti daya meningkat delapan kali lipat jika kecepatan angin menjadi dua kali lipat.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



8



 Daya kincir angin bergantung pada efisiensi (Cp), yang sangat ditentukan rancangan bentuk daun kincir, pengaturan kemiringannya (pitch control). Luas suatu kincir adalah luas sapuan oleh daun kincir (blade), dan bukan luas blade itu sendiri. Jika panjang blade atau jari-jari adalah R, maka luas kincir angin adalah: A =   R2 (2.15) C. Jenis-jenis kincir angin Kincir angin dibedakan menjadi dua kelompok, yaitu kincir angin sumbu horisontal (horizontal axis wind turbines : HAWT), dan kincir angin sumbu vertikal (vertical axis wind turbines :VAWT). Kincir angin sumbu horisontal seperti yang biasa kita jumpai. Daun kincir dibentuk aerodinamis seperti sayap pesawat terbang.



(a)



(b)



(c)



Gambar 2.4 Kincir angin sumbu horisontal (a) kincir cretan, (b) kincir daun banyak, (d) kincir modern berdaun tiga aerodinamis.



(a)



(b)



(c)



(d)



Gambar 2.5. Kincir angin sumbu vertikal (a) kincir savonius, (b) kincir Darrieus, (c) giromill, (d) cycloturbine Kincir cretan merupakan kincir angin klasik, daun kincir berupa layar, sedangkan rangkanya dapat dibuat dari, kayu, bambu, atau bahan logam. Konstruksi kincir sangat sederhana dan dapat dibuat dengan mudah. Kincir cretan dapat bekerja pada kecepatan angin



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



9



sangat rendah, yaitu mulai 2,2m/s. Kincir ini cocok digunakan untuk penggerak mekanik, seperti penggerak pompa air. Kincir daun banyak (multi blade), memiliki jumlah blade yang banyak, jumlah blade ini bermacam-macam mulai 4 buah hingga 40 buah. Kincir berdaun banyak ini dapat bekerja pada kecepatan angin rendah, mulai sekitar 3m/s, dan cocok digunakan sebagai penggerak mekanik, seperti pompa air. Kincir angin modern berdaun tiga dirancang dengan ketelitian tinggi. Blade dirancang berbentuk aerodinamik, diuji dalam terowongan angin sedemikian hingga diperoleh suatu blade yang menghasilkan lift yang besar dan drag kecil. Blade dibuat dari bahan komposit yang ringan tetapi sangat kuat. Kemiringan blade (pitch) dikontrol sesuai kecepatan angin sehingga menghasilkan daya maksimum. Kincir angin berdaun tiga bekerja pada kecepatan angin yang tinggi yaitu lebih dari 4m/s dan memiliki kecepatan putar yang tinggi,. Kincir angin modern berdaun tiga ini biasa dibangun dengan ukuran sangat besar, diameter kincir dapat mencapai 90m, tinggi tower dapat mencapai 100m dan menghasilkan listrik 4 MW. Gambar 2.5 merupakan kincir angin dengan sumbu vertikal. Kincir angin savonius atau kincir “S” terbuat dari silinder yang dibelah, seperti drum. Drum dibelah menjadi dua dan digabungkan sisi-sisinya sehingga tampak membentuk huruf “S” bila dilihat dari atas. Kincir savonius bekerja berdasarkan gaya drag, putarannya lambat, namun memiliki torsi yang besar. Karakeristik kincir demikian cocok digunakan untuk penggerak mekanik seperti pompa air, seperti pada Gambar 2.5 (a). Kincir savonius tidak cocok bila digunakan sebagai pembangkit listrik, sebab generator umumnya membutuhkan lebih besar dari 1000 rpm, sedang putaran kincir savonius kurang dari 100 rpm, dan sangat sulit dibuat dalam skala besar. Gambar 2.5 (b) adalah kincir Darrieus, nama ini sesuai pemunya yang telah mempatenkan kincir tipe ini pada tahun 1927 di Perancis. Kincir Darrieus berbentuk seperti pengocok telur. Kincir ini bekerja berdasarkan gaya lift, memiliki putaran tinggi, namun tidak bisa mulai berputar dengan sendirinya walaupun angin kencang. Kincir Darrieus harus diberi putaran awal dengan motor listrik untuk memulai berputar. Putaran kincir Darrieus yang tinggi cocok sebagai pembangkit tenaga listrik, namun sangat sulit dikembangkan dalam skala besar. Tiang yang tinggi dan berputar merupakan masalah, terutama bantalan roda (bearing) dan penegakkan kincir. Keunggulan kincir sumbu tegak adalah dapat bekerja dengan semua arah angin horisontal. Gambar 2.5 (c) adalah gambar kincir giromil yang ditemukan juga oleh Darrieus pada tahun 1927. Kincir ini memiliki tiga blade yang aerodinamik, bekerja berdasarkan gaya lift, sehingga putarannya kencang. Kincir giromil ini disempurnakan dengan mengatur pitch blade sesuai arah angin terhadap blade sehingga diperoleh efisiensi tinggi. Pengaturan pitch blade dilakukan oleh wind vane yang terletak pada bagian atas. Kincir giromil yang dimodifikasi ini disebut cycloturbine, dan memiliki efisiensi sangat tinggi yang mencapai 60% (melampaui batas teoritik Betz). Kincir Darrieus, giromil, dan cycloturbine memerlukan perancangan yang cermat dan proses pembuatan yang rumit, serta banyak kendala-kendala teknis sehingga pengembangan kincir tersebut secara komersial tidak maju. Pada tahun 1997 perusahaan kincir angin Darrieus (Darrieus VAWT company ) di Amerika bangkrut. Selain kincir angin pada Gambar 2.4 dan Gambar 2.5, masih ada jenis kincir yang tidak umum dan kurang berkembang seperti kincir helik yang dikembangkan oleh Prof. Yakob dari UGM, kincir kerucut, kincir layar tegak, dan lain-lain.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



10



D. Karakteristik kincir angin. Ada beberapa parameter kincir angin yang merupakan karakteristik kincir angin, yaitu densitas (density) , tip speed ratio (TSR), efisiensi (Coefficient Performance, Cp), dan cut-in wind speed. Densitas Densitas menyatakan perbandingan material kincir yang mengisi luasan sapuan kincir terhadap luas sapuan kincir. Kincir angin klasik secara umum memiliki densitas tinggi, yang berarti kincir angin memerlukan material yang banyak. Kincir cretan densitas dapat mencapai 30 - 50%, kincir daun banyak hampir 50 - 80%, dan savonius hampir 100%. Kincir modern memiliki densitas rendah, sehingga lebih ringan dan hemat material. Kincir modern berdaun tiga memiliki densitas kurang dari 5%, dan kincir Darrieus sekitar 10 – 20%. Kincir dengan densitas tinggi memiliki torsi yang besar tetapi kecepatan putar (tip speed ratio) yang rendah. Sebaliknya kincir angin dengan densitas rendah memiliki tip speed ratio tinggi. Tip speed ratio Tip speed ratio adalah perbandingan kecepatan linier ujung blade terhadap kecepatan angin datang yang tidak terganggu (oleh kincir tersebut). R (2.16) TSR =  = v dengan  adalah kecepatan anguler, R jari-jari kincir, dan v kecepatan angin. Faktor apakah yang menentukan TSR? Di atas telah disebutkan salah satu penentu TSR adalah densitas. Faktor lain adalah sifat aerodinamis blade. Kincir yang aerodinamis, menghasilkan gaya lift yang besar sehingga kecepatan putar menjadi tinggi. Selain itu, sifat aliran angin pada blade sangat menentukan TSR. Aliran turbulen akan menghambat gerak blade, sehingga jika terjadi turbulensi TSR menjadi rendah, oleh karenanya kemiringan (pitch) blade harus disesuaikan dengan kecepatan angin. Kecepatan angin yang tinggi cenderung terjadi turbulensi, karenanya pada kecepatan angin tinggi kemiringan blade dibuat rendah. Kecepatan relatif angin terhadap blade pada berbagai jarak dari pusat/as/hub adalah berbeda. Kecepatan angin relatif terhadap blade semakin jauh dari as semakin besar, oleh karenanya blade dibuat semacam dipuntir. Kemiringan blade pada pusat 90o, semakin ke ujung semakin kecil. Bila kemiringan dibuat konstan, maka untuk mendapatkan TSR yang tinggi kemiringan blade sekitar 4 – 7o.



2.6. Blade modern dengan pitch control Tip speed ratio ini menjadi salah satu parameter kualitas kincir angin, semakin aerodinamis kincir semakin besar TSR dan semakin tinggi efisiensi kincir tersebut. Kincir Nur Untoro Kincir Angin Praktis



11



angin dengan rancangan sederhana menghasilkan TSR 1,5 – 2, sedangkan kincir angin modern berdaun tiga aerodinamis dengan pitch control, memiliki TSR hingga 12. Kecepatan anguler berkaitan dengan frekuensi putar f:  = 2 f (2.17) Berdasarkan (2.16) dan (2.17) frekuensi putar kincir angin jenis tertentu berbading terbalik dengan panjang blade atau jari-jari kincir.  v (Hz) (2.18) f = 2  R Atau putaran kincir permenit rpm 30  v rpm = 60 f =  R Contoh: Suatu kincir daun banyak berjari-jari 1m memiliki tip speed ratio 1,5. Pada kecepatan angin 4m/s, frekuensi putar kincir angin adalah 0,955 putaran per detik atau 57,3 rpm. Jika kincir tersebut dibuat dengan jari-jari 2m, pada kecepatan angin 4m/s frekuensi putarnya adalah 28,65 rpm. Berdasarkan persamaan (2.18) frekuensi putar kincir berbanding lurus dengan kecepatan angin. Frekuensi kincir angin berjari-jari 1m pada contoh di atas pada kecepatan angin 8m/s adalah sekitar 1,91 putaran per detik atau 114,6 rpm. Kincir yang bekerja berdasarkan gaya drag, seperti kincir savonius memiliki Tips speed ratio rendah maksimum bernilai 1. Tip speed ratio, juga sangat penting dalam perancangan transmisi daya. Kincir angin dengan TSR tinggi cocok digunakan sebagai pembangkit tenaga listrik, sebab generator umumnya membutuhkan frekuensi putar tinggi. TSR tinggi berarti frekuensi tinggi, dengan demikian mekanik transmisi tidak memerlukan banyak perlipatan putaran. Efisiensi Efisiensi atau (coeficient performance Cp) kincir angin merupakan perbandingan, antara daya mekanik kincir terhadap daya angin yang memasuki kincir . daya mekanik (2.19) Cp = daya angin Daya mekanik, diukur dengan teknik pembebanan, sebagai berikut: tachometer



As kincir



Gear box



beban



w



pegas



Gambar 2.7 Pengukuran daya mekanik kincir Daya mekanik dihitung dengan rumus: P =   = r  F 



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



(2.20)



12



dengan P adalah daya (watt), r adalah jari-jari silinder yang dibeban, ω kecepatan anguler silinder, dan F gaya gesek. Besar gaya gesek sama dengan berat beban dikurangi gaya tarik pegas. Kincir klasik yang sederhana memiliki efisiensi yang rendah, kincir modern memiliki efisiensi tinggi. Kincir savonius dan kincir cretan memiliki efisiensi sekitar 15%, kincir angin berdaun tiga modern memiliki efisiensi sekitar 45%. Efisiensi teoritik maksimum adalah 59,3% seperti telah disebutkan sebelumnya. Cut-in wind speed Cut-in wind speed adalah kecepatan angin terendah yang sudah mampu memutar kincir angin. Secara praktis untuk berbagai keperluan, kecepatan angin kurang dari 3m/s memiliki energi sangat rendah dan belum mampu memutar kincir. Namun kincir cretan sudah mampu berputar pada kecepatan angin 2,2m/s dan cukup bertenaga pada kecepatan angin 3,5m/s. Kincir angin berdaun tiga skala besar, umumnya memiliki cut-in wind speed sekitar 4m/s. Rated wind speed Adalah kecepatan angin yang memutar kincir menghasilkan rating outputnya. Tidak semua kincir angin dirancang sama dalam hal rated wind speed. Tidak ada standar industri untuk rated wind speed. Masing-masing perusahaan merancang dengan rated wind speed antara 8 – 14 m/s. Jadi besar rating daya output kincir angin yang dinyatakan oleh pabrik kadang tidak memberi makna yang jelas tanpa disebutkan rated wind speed. Kita sadari bahwa kecepatan angin 14m/s memiliki rapat daya 511% dibanding rapat daya angin 8m/s. Rating daya (rated output) Adalah besar daya output kincir pada kecepatan angin sesuai rancangan (rated wind speed). Beberapa kincir angin memiliki puncak output lebih besar dari rating daya (listrik). Kincir angin yang berputar sangat kencang dapat menghasilkan daya berlebihan yang dapat merusak/membakar sistem. Oleh karena itu generator kincir angin harus dirancang untuk menghasilkan daya dalam tingkat aman.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



13



III. PENGGUNAAN KINCIR ANGIN



Penggunaan kincir angin dapat dibedakan menjadi dua kelompok, yaitu untuk mekanisasi dan pembangkit listrik. A. Kincir angin untuk mekanisasi. Kincir angin dapat digunakan untuk menggiling, menggergaji, menggerakkan pompa air, dan mekanisasi lainnya. Agar tenaga dari kincir dapat digunakan untuk menggerakkan mekanik tertentu harus dirancang ukuran kincir agar sesuai daya yang dibutuhkan dan sistem transmisi daya dari kincir ke mekanik tersebut. Kincir angin yang cocok untuk penggerak mekanik adalah yang memiliki tip speed rendah dan torsi besar, sperti kincir cretan, savonius, atau kincir berdaun banyak. Penggunaan kincir untuk mekanisasi yang paling umum adalah untuk penggerak pompa air. Bagaimana merancang sistem pompanisasi yang digerakkan oleh kincir angin? Langkah pertama adalah penentuan potensi energi angin di lokasi, yaitu dengan pengukuran kecepatan angin tiap 10 menit selama 1 tahun. Dari data tersebut ditentukan rapat daya angin dilokasi tersebut. Langkah ke dua, survei tentang air tanah, terutama mengenai debit air sumur dan kedalamannya. Dari perhitungan rapat daya angin dan data air tanah dapat dirancang sistem pompanisasi kincir angin. 1. Perhitungan daya hidrolik Untuk mengangkat air dari kedalaman d, dan ketinggian h, atau ketinggian total (head) H = d + h, dengan bebit air Q, dibutuhkan daya sebesar: Ph =   g  H  Q (3.1) Dengan Ph daya hidrolik,  rapat massa air sekitar 1kg/liter, g percepatan gravitasi bumi sekitar 9,8 m/s2. Contoh Berapa daya hidrolik yang dibutuhkan untuk menaikkan air 5 liter/s dengan head total 15m? Ph = 1kg/liter x 9,8m/s2 x 15m x 2 liter/s = 294 watt. Tentu untuk menggerakkan pompa dengan debit dan head seperti contoh tersebut dibutuhkan daya kincir angin lebih besar dari 294 watt. Hal tersebut karena berbagai gesekan mekanis menimbulkan kerugian tenaga. Kerugian tenaga tersebut secara umum dinyatakan dengan ungkapan efisiensi, yaitu efisiensi pompa dan efisiensi transmisi daya. Jadi daya kincir angin yang dibutuhkan: Ph =  p  t  Pk (3.2) Dengan p efisiensi pompa, t efisiensi transmisi daya, dan Pk daya kincir angin. 2. Kincir angin penggerak pompa Kincir angin untuk menggerakkan pompa dapat dikelompokkan menjadi dua: Pompa mekanik (mechanical wind pump), dan pompa listrik (electrical wind pump). 1) pompa mekanik Pompa mekanik dalam arti bahwa tenaga kincir angin ditransmisikan ke pompa air mekanik. Penggunaan kincir angin untuk menggerakkan pompa air mengalami banyak perkembangan, baik dari faktor kincir, maupun dari faktor tansmisi dan pompa airnya.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



14



Perkembangan dari aspek kincir bahwa kincir tradisional menggunakan banyak (15-18) daun kincir dari plat logam yang di lengkung dengan diameter 2 – 5m. Daun kincir angin dikembangkan menjadi aerodinamis dengan jumlah 6 – 8 blade dan diameter dapat mencapai 8m. Perkembangan dari faktor kincir angin ini meningkatkan daya dan efisiensi. Faktor transmisi dan pompa air juga mengalami perkembangan. Kincir angin tradisional penggerak pompa air cenderung berputar cepat ketika piston bergerak ke bawah, dan putaran menjadi lambat ketika piston ke atas (upstroke). Variasi kecepatan putar ini mengubah tip speed ratio dan efisiensi (turun). Problem mendasar kedua adalah hubungan antara kecepatan angin dan langkah/stroke piston. Daya kincir sebanding dengan kecepatan angin pangkat tiga, sedang laju pemompaan (pumping rate) meningkat secara linier. Bila stroke diatur untuk mendapatkan debit optimum pada kecepatan angin tinggi untuk kedalam sumur tertentu dan ukuran pompa tertentu, unjuk kerja (performance) pompa menjadi jelek/rendah pada kecepatan angin rendah, begitu juga sebaliknya. Masalah tersebut diatasi dengan menambahkan pemberat pengimbang (counterbalance wieght) atau pegas pada tangkai piston dan menggunakan teknik variasi langkah piston (variabel stroke), sehingga unjuk kerja pompa optimal pada berbagai kecepatan angin.



Gambar 3.1a Kincir Cretan sebagai penggerak pompaDi Sulawesi Tenggara



b. Kincir angin penggerak pompa pvc Di Sangiran Gantiwarno Klaten



Perkembangan lain dalam hal trasmisi daya adalah mekanisme penggerak langsung (direct drive mechanism), dari sebelumnya menggunakan mekanisme reduksi putaran dengan roda gigi (gear box). Kincir angin dikembangkan untuk menghasilkan torsi besar pada kecepatan angin rendah dan mengontrol putaran kincir pada kondisi optimal saat kecepatan angin tinggi. Teknik penggerak langsung ini memerlukan pompa dengan torsi awal gerak rendah, dan hal ini telah didukung dengan teknik pengimbang berat atau pegas. Laporan studi Universitas Calgary, Kanada tentang pompa-kincir dengan penggerak langsung bahwa pompa dapat mulai bekerja dengan torsi awal pemompaan 50% lebih rendah, atau cut-in wind speed turun 30%, bila dibanding tidak menggunakan pemberat pengimbang.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



15



Kincir angin sebagai penggerak pompa piston, atau pompa pergeseran (positive displacement pump) memerlukan torsi besar pada awal gerak. Untuk melakukan langkah/stroke diperlukan gaya yang cukup untuk mengangkat berat tangkai (rod), piston dan air dalam piston, dan gesekan. Jumlah air yang dipindahkan oleh pompa pada ketinggian angkat (head) tertentu bergantung pada diameter silinder pompa dan pada kecepatan angin. Diameter pompa yang lebih besar, lebih banyak jumlah air yang dindahkan. Ukuran diameter pompa bergantung pada cut-in wind speed pompa-kincir itu dan tinggi angkat (head) pompa, sebab pompa yang lebih besar membutuhkan torsi awal yang lebih besar. Sebuah pompa yang digerakkan kincir angin umumnya dirancang untuk bekerja pada kira-kira ¾ kali kecepatan angin rata-rata dilokasi tersebut. Hal ini agar pompa-kincir angin bekerja cukup sering dan agar menghasilkan lebih banyak air pada kecepatan angin tebih tinggi. Satu kelemahan dari poma-kincir angin mekanik adalah bahwa pompa-kincir harus terletak langsung di atas sumur agar tangkai piston dapat disambung langsung dari kincir ke pompa. Lokasi sumber air yang bagus biasanya di tempat yang rendah, yang umumnya tidak banyak angin, sehingga pompa-kincir angin mekanik ini bekerja terbatas di daerah yang datar. Kesenjangan tersebut telah diusahan untuk diatasi, yaitu letak kincir angin dan pompa dapat terpisah/berjauhan. dengan cara kincir pembangkit listrik, pneumatik, hidrolik, dan transmisi mekanik. Sebuah generator induksi menghasilkan listrik, dikopel dengan motor induksi dan pompa adalah merupakan teknologi alternatif yang baik untuk pompanisasi yang akan dibicarakan lebih lanjut. Kincir-pompa air dengan transmisi pneumatik bekerja berdasarakan prinsip kompresi udara dengan kompresor udara untuk menjalankan pompa airlift atau pompa pneumatik. Keunggulan metode ini adalah tidak diperlukan transmisi mekanik dari kincir ke pompa, yang menghindari efek sentakan (water hammer) dan masalah dinamik lainnya. Metode ini juga memiliki keuntungan yaitu sederhana dan memerlukan sedikit perawatan. Walaupun demikian teknologi ini masih dalam perkembangan dan membutuhkan pengujian yang intensif sebelum dikomersialkan. Transmisi daya dengan hidrolik adalah pilihan lain untuk pompa air. Tipe ini memiliki satu atau dua pipa, dan fluida air atau minyak sebagai zat yang mentransmisikan tenaga. Walaupun metoda ini pernah didemontrasikan di lapangan, namun metoda ini masih jauh untuk dikomersialkan. Sama halnya, transmisi daya mekanik dari kincir angin yang letaknya jauh/terpencil telah dicoba, tetapi mahal, dan belum prospek dalam waktu dekat. Umumnya, pompa-kincir angin komersial bekerja dengan baik pada angin kecepatan rendah sebab kincir memiliki densitas besar, yang memiliki batas kecepatan gerak piston hingga 40 – 50 langkah per menit. Efisiensi seluruh konversi (efisiensi kincir, tramsmisi,dan pompa) untuk pompa mekanik yang bekerja pada kecepatan angin rata adalah 7 – 27% 2) Pompa listrik–kincir angin (electrical wind pump) Pompa listrik-kincir angin sekarang merupakan teknologi yang lebih dipromosikan. Generator kincir angin modern dapat menghasilkan listrik ac atau DC dan pompa air dapat disambung langsung ke motor listrik ac atau DC. Kincir angin pembangkit listrik dirancang dengan densitas rendah, tip speed ratio tinggi, maka cocok digunakan pompa sentrifugal. Teknologi ini:  Mengeliminer kebutuhan baterai/aki dan inverter dengan cara kopling langsung kincir angin pembangkit listrik dengan motor listrik ac, yang selanjutnya menggerakkan pompa sentrifugal pada kecepatan yang bervariasi (sesuai kecepatan angin). Nur Untoro Kincir Angin Praktis



16







Sederhana dalam memadukan (matching) kincir angin dengan pompa air oleh variasi beban kelistrikan daripada matching secara mekanik.  Meringankan masalah penempatan kincir angin, sebab kincir angin dapat ditempatkan di puncak gunung, sedang sumur atau sumber air yang dipompa terpisah di bawah. Kincir angin dapat ditempatkan di suatu tempat yang anginnya bertiup kencang.



Gambar 3.2 Pompa listrik–kincir angin di Santa Maria, Mexico Kincir angin pembangkit listrik (kincir-listrik) tidak seperti kincir angin tradisional, kincir-listrik membutuhkan kecepatan angin tinggi untuk mengawali kerja atau cut-in wind speed yang tinggi dan berunjukkerja lebih baik pada kecepatan angin tinggi dari pada kecepatan angin rendah. Kincir-listrik dua kali lebih efisien dari pada kincir angin tradisional; harganya bersaing dengan diesel, sistem sel surya, dan kincir angin tradisional; memiliki komponen yang bergerak (moving part) lebih sedikit dari pada kincir tradisional, sehingga biaya pemeliharaannya murah. Secara teoritis efisiensi maksimum kincir angin dalam mengkonversi energi angin adalah adalah 59,3% (Albert Betz limit). Namun dalam praktek kincir angin mengkonversi energi lebih rendah dari 59,3%. Kincir angin modern memiliki efisiensi sedikit di atas 40%. Efisiensi transmisi sekitar 90%, efisiensi generator sekitar 90%, efisiensi pengkondisian tenaga, yawing, dan gusts sekitar 90%. Secara keseluruhan kincir angin listrik mengkonversi 12 – 30% tenaga angin menjadi tenaga listrik. Kincir angin-listrik kecil pada kecepatan ratarata angin kurang dari 5,5m/s mengkonversi 25 – 30% energi angin menjadi energi listrik, dan kurang dari 20% pada kecepatan angin yang lebih tinggi. Contoh, kincir angin-listrik kecil dengan rating daya output 1,5kW memiliki cut-in wind speed 4 - 5m/s untuk mulai kerja pompa, sedang pada kincir tradisional, cut-in wind speed 2,5 -3m/s untuk mulai kerja pompa. Kincir angin yang besar membutuhkan kecepatan angin yang lebih tinggi untuk memulai putaran kincir. Kincir angin-listrik untuk pompanisasi menjadi kompetitif pada kecepatan angin rata-rata di atas 5-6m/s. Jadi kondisi angin lokasi menentukan apakah pompa mekanik atau pompa-listrik kincir angin yang lebih baik. Di lain pihak kincir-listrik lebih menguntungkan dari kincir pompa mekanik, karena kebihan daya listrik dapat disimpan dalam baterai/aki untuk kebutuhan penerangan dan lainnya. Keuntungan lain pompa-listrik kincir angin, kincir angin tidak selalu ditempatkan diatas sumber air yang dipompa. Kincir dapat ditempatkan di lokasi dengan angin terbaik dan listrik disalurkan melalui kabel ke lokasi pompa air.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



17



B. Kincir angin pembangkit listrik Kincir pada awalnya digunakan untuk melakukan kerja mekanik, seperti menggiling dan pengerak pompa air. Kincir angin selanjutnya dikembangkan sebagai pembangkit tenaga listrik, karena tenaga listrik praktis dikonversi untuk berbagai keperluan. Kincir angin pembangkit listrik dalam sekali mikro, mini, dan skala besar.



(a)



(b)



(c)



Gambar 3.2 (a) kincir-listrik 400W, (b) 10 kW, (c) 1,5MW Kincir angin 400 watt untuk skala rumah tangga, beberapa kW untuk industri, dan kincir angin skala besar dapat disambung ke jaringan (on grid). Kincir angin listrik skala mikro, mini, dan besar memiliki prinsip kerja yang sama, yaitu putaran kincir digunakan untuk memutar generator sehingga menghasilkan listrik. Tipe Mikro Mini Household Industrial Utility



Diameter kincir (m) 0,5 – 1,25 1,25 -2,75 2,75 - 7 7 - 30 30 - 90



Daya listrik 20-300 watt 300 – 850 watt 850 – 10 kW 10kW – 100kW 100kW – 4MW



Tabel 3.1 Kategori Ukuran Kincir Angin Walaupun kincir angin aerodinamis berdaun tiga memiliki tip speed ratio besar, namun frekuensi putarnya masih lebih rendah dari frekuensi putar generator yang dibutuhkan, yang pada umumnya lebih dari 1000 rpm. Oleh karena itu diperlukan perlipatan putaran dengan roda gigi/gear. Kincir angin sekala besar memiliki frekuensi sampai sekitar 40 rpm dan diperlukan perlipatan putaran 40 kali. Untuk kincir angin yang lebih kecil frekuensi putarnya lebih tinggi, sehingga perlipatan putaran yang diperlukan lebih kecil. Transmisi daya dengan gear menyebabkan kerugian daya, hal ini mengilhami kincir angin yang dikopel langsung dengan generator (direct drive). Perbedaan mendasar tipe ini adalah terletak pada generator. Generator tipe direct drive ini memiliki kutub magnet yang jauh lebih banyak dari generator pada umumnya. Hal ini sesuai prinsip kerja generator, bahwa



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



18



gaya gerak listrik yang dihasilkan generator berbanding lurus dengan perubahan fluks magnet. Cepat perubahan fluks magnet, diperoleh dengan cara memperbanyak kutub magnet.



Gambar 3.3 Generator putaran rendah /direct drive Gambar 3.3 merupakan salah satu generator direct drive komersial yang memiliki frekuensi putar sangat rendah mulai 80-400 rpm, dengan hingga 99kW. Suatu kelemahan energi angin adalah bahwa kecepatan angin selalu berubah setiap saat, akibatnya frekuensi putaran kincir cenderung berubah-ubah, untuk mengatasi hal ini kincir angin modern dilengkapi dengan pengontrol kemiringan blade (pitch control), sehingga diperoleh daya output optimal. Pengaturan secara mekanis tidak dapat menjamin frekuensi generator konstan, sehingga melahirkan ide: Generator DC, listrik yang dihasilkan diubah menjadi ac dengan inverter, atau generator ac, disearahkan, selanjutnya diubah menjadi ac oleh inverter. Penggunaan inverter akan menjamin frekuensi listrik ac konstan. Kincir angin skala kecil cenderung menggunakan generator DC, aki untuk menyimpan daya, dan inverter untuk mengubah listrik DC menjadi ac. Bagian-bagian kincir angin pembangkit listrik skala besar



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



19



Gambar 3.4 Komponen kincir angin skala besar Anemometer: mengukur laju angin dan mengirim data tersebut ke pengontrol (controller).. Daun kincir (blades): Angin menghembus blade menyebabkan timbul gaya lift dan memutar kincir Rem (Brake): Rem cakram yang bekerja secara mekanik, atau listrik, atau hidrolik untuk menghentikan kincir dalam keadaan darurat. Pengontrol (Controller): Pengontrol menstar mesin pada kecepatan angin sekitar 8 -16 mile/ jam dan mematikan (shuts off) mesin pada sekitar kecepatan angin 65 mile/jam. Kincir tidak dapat beroperasi pada kecepatan angin lebih dari 65mph karena generator bisa kelewat panas. Gear box: Roda gigi (gears) menghubungkan poros putaran lambat (yang langsung bersambung kincir) dengan poros cepat (poros generator) dan meningkatkan kecepatan rotasi dari 30 – 60 rpm ke 1200-1500rpm yaitu kecepatan rotasi yang dibutuhkan kebanyakan generator untuk menghasilkan listrik. Gear box merupakan komponen yang mahal dan berat, para insinyur mengembangkan generator putaran rendah (direct drive generators) sehingga tidak diperlukan gear box. Generator: Biasanya merupakan generator induksi yang menghasilkan listrik ac frekuensi 60Hz Poros putaran tinggi (High-speed shaft): menggerakkan generator Poros putaran rendah (Low-speed shaft): Kincir (rotor) berputar lambat, 30 - 60 rpm. Nacelle: rotor ditempelkan ke nacele, yang terletak dipuncak tiang (tower) dan termasuk di dalamnya gear box, poros putaran lambat, poros putaran tinggi, generator, pengontrol. Pitch: blade berbelok atau (pitched) dari angin untuk menjaga rotor untuk produksi listrik tidak terlalu rendah atau terlalu tinggi. Rotor: blade dan komponen tempat pertemuan blade (hub) secara bersama-sama disebut rotor Tiang (Tower): tiang dibuat dari semacam pipa baja (lihat gambar) atau konstruksi besi siku (stell lattice). Sebab kecepatan angin bertambah dengan dengan ketinggian, semakin



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



20



tinggi tiang, kincir semakin banyak menerima banyak energi dan membangkitkan daya listrik lebih besar pula. Arah angin (Wind direction): kincir pada Gambar 3.4 adalah jenis “upwind”, disebut demikian karena ia bekerja menghadap arah angin. Kincir jenis lain dirancang “downwind”, yaitu bekerja membelakangi arah angin. Wind vane: Mengukur arah angin, dan berkomunikasi dengan yaw untuk menggerakkan arah kincir sesuai arah angin. Yaw drive: upwind turbin menghadap arah angin, yaw digunakan untuk tetap menjaga kincir selalu mengarah datangnya angin sebagaimana perubahan arah angin. Jadi fungsi yaw drive sama dengan ekor kemudi. Downwind turbin tidak memerlukan yaw, angin menghembus kincir sehingga selalu membelakangi angin. Yaw motor: Menggerakkan yaw untuk bekerja.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



21



IV. POMPA DAN MOTOR LISTRIK



A. Subsistem motor-pompa Subsistem motor pompa termasuk motor, pompa, dan kopling. Tipe dan karakteristik pompa dan motor yang akan digunakan bergantung pada kebutuhan jenis aplikasi dan permintaan air. Variasi tipe pompa dan motor cocok untuk aplikasi pompa air, bergantung pada jumlah kebutuhan air harian, head, kedalam air (suction head), dan sumber mata air. Tipe kopling kebanyakan menggunakan tali pambel dan puli (belt and pulley), feed screw, kopling langsung (rack and pinion or bolt and flange), dan transmisi gear. Efisiensi mekanisme transmisi bergantung pada rasio kopling, yaitu rasio torsi motor ke torsi beban. Kehilangan daya transmisi dengan kopling langsung kira-kira 2%. Tetapi daya hilang pada kasus reduksi kecepatan secara substansi adalah sebesar 40. Kehilangan daya transmisi pada kasus transmisi menggunakan gear, bergantung rancangan gear box, rasio gear, dan ukuran mesin dalam hubungannya reduksi kecepatan, nilainya bisa sangat besar. Konfigurasi subsistem motor-pompa yang paling banyak dipasaran adalah:  Unit motor-pompa selam (Submerged motor–pump unit), sering disebut pompa selam sentrifugal (submersible centrifugal motor-pump). Karena tipe ini sederhana dalam pemasangan dan hemat/murah, tipe ini paling banyak digunakan dan cocok sistem pompa air mensuplai air di desa.  Pompa selam sentrifugal dengan motor dipermukaan tanah (Submerged centrifugal pump with surface mounted motor). Meskipun tipe ini mudah dalam perawatan motor, tetapi kehilangan daya pada bearing poros tinggi, maka kurang menarik/menguntungkan  Pompa apung (floating motor-pump). Tipe pompa ini direkomendasikan untuk pemompaan air permukaan untuk irigasi dan drainase. Tipe ini bersifat portabel.  Pompa volumetrik (Positive displacement pump =volumetric pump). Pompa ini digerakkan dari permukaan oleh motor, dan cocok untuk head tinggi dan laju pemompaan rendah /debit rendah.  Unit motor-pompa permukaan (Surface mounted motor–pump unit). Tipe ini memiliki mekanisi bekerja awal dengan sendirinya (self-primming mechanism) dan direkomendasikan untuk kedalam hisap rendah yaitu hingga 6m. Pompa mungkin jenis sentrifugal atau volumetrik. Motor DC tanpa sikat (Brushless DC motors) paling cocok untuk aplikasi pemompaan skala kecil dan motor ac (yang dikemas dengan inverter) lebih cocok instalasi skala besar. Efisiensi subsistem motor-pompa 40-60%, bergantung pada motor, pompa, dan transmisi daya. Efisiensi optimum motor sekitar 85%; untuk pompa sekitar 70%, dan untuk pipa hisap dan dorong sekitar 80%. Kerugian gesekan dalam bergantung pada diameter, tekanan pipa, dan bentuk lurus dan lengkung pipa. Sebagai contoh, kerugian/losses gesekan pada knee (90o elbows) lebih tinggi dari pada sambungan bentuk Y.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



22



B. Pompa air Ada tiga tipe dasar pompa:  Volumetrik (positive displacement). Pompa ini bekerja secara mekanik, air diperangkap dengan beberapa mekanisme seperti piston, silinder, dan diafragma elastik. Debit pompa volumetrik berbanding lurus dengan kecepatan (rpm) motor dan output daya. Pada daya input yang rendah pompa volumetrik akan memompa jumlah air yang sama dalam gaya angkat sebagaimana daya input besar, kecuali pada laju/kecepatan rendah. Sebab pompa volumetrik memiliki torsi awal yang besar, ia selalu harus melakukan kerja melawan tekanan seluruh sistem pada laju rendah. .  Pompa sentrifugal (Centrifugal /rotodynamic pumps). Pompa ini dirancang untuk head yang tetap, yang berarti efisiensi menurun bila head pemompaan berubah dari rancangan semula. Tidak seperti pompa volumetrik, penurunan pasokan daya secara signifikan dapat menyebabkan gagal mengangkat air dari sumur sebab kapasitas gaya angkat vertikal berbanding lurus dengan daya input. Contoh kecepatan pompa mestinya 1200rpm, tetapi putaran pompa hanya 800rpm, air tidak dapat terangkat.  Pompa airlift : udara yang dikompresi disemburkan dalam air yang berada dalam pipa, udara bercampur air menyebabkan masa jenis rendah sehingga terdesak air yang tidak bercampur udara, sehingga air yang bercampur udara terangkat. Kemampuan angkat sangat dipengaruhi kedalaman rendaman nosel, semakin dalam nosel penyembur semakin tinggi air dapat terangkat. Tipe yang paling baik dari peralatan untuk aplikasi pemompaan khusus/tertentu bergantung pada jumlah yang dibutuhkan perhari, head pemompaan, head hisap (untuk pompa permukaan), dan sumber air. Umumnya pompa volumetrik cocok untuk debit rendah (kurang dari 15m3/hari) dan head pemompaan tinggi (30 – 150m). Pompa selam sentrifugal bagus untuk debit tinggi (25 – 100m3/ hari) dengan head sedang (10 – 30m). Gambar 4.1 memperlihatkan tipe pompa yang cocok untuk berbagai head dan debit untuk aplikasi pemompaan. Pompa Volumetrik (positive displacement pumps) Gambar 4.2 mengilustrasikan prinsip kerja dari pompa volumetrik. Pompa volumetrik komersial dikelompokkan menjadi dua tipe: selam (diafagma) dan bukan selam (jack, piston, dan rotary vane). Paling umum pompa dongkrak (jack pump), Semua pompa volumetrik memiliki seal atau lapisan permukaan (mating surfaces), yang dapat dipasangkan, juga mesti memerlukan perawatan reguler untuk mengganti atau memperbaiki komponen yang aus. Pengunaan pompa ini untuk air yang kotor pada pertama kali dipompa, diperlukan filter. Air keluaran dari pompa volumetrik hampir tidak bergantung pada head tetapi berbanding lurus dengan laju, berarti bahwa efisiensi pompa piston diameter tententu bertambah dengan head. Pompa dengan diameter yang berbeda dibutuhkan untuk digunakan pada head yang berbeda agar efisiensi optimum. Pada head yang tinggi gaya gesek menjadi relatif lebih kecil dibanding gaya hidrostatik. Pada laju/kecepatan tinggi pompa volumetrik dapat lebih efisien daripada pompa sentrifugal. Pada head rendah (kurang dari 15m) total gaya



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



23



hidrostatik rendah dibanding dengan gaya gesek. Karenanya pompa ini kurang efisien dan kurang diminati untuk digunakan.



Gambar 4.1 Tipe pompa untuk rentang head dan debit yang berbeda



Gambar 4.2 Pompa volumetrik (a) angkat langsung, (b) hisap, (c) pergeseran Pompa pvc (EMAS PUMP) Pompa pvc merupakan pompa yang sangat sederhana dibuat dengan bahan pipa pvc, karet dan kelereng. Pompa ini merupakan jenis angkat langsung. Pompa terdiri atas dua pipa pvc, satu pipa dimasukkan pipa yang lain. Pipa sebelah dalam berfungsi sebagai batang Nur Untoro Kincir Angin Praktis



24



penggerak sekaligus sebagai penyalur air. Karena bersifat pompa dorong langsung, maka kemampuan pompa jenis ini mampu mengangkat air sampai kedalaman sekitar 40m, dengan debit maksimal 30 liter/menit. PVC 1 inci



PVC 1 ¼ inci



Pembatas gerak kelereng Kelereng besar



Ujung pipa dibentuk corong



Pembatas gerak kelereng Over sok 1 ¼ - 1 inci



Skema popa pvc (EMAS PUMP)



Semburan pompa pvc



Gambar 4.3 Pompa pvc Pompa diafragma (Diaphragm pumps) Pompa diafragma kadang-kadang disebut pompa selam pergeseran positif dan sering digunakan pada aplikasi yang kecil, seperti pemompaan dari sumur yang dalam, karena pompa permukaan memiliki keterbatasan kedalaman hisap. Pompa demikian juga dapat digunakan untuk memberi tekanan pada tangki tandon yang berada di atas permukaan tanah untuk mengeluarkan/mengosongkan air. Pompa diafragma biasanya menggunakan motor DC. Pompa ini memerlukan perawatan periodik bergantung pada kedalaman/ketinggian/head pemompaan, dan jam penggunaannya. Sikat Motor DC harus diganti setiap 2000-4000 jam dan diafragma elastik harus diganti setiap 12-24 bulan bergantung jumlah jam penggunaan. Pompa dongkrak (Jack pumps). Pompa dongkrak berfungsi seperti kincir angin kecuali ia diberikan daya oleh motor listrik. Seperti kincir, dongkrak bolak-balik dihubungkan oleh batang pengisap panjang pada silinder. Pompa dongkrak memerlukan perawatan berkala, secara khusus sebab kulit (leather) pengisap pada ujung batang dapat mudah aus, dan mesti diganti tiap 6 – 24 bulan bergantung jumlah jam penggunaan. Leather berfungsi untuk penyekat terhadap silinder. Pompa dongkrak umumnya digunakan pada aplikasi sedang pada kedalaman sedang. Pompa piston (Piston pumps) Pompa piston umumnya dihubungkan dengan motor dipermukaan dan digunakan untuk memumpo sumur yang dangkal, sumber air permukaan, dan memberi tekanan tangki tandon. Kelaman hisap terbatas 6m. Pompa ini tidak dapat digunakan pada air yang mengandung lumpur, pasir, atau partikel pengikis, sebab penyekat/seal mudah rusak. Dalam hal ini diperlukan penyaring untuk menghindarkan kotoran masuk pompa.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



25



Pompa rotari (Rotary vane pumps /helical rotor pumps) Pompo rotari bekerja sesuai prinsip pergeseran untuk mengangkat atau memindahkan air oleh suatu bentuk rotasi dalam ruangan. Pompa terdiri atas rotor putar dangan kipas (vane) yang disekat terhadap dinding casing. Kemampuan hisap pompa ini hanya 6m. Air keluaran dari pompa ini mengalir kontinyu atau kadang kadang sedikit terputus-putus.Tipe pompa rotari kipas termasuk di dalamnya rotor bergigi yang fleksibel, rongga , skrup Archimedean skrup pembuka pompa, koil dan spiral pompa. Keuntungan pompa rotor helik adalah kemampuan memompa air adalah sama pada kecepatan rendah atau tinggi, dalam arti debit air sebanding dengan kecepatan putar, yang menyebabkan volume air pompa per hari lebih tinggi bahkan pada putaran motor rendah. Tidak seperti pompa dengan piranti yang bekerja bolak-balik, pompa rotari mampu mengeliminasi masalah efek sentakan air (water hammer) dan kavitasi. Pompa rotari tidak toleran terhadap lumpur, pasir, dan partikel penggores, maka diperlukan filter untuk menghindarkan kotoran. Kelebihan yang unik pompa rotari dibanding dengan pompa sentrifugal ialah kemampuan beroperasi dengan efisien pada rentang luas baik kecepatan, maupun head , sedang efisiensi pompa sentrifugal sangat bergantung pada kecepatan putarnya. Pompa sentrifugal (Rotodynamic Pumps) Pompa sentrifugal menggunakan impeler putar atau rotor untuk mendorong air. Umumnya, dua mekanisme pompa berkelanjutan; baik menggunakan impeler tunggal atau kombinasi, putaran kincir (blades) menyimpangkan dan memutar sehingga menghasilkan gaya sentrifugal ketika air terpusar ke dalam lintasan sirkular saat poros diputar atau putaran kincir tinggi. Debit air yang dihasilkan berbanding lurus dengan laju putaran impeler sebab gerakan air dalam impeler bergantung pada gaya yang dihasilkan impeler, yang kembali bergantung pada suplai daya dari motor. Kecepatan putar motor boleh jadi tidak sama dengan kecepatan putar impeler, dan di sini ada kehilangan daya transmisi pada kopling, bergantung pada jenis kopling yang digunakan pompa dengan motor. Kehilangan daya transmisi antara pompa dan motor pada kopling langsung adalah minimal; kehilangan daya (losses ) dari transmisi yang menggunakan gear, belt dan puli lebih besar. Impeler tunggal pada pompa sentrifugal hanya dapat mengangkat air pada head rendah, maka diciptakan beberapa impeler bertingkat untuk menciptakan tekanan yang cukup untuk mengankat air lebih tinggi. Sebagai akibatnya, pompa sentrifugal bagus digunakan untuk pemompaan air skala besar pada head sedang. Pompa sentrifugal memerlukan relatif sedikit perawatan dan lebih toleran terhadap air kotor, sebab pompa tidak memiliki seal atau permukaan pelapis penyekat. Namun demikian impeler dapat macet jika air mengandung banyak pasir atau berkerak. Pompa sentrifugal komersial dikategorikan: aliran aksial, aliran radial, dan aliran campuran bergantung pada rancangan impeler. Tidak seperti pompa volumetrik, pompa sentrifugal memiliki kondisi operasi terbatas, efisiensinya menjadi buruk bila kecepatan putar berubah. Meskipun demikian, rentang head dan debit lebih lebar dapat diperoleh dengan menggunakan tipe impeler yang lain. Pompa aliran aksial yang kadang-kadang disebut pompa propeler sebab mekanismenya sama propeler dalam pipa. Impeler dirancang untuk aliran besar dan aplikasi head rendah, karenanya pompa ini cocok untuk kebutuhan irigasi. Pompa aliran aksial umumnya dirancang untuk aliran besar dan head rendah. Pompa aksial umumnya dirancang untuk menghasilkan keluaran 2,5 – 25m3/menit dan head 1,5 – 3m, tetapi dengan penambahan Nur Untoro Kincir Angin Praktis



26



impeler head dapat mencapai 10m. Bila dibutuhkan pemompaan head tinggi dan debit rendah, pompa impeler radial lebih cocok. Pada impeler aliran radial, perbandingan diameter keluaran (discharge) terhadap masukan (inlet) sangat tinggi, yang berguna untuk menghasilkan komponen aliran radial yang besar. Pada impeler aliran aksial , sebab air mengalir oleh gaya angkat yang dihasilkan oleh sebuah gerakan kincir arus streamline. Pompa aliran radial juga disebut pompa sentrifugal, sebab gaya sentrifugal diterapkan saat aliran air dipusar ke dalam lintasan sirkular ketika kincir berputar kencang. Pompa sentrifugal dapat digunakan dengan motor ac atau DC, dapat dipasang dipermukaan, diapungkan, atau ditenggelamkan/diselamkan bergantung pada kebutuhan. Pompa ini dapat mengangkat volume air dalam skala sedang hingga besar, sekitar 200m3/hari, dari sumur dangkal hingga dalam (150-200m). Impeler seri digunakan pada pompa sentrifugal permukaan atau selam untuk menghasilkan perbedaan tekanan tinggi untuk mencapai head yang dikehendaki. Pada pompa selam, dapat lebih dari 20 impeler ditumpuk (stacked). Walaupun pompa sentrifugal apung hanya menggunakan impeler tunggal, dimana pompa dijaga tepat dibawah permukaan air dengan cara diapungkan. Kemampuan angkat pompa sentrifugal apung terbatas sekitar 6m. Pompa sentrifugal permukaan dan motor di atas permukaan air dengan kemampuan hisap tidak lebih 6m pada ketinggian permukaan laut. Pompa dan motor dari selam sentrifugal ditenggelamkan dalam sumur. Pompa aliran campuran (Mixed flow pumps) kadang-kadang disebut pompa turbin vertikal (vertical turbine pumps). Pompa ini memiliki blade internal dalam impeler yang secara parsial mendorong air, mirip impeler, tetapi pelepasan (discharge) dari impeler adalah pada diameter yang lebih besar daripada diameter masukan, sehingga aliran radial parsial ada di dalamnya untuk membangkitkan kecepatan pada air dari gaya sentrifugal yang dihasilkan. Pompa turbin vertikel umumnya terdiri atas impeler ditumpuk yang diselamkan dan diberikan daya oleh poros penggerak panjang dari motor yang sebuah motor di permukaan. Pompa demikian tidak cocok digunakan pada sumber air permukaan, tetapi cocok digunakan pada sumur dangkal hingga kedalaman sedang. Keuntungan pompa aliran campuran yang digerakkan oleh motor dipermukaan, yaitu motor mudah dirawat dan diperbaiki. Efisiensi pompa berkurang oleh karana belitan, getaran dan gesekan pada poros penggerak. Pompa ini juga memiliki masalah bearing. Pemasangannya menjadi sulit dan membutuhkan banyak waktu. Saat ini, untuk sumur dalam tidak digunakan motor dipermukaan untuk menggerakkan poros, pompa sntrifugal selam lebih cocok untuk rentang variasi head dan debit yang luas. Pompa airlift dan pompa geyser Pompa airlift terdiri atas sebuah tabung dengan 60% dari panjangnya tenggelam, dan pipa suplai udara masuk dalam tabung vertikal. Diameter tabung/pipa tersebut 4 kali diameter pipa suplai udara. Jika aliran udara cukup, gaya Archimedes dari gelembung akan lebih besar dari pada gaya berat kolom cairan di atasnya, yang mendorong keluar ke ujung tabung. Keunggulan paling besar dari pompa airlift adalah sedikit komponen yang bergerak (hanya dalam kompresor saja) dan kemampuannya memindahkan benda padat besar atau berat. Kelemahan paling besar pompa airlift memiliki rentang aliran yang terbatas. Jika aliran udara ke pompa airlift tertentu diperkecil dengan jumlah relatif sedikit, pompa akan berhenti bekerja. Pompa geiser secara nyata meningkatkan keunggulan pompa airlift, yakni memungkinkan pompa bekerja dengan rentang laju aliran yang jauh lebih besar. Pada pompa geyser ini gelembung dihasilkan dalam ruang, seperti Gambar 4.3. Udara dimasukkan ke Nur Untoro Kincir Angin Praktis



27



dalam kubah udara yang memiliki pompa penaik (pump riser) meluas terus hinga pusat. Udara yang masuk ke dalam kamar tersebut, tertahan hingga pada tekanan tertentu. Bila tekanan udara naik hingga lebih besar dari pada tekanan kolom air dalam pump riser , sebuah gelembung terlepas dari ruang kubah (air dome) ke pump riser, gelembung naik dan mendorong kolom fluida hingga keluar.



Gambar 4.4 Skema pompa airlift dan pompa geyser



Gambar 4.5 Kompresor yang diputar kincir angin untuk pompa airlift Pompa airlift maupun pompa geyser cocok digunakan pada sumur dengan air dalam, dan tidak dapat digunakan bila air dangkal. Kincir angin untuk pompa air tipe airlift ini, kincir langsung dipasang pada kompresor, sehingga praktis.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



28



C. Motor listrik Motor listrik umumnya dikelompokkan menjadi dua, yaitu tipe DC dan ac. Modor DC dibagi dalam maganet permanen (dengan sikat dan tanpa sikat) dan motor DC dengan medan medan belitan. Pada motor listrik magnet permanen, magnet permanen digunakan untuk menghasilkan medan magnet maka tidak memerlukan daya untuk pembangkit medan magnet. In a permanent, sehingga efisiensi lebih tinggi. Motor listrik ini cocok pada penggunaan daya skala kecil. Motor listrik DC dengan kumparan medan, medan listrik dihasilkan secara elektromagnetik. Motor listrik DC dengan kumparan medan lebih cocok digunakan pada industrik. Tipe motor listrik ac yang paling sederhana dan paling murah adalah motor induksi sangkar bajing (squirrel-cage induction motor). Motor listrik ini murah dan cocok digunakan penggerak pompa skala kecil. Motor induksi diklasifikasi sebagai motor sangkar bajing dan motor rotor gulungan. Motor induksi dengan rotor gulungan biasanya digunakan pada industri. Keunggulan motor DC magnet permanen adalah sederhana dan efisiensi tinggi pada penggunaan skala kecil. Perawatan motor DC tanpa sikat sangat sedikit, sedang pada motor DC dengan sikat, sikat perlu diganti secara periodik. Perbedaan kontras, motor ac lebih murah dari pada motor DC, motor ac lebih luas skala daya penerapannya. Namun demikian, motor ac kurang efisien jika digunakan pada penggerak pompa dengan sumber DC, sebab masih memerlukan inverter. Motor listrik DC Sebuah power suply DC memiliki dua kebel keluaran yaitu postif dan lainnya negatif. Jika kabel tersebut disambungkan ke motor listrik DC, arus yang mengalir dalam medan magnet menghasilkan torsi yang memutar poros armatur. Motor listrik DC ada dua jenis, yaitu jenis magnet permanen dan jenis kumparan medan. Motor listrik DC magnet permanen memilki rating daya terbatas beberapa dayakuda dan memimilki keterbatasan kecepatan putar. Sistem DC juga memilki kehilangan daya (losses) tinggi dalam kabel daya yang sebanding dengan panjangnya. Berdasarkan keterbatasan tersebut, motor listrik DC diterapkan pada pompa air sekala kecil.



Gambar 4.5. Perbandingan motor ac dan motor DC Motor listrik ac Sebuah motor listrik induksi adalah sebuah transformer listrik sederhana, dengan rangkaian magnetik dipisahkan oleh celah udara ke dalam dua bagian yang dapat saling bergerak relatif (rotor dan stator). Satu bagian membawa gulungan/belitan primer dan lainnya



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



29



membawa gulungan sekunder. Arus ac di suplai ke gulungan primer dari sebuah sumber ac menginduksikan arus dalam gulungan sekunder yang belawanan arah dengan arus primer (hukum lenz). Arus primer dan arus sekunder yang arahnya salaing berlawanan tersebut membangkitkan gayai yang besarnya berberkaitan transfer daya lintas celah udara secara induksi tersebut. Perbedaan mendasar motor induksi dari motor lainnya, bahwa arus sekunder dibangkitkan secara induksi, seperti transformator, arus sekunder tidak disuplai oleh eksiter DC, seperti motor DC dan motor sinkron. Gulungan sekunder pada rotor motor sangkar bajing (squirrel-cage motors) dibuat dari batang konduktor yang di hubung-pendekkan (shortcircuited) oleh cincin pada bagian ujung-ujungnya. Tidak ada koneksi listrik ke rotor sangkar bajing, jadi tidak perlu sikat dan slip ring. Hal ini menjadikan motor induksi sangkar bajing ini motor listrik sederhana dan murah. Gulungan sekunder dari rotor motor induksi gulungan digulung dengan konduktor diskrit dengan jumlah kutub gulungan primer sama jumlahnya dengan kutub pada stator, dan gulungan rotor berujung pada slip ring pada poros. Motor ac umumnya digunakan pada aplikasi daya sedang hingga tinggi. Motor induksi rotor sangkar bajing dapat berupa satu fase atau tiga fase. Motor induksi memiliki putaran hampir konstan, atau kecepatan putarnya dapat diatur dari frekuensi ac inverter.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



30



V. MEKANIK TRANSMISI



Pemanfaatan kincir sebagai penggerak mekanik perlukan pengetahuan tentang mekanik transmisi daya. Pada bab ini akan diulas prinsip kerja tuas, gear step-up/step-down putaran. A. Tuas/pengungkit Penggunaan kincir sebagai penggerak mekanisasi tidak terlepas dari penggunaan tuas. Lb



Lk



Ft F



w



Gambar 5.1 Penggunaan tuas pada pompa Pada tuas berlaku kesetimbangan: 1) keseteimbangan gaya, dan 2) kesetimbangan torsi.  Kesetimbangan gaya, bahwa jumlah total gaya yang bekerja sama dengan nol (5.1) F = 0 Dalam hal ini dapat diuraikan menjadi 2 komponen, yaitu dalam arah x dan arah y:  Fx = 0 dan  Fy = 0



(5.2)



Kesetimbangan gaya dalam arah x:  Fx = 0 , dalam kasus ini tidak ada gaya dalam arah x. Kesetimbangan gaya dalam arah y:  Fy = 0 Ft – (W+F) =0 atau Kesetimbangan torsi  = 0







(5.3) (5.4)



Jumlah torsi yang bekerja terhadap sebarang sumbu sama dengan nol Misal, mengacu sumbu pada titik tumpu: Lk . F – Lb.W = 0 (5.5) Pada pompa W adalah gaya hidrostatik, W = gH A (5.6) Dengan  massa jenis fluida/air, g percepatan gravitasi, H head, dan A luas penampang piston.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



31



Berdasarkan (5.5) dapat dirancang ukuran (Lk dan Lb) tuas agar gaya F dpat dilakukan oleh orang atau kincir angin. B. Transmisi daya Secara prinsip transmisi daya menggunakan roda gigi-roda gigi atau gear-gear, gear dan rantai, puli dan tali pambel (pulley and belt) adalah sama, yaitu bahwa daya input sama dengan daya output. Berdasarkan prinsip tersebut dapat ditentukan hubungan frekuensi putar dan torsi masing-masing gear. Bahwa daya mekanik rotasi P: P =  1 1 =  2 2 = kons tan (5.7) dengan  adalah torsi, dan  kecepatan anguler atau kecepatan sudut. Kecepatan sudut memiliki hubungan dengan frekuensi putar f atau rpm:  = 2 f (5.8) rpm = 60 f (5.9) dengan rpm adalah putaran permenit (revolution perminute). Secara praktis hubungan antara gear satu dengan yang lain ada dua jenis, yaitu dua gear satu poros putar yang berarti 1 = 2, dan dua gear atau roda yang memiliki kecepatan linier bagian tepi gear/roda sama yang berarti v1 = v2.



1



2 (a)



2



1



2



1 (b)



(c)



Gambar 5.2 kaitan antara dua roda, (a) satu poros, (b) hubungan puli atau penggunaan rantai, dan (c) gear-gear Pada Gambar 5.2 (a) dua roda satu poros putar, berarti frekuensi putar antara dua roda adalah sama, baik besar maupun arahnya; 1 = 2. (5.10) Pada Gambar 5.2 (b) merupakan dua puli yang dihubungkan oleh tali pambel, atau dua gear yang dihubungkan dengan rantai. Jika puli 1 berjari-jari r1 dan jari-jari puli 2 adalah r2, maka berlaku hubungan kecepatan sudut dan jari-jari puli: v1 = v2 atau 1 r1 = 2 r2 (5.11) Persamaan (5.11) disubstitusikan ke (5.7) akan diperoleh hubungan torsi antara dua puli: r (5.10)  2 = 2 1 r1 Dalam hal gear dan rantai, umumnya lebih praktis dihitung berdasarkan jumlah gigi: 1 t1 = 2 t2 (5.12) t Dan (5.13)  2 = 2 1 t1



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



32



dengan t adalah jumlah gigi gear. Gambar 5.2 (c) merupakan transmisi daya antara dua gear, dalam hal ini berlaku: 1 t1 = −2 t2 (5.14) t Dan (5.15)  2 = − 2 1 t1 Tanda minus berarti arah putar dua gear tersebut berlawanan. Dalam praktek, setiap transmisi daya mekanik selalu disertai hadirnya gaya gesek yang menimbulkan susut daya atau losses. Dari aspek ini, setiap tipe transmisi daya memiliki loses yang berbeda-beda. Bahkan satu jenis transmisi, dua transmisi daya dengan dengan rasio putaran yang berbeda menimbulkan susut daya yang berbeda. Contoh Suatu pompa piston dengan diameter piston 4 inci. Pompa tersebut digunakan untuk memompa air dengan head total 15m. Jika gaya gesek piston dengan silinder saat piston digerakkan dan berat piston dan tangkainya serta gaya viskus adalah 150N, dan dikehendaki gaya yang diperlukan untuk memompa adalah 50N, tentukanlah perbandingan lengan kuasa terhadap lengan beban tuas! Jawab Gaya hidrostatik F =  g h A = 1000 kg/m3 x 9,8 m/s2 x 15m x  (5,08.10-2m)2 = 1191,7N Gaya total = W + gaya gesek = 1191,7N + 150N = 1341,7N. Berdasarkan (5.5) perbandingan panjang lengan kuasa terhadap lengan beban tuas: Lk 1341,7 N = = 26,83 Lb 50 N Jika lengan beban 5cm, maka panjang lengan kuasa = 5cm x 26,83 = 134,15cm Jika pompa tersebut akan digerakkan oleh kincir angin dengan spesifikasi: Diameter kincir 4m, efisiensi 25%, tip speed ratio 2, dan diinginkan pada kecepatan angin 3m/s sudah bekerja, bagaimana transmisi daya kincir ke pompa? Berapa debit air? Berapa efisiensi total sistem? Jawab: Pada kecepatan angin 3m/s, daya kincir angin adalah: P = ½ Cp  A v3 = 0,5 x 0,25 x 1,2 kg/m3 x  (2m)2 x (3m/s)3 = 50,87 watt Frekuensi putaran kincir: R v = 2 x 3m/s : 2m = 3 rad/s = → = v R Torsi kincir adalah: P P =   →  = = 50,87 W: 3 rad/s =16,96Nm.







Gaya kritis yang diperlukan 1341,7N. Berapa panjang tuas atau engkol pada poros kincir agar menghasil kan gaya 1341,7N?  = L F → L =  F = 16,96Nm : 1341,7N = 12,6 x10-3m = 12,6 mm Panjang engkol 12,6 mm adalah tak mungkin! Jadi harus dilakukan perlipatan torsi agar panjang engkol menjadi realistis.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



33



Misal ditentukan panjang engkol adalah 8cm agar piston naik turun sepanjang 16cm. Berapa perlipatan torsi yang diperlukan? Gaya yang dihasilkan oleh engkol kincir angin pada saat posisi engkol horisontal (kerja terberat oleh kincir) adalah:  = l F → F =  l = 16,96Nm : 0,08m = 212N Sedang gaya yang diperlukan 1341,7N, jadi diperlukan perlipatan sebesar F n = diperlukan = 1341,7N : 212N = 6,33 kali Ftersedia Artinya perlipatan gaya atau torsi yang diperlukan sebesar 6,33 kali. Di sini putaran kincir direduksi 6,33 kali dengan cara mekanik transmisi, yang juga berarti 6,33 kali putaran kincir pompa bekerja 1kali.



n = 6,33



pompa



Gambar 5.3 Reduksi putaran untuk memperbesar gaya angkat kincir Frekuensi kincir angin pada kecepatan angin 3m/s adalah 3 rad/s = 0,478 putaran/detik = 28,66rpm. Maka pada pompa terjadi 28,66rpm /6,33 siklus kerja = 4,53 siklus kerja/menit. Berapakah debit air yang dihasilakan? Volume air setiap langkah adalah V = A L =  (5,08.10-2m)2 x 0,16m = 1,297.10-3m3 = 1,297 liter Jumlah volume air yang dipompa setiap menit adalah: Q = V x siklus/menit = 1,297 x 4,53 = 5,87 liter/menit = 0,098 liter/detik Berapakah efisiensi transmisi daya kincir ke pompa? Daya hidrolik: P = Q. .g. h = 0,098 x 1 x 9,8 x 15 = 14,39 watt Efisiensi = daya hidrolik/daya kincir = 14,39 watt/50,87 watt = 28,3%. Efisiensi total = daya hidrolik/daya angin = 28,3 % x 25% = 7,1% Catatan: 1. Bahwa pada contoh ini debit air yang dihasilkan kecil karena kecepatan angin rendah, sedangkan beban kerja pompa berat karena head total 15m. 2. Pompa dengan daya tertentu, debit yang dihasilkan bergantung pada head. Olehkarenanya kemampuan pompa dinyatakan perkalian debit dan head, dengan satuan m4/satuan waktu.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



34



VI. KINCIR ANGIN SEBAGAI PENGGERAK POMPA



A. Penggerak pompa tidak langsung Bagaimana merancang kincir angin sebagai penggerak pompa air? Mengingat keterbatasan fasilitas perbengkelan pada umumnya, maka disini akan dibahas cara merancang sistem kincir angin sebagi penggerak pompa air, dengan kincir angin tradisional dan pompa tangan atau pompa dragon. Misal dibutuhkan sistem pompa air-kincir angin yang mampu menghasilkan debit air 0,1 liter/detik = 6 liter/menit, dengan head total 10m. 1. Rancangan dengan kincir angin daun banyak dari plat alumunium. Berpakah jari-jari kincir angin diperlukan? Bagaimana merancang transmisi daya? Jawab: Asumsi Kecepatan angin rata-rata v = 3,0m/s Efisiensi kincir angin daun banyak plat alumunium Cp = 25% Tip speed ratio  = 1,0 Untuk menentukan besar jari-jari kincir terlebih dahulu ditentukan kebutuhan daya hidrolis untuk mengangkat air dengan debit 0,1 liter/detik setinggi 10m, yaitu: Phidrolik = Q  g H = 0,1 liter/s 1 kg/liter. 9,8 m/s2 . 10m = 9,8 watt Efisiensi pompa mekanik sekitar 28%, maka daya kincir angin yang diperlukan 9,8W/28% = 35 watt. Daya kincir angin P = Cp ½  A v3 (2.14) Jari-jari kincir = R =



2P 2  35 = = 1,66m 3 3,14  0,25  1,2  3,03  C p u v



Gaya hidrostatik yang dibebankan pada piston: Fhidro=air g H Apiston= 1000kg/m3 9,8m/s2 . 10 m. (. 0,0472)m2 = 679,46N Berat tangkai piston (rod) kira-kira 30N Besar gaya gesek total diperkirakan 30N Gaya yang dibutuhkan untuk menggerkkan pompa = 679,46N +30N + 30N = 739N Torsi kincir angin: P =  → =



P







 ditentukan oleh kecepatan angin dan tip speed ratio:



=



R v



→ =



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



v R



=



1,0  3,0 = 1,807rad/s 1,66



35



=



P







=



35watt = 19,37Nm 1,807rad / s



Sistem Kincir-pompa dirancang untuk dibuat dengan bahan bahan yang mudah didapat dipasaran, sebagai berikut: Tabel 6.1. Daftar bahan untuk pembuatan kincir angin penggerak pompa air No Bahan Ukuran Jumlah Kegunaan 1 Plat besi 200cm x100cm x 1mm 1 Blade 2 Besi hollow 30mm x 15 mm, 1,7mm 2 batang Rangka kincir 4 Pipa pvc 1,25 inci 2 Pipa hisap 5 Besi hollow 3mm x 3mm 1 Tangkai piston 6 Pompa tangan/dragon D = 3,7 inci 1 memompa 7 Gear depan sepeda mtr t = 14 1 Transmisi daya 8 Gear belakang spd mtr t = 42 1 Transmisi daya 9 Besi siku 3cm x 3cm x4m 10 Tiang kincir 10 Besi D = 1inci, p = 60cm 1 As kincir 13 Pillow Block/laher D = 1inci 4 Laher as 14 Laher (ball bearing) Laher roda motor 2 As penggerak Berapa panjang tuas atau engkol pada poros kincir agar menghasilakan gaya 739N?  = l F → l =  F = 19,37Nm : 739N = 0,026m = 2,6cm Panjang engkol tersebut tidak realistis, maka perlu dilakukan perlipatan torsi. Misal ditentukan panjang engkol 8cm. Gaya yang dihasilkan oleh engkol kincir angin pada saat posisi engkol horisontal (kerja terberat oleh kincir) adalah:  = l F sin  , saat engkol posisi horisontal,  = 90o



 = l F → F =  l = 19,37Nm : 0,08m = 242,125N Sedang gaya yang diperlukan 739N, jadi diperlukan perlipatan sebesar F n = diperlukan = 739N : 242,125N= 3,05 didekati 3 Ftersedia Bagaimana membuat mekanik transmisi yang merupakan reduksi putaran 1/3 kali, yaitu 3 kali putaran kincir = 1 kali siklus pompa? Salah satu teknik transmisi daya yang murah dan tersedia luas dimasyarakat adalah roda gigi dan rantai sepeda atau sepeda motor. Pada penentuan engkol telah dipilih engkol sepeda mini dengan panjang engkol 8cm, jumlah gigi pada roda giginya diantaranya adalah 42. Sebagai pasangan roda gigi dengan jumlah gigi sedikit adalah gear depan sepeda motor dengan jumlah gigi 14. Gear ini cocok digunakan karena mudah disambung pada as/poros. Sepasang roda gigi ini akan diperoleh reduksi sebesar 42/14 = 3. Rancangan mekanik transmisi daya ditunjukkan pada Gambar 6.1 sebagai berikut:



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



36



Besi cor 12mm



Roda pintu gerbang



Gear motor Honda GL



37cm



Pipa ½ inci



laker



Pipa 1¼ inci



12cm



Gambar 6.1 Mekanik transmisi daya dengan reduksi 3 kali Pada gambar 6.1 rantai tidak digambar untuk memperjelas roda gigi. Rantai yang digunakan adalah rantai sepeda motor, karena bisa digunakan pada gear sepeda maupun gear sepeda motor. Batang penggerak/tangkai piston harus dilengkapi persambungan yang memungkinkan untuk berputar, hal ini karena arah kincir dirancang dapat berputar sesuai arah angin. Perhitungan debit air: Pada kecepatan angin 3,0m/s frekuensi putar kincir adalah:



=



R v



=



2 fR v 1,0  3,0 →f = = = 0,28Hz = 17rpm v 2R 2  3,14  1,66



Siklus pompa : frekuensi kincir/reduksi = 17 rpm/3 = 5,67 siklus Volume air untuk setiap kali siklus: V = A. Panjang langkah = (. 0,0472)m2 x 0,16m = 1,11 x 10-3m3 =1,11 liter Jumlah air keluaran pompa setiap menit adalah: Q = 1,11 liter x 5,67 = 6,29 liter/menit. Dalam rancangan awal debit air yang diinginkan adalah 6 liter/menit, setelah dikalkulasi ulangan hasil rancangan debit air 6,29 liter/menit. Perbedaan kecil dalam rancangan ini tidak perlu dipersoalkan, karena dalam perancangan digunakan asumsi-asumsi. Berapakah efisiensi pompa, dan berapa efisiensi total sistem? Daya hidrolik pompa: Phidrolik = Q    g  H = (6,08.10-3m3/60s).1000kg/m3.9,8m/s2.10m = 9,93watt Daya kincir Pkincir= 35 watt. Efisiensi = 9,93/35 = 28,37 % (sesuai asumsi) Efisiensi kincir diasumsikan 25%, jadi efisiensi total sistem =28,37% x 25% = 7,09%. Asumsikan angin bertiup dari pukul 10.00 hingga pukul 16.00 dengan rata-rata 3,0m/s, maka jumlah air yang diperloleh: V = 6,29 liter/menit x 60 menit x 6 = 2264 liter/hari. Volume air tersebut lebih dari cukup untuk memenuhi kebutuhan satu keluarga Kincir angin dengan tip speed ratio 1,0 diperoleh dari kincir angin berdaun banyak. Jumlah daun kincir 8, terbuat dari plat besi galvanis 2,4m x 1,2m, tebal 1mm. pangkal, tampak seperti Gambar 6.2:



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



37



25



15



15 0.60



80



0.80



EKOR



60 80



Gambar 6.2 Teknik pemotongan daun kincir dari plat besi galvanis Setelah plat dipotong dengan gunting, selanjutnya meratakan lekukan plat akibat proses pemotongan. Setelah plat betul-betul rata, selanjutnya dilengkungkan dalam arah memanjang dengan alat penggulung plat atau dengan cara menekan plat pada pipa berdiameter 6 inci, seperti Gambar 6.3.



Penampang lintang



(b)



(a)



Gambar 6.3 Cara melengkungkan daun kincir Tangan kanan dan kiri memegang dan menekan sisi kanan dan kiri plat seperti arah panah. Hasil penekanan adalah pelat melengkung seperti Gambar 6.3(b). Pembuatan rangka kincir



70



130



Gambar 6.4 Rangka kincir angin



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



38



60



Gambar 6.5. Kincir angin dengan daun plat alumunium Tiang dibuat dari besi siku, dengan tinggi 6m (satu batang besi siku) atau sesuai kebutuhan. Ukuran tiang bagian bawah 150cm x 150cm, bagian atas bertemu. Tiang bagian atas dilengkapi pijakan untuk pemasangan kincir. Tiang kincir tampak seperti Gambar 6.6.



0.33



70 120 100



100



90



90



90



Gambar 6.6 Tiang kincir 2. Rancangan dengan kincir angin cretan dengan rangka kayu dan bambu. Berpakah jari-jari kincir angin diperlukan? Bagaimana merancang transmisi daya? Jawab: Asumsi Kecepatan angin rata-rata v = 3,5m/s Efisiensi kincir angin cretan Cp = 15% Tip speed ratio  =1 Untuk menentukan besar jari-jari kincir terlebih dahulu ditentukan kebutuhan daya hidrolis untuk mengangkat air dengan debit 0,1 liter/detik setinggi 10m, yaitu: Phidrolik = Q  g H = 0,1 liter/s 1 kg/liter. 9,8 m/s2 . 10m = 9,8 watt Nur Untoro Kincir Angin Praktis



39



Efisiensi pompa mekanik sekitar 28%, maka daya kincir angin yang diperlukan 9,8W/28% = 35 watt. Daya kincir angin P = Cp ½  A v3 (2.14) Jari-jari kincir = R =



2P 2  35 = = 1,699m dibulatkan 1,7m 3 3,14  0,15  1,2  3,53  C p u v



Gaya hidrostatik yang dibebankan pada piston: Fhidro=air g H Apiston= 1000kg/m3 9,8m/s2 . 10 m. (. 0,05082)m2 = 794,11N Berat tangkai piston (rod) kira-kira 50N Besar gaya gesek total diperkirakan 50N Gaya yang dibutuhkan untuk menggerkkan pompa = 794,11N +50N + 50N = 894,11N Torsi kincir angin: P =  → =



P







 ditentukan oleh kecepatan angin dan tip speed ratio:



= =



R v P







=



→ =



v R



=



1 3,5 = 2,06rad/s 1,7



35 = 16,99Nm 2,06



Sistem Kincir-pompa dirancang untuk dibuat dengan bahan bahan yang mudah didapat dipasaran, sebagai berikut: Tabel 6.2. Daftar bahan untuk pembuatan kincir angin cretan penggerak pompa air No Bahan Ukuran Jumlah Kegunaan 1 Kayu 45cm x15cm x 3mm 3 batang Hub 2 Kayu 4m x 10cm x 5cm 6 batang Tiang 3 Bambu 6 batang Rangka kincir 2,5m,  =  4cm, 4 Besi 1 batang as 80cm,  =1 inci 5 Kain parasut 8m x 120cm 1 layar 6 Baut rangka kayu 10cm 13 Hub dan as 7 Pompa tangan D = 4 inci 1 memompa 8 Kawat 2 Pengikat rangka 1 kg,  = 2 mm 9 Engkol sepeda 1 Transmisi daya 10 Pillowblock/laher 2 Laher as  = 1 inci 11 Pipa besi 1 Pipa hisap  = 1,25 inci 12 Pipa besi 1 Tangkai piston  = ½ inci Berapa panjang tuas atau engkol pada poros kincir agar menghasilakan gaya 894,11N? Nur Untoro Kincir Angin Praktis



40



 = l F → l =  F = 16,99Nm : 894,11N = 19 x10-3m = 19 mm Panjang engkol tersebut tidak realistis, maka perlu dilakukan perlipatan torsi. Misal ditentukan panjang engkol 7,5cm. Gaya yang dihasilkan oleh engkol kincir angin pada saat posisi engkol horisontal (kerja terberat oleh kincir) adalah:  = l F sin  , saat engkol posisi horisontal,  = 90o



 = l F → F =  l = 16,99Nm : 0,075m = 226,53N Sedang gaya yang diperlukan 894,11N, jadi diperlukan perlipatan sebesar F n = diperlukan = 894,11N : 226,53N= 3,95 kali Ftersedia Reduksi sepasang gear sepeda terbesar adalah 48 gigi/14 gigi = 3,4 kali. Kebutuhan reduksi adalah 3,94 kali. Kondisi ini adalah canggung yaitu kurang sedikit dari kebutuhan. Hal ini tidak dapat dipaksakan, tetapi sebaliknya jika transmisi reduksi yang tersedia lebih besar dari kebutuhan tidak mengapa. Kasus persediaan reduksi kurang sedikit dari kebutuhan ini lebih baik jika dipilih untuk memperpendek engkol. Misalnya panjang engkol dikurangi menjadi 6cm, maka perhitungan reduksi menjadi: F =  = 16,99Nm : 0,06m = 283,16N, l Reduksi : 894,11N : 283,16N = 3,15 kali Kebutuhan reduksi sebesar 3,15 kali dapat dipenuhi dengan sepasang gear sepeda yaitu gear depan sepeda dengan gigi 46 dan gear depan sepeda motor dengan gigi 14. Pasangan gear tersebut dapat mereduksi putaran 46/14 = 3,28 kali. Alternatif lain adalah metode langsung (direct drive), metode ini lebih sederhana dan lebih ekonomis untuk kincir cretan, karena materialnya murah. Untuk merancang metode langsung dasarnya adalah gaya yang dihasilkan engkol = gaya yang diperlukan pompa. Untuk kasus di atas, diperlukan gaya untuk menggerakkan pompa 894,11N. Jika digunakan engkol 6cm langsung ke as kincir, maka torsi yang butuhkan kincir adalah:  = l  F = 0,06 m  894 ,11N = 53,65Nm. Torsi sebesar ini akan dapat dihasilkan kincir cretan dengan asumsi di atas: P P =  → = ,



=



 v



R



→ = v rR 3 2 2 PR 0,5 C p u A v R 0,5 C p u R v R Maka  = = = v v 



( )



R=3



2 C p u v



2



=3



2  53,65  1 = 2,49m 0,15  1,2  3,14  3,52



Jadi kincir cretan dengan jari-jari 2,5m bisa digunakan untuk menggerakkan pompa secara langsung tanpa reduksi putaran.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



41



Rancangan kincir cretan dengan rangka bambu dan kayu adalah sebagai berikut: 1. Rancangan hub dari kayu Dibutuhkan kayu dengan ukuran 15cm x 3cm x 45cm, sebanyak 3 batang.



PAPAN: 15CM X 35CM X 3CM



(1)



(4)



TAMPAK SAMPING



15cm



15cm



TAMPAK ATAS



DIBULATKAN



15.00 POTONG



TAMPAK ATAS



3cm



DIBULATKAN



TA MP AK AM T P AK TA ATSAS A



(2)



(5)



TAMPAK ATAS



(3)



Gambar 6.7 Hub kincir cretan dari kayu Nomor (1) kayu sebelum dipotong, (2) kayu dipotong 15cm dari ujung, disisakan 3cm ditengahnya dan dibulatkan yang akan dismbung dengan bambu. Ukuran bulatan/silinder tersebut disesuaikan dengan ukuran bambu, misalnya dipilih bambu apus yang kecil (3) gambar tampak atas setelah selesai dipotong dan dibulatkan, (4) tampak samping. Ketiga batang ditumpuk dengan membentuk sudut 30o sehingga tampak atas seperti (5). Bagian tengah dibor sesuai ukuran as, dan dibaut 6 buah. Potong bambu apus dengan diameter lubang sekitar 3cm dengan panjang 2,5m sebanyak 6 batang. Pilih bagian pangkal bambu berlubang untuk disambung ke hub, ujung lain dilubang untuk tali pengikat layar. Pastikan ukuran silinder hub tepat masuk lubang bambu. Masukkan bambu ke hub, dan ikat dengan tali ijuk atau kawat kuat-kuat agar pangkal bambu tersebut tidak pecah.



Gambar 6.8 Rangka kincir cretan berdaun enam



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



42



Daun kincir cretan berupa layar. Bentuk layar secara umum adalah segitiga, satu sisi menempel pada rangka, dan sisi lainnya ditarik oleh tali. Untuk menempelkan layar pada rangka, sisi layar dijahit membentuk lubang untuk memasukan rangka (bambu). 250cm 50c



m



Tidak dipakai



ng d



i si sn



i Tidak dipakai



Layar 2



m



15cm



50 c



120cm



15cm



Layar 1 Poto



Gambar 6.9 Cara memotong kain untuk layar Setelah dipotong dan dijahit bagian tepi, dan diberi penarik layar, hasilnya adalah : Pena r



ik lay



ar



Lubang memasukkan rangka bambu



Gambar 6.10 Layar kincir cretan



Gambar 6.12 Kincir angin cretan



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



43



As kincir dibuat dari besi 1 inci panjang 1m. Di tengah-tengah as dipasang cakaram besi untuk penahan dan pengikat hub. Jarak antara hub dan laher dibuat agak jauh karena layar akan melengkung ke belakang bila ditiup angin. 50cm 30cm



30cm



Lubang tali pengikat rangka



Laker/piloblok as



Lubang baut 15cm



Gambar 6.13 As kincir cretan kawat



as Rangka bambu



Gambar 6.14 Cara mengikat rangka B. Pompa air langsung ( direct drive) Pompa air direct drive yaitu pompa air yang digerakkan oleh kincir angin secara langsung tanpa gear box. Hal ini dapat dilakukan apabila torsi atau gaya kincir angin dapat langsung memenuhi gaya yang dibutuhkan pompa. Gaya untuk menggerakkan piston diperlukan untuk melawan gaya hidrostatik dan gaya gesek. Fhidro=air g H Apiston (6.1) Untuk head tertentu, gaya hidrostatik ditentukan oleh luasan piston Apiston. Agar kincir dapat menggerakkan pompa secara langsung, ada beberapa aspek yang harus diiperhatikan, yaitu: 1. Aspek pompa. 2. Karakteristik kincir angin. 3. Aspek mekanik. Pertama adalah aspek pompa, yaitu merancang pompa yang memerlukan gaya kecil. Gaya untuk menggerakkan piston diperlukan untuk melawan gaya hidrostatik dan gaya gesek. Fhidro=air g H Apiston (6.1) Untuk head tertentu, gaya hidrostatik ditentukan oleh luasan piston Apiston. Jadi untuk memperkecil gaya pompa dengan cara memperkecil gaya hidrostatik, yaitu memperkecil diameter piston pompa. Tetapi dengan memperkecil diameter piston dapat memperkecil debit yang dihasilkan. jadi perlu dirancang diameter piston yang optimal, yaitu kompromi antara kebutuhan gaya rendah, dan debit tinggi. Aspek pompa yang lain adalah beban pengimbang



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



44



tangkai piston, atau penggunaan pegas pengimbang. Penggunaan beban pengimbang atau pegas pengimbang telah terbukti menurunkan cut-in wind speed. Ke dua aspek karakteristik kincir angin, yaitu memilih kincir angin yang menghasilkan torsi besar. Satu tipe kincir karakteristiknya dapat diubah, misalnya dengan mengatur pitch, sudut pitch yang besar akan memperbesar torsi, dan memperkecil tip speed ratio. Pada kincir cretan, pemilihan layar juga dapat mengubah karakteristik. Begitu juga cara penarikan layar cretan akan menentukan karakteristik. Kincir cretan dengan bahan layar yang lentur/lembut seperti kain parasut, cenderung menghasilkan torsi besar, tip speed ratio rendah. Tarikan tali layar cretan yang kendor, cenderung menghasilkan torsi besar, tip speed ratio rendah. Ketiga aspek mekanik yaitu panjang engkol. Panjang engkol menentukan besar gaya angkat kincir, hal ini ditunjukan oleh:  = l  F = lF sin  (6.2) Pada posisi arah gaya dan engkol siku-siku, torsi maksimum dan berlaku:



 = lF → F =







l Jelaslah bahwa dengan memperkecil panjang engkol akan memperbesar gaya angkat kincir. Sama halnya dengan memperkecil diameter piston, memperkecil panjang engkol akan memperkecil debit, jadi harus dicari kompromi antara kebutuhan gaya angkat kincir dan debit pompa. Contoh: Kincir cretan dengan kain parasut berdiameter 6m, pada kecepatan angin 3m/s berputar 10 rpm dengan daya 100 watt. Torsi kincir : P 100 = = = 95,5 Nm  2    16 Jika panjang engkol = 10 cm, diameter piston 4 inci, maka dengan cara langsung (direct drive) kincir mampu mengangkat air dengan head: 95,5  F 0,1 H = = l =  g A gA 1000  9,8    0,05082



=12m (asumsi tidak ada gaya gesek).



Misa, gaya gesek = 200N, maka head total yang dapat dicapai: 95,5  − 200 − Fgesek F − Fgesek 0,1 l = 9,5m H= −= = gA gA 1000  9,8    0,05082 Debit air : Q = volume tiap langkah x frekuensi Q = A x 2l x f Q =  0,05082 x 2 x 0,1 x 10/60. = 0,27 liter/s Jika panjang engkol = 5 cm, diameter piston 4 inci, maka dengan cara langsung (direct drive) kincir mampu mengangkat air dengan head: 95,5 F 0,05 H = =  g A 1000  9,8    0,05082



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



= 24m (asumsi tidak ada gaya gesek)



45



Misal gaya gesek 200N, maka head total yang dapat dicapai: 95, 5 F − Fg  l − Fg 0 , 05 − 200 = 21,5m H= = = gA gA 1000  9,8    0,05082 Debit air: Q = A x 2l x f Q =  0,05082 x 2 x 0,05 x 10/60. = 0,135 liter/s Dari contoh tersebut tampak bahwa, jika panjang engkol diperpendek menjadi ½ panjang semula, maka secara kalkulasi head total kira-kira menjadi 2 kali head total semula, tetapi debitnya menjadi ½ kali debit semula. Perlu dicatat, bahwa head hisap pompa piston terbatas, nilainya ditentukan oleh tekanan atmosfir dan temperatur. Head hisap sama dengan tekanan atmosfir dinyatakan dalam fluida yang bersangkutan dan tekanan uapnya. Tekanan atmosfir dipermukaan laut sekitar 76cmHg. Head hisap pompa air di permukaan laut: Tekanan atmosfir = air g. h + tekanan uap air di bawah piston Dengan mengabaikan tekanan uap air, head hisap pompa:  13,6kg / liter hair = Hg hHg = .76cm = 1033,6cm = 10,336m  air 1kg / liter Karena pada suhu kamar ada tekanan uap air, maka head hisap kurang dari 10,336m. Secara praktis head hisap maksimal sekitar 9m. Makin tinggi suatu tempat makin rendah tekanan atmosfir, sehingga semakin tinggi suatu tempat semakin rendah head hisap pompa. Pompa direct drive sederhana Tambak ikan atau tambak garam membutuhkan air, yang biasanya letaknya tidak terlalu dalam. Kebutuhan air tambak cukup besar, bila kecepatan angin cukup kencang, maka dapat dibangun kincir angin untuk memompa air sungai atau air laut ke tambak. Pompa air sangat dangkal (kurang dari 2m) dapat dibuat secara sederhana, yaitu dengan bahan pipa PVC, besi beton dan karet ban mobil. 1. Pipa PVC ukuran 6 inci, panjang 1 – 2 m. 2. Besi beton untuk rangka klep  = 10 mm 3. Besi beton untuk penggerak klep  = 14 mm 4. Besi strip 3 cm x 15 cm 5. Ban luar mobil 6. Engkol sepeda Kincir angin bisa dipilih, tipe daun banyak atau tipe cretan. Tipe daun banyak dapat dipilih: 1. Dengan daun kayu atau daun plat alumunium Contoh: Rancangan kincir daun banyak dengan bahan kayu, untuk menaikkan air 1m dengan debit 2 liter/sekon pada kecepatan angin 5m/s. Pompa dari pipa PVC ukuran 6 inci panjang 1,5 m.



Gambar 6.8 Pipa PVC 6 inci sebagai silinder pompa



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



46



Lubang ujung pipa ditutup dengan kayu, dan dekat ujung tersebut dilubang-lubang untuk air masuk dari samping. Di atas lubang dipasang klep penahan air kembali turun, dengan bentuk: Tampak samping



Tampak atas



Pipa dan klep Klep piston



Besi beton Besi strip Lubang baut



6 inci



6inci



Gambar 6.9 Klep dan piston Rangka piston terbuat dari besi beton dan besi strip, sedang klep penahan maupun klep piston terbuat dari ban luar mobil yang ditipiskan. Kincir angin Rangka kincir angin diperlihatkan oleh Gambar 6.10: Engkol sepeda mini



Tampak samping Tampak muka



Gambar 6.10 Rangka kincir angin Rangka daun dibuat 6 buah dari besi siku 3 x 4 cm, panjang 25cm, rangka dimiringkan 15o. Kenampakan daun kincir dilihat dari samping adalah seperti gambar: Arah muka



Arah muka



Arah gerak



Miring 15 derajat



Papan sebaiknya dibentuk seperti sayap pesawat terbang



Gambar 6.11 Pitch daun kincir Agar efisiensi kincir maksimum, maka daun kincir dibentuk seperti sayap pesawat terbang. Bagian arah muka datar, bagian belakang melengkung, dan dibuat sehalus mungkin. Poros atau as dibuat dari besi dengan diameter 20mm atau sesuai ukuran laker, lebih praktis bila membeli linggis. Laker roda motor dimasukkan kepipa 1,5 inci dengan panjang 40 cm. Karena angin di pantai arahnya relatif tetap (angin laut), kincir dapat dirancang dengan arah tetap. Pada pipa dipasang besi siku sebangai penyambung ke tiang kincir.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



47



Laher



Laher



Pipa 3 inci



Gambar 6.12 Pemasangan laker (ball bearing) Tangkai piston Tangkai piston dibuat dari besi beton 14mm, panjangnya sesuai kebutuhan. Ujung satu di las dengan piston, ujung yang lain dipasang laker untuk dihubungkan ke engkol penggerak kincir. Panjang engkol kincir 6 cm



Laker



sendi



Gambar 6.13 Piston dan tangkai piston



Gambar 6.14 Kincir angin dan pompa untuk tambak



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



48



VII.



KINCIR ANGIN PEMBANGKIT LISTRIK



Generator merupakan komponen yang menghasilkan gaya gerak listrik pada berbagai pembangkit listrik. Energi mekanik rotasi diubah generator menjadi energi listrik. Ada dua cara kincir angin dalam menstransfer energi mekanik ke generator, yaitu secara langsung (direct drive) dan secara tidak langsung melalui perlipatan putaran oleh gear box. Perbedaan dua metode tersebut terletak pada karakteristik generator yang digunakan. A. Kincir Direct drive Kincir angin sebagai pembangkit listrik dirancang untuk menghasilkan putaran tinggi atau tip speed ratio tinggi. Untuk menghasilkan tip speed ratio tinggi dibutuhkan blade berbentuk airfoil yang aerodinamis. Walaupun demikian putaran yang dihasilkan kincir angin masih sangat rendah dibanding putaran yang dibutuhkan generator pada umumnya. Oleh karena itu kincir angin tipe ini membutuhkan generator khusus yaitu tipe putaran lambat (low rpm generator). Kincir angin direct drive lebih praktis karena tidak memerlukan gear box dan memiliki efisiensi tinggi karena tidak ada kerugian daya oleh gear box. Di Indonesia, generator dengan putaran lambat mungkin belum ada dipasaran. Namun demikian kita dapat membuat sendiri generator putaran lambat dengan bahan motor listrik. Sebagai contoh motor listrik 2HP dapat dimodifikasi menjadi generator putaran lambat. Caranya rotor atau armatur dibuat alur dengan dibubut digunakan untuk menanam magnet. Magnet dapat diperoleh dari bekas motor weeper atau bekas disc drive komputer kuno. Magnet ditanam dan dilem dengan lem epoksi. Penanaman magnet pada armatur atau rotor tersebut harus benar-benar rapi, rata dengan permukaan rotor semula, sehingga tidak bergesekan dengan statornya. Tegangan yang dihasilakan generator sangat bergantung pada jumlah lilitan, jumlah kutub dan kekuatan magnet.  = NBA  cos t (7.1) dengan  gaya gerak listrik/tegangan, B intensitas medan magnet, N jumlah lilitan, A luas loop lilitan,  frekuensi kutub magnet. Dari (7.1) untuk memperbesar tegangan, dapat melalui beberapa cara yaitu memperbesar lilitan N, memperbesar B, dan memperbesar . Karena ukuran stator sudah tertentu maka tidak mungkin memperbesar luas loop A. Perlu dicatat bahwa  pada (7.1) adalah  kutub magnet, bukan  rotor . Dalam kasus terdiri atas dua kutub magnet, maka  kutub magnet =  rotor. Jika kutub magnet/pole ada 4, maka  kutub magnet = 2 x  rotor. Jadi walaupun secara fisik putaran rotor lambat, jika jumlah kutub/pole lilitan stator banyak hakekatnya = putaran tinggi. Jumlah kutub pada motor bergantung pada rpm motor, sebuah motor 3600 rpm/60Hz atau 3000rpm/50Hz memiliki 2 kutub lilitan. Motor 1800rpm/60Hz atau 1500rpm/50Hz memiliki 4 kutub lilitan. Motor 1200rpm/60Hz atau 1000rpm/50Hz memiliki 6 kutub lilitan. Tegangan yang dihasilkan bergantung pada kecepatan perubahan medan magnet, sehingga motor yang semakin banyak kutub, merupakan calon generator putaran rendah yang baik. Aplikasi pada motor 2HP single phase, rating 15A, 1800rpm/60Hz, pada armatur dapat dipasang 8 magnet bekas motor hard drive komputer kuno. Armatur digrove dengan bubut, kumudian dipasang magnet dengan dilem epoksi. Kutub magnet, magnet yang berdekatan adalah berlawanan.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



49



magnet



(a)



(b)



Gambar 7.1 Mengubah motor induksi menjadi generator Output generator tersebut berupa ac, dengan memasang dioda penyearah diperoleh tegangan DC. Putaran generator ini hingga 150rpm belum dapat mencharge aki 12 volt, tetapi pada 400rpm mampu menghasilkan arus pengisian 15A. Generator tersebut dapat menghasilkan daya maksimal sekitar 300 watt. Kincir angin angin untuk memutar generator tersebut secara langsung membutuhkan tipe kincir angin putaran tinggi atau memiliki tip speed ratio tinggi. Blade kincir angin harus berbentuk airfoil sehingga aerodinamis. Blade demikian Blade dibuat dari kayu yang baik, yaitu kayu yang tidak mudah terdeformasi oleh pengaruh cuaca. Blade air foil harus dibuat secara cermat, karena perubahan bentuk yang tampaknya hanya sedikit pengaruhnnya bisa sangat besar terhadap karakteristiknya. Contoh kincir angin untuk menggerakkan generator tersebut adalah dari kayu. Rumus umum bentuk blade aerodinamis yang sederhana, bagian paling tebal dari blade adalah 1/8 dari lebar, dan berada 1/3 dari sisi depan arah gerak (leading edge) (pada Gambar 7.1bagian kiri). Leading edge mesti dibentuk bulat, sedang sisi belakang (trailing edge) mesti dibuat setipis mungkin/tajam. Blade aerodinamik sederhana dari kayu dengan ukuran panjang 100cm, lebar 14cm, tebal papan 2,5cm (ukuran lain dapat diskala). m



2,5cm



14c



100cm



R = 50 cm Lebar = 10 cm Tebal = 1,3 cm Pitch = 6 derajat



R = 100 cm Lebar = 5 cm Tebal = 0,7 cm Pitch = 3 derajat



50 cm



5 cm



10 cm



Leading edge



buang



buang Trailing edge



15 cm



Gambar 7.2 Skema pemotongan blade



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



50



Gambar 7.2. Pemangkasan awal Mula-mula papan dipotong seperti Gambar 7.2. Selanjutnya papan dibalik dan pada bagian pangkal dipangkas seperti Gambar 7.3. Pemangkasan selanjutnya menggunakan pedoman dua stasion, yaitu ½ panjang blade dan ujung blade seperti Gambar 7.4. Daerah yang lain dipangkas dengan mengambil interpolasi dua stasion tersebut. R = 50 cm ½ panjang blade



3,3 cm



2,5cm



1cm



1,3cm



6 derajat



10cm



1,6 cm



2,5cm



0,7cm



R = 100 cm Ujung blade



0,3 cm



3 derajat



5 cm



Gambar 7.3 Penampang lintang blade pada tengah-tengah dan ujung blade



Gambar 7.4 Proses pemangkasan dengan pasah/planer



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



51



Pemangkasan dilakukan sedikit demi sedikit dengan pasah/ketam/planer. Jika bentuk yang diinginkan telah selesai, tiga blade di pasang pada hub (bentuk cakram dari besi), masingmasing membentuk sudut 120o tepat. Hub dan kincir dipasang pada poros/as/shaft untuk diuji kesetimbangannya atau dibalanching. Kincir harus balance sempurna, sebab kincir jenis ini tipe putaran tinggi. Kincir yang kurang balance menyebabkan putaran goyang, dan efisiensi menjadi sangat rendah. Jika belum imbang dilakukan pemangkasan halus hingga diperoleh kincir yang setimbang. Kincir selanjutnya dihaluskan dengan kertas gosok hingga licin. Terakhir dilakukan pengecatan, hasilnya seperti gambar 7.5.



Gambar 7.5 Kincir angin dari kayu Kincir aerodinamis demikian dapat mencapai tip speed ratio 3,5. Pada kecepatan angin 5m/s, putaran kincir kira-kira: R 2 fR v 3,5  5 = = →f = = = 2,78Hz = 166,8rpm v v 2R 2  3,14  1 Putaran kincir demikian, generator mampu menghasilkan tegangan yang cukup untuk mengisi aki 12 volt. B. Kincir nondirect drive Putaran kincir angin sangat lambat dibanding kebutuhan putaran generator. Oleh karenanya kincir angin yang digunakan untuk menggerakkan generator pada umumnya memerlukan pelipat butaran yaitu “step up” gear box. Berapa besar perlipatan putaran yang diperlukan pada gear box bergantung pada karakteristik kincir angin dan karakteristik generator. Jadi sebelum merancang gear box harus diketahui terlebih dahulu karakteristik kincir dan generator yang akan digunakan.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



52



Kincir angin pembangkit listrik sekala kecil/rumah tangga yang dapat dibuat sendiri adalah menggunakan generator pada mobil atau dikenal sebagai alternator. Alternator tidak memiliki magnet permanen. Medan magnet dihasilkan oleh kumparan elektromagnetik yang diberi arus listrik, dengan demikian efisiensi alternator ini lebih rendah dibanding dengan generator yang menggunakan magnet permanen.



Gambar 7.3 Beberapa jenis alternator Ada ada jenis tegangan output alternator, yaitu 12 volt untuk mobil yang menggunakan 1 aki seperti mikrolet, dan 24 volt untuk kendaraan besar seperti bus, truck, buldoser, dan lainnya. Rating arus alternator bervariasi dari beberapa puluh amper hingga 130 ampere. Konektor pada alternator meliputi konektor suplai arus pembangkit medan yang biasanya diberi lambang F (Field ), dan konektor output + biasa diberi lambang B (battery), dan grounding dengan lambang E (Earth) pada bodi. Konektor pembangkit medan bila disambungkan ke + aki, dan – aki disambung ke bodi, maka terjadi medan magnet yang kuat dan poros/shaft alternotor menjadi berat bila diputar. Bila poros diputar maka pada konektor B akan terjadi beda potensial terhadap bodi/ground/ E. Tegangan yang dihasilkan adalah DC, sebab dalam alternator tersebut telah dipasang dioda penyearah. Besar tegangan output bergantung pada kecepatan putar poros, putaran yang sangat lambat tidak akan menghasilkan output, pada putaran yang lebih tinggi tegangan output sebanding dengan rpm poros. Salah satu karakteristik tegangan output alternator tampak seperti Gambar 7.4. Karakteristik dinamo 12 volt



Output (volt)l



30



V = 0,0192 rpm



25 20 15 10 5 0 0



500



1000



1500



rpm



Gambar 7.4 Karakteristik tegangan output dinamo 12 volt tanpa beban Berdasarkan Gambar 7.4, tampak bahwa pada putaran hingga 500 rpm, alternator tersebut masih merugi, artinya alternator membutuhkan arus pembangkit medan, tetapi



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



53



tegangan output kurang dari 12 volt, dan belum bisa mencharge aki tersebut. Pada putaran sekitar 650 rpm, barulah alternator mulai dapat mencharge aki. Bila arus medan diputus, maka medan magnet dalam alternator hilang. Putaran poros menjadi mudah diputar dan tidak lagi menghasilkan output. Inilah prinsip regulator tegangan pada alternator, regulator tegangan akan memutus arus medan jika tegangan aki telah penuh, sekitar 13 volt. Dengan menggunakan regulator (AVR), aki yang telah penuh tidak lagi di charge oleh alternator. Dengan demikian beban mesin menjadi ringan dan aki tidak panas. Karakteristik kincir angin yang penting dalam perancangan mekanik transmisi adalah tip speed ratio (TSR). TSR kincir angin bergantung tipe dan teknik perancangan dan pembuatannya. Kincir angin yang bekerja berdasarkan gaya drag seperti savonius memiliki TSR maksimal satu. Kincir angin horisontal dengan blade aerodinamis memiliki TSR tinggi. Secara umum semakin kecil sudut pitch TSR makin tinggi, namun torsi makin rendah. TSR memberi gambaran rpm kincir pada berbagai kecepatan angin. Bila rpm kincir pada suatu kecepatan angin diketaui, dan rpm minimal alternator yang dapat mencharge aki diketahui, maka dapat ditentukan perlipatan putaran yang diperlukan. Contoh: 1. Kincir savonius dibuat dari drum 250 liter, dua tingkat akan digunakan sebagai pembangkit listrik dengan alternator mobil. Jari-jari kincir sekitar 70 cm, diperkirakan TSR = 0,8. Dirancang pada kecepatan angin 4,5m/s mulai dapat mencharge aki. Berdasarkan kebutuhan tersebut dan karakteristik alternator Gambar 7.4 dapat dirancang mekanik transmisi sebagai berikut: Pada kecepatan angin 4,5m/s frekuensi putar kincir adalah: TSR  vangin 0,8  4,5 f = = = 0,82Hz = 49,2rpm 2R 2  3.14  0,7 Putaran minimal alternator yang dibutuhkan untuk mencharge aki adalah 650rpm, sehingga diperlukan gear box step up dengan rasio 650rpm/49,2rpm = 13,2 kali. 2. Kincir angin berdaun banyak dari plat alumunium dengan jari-jari 150cm akan digunakan sebagai pembangkit listrik dengan alternator mobil. Diperkirakan TSR 2 (bergantung pada kelengkungan daun, makin landai makin tinggi TSR). Dikehendaki pada kecepatan 4,5m/s mulai dapat mencharge aki. Berdasarkan kebutuhan tersebut dan karakteristik alternator Gamabar 7.4 dapat dirancang mekanik transmisi sebagai berikut: Pada kecepatan angin 4,5m/s frekuensi putar kincir adalah: TSR  vangin 2  4,5 f = = = 0,955Hz = 57,3rpm 2R 2  3.14  1,5 Putaran minimal alternator yang dibutuhkan untuk mencharge aki adalah 650rpm, sehingga diperlukan gear box step up dengan rasio 650rpm/57,3rpm = 11,3 kali. Perlu diperhatikan bahwa alternator membutuhkan arus pembangkit medan, bila konektor F selalu disambung dengan kutub + aki, maka aki akan terus-menerus kehilangan energi. Maka selain AVR perlu dipasang saklar otomatis pemutus arus ketika kecepatan angin rendah, yaitu kecepatan putar tidak sanggup mencharge aki. Saklar otomatis ini juga berfungsi agar kincir angin mudah dalam memulai putaran. Ketika kecepatan angin rendah, saklar memutus arus medan, sehingga alternator mudah diputar. Saklar dikaitkan dengan bentuk kipas yang menghadap datangnya angin, jika angin cukup kencang kipas tersebut meng”on”kan saklar. Saklar otomatis ini dipasang bersama kincir agar selalu mengarah ke angin datang.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



54



C. Baterai dan Inverter Energi angin merupakan sumber energi alternatif yang ramah lingkungan, namun demikian memiliki kelemahan diantaranya bahwa hembusan angin tidak kontinyu. Kadangkadang lambat, kencang, tatapi kadang-kadang sama sekali tidak ada angin. Dengan demikian kincir angin sebagai pembangkit listrik selalu membutuhkan baterai untuk penyimpan energi. Baterai menghasilkan listrik DC, sedangkan peralatan listrik umumnya memerlukan listrik ac, untuk itu sistem kincir angin pembangkit listrik perlu dilengkapi inverter, yaitu alat elektronik yang mengubah listrik DC menjadi ac. Baterai ada dua jenis yaitu baterai kimia dikenal sebagai aki dan baterai mekanik dikanal sebagi Flywheel battery. Aki sudah sangat dikenal masyarakat, sedang Flywheel battery mungkin belum dikenal. Aki mudah didapat dipasaran, namun kemampuan menyimpan energi tiap satuan massa relatif kecil dibanding Flywheel battery. Aki yang mampu menyimpan energi 3kwh atau 12V 250Ah massanya sekitar 113 kg, sedangkan flywheel battery untuk menyimpan energi 3 kwh massanya sekitar 10kg saja. Flywheel battery bekerja menyimpan energi dalam bentuk energi mekanik, yaitu suatu massa yang diputar hingga 100.000rpm oleh motor listrik yang sekaligus berfungsi sebagai generator dalam ruang yang dihampakan. Karena efek giroskopik yang sangat besar, maka flywheel battery hanya cocok sebagai penyimpan energi dalam keadaan tidak bergerak. Flywheel battery yang yang bagus tidak perlu perawatan, dengakan aki umumnya memerlukan perawatan. Usia pakai aki 3 – 4 tahun (hanya 30%) bergantung jumlah pengisian/pengosongan, sedang flywheel battery berpuluh-puluh tahun. Kapasitas satu unit flywheel battery bisa cukup besar, misal 50kwh atau lebih, sedang satu unit aki terbesar sekitar 1,4kwh. Namun sayang harga flywheel battery masih relatif mahal dan mungkin belum digunakan di Indonesia. Aki timbal dibuat dari plat-plat timbal (Pb) dan timbal oksida (PbO2), dan larutan 35% asam sulfat dengan 65% air. Larutan asam sulfat ini dipasaran disebut sebagai air aki zuur. Larutan ini menyebabkan reaksi kimia yang menghasilkan elektron. Hidrometer adalah alat pengukur jumlah asam sulfat dalam air aki. Hidrometer yang dicelup kedalam aki dan menunjukkan nilai asam rendah, berarti energi yang tersimpan dalam aki hampir habis. Energi yang tersimpan dalam baterai dapat juga diketahui dengan voltmeter. Bila aki stroomnya habis, dan dicharge/disetroom, maka kadar asam sulfat naik kembali. Voltase Keadan Stroom



Berat jenis 12V



6V



100%



1.265



12.7



6.3



*75%



1.225



12.4



6.2



50%



1.190



12.2



6.1



25%



1.155



12.0



6.0



soak



1.120



11.9



6.0



Tabel 7.1 Kadaan stroom aki dan berat jenis air aki



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



55



Aki ada dua tipe, yaitu baterai starting /cranking, dan deep cycle . Aki starting dirancang untuk memberikan energi dalam jumlah besar dalam waktu singkat, yaitu pada saat menstarter mobil. Aki tipe ini memiliki plat yang tipis dan jumlah banyak. Aki deep cycle dirancang untuk memberikan energi instan lebih sedikit, tetapi dapat mensuplai dalam waktu lama. Plat pada aki deep cycle lebih tebal dan dapat bertahan dalam siklus pengisian-pengosongan. Selain itu aki tipe ketiga yaitu dual purpose battery yang merupakan kompromi dari kedua tipe di atas. Aki timbal ada beberapa versi, yaitu aki basah (Wet Cell) seperti yang banyak kita jumpai, aki jel (Gel Cell), dan aki AGM (Absorbed Glass Mat). Aki jel dan aki AGM merupakan aki spesial yang harganya dua kali lipat dari aki basah. Aki ini baik dalam menyimpan dan cenderung tidak terjadi sulfatisasi semudah pada aki basah. Aki ini menghasilkan sedikit gas hidrogen (mudah meledak) dan tidak mengalami korosi, sehinggi aki jenis ini lebih aman digunakan. Aki jel dan beberapa aki AGM membutuhkan laju pengisian khusus. Kemampuan aki dalam menyimpan energi dinyatakan dalam ampere jam (Ah). Aki dengan rating 100Ah akan dapat mensuplai arus 5 ampere selama 20 jam, atau10 ampere selama 10 jam, dan seterusnya. Dalam memilih aki sebelum membeli, disarankan untuk memilih dengan kapasitas sebesar mungkin. Hal ini karena aki tidak boleh digunakan sampai habis. Aki yang digunakan sampai habis akan mengalami sulfatisasi yang menyebabkan aki menjadi susah distroom dan akhirnya rusak. Selain itu harus dipikirkan apakah tipe basah, jel atau AGM, tentu dengan mempertimbangkan aspek perawatan, keselamatan, dan keuangan. Catatn khusus tentang aki: 1. Kerjakan:  Fikirkan utamakan keselamatan.  Baca baik-baik petunjuk penggunaan aki yang disertakan pada pembelian aki.  Amati secara teratur terutama pada cuaca panas.  Hentikan segera pemakian aki saat tegangan mulai berkurang drastis.  Stroom/charge kembali segera setelah aki habis stroom. 2. Jangan kerjakan:  Jangan menambah asam sulfat atau air aki zuur, tetapi tambahkan air aki/air suling.  Jangan menambahkan air biasa/air sumur karena mengandung mineral yang dapat merusak.  Jangan menstroom aki dengan penyetroom aki yang tidak teregulasi.  Jangan biarkan aki mendidih airnya saat distroom, segera hentikan.  Jangan menggabungkan aki yang ukuran dan tipenya berbeda.  Jangan mengetes aki dengan menghubungsingkat kutub aki dengan kabel. Inverter Inverter merupakan sebutan alat elektronik yang mengubah DC menjadi ac. Berdasar jenis gelombang, digolongkan menjadi 3 jenis, yaitu inverter kotak, semi sinus, dan inverter sinus murni. Keluaran ke tiga jenis inverter tersebut adalah seperti Gambar 7.5.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



56



(a)



(b)



(c)



Gambar 7.5 Sinyal output inverter (a) kotak, (b) semisinus, (c) sinus murni Inverter kotak merupakan inverter paling sederhana, memiliki pemakain terbatas, seperti lampu, radio, TV, komputer, blender dan mixer. Inverter kotak tidak dapat digunakan untuk motor listrik induksi seperti pada kulkas dan pompa air. Penggunaan inverter untuk kipas angin dapat memutar tetapi mendengung. Inverter kotak biasanya menggunakan transformator teras besi sehingga inverter daya kecil, tetapi cukup berat. Selain keterbatasan tersebut, umumnya inverter tidak dilengkapi auto shutdown, jadi walaupun aki sudah drop inverter tetap on. Penggunaan aki hingga kosong menyebabkan aki rusak. Harga inverter jenis ini relatif murah. Inverter semi sinus memiliki penggunaan yang lebih luas, termasuk bisa digunakan untuk motor listrik induksi, namun masih menimbulkan suara dengung. Inverter semisinus biasanya menggunakan transformator inti ferit, sehingga untuk inverter berdaya besar tidak begitu berat. Inverter semi sinus biasanya telah dilengkapi pengaman otomatis, seperti mati sendiri jika terlalu panas/ kelebihan bebaban, kelebihan tegangan, atau tegangan lebih rendah dari batas minimal tertentu. Dengan demikian inverter ini lebih aman, dan pemakaian aki lebih awet. Harga inverter ini lebih mahal kira-kira dua kali lipat inverter kotak. Inverter sinus murni dapat digunakan semua peralatan listrik ac, kualitasnya sama dengan listrik PLN. Harga inverter sinus murni ini jauh lebih mahal, biasanya dipakai untuk peralatan khusus yang membutuhkan kualitas power supply yang baik, yang tidak boleh mengalami gangguan. Inverter umumnya tersedia untuk berbagai tegangan input , 12 VDC, 24 VDC, atau 48 VDC. Daya inverter juga bervariasi mulai dari beberapa puluh watt hingga sekitar 3500 watt. Semakin besar daya inverter harganya pun semakin mahal. Inverter semi sinus 1000 watt harganya sekitar 2,5 juta rupiah, inverter sinus murni 3500 watt harganya sekitar 6 juta rupiah.



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



57



DAFTAR PUSTAKA



Ali Murtando. 2004. Pengaruh Kemiringan Blade terhadap Efisiensi Kincir Angin, Skripsi, Unhalu. Argaw. N, Foster.R and Ellis. 2001. Renewable Energy for pumping Application in Rural Villages. Colorado : National Renewable Energy Laboratory. Boeker. E., and R. van Grondelle, 1996. Environmental Physics. New York: John Wiley & Sons. Bruce H. Bailey, Scott L. Mc Donald, 1997. Wind Resource Assessment Handbook. AWS Scientific, Inc. Calvert, N. 1971. Windpower in Eastern Crete, London E1 6DY, England Elliot.D et al. 1987. Wind Energy Resource Atlas of the United States. Pacific Northwest Laboratory: available from the American wind Energy Association. Hofman dan Harun. 1987, Energi Angin, Bina Cipta, Jakarta Nur Untoro. 2004. Pengujian beberapa Bentuk Blade Kincir Angin. Paradigma Vol II Nur Untoro dan M. Anas, 2004. Penerapan Kincir Angin Mikro Sebagai Pembangkit Listrik Untuk Daerah Pesisir Dan Pulau-Pulau Di Sulawesi Tenggara, Laporan RPK 2004. Nur Untoro, Anas M, dan Firdaus. 2006. Pengembangan Kincir Cretan Sebagai Pembangkit Listrik di Daerah dengan Kecepatan Angin Rendah. Laporan Penelitian Hibah Bersaing XIV. Nur Untoro, Frida Agung R. Joko Purwanto. 2015. Pendampingan Komunitas Muslim Kelompok Tani Makmur Sangiran Katekan Gantiwarno Klaten melalui program pompanisasi tenaga kincir angin. Laporan Pengabdian Masyarakat tahun 2015 Sutrisno, 1986, Seri Fisika Dasar : Listrik Magnet, ITB, Bandung Teferi Taye, 1999, Wind Energi Harnessing-Theori And Ethiopian Experience, Journal Of ESME, Vol II No.2. www.itdg.org. www.nrel.gov/wind www.otherpower.com/otherpower_wind www.monmouth.com/~jsd/how/htm/ 4forces.html#eq-drag-force www.batterystuffcom/tutorial_battery.html www.awea.org/faq www.mywebpage.netscape.com/dickfradella/compare



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



58



Lampiran Beberapa konversi satuan 1 inci = 2,54 cm 1 kaki = 12 inci 1 mil/jam (mph) = 0,447 m/s 1 knot = 0,5144 m/s 1 daya kuda (hp) = 745,7watt pendampingan komunitas muslim kelompok tani makmur sangiran katekan gantiwarno klaten melalui program pompanisasi tenaga kincir angin



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



59



Nur Untoro Kincir Angin Praktis



60