BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.2 Perhitungan
A = luas penampang yang membentuk sebuah lingkaran (m2).
dengan menggunakan Persamaan (3), maka daya angin (Pin) dapat dirumuskan menjadi :
Pin = 0,5(ρAv)v2
yang dapat disederhanakan menjadi:
Pin = 0,5 ρ A v3 (4)
2.4.2 Perhitungan Torsi dan Daya
Untuk mengetahui unjuk kerja dari setiap model kincir angin dengan tiga variasi pitch angle, maka perlu dicari besarnya torsi dan daya yang dihasilkan oleh model kincir angin yang diteliti.
2.4.3 Torsi
Torsi merupakan hasil perkalian vektor antara jarak sumbu putar dengan gaya yang bekerja pada titik yang berjarak tertentu dari sumbu pusat. Pada penelitian ini digunakan mekanisme pengereman, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut:
T = Fr (5)
dengan:
F = gaya pada poros akibat puntiran (N).
r
= jarak lengan torsi ke poros (m). 2.4.4 Daya KincirPada umumnya perhitungan untuk menghitung daya pada gerak melingkar dapat dituliskan sebagai berikut:
Pout = T
ω
(6)dengan :
T = torsi dinamis (Nm).
ω = kecepatan sudut didapatkan dari
ω= n rpm
= =
ω = (7)
Dari persamaan diatas, daya yang dihasilkan oleh kincir dapat dinyatakan dengan persamaan :
Pout =T rad/s (8)
dengan:
Pout = Daya yang dihasilkan kincir angin (watt).
2.4.5 Tip Speed Ratio
Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujungsudu
kincir angin dengan kecepatan angin.
Kecepatan di ujung sudu (Vt) dapat dirumuskan sebagai:
vt = ω r (9)
dengan.:
vt = kecepatan ujung sudu
ω = kecepatan sudut (rad/s). r = Jari-jari kincir (m). sehingga tsrnya dapat dirumuskan dengan:
tsr= (10)
dengan:
r = jari – jari kincir (m).
n = putaran poros kincir tiap menit (rpm). v = kecepatan angin (m/s).
2.4.6 Koefisiensi Daya
Koefisien daya (Cp) adalah pebandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir (Pout) dengan daya yang disediakan oleh angin (Pin), sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut:
Cp = 100% (11) dengan:
Cp = koefisien daya (%).
Pout = daya yang dihasilkan oleh kincir (watt).
Pin = daya yang dihasilkan oleh angin (watt).
18
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Penelitian
Langkah kerja dalam penelitian ini meliputi perancangan kincir hingga analisis data, pembahasan, serta pembuatan laporan. Langkah kerja tersebut disajikan dalam bentuk diagram alir yang ditampilkan pada Gambar 3.1.
ya
Gambar 3.1 Diagram alir
Analisis data dan pembahasan serta pembuatan laporan
Selesai Hasil olah data
Pengolahan data untuk mencari koefisien daya (Cp) dan Tip Speed Ratio (tsr) kemudian
membandingkan antara koefisien daya (Cp) dan Tip Speed Ratio (tsr) pada masing – masing
variasi kincir angin Mulai
Perancangan model kincir angin American multi-blade 9 sudu
Pembuatan model kincir angin American multi-blade berbahan baku plat aluminium, dengan variasi pitch angle 10o, 20o, dan 30o
Pengambilan data untuk mencari kecepatan angin, kecepatan putaran poros kincir angin, dan beban pengereman pada kincir angin
tidak ya
3.2 Bahan Pembuatan Model Kincir Angin
Model kincir angin American multi-blade dibuat dari bahan – bahan yang murah dan sederhana. Bahan – bahan yang digunakan untuk membuat model kincir angin adalah sebagai berikut :
1. Plat aluminium dengan ketebalan 1 mm untuk membuat sudu kincir angin dengan diameter 80 cm.
2. Tutup pipa paralon diameter 6 inchi digunakan untuk membuat hub kincir angin.
3. Aluminium profil U dengan panjang 35 cm digunakan untuk membuat tulang sudu.
4. Mur dan baut ukuran m5.
3.3 Alat – Alat Pembuatan Model Kincir Angin
Adapun beberapa peralatan yang digunakan dalam pembuatan model kincir angin adalah sebagai berikut :
1. Busur, jangka, penggaris, dan spidol untuk menggambar pola pada plat aluminium.
2. Gerinda potong untuk memotong plat aluminium sesuai dengan pola yang telah digambar.
3. Gerinda duduk dan kikir untuk menghaluskan potongan sudu kincir. 4. Bor digunakan untuk membuat lubang baut pada model kincir angin. 5. Mesin penekuk plat, digunakan untuk menekuk sudu kincir sesuai dengan
sudut yang diinginkan. Gambar 3.2 menunjukkan mesin penekuk plat yang digunakan dalam penelitian ini.
Gambar 3.2 Mesin penekuk plat 6. Obeng dan kunci pas.
3.4 Alat – Alat Pengujian dan Alat Bantu Pengukuran
Penelitian ini menggunakan alat pengujian dan alat bantu pengukuran yang telah dikalibrasi secara berkala. Alat pengujian dan alat bantu pengukuran yang digunakan dalam penelitian ini adalah :
1. Terowongan angin yang dilengkapi blower.
Alat ini digunakan untuk pengkondisian angin. Blower akan menyedot udara luar dan mengalirkannya melalui terowongan angin, kemudian angin yang dihasilkan oleh blower akan memutar kincir angin. Gambar dari terowongan angin yang dilengkapi blower ditunjukkan pada Gambar 3.3. 2. Anemometer
Anemometer adalah alat yang digunakan untuk pengukuran kecepatan angin yang dihasilkan blower. Anemometer dipasang di bagian depan
blower dan ditempatkan sejajar dengan arah angin. Anemometer dapat dilihat pada Gambar 3.4.
Gambar 3.3 Terowongan angin yang dilengkapi blower 3. Takometer
Takometer digunakan untuk mengukur kecepatan putar poros kincir angin. Pengukuran dilakukan dengan mengarahkan takometer tegak lurus dengan piringan mekanisme pengereman yang dihubungkan dengan poros utama kincir angin. Gambar 3.5 menunjukan takometer yang digunakan dalam penelitian ini.
Gambar 3.5 Takometer 4. Mekanisme pengereman
Mekanisme pengereman atau alat ukur gaya tangensial terdiri dari piringan yang terhubung dengan poros utama kincir angin, penjepit karet yang digunakan untuk pengereman, dan tali yang terhubung ke neraca pegas. Alat ini berfungsi sebagai pengerem atau penghambat putaran kincir yang dilakukan untuk pengambilan data putaran kincir (rpm) dan pembebanan (gram/N). Mekanisme pengereman ditunjukkan pada Gambar 3.6.
5. Neraca pegas
Neraca pegas adalah alat yang digunakan untuk pengukuran pembebanan yang diberikan pada saat pengereman. Alat ini dapat membaca beban dalam satuan gram dan Newton serta memiliki range 0 – 1.000 gram dengan subdivision 10. Neraca pegas dihubungkan dengan mekanisme pengereman menggunakan tali dan diasumsikan sebagai pengimbang torsi dinamis. Neraca pegas ditunjukkan pada Gambar 3.7.
6. Tiang penahan kincir
Tiang penahan kincir terpasang didalam terowongan angin, alat ini digunakan untuk menopang kincir angin yang berputar didalam blower. Kincir angin yang terpasang pada tiang penahan kincir dan poros utama kincir dapat dilihat pada Gambar 3.8.
Gambar 3.6 Mekanisme pengereman 7. Poros utama kincir
Poros utama kincir berfungsi sebagai penghubung kincir angin dengan mekanisme pengereman. Alat ini terpasang pada pusat kincir dan akan berputar mengikuti putaran kincir angin. Gambar 3.8 menunjukkan kincir angin yang terpasang pada tiang penahan kincir dan poros utama kincir didalam terowongan angin.
Gambar 3.7 Neraca pegas
Gambar 3.8 Kincir angin yang terpasang pada tiang penahan kincir dan poros utama kincir didalam wind tunnel
3.5 Prosedur Pembuatan Model Kincir Angin
Adapun langkah-langkah yang ditempuh dalam pembuatan model kincir angin tipe American multi-blade sembilan sudu adalah:
1. Menyiapkan plat alumunium sebagai bahan dasar pembuatan sudu kincir. 2. Menggambar pola pada plat aluminium sesuai dengan ukuran yang sudah
ditentukan. Pola berupa lingkaran berdiameter 80 cm yang dibagi menjadi 8 bagian.
3. Memotong pola dengan gerinda potong. Salah satu pola yang telah dipotong digunakan sebagai mal untuk membuat satu sudu lagi. Sudu model kincir angin yang sudah dipotong dapat dilihat pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Sudu model kincir angin jenis American multi-blade yang digunakan dalam penelitian
4. Memotong aluminium profil U sepanjang sudu kincir (35 cm) yang akan digunakan sebagai tulang sudu.
5. Mengebor sudu kincir, hub, dan tulang sudu dengan diameter 5 mm sesuai dengan ukuran baut yang digunakan.
6. Menyatukan tulang kincir dengan sudu kincir dengan membautnya.
7. Memasang sudu – sudu kincir angin pada hub yang sudah dibor. Hub yang terbuat dari tutup pipa paralon dapat dilihat pada Gambar 3.10.
Gambar 3.10 Hub
8. Model kincir angin siap diuji. Model kincir angin American multi-blade sembilan sudu dapat dilihat pada Gambar 3.11.
3.6 Variabel Penelitian
Variabel penelitian yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Variasi pembebanan turbin yaitu dari posisi berputar maksimal sampai turbin dalam posisi diam (terhenti).
Gambar 3.11 Model kincir angin American multi-blade sembilan sudu yang digunakan dalam penelitian
3.7 Variabel yang diukur
Untuk mencapai tujuan penelitian, parameter yang harus diukur dalam penelitian unjuk kerja model kincir angin American multi-blade sembilan sudu adalah :
1. Kecepatan angin, v (m/s). 2. Gaya Pengimbang, F (N). 3. Putaran turbin, n (rpm). 3.8 Parameter yang dihitung
Parameter yang dihitung untuk mendapatkan karakteristik kincir angin yang diuji dalam penelitian ini adalah :
1. Daya angin (Pin) 2. Daya kincir (Pout)
4. Tip speed ratio (tsr) 3.9 Langkah Percobaan
Pengambilan data dilakukan pada terowongan angin laboratorium konversi energi Universitas Sanata Dharma. Skema alat pengujian dapat dilihat pada Gambar 3.12. Pengambilan data yang meliputi kecepatan angin, beban, dan kecepatan putar kincir dilakukan secara bersama – sama dan dilakukan sebanyak tiga kali pada setiap variasi beban yang diberikan. Pertama - tama mengatur pitch angle model kincir dan memasang model kincir angin pada terowongan angin, sedangkan untuk pengambilan data memerlukan langkah - langkah sebagai berikut :
1. Memastikan validitas alat ukur yang digunakan dalam pengujian dan memastikan alat pengujian sudah dikalibrasi secara berkala.
2. Memasang neraca pegas yang dihubungkan ke sistem pengereman.
3. Memasang anemometer pada tempat yang sudah disediakan pada bagian depan terowongan angin.
4. Mempersiapkan takometer.
5. Menyambungkan model kincir angin dengan poros utama kincir agar kincir angin terhubung ke sistem pengereman.
6. Mengecek semua peralatan yang akan digunakan. 7. Menghidupkan blower.
8. Mengukur kecepatan putar kincir, kecepatan angin, dan beban pengereman. Pegambilan data dilakukan tiga kali pada setiap variasi pengambilan beban.
9. Mengulangi langkah nomor 8 sampai kincir angin berhenti, setelah itu melakukan pengujian dengan variasi pitch angle sudu turbin lainnya. 10. Pengolahan data dan pembahasan.
Gambar 3.12 Skema alat pengujian 3.10 Langkah Pengolahan Data
Data yang diperoleh dari hasil pengukuran diolah melalui beberapa tahapan berikut :
1. Untuk mengetahui daya angin (Pin) digunakan data kecepatan angin (v) dan luasan kincir angin (A) dengan menggunakan Persamaan (2).
2. Torsi (T) dapat diperoleh menggunakan data dari beban pegas (gr) dan dari panjang lengan torsi sepanjang 0,2 m dengan memakai Persamaan (5).
Takometer
Mekanisme pengereman
Anemometer
Blower Kincir
3. Data putaran poros (n) dan hasil perhitungan torsi (T) dapat digunakan untuk mencari daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan menggunakan Persamaan (8).
4. Tip Speed Ratio (tsr) dapat dicari dengan membandingkan kecepatan keliling ujung sudu kincir angin (ω) dan kecepatan angin (v), dengan menggunakan Persamaan (10).
5. Untuk mengetahui koefisien daya kincir angin (Cp) dapat dicari dari perbandingan daya kincir angin (Pout) dan daya angin (Pin) dengan menggunakan Persamaan (11).
31
BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Percobaan
Data yang diperoleh dari hasil pengujian kincir angin meliputi : kecepatan angin (m/s), putaran poros (rpm), dan gaya pengimbang (N). Pengambilan data dilakukan dengan 3 (tiga) variasi pitch angle 10˚, 20˚, dan 30˚ yang disajikan pada Tabel 4.1, 4.2, dan 4.3.
Tabel 4.1 Data percobaan dengan pitch angle 100
Pada Tabel 4.1 dapat dilihat bahwa putaran poros maksimal yang dihasilkan oleh model kincir angin American multi-blade sembilan sudu dengan pitch angle 10o adalah 348 rpm tanpa dilakukan pembebanan pada kecepatan angin 8.67 m/s, dan model kincir angin ini masih mampu berputar pada putaran poros sebesar 19 rpm dengan beban yang diberikan sebesar 3,43 N.
No. Kec. Angin, v (m/s) Putaran Poros, n (rpm) Gaya Pengimbang, F (N) 1 8,67 348 0 2 8,50 301 0,49 3 8,39 268 0,98 4 8,50 237 1,47 5 8,74 187 1,96 6 8,37 134 2,45 7 8,55 103 2,94 8 8,71 19 3,43
Tabel 4.2 Data Percobaan dengan pitch angle 200
No. Kec. Angin, v (m/s) Putaran Poros, n (rpm) Gaya Pengimbang, F (N) 1 9,02 452 0 2 8,52 416 0,49 3 8,55 394 0,98 4 8,53 379 1,47 5 8,56 346 1,96 6 8,62 328 2,45 7 8,73 297 2,94 8 8,43 267 3,43 9 8,36 253 3,92 10 8,40 219 4,41 11 8,23 192 4,91 12 8,40 153 5,40 13 8,28 135 5,89 14 8,28 101 6,38 15 8,35 70 6,87 16 8,30 34 7,36
Tabel 4.2 menunjukkan putaran poros maksimal yang mampu dihasilkan oleh kincir angin American multi-blade sembilan sudu dengan pitch angle 20o adalah 452 rpm pada beban nol dan pada kecepatan angin 9,02 m/s, model kincir angin ini masih dapat berputar pada putaran poros sebesar 34 rpm saat dilakukan pembebanan sebesar 7,36 N.
Tabel 4.3 Data Percobaan dengan pitch angle 300
No. Kec. Angin, v (m/s) Putaran Poros, n (rpm) Gaya Pengimbang, F (N) 1 9,27 451 0 2 8,99 444 0,49 3 8,68 419 0,98 4 8,99 412 1,47 5 8,76 376 1,96 6 8,94 361 2,45 7 9,12 346 2,94 8 8,87 324 3,43 9 8,94 312 3,92 10 8,85 280 4,41 11 8,85 266 4,91 12 8,77 249 5,40 13 8,78 231 5,89 14 8,90 219 6,38 15 8,64 200 6,87 16 8,60 184 7,36 17 8,69 168 7,85 18 8,56 159 8,34 19 8,47 132 8,83 20 8,54 102 9,32 21 8,69 87 9,81 22 8,23 74 10,3 23 8,66 56 10,8
Data percobaan yang diperoleh dari kincir angin American multiblade sembilan sudu dengan pitch angle 30o ditunjukkan pada Tabel 4.3. Nilai putaran poros
maksimal yang dapat dicapai tanpa pembebanan adalah sebesar 451 rpm pada kecepatan angin 9,27 m/s dan masih dapat berputar pada putaran poros sebesar 56 rpm pada beban sebesar 10,8 N.
4.2 Perhitungan
Langkah-langkah perhitungan diambil dari contoh sampel yang dapat dilihat pada Tabel 4.3 dan pada data ke-14.
4.2.1 Perhitungan Daya Angin
Daya yang dihasilkan angin pada model kincir angin American multi-blade sembilan sudu dengan luas penampang (A) = 0,50265 𝑚2 dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (4).
Pin = 0,5. ⍴ . A .v3
= 0,5 . 1,18 . 0,50265 (8,90 m/s)3 = 209,30 watt
4.2.2 Daya Kincir
Daya yang dihasilkan oleh model kincir angin dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (6), akan tetapi harus diketahui kecepatan sudut dan torsi terlebih dahulu. Nilai torsi dan kecepatan sudut dapat dicari menggunakan Persamaan (5) dan (7).
Kecepatan sudut dan torsi kincir adalah:
ω = nπ
30 detik 𝑟𝑎𝑑/𝑠
= 219 π
30 detik 𝑟𝑎𝑑/𝑠
T = Fr = 6,38 . 0,2 = 1,28 Nm
sehingga daya kincir dapat diketahui dengan : Pout = Tω
= 1,28 Nm. 22,97 rad/s = 29,29 watt
4.2.3 Tip Speed Ratio
Tip speed ratio (tsr) diperoleh dari perbandingan antara kecepatan ujung kincir angin dengan kecepatan angin yang dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (10) : tsr = πrn 30 𝑣 = π 0,40 m . 219 rpm 30.8,9 𝑚/𝑠 𝑟𝑎𝑑/𝑠 = 1,03 4.2.4 Koefisien Daya
Koefisien daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan model kincir angin dengan daya angin yang dapat diketahui dengan menggunakan Persamaan (11) : Cp = 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛 100% = 29,29 209,3 100% = 14 %