i
UNJUK KERJA KINCIR ANGIN KOMBINASI GIROMILL MENGGUNAKAN SUDU AIRFOIL NACA 0020 DENGAN VARIASI SUDUT KEMIRINGAN SUDU DAN SAVONIUS DUA
TINGKAT
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin
Oleh:
LUKAS TRYAGUS SAPUTRA NIM : 135214043
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2020
ii
THE PERFORMANCE OF THE GIROMILL USE AIRFOIL NACA 0020 BLADES WITH VARIATIONS PITCH ANGLE OF
THE BLADES AND TWO LEVELS OF SAVONIUS COMBINATION WINDMILL
FINAL PROJECT
As partial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
By:
LUKAS TRYAGUS SAPUTRA Student Number : 135214043
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SINCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA 2020
vii
ABSTRAK
Kebutuhan energi listrik di Indonesia akan terus meningkat, namun penggunaan energi fosil sebagai energi utama untuk memenuhi kebutuhan energi listrik Indonesia memiliki berbagai permasalahan di antaranya energi fosil memiliki jumlah sangat terbatas dan akan habis pada waktunya. Energi angin merupakan salah satu energi terbarukan alternatif yang dapat di gunakan di Indonesia. Energi angin dapat dimanfaatkan dengan menggunakan kincir angin.
Penelitian ini dilakukan untuk membuat model kincir angin kombinasi giromill dan Savonius yang di uji untuk mengetahui hasil koefisien daya pada setiap variasi.
Model kincir angin kombinasi giromill dan Savonius ini adalah perpaduan antara dua tipe kincir angin vertical axis wind turbine (VAWT) yang dirancang menjadi satu. Kincir angin giromill memiliki tinggi 83 cm, diameter 75 cm yang menggunakan sudu airfoil NACA 0020 dengan chord 18 cm variasi sudut kemiringan sudu yaitu sebesar 0°, 5°, dan 10° dan Kincir angin Savonius memiliki tinggi 60 cm, diameter 35 cm. pengujian kincir angin menggunakan fan blower dengan kecepatan angin 6,6 m/s. penelitian dilakukan di Laboratorium Teknik Mesin Konversi Energi Universitas Sanata Dharma.
Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa kincir angin giromill menggunakan sudu airfoil NACA 0020 untuk variasi sudut kemiringan sudu 0°
menghasilkan unjuk kerja terbaik menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 17,78 % pada tip speed ratio sebesar 1,21. Kincir angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu sebesar 5° menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 16,03 % pada tip speed ratio sebesar 1,23. Kincir angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu sebesar 10° menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 5,10 % pada tip speed ratio sebesar 0,78. Kincir angin Kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu sebesar 0° menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 12,43 % pada tip speed ratio sebesar 1,27.
Kincir angin Kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu sebesar 5° menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 10,39 % pada tip speed ratio sebesar 1,06. Kincir angin Kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu sebesar 10° menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 5,53 % pada tip speed ratio sebesar 0,84.
Kata kunci: giromill, Savonius, airfoil NACA 0020, koefisien daya, tip speed ratio
viii
ABSTRACT
Electricity energy needs in Indonesia will continue to increase, but the use of fossil energy as the main energy to meet the needs of electrical energy Indonesia has various problems in which fossil energy has a very limited number and will be Timed out. Wind energy is one of the alternative renewable energy that can be used in Indonesia. Wind energy can be utilized using windmills. The study was conducted to create a The giromill and Savonius combination windmill model which was tested to know the results of the power coefficient on each variation.
The giromill and Savonius combination windmill model is a combination of two types of vertical axis wind turbine (VAWT) that are designed into one. The giromill windmills has a height of 83 cm, a diameter of 75 cm which uses airfoil NACA 0020 blades with a chord of 18 cm variations of angle of the blades which are 0°, 5°, and 10° and Savonius windmills has a height of 60 cm, diameter 35 cm.
Testing windmills using fan blower with wind speed 6.6 m/s. this research was done in The Energy Conversion Laboratory of Mechanical Engineering, Sanata Dharma University Yogyakarta.
The results of this research indicate that the giromill windmill with airfoil NACA 0020 blades for variations of 0° angle of the blades resulted in the best performance with a maximum power coefficient of 17.78% at the tip speed ratio of 1.21. The giromill windmill with a 5° the blade angle variation gives a maximum power coefficient of 16.03 % at the tip speed ratio of 1.23. The giromill windmill with a 10° the blade angle variation gives a maximum power coefficient of 5.10 % at the tip speed ratio of 0.78. The giromill and Savonius combination windmill with a 0° the blade angle variation gives a maximum power coefficient of 12.43% at the tip speed ratio of 1.27. The giromill and Savonius combination windmill with a 5° the blade angle variation gives a maximum power coefficient of 10.39% at the tip speed ratio of 1.06. The giromill and Savonius combination windmill with a 10° the blade angle variation gives a maximum power coefficient of 5,53% at the tip speed ratio of 0.84.
Keyword: giromill, Savonius airfoil NACA 0020, coefficient of power, tip speed ratio.
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan rakmat, berkat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Unjuk Kerja Kincir Angin Kombinasi Giromill Menggunakan Sudu Airfoil NACA 0020 Dengan Variasi Sudut kemiringan Sudu Dan Savonius Dua Tingkat”.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi oleh penulis guna memperoleh gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
Terdapat banyak hambatan yang didapat oleh penulis selama proses pengerjaan skripsi ini. Namun, oleh karena pertolongan Tuhan Yang Maha Esa melalui dukungan dari beberapa pihak, maka penulis mampu mengerjakan skripsi ini dengan baik. Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan sebagai Dosen Pembimbing Akademik.
2. Budi Setyahandana, M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Ir. Rines, M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir dan Kepala Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma.
4. Doddy Purwadianto, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.
5. Seluruh dosen, staf dan karyawan Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta selaku pihak yang memberi bantuan dan pelayanan selama penulis menempuh perkuliahan di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
6. Agustius Hergiyanto dan Susmiyati sebagai orangtua penulis serta Agustina Suseowati dan Erlina Yosehfa sebagai Kakak kandung penulis.
7. Reza Perdana Abadi, Bagus Danar Kartiko Putro, Franciskus Solanus Pentor, serta teman-teman Prodi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta lainnya yang telah membantu penulis saat mengerjakan skripsi.
xi
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
TITLE PAGE ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
DAFTAR DEWAN PENGUJI ... iv
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vi
ABSTRAK ... vii
ABSTRACT ... viii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xv
DAFTAR TABEL ... xix
DAFTAR SIMBOL ... xxi
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Batasan Masalah... 4
1.5 Manfaat Penelitian ... 4
BAB II DASAR TEORI ... 5
xii
2.1 Angin ... 5
2.2 Kincir Angin ... 6
2.2.1 Kincir Angin Sumbu Vertikal ... 6
2.2.2 Kincir Angin Sumbu Horizontal ... 10
2.3 Airfoil ... 13
2.4 NACA ... 14
2.5 Rumus Perhitungan ... 16
2.5.1 Daya Angin ... 17
2.5.2 Torsi ... 18
2.5.3 Daya Kincir Angin ... 18
2.5.4 Tip Speed Ratio ... 19
2.5.5 Koefisien Daya ... 19
BAB III METODE PENELITIAN... 21
3.1 Diagram Alir Penelitian ... 21
3.2 Perancangan Kincir Angin ... 22
3.2.1 Kincir Angin Giromill ... 22
3.2.2 Kincir Angin Savonius ... 22
3.3 Alat Dan Bahan Pembuatan Kincir Angin ... 22
3.3.1 Alat ... 22
3.3.2 Bahan ... 23
xiii
3.4 Alat Pengujian ... 24
3.5 Pembuatan Kincir Angin ... 27
3.6 Bentuk Kincir Angin ... 33
3.7 Variabel Penelitian ... 33
3.8 Langkah Pengambilan Data ... 34
3.9 Pengolahan Data... 35
BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ... 36
4.1 Data Hasil Penelitian ... 36
4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan ... 49
4.2.1 Menghitung Beban Torsi... 50
4.2.2 Menghitung Kecepatan Sudut Kincir Angin ... 50
4.2.3 Menghitung Daya Angin ... 51
4.2.4 Menghitung Daya Kincir Angin ... 51
4.2.5 Menghitung Tip Speed Ratio ... 52
4.2.6 Menghitung Koefisien Daya ... 52
4.3 Data Hasil Perhitungan ... 53
4.4 Grafik Hasil Perhitungan... 68
4.4.1 Grafik kincir angin tipe giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° ... 68
4.4.2 Grafik kincir angin tipe giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° ... 70
xiv
4.4.3 Grafik kincir angin tipe giromill dengan variasi sudut kemiringan
sudu 10° ... 73
4.4.4 Grafik kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° ... 76
4.4.5 Grafik kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° ... 78
4.4.6 Grafik kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 10° ... 81
4.4.7 Grafik kincir angin tipe Savonius ... 84
4.5 Pembahasan ... 87
BAB V PENUTUP ... 90
5.1 Kesimpulan ... 90
5.2 Saran ... 91
DAFTAR PUSTAKA ... 92
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Kincir angin tipe Savonius ... 6
Gambar 2.2 Kincir angin tipe Darrieus ... 8
Gambar 2.3 Kincir angin tipe giromill ... 9
Gambar 2.4 Kincir angin tipe American Multi Blade ... 10
Gambar 2.5 Kincir angin tipe Dutch four arm ... 11
Gambar 2.6 Kincir angin tipe propeler ... 12
Gambar 2.7 Airfoil ... 14
Gambar 2.8 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio untuk beberapa jenis kincir angin ... . 20
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ... 21
Gambar 3.2 Neraca pegas ... 25
Gambar 3.3 Anemometer ... 25
Gambar 3.4 Tachometer ... 26
Gambar 3.5 Fan blower ... 26
Gambar 3.6 Inverter ... 27
Gambar 3.7 Mekanisme pengereman ... 27
Gambar 3.8 Penampang sudu airfoil NACA 0020 dengan chord 18 cm ... 28
Gambar 3.9 Kerangka sudu kincir angin giromill ... 28
Gambar 3.10 Sudu kincir angin giromill yang dilapisi plat seng ... 29
Gambar 3.11 Pemasangan penopang pada sudu kincir angin giromill ... 29
Gambar 3.12 Penampang kincir angin giromill ... 29
Gambar 3.13 Lubang untuk memposisikan kemiringan sudu ... 30
xvi
Gambar 3.14 Penyangga kincir angin giromill kincir angin giromill ... 30 Gambar 3.15 Penampang kincir angin Savonius ... 31 Gambar 3.16 Penahan sudu kincir angin Savonius ... 31 Gambar 3.17 Pemasangan penahan sudu pada penampang kincir angin Savonius ... 31 Gambar 3.18 Sudu kincir angin Savonius ... 32 Gambar 3.19 Kincir angin kombinasi giromill dengan sudu airfoil NACA 0020 dan Savonius dua tingkat ... 33 Gambar 3.20 Skema pengujian kincir angin ... 34 Gambar 4.1 Grafik Hubungan Antara Kecepatan Putar rotor dengan Torsi Kincir Angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° ..
………68 Gambar 4.2 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio Kincir Angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 0°………69 Gambar 4.3 Grafik Hubungan Antara Kecepatan Putar rotor dengan Torsi Kincir Angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 5°...
………71 Gambar 4.4 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio Kincir Angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 5°………72 Gambar 4.5 Grafik Hubungan Antara Kecepatan Putar rotor dengan Torsi Kincir angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 10°..
………74
xvii
Gambar 4.6 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio Kincir angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 10° ... 74 Gambar 4.7 Grafik Hubungan Antara Kecepatan Putar rotor dengan Torsi Kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° ... 76 Gambar 4.8 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio Kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° ... 77 Gambar 4.9 Grafik Hubungan Antara Kecepatan Putar rotor dengan Torsi Kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° ... 79 Gambar 4.10 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dengan Tip Speed Kincir angin Ratio kombinasi angin giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° ... 80 Gambar 4.11 Grafik Hubungan Antara Kecepatan Putar rotor dengan Torsi Kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 10° ... 82 Gambar 4.12 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio Kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 10° ... 83 Gambar 4.13 Grafik Hubungan Antara Kecepatan Putar rotor dengan Torsi kincir angin tipe Savonius ... 85 Gambar 4.14 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio kincir angin tipe Savonius... 85 Gambar 4.15 Grafik Hubungan Antara Kecepatan Putar rotor dengan Torsi kincir angin untuk semua variasi ... 88
xviii
Gambar 4.16 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio kincir angin untuk semua variasi ... 89
xix
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data pengujian kincir angin tipe giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° dengan kecepatan angin 6,6 m/s. ... 36 Tabel 4.2 Data pengujian kincir angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° dengan kecepatan angin 6,6 m/s. ... 38 Tabel 4.3 Data pengujian kincir angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 10° dengan kecepatan angin 6,6 m/s... 40 Tabel 4.4 Data pengujian kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° pada kecepatan angin 6,6 m/s. ... 42 Tabel 4.5 Data pengujian kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° pada kecepatan angin 6,6 m/s. ... 43 Tabel 4.6 Data pengujian kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 10° pada kecepatan angin 6,6 m/s. ... 45 Tabel 4.7 Data pengujian kincir angin tipe Savonius dengan kecepatan angin 6,6 m/s. ... 47 Tabel 4.8 Hasil perhitungan kincir angin tipe giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° dengan kecepatan angin 6,6 m/s. ... 53 Tabel 4.9 Hasil perhitungan kincir angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° dengan kecepatan angin 6,6 m/s. ... 55 Tabel 4.10 Hasil perhitungan kincir angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 10° dengan kecepatan angin 6,6 m/s... 58 Tabel 4.11 Hasil perhitungan kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° pada kecepatan angin 6,6 m/s. ... 60
xx
Tabel 4.12 Hasil perhitungan kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° pada kecepatan angin 6,6 m/s. ... 62 Tabel 4.13 Hasil perhitungan kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 10° pada kecepatan angin 6,6 m/s. ... 64 Tabel 4.14 Hasil perhitungan kincir angin tipe Savonius dengan kecepatan angin 6.6 m/s. ... 66
xxi
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
A Luas Penampang m2
𝜌 Massa jenis kg/m3
𝑣 Kecepatan angin m/s
𝐹 Gaya pengimbang N
𝑇 Torsi Nm
𝜔 Kecepatan sudut rad/s
𝑛 Kecepatan putaran poros kincir rpm
λ Tip Speed Ratio (TSR) -
Ek Energi kinetik watt
Pin Daya angin watt
Pout Daya kincir angin watt
Cp Koefisien daya %
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kebutuhan energi listrik di Indonesia akan terus meningkat ini disebabkan oleh peningkatan jumlah penduduk, pembangunan, industri, informasi dan pola penggunaan energi itu. Namun saat ini kondisi energi Indonesia sedang terjadi berbagai permasalahan ini di akibatkan dari penggunaan energi utama yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi listrik adalah energi fosil. Energi fosil sekarang jumlah sangat terbatas dan akan habis pada waktunya.
Penggunaan energi fosil juga menimbulkan beberapa dampak negatif seperti terjadi pada lingkungan pemakaian energi fosil akan mencemari udara dan menimbulkan pemanasan global yang akan berakibat terhadap rusaknya lingkungan. energi terbarukan dapat menjadi suatu alternatif yang dapat digunakan dan juga ramah lingkungan.
Energi angin merupakan salah satu energi terbarukan alternatif yang dapat di gunakan di Indonesia, Indonesia sebagai suatu negara kepulauan yang memiliki iklim tropis dan dilalui garis khatulistiwa, Indonesia memiliki tiupan angin namun tidak terlalu besar dibandingkan tiupan angin negara-nagara lain yang beriklim subtropis.
Perkembangan pemanfaatan energi perkembangan pemanfaatan energi angin di Indonesia masih tergolong rendah penyebabnya adalah arah berhembusannya angin Indonesia yang selalu berubah-ubah dan kecepatan angin Indonesia yang terbilang rendah yaitu 3 m/s sampai 5 m/s sehingga akan sulit
untuk menghasilkan energi listrik dengan jumlah skala besar. (Yudha Pratomo, 2012).
Kincir angin sumbu vertikal adalah kincir angin yang memiliki beberapa kelebihan yaitu dapat berputar pada segala arah angin, dan dapat bekerja pada kecepatan angin yang rendah, dalam konstruksinya sederhana dan tidak membutuhkan tempat pemasangan yang luas serta menghasilkan momen yang besar. Ini sangat bagus untuk Indonesia karena memiliki arah angin yang berubah- ubah dengan kecepatan angin relatif rendah.
Berdasarkan Hal tersebut diatas maka di lakukanlah penelitian ini. dalam penelitian ini menggunakan kincir angin tipe giromill dengan kincir angin tipe Savonius yang keduanya merupakan jenis kincir angin sumbu vertikal. Akan tetapi kincir angin tipe giromill memiliki kekurangan dalam mengawali putarannya sendiri pada kecepatan angin yang rendah. Berbeda dengan kincir angin tipe Savonius memiliki kelebihan dapat berputar pada kecepatan yang rendah. Sehingga kincir angin tipe Savonius dapat dipasangkan pada kincir angin tipe giromill untuk digunakan sebagai rotor yang mengawali putaran. Terdapat beberapa variasi sudut kemiringan pada sudu kincir angin giromill.
1.2 Rumusan Masalah
Permasalahan yang dapat dirumuskan dalam penelitian ini adalah:
1. Angin merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang relatif mudah didapat, murah, kekal dan tidak mencemari lingkungan.
2. Negara Indonesia mempunyai potensi angin energi angin namun pemanfaatan energi angin di Indonesia masih kurang.
3. Diperlukan model kincir angin yang mampu mengonversi energi angin dengan efisiensi maksimal.
4. Masih sedikitnya informasi tentang unjuk kerja kincir angin kombinasi giromill dengan Savonius.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan melakukan penelitian ini adalah:
1. Membuat model kincir angin kombinasi giromill dengan penampang sudu airfoil NACA 0020 dengan variasi sudut kemiringan sudu dan Savonius dua tingkat.
2. Menghitung dan mengetahui nilai koefisien daya dengan tip speed ratio dari semua variasi yang dihasilkan oleh model kincir angin giromill dengan penampang sudu airfoil NACA 0020 variasi sudut kemiringan sudu.
3. Menghitung dan mengetahui nilai koefisien daya dengan tip speed ratio dari semua variasi yang dihasilkan oleh model kincir angin kombinasi giromill dengan penampang sudu airfoil NACA 0020 variasi sudut kemiringan sudu dan Savonius dua tingkat.
4. Mengetahui unjuk kerja terbaik dari seluruh variasi kincir angin pada penelitian ini.
1.4 Batasan Masalah
Permasalahan dalam penelitian ini dibatasi pada:
1. Model kincir angin yang digunakan adalah model kincir angin kombinasi giromill dengan penampang sudu airfoil NACA 0020 variasi sudut kemiringan sudu dan Savonius dua tingkat.
2. Kincir angin tipe giromill memiliki tinggi 83 cm dan diameter 75 cm.
3. Kincir angin tipe Savonius memiliki tinggi 60 cm dan diameter 35 cm.
4. Penampang sudu airfoil NACA 0020 dengan chord 18 cm dan panjang 80 cm.
5. Dalam pengujian kecepatan angin rata-rata 6,6 m/s.
6. Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Teknik Mesin Konversi Energi Universitas Sanata Dharma.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang dapat diambil dalam penelitian ini adalah:
1. Dapat menjadi sumber informasi mengenai kincir angin kombinasi giromill dengan penampang sudu airfoil NACA 0020 dan Savonius dua tingkat.
2. Dapat dipergunakan sebagai sumber informasi bagi masyarakat tentang pemanfaatan energi angin.
5
BAB II DASAR TEORI
2.1 Angin
Angin adalah aliran udara dalam jumlah yang besar diakibatkan oleh rotasi bumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Angin bergerak dari tempat bertekanan udara tinggi ke bertekanan udara rendah. Apabila dipanaskan, udara memuai. Udara yang telah memuai menjadi lebih ringan sehingga naik. Apabila hal ini terjadi, tekanan udara turun karena udaranya berkurang. Udara dingin di sekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah tadi. Udara menyusut menjadi lebih berat dan turun ke tanah. Di atas tanah udara menjadi panas lagi dan naik kembali.
2.2 Kincir Angin
Kincir angin adalah sebuah alat yang mampu memanfaatkan kekuatan angin untuk dirubah menjadi kekuatan mekanik. Dari proses itu memberikan kemudahan berbagai kegiatan manusia yang memerlukan tenaga yang besar seperti memompa air untuk mengairi sawah atau menggiling biji-bijian. Kincir angin modern adalah mesin yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik, disebut juga dengan turbin angin. Turbin angin kebanyakan ditemukan di Eropa dan Amerika Utara. Prinsip kerja suatu turbin angin adalah kincir angin yang berperan sebagai turbin menerima energi angin untuk memutar poros rotor yang di teruskan melalui suatu transmisi ke rotor generator listrik untuk akhirnya dapat menghasilkan listrik.
Pada umumnya kincir angin dibagi menjadi dua jenis berdasarkan konfigurasi sumbunya yaitu kincir angin sumbu vertikal dan kincir angin sumbu horizontal.
2.2.1 Kincir Angin Sumbu Vertikal
Kincir angin sumbu vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) adalah kincir angin yang memiliki poros tegak lurus dengan tanah. Kincir ini sangat baik digunakan pada lingkungan yang arah anginnya tidak menentu, karena sudu yang tegak lurus terhadap arah angin memungkinkan kincir berputar terhadap sumbu yang vertikal. Terdapat beberapa jenis kincir angin sumbu vertikal diantaranya sebagai berikut:
a. Kincir Angin Savonius
Kincir angin Savonius merupakan Kincir angin sumbu vertikal yang berbasis tipe drag. Kincir Angin Savonius pertama kali ditemukan oleh Sigurd J Savonius yang berasal dari Negara Finlandia sekitar tahun 1922. Savonius menggunakan sudu dengan cara memotong silinder Fletter menjadi 2 paruhan sepanjang garis pusat dan memposisikan 2 paruhan tersebut membentuk seperti huruf ‘S” yang diletakkan pada lingkaran batas sudu Savonius merupakan jenis turbin angin yang paling sederhana dan versi besar dari anemometer. Efisiensi yang bisa dicapai turbin angin jenis ini sekitar 30%. Kincir angin Savonius dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Kincir angin tipe Savonius
(Sumber:https://www.turbinesinfo.com/innovative-wind-turbines/)
b. Kincir Angin Darrieus
Kincir angin Darrieus merupakan kincir angin sumbu vertikal yang berbasis tipelift. Kincir angin Darrieus dipatenkan oleh George Darrieus pada tahun 1931, dengan menggunakan dua atau tiga bilah melengkung atau lurus bergabung bersama di bagian atas dan bawah dan membungkuk ke luar di tengah di troposkein. Tipe Darrieus ini umumnya memerlukan kecepatan angin yang lebih tinggi dari tipe lain untuk start up atau awalan. Hal tersebut membuat kincir angin Darrieus memerlukan suatu penggerak mula untuk keperluan start up tersebut.
Kincir angin Darrieus dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Kincir angin tipe Darrieus (Sumber:https://ugmmagatrika.wordpress.com )
c. Kincir Angin Giromill
Kincir angin tipe giromill adalah kincir angin dengan sumbu vertikal yang berbasis tipe lift. Konstruksi kincir angin giromill hampir sama dengan kincir angin tipe Darrieus, yang membedakan hanyalah peletakan sudu-sudunya. Kincir angin giromill memiliki sudu-sudu yang dipasang sejajar dengan poros utamanya dan di topang sebuah lengan, sedangkan kincir angin Darrieus pemasangan sudu- sudu dibuat melengkung. Kincir angin giromill memiliki kelemahan pada putaran awal yang memerlukan kecepatan angin yang lebih tinggi, sehingga sangat tidak dianjurkan digunakan pada perkotaan yang padat penduduk karena hambatan angin yang besar. Kincir angin giromill dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Kincir angin tipe giromill (Sumber: http://santicavision.info//)
Kelebihan kincir angin sumbu vertikal adalah:
1. Kincir angin ini mudah dirawat karena letaknya yang dekat dengan permukaan tanah.
2. Memiliki kecepatan pengawalan angin yang rendah dibandingkan dengan kincir sumbu horizontal.
3. Kincir angin ini dapat menerima hembusan angin dari segala arah.
4. Tidak memerlukan menara yang tinggi sehingga lebih murah dan lebih kuat.
Kelemahan kincir angin sumbu vertikal adalah:
1. Memiliki kecepatan putaran kincir angin yang rendah, karena letaknya dekat dengan tanah.
2. Karena pada umumnya dipasang dekat dengan permukaan tanah maka kualitas angin yang diterima kurang baik.
3. Kurang mampu mengawali putarannya sendiri untuk tipe Darrieus dan tipe giromill.
2.2.2 Kincir Angin Sumbu Horizontal
Kincir angin sumbu horizontal atau Horizontal Axis Wind Turbin (HAWT) adalah kincir angin yang mempunyai poros yang sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah datangnya angin. Kincir ini terdiri dari sebuah menara yang di puncaknya terdapat baling-baling yang berfungsi sebagai rotor dan menghadap atau membelakangi arah angin. Kebanyakan kincir angin jenis ini mempunyai dua atau tiga bilah baling-baling walaupun ada juga kincir bilah baling-baling nya kurang atau lebih dari pada yang disebutkan diatas. Terdapat beberapa jenis kincir angin sumbu horizontal diantaranya sebagai berikut;
a. Tipe American Multi Blade
Kincir angin American multi blade adalah kincir angin yang memiliki sudu berjumlah lebih dari tiga. Kincir angin tipe ini memiliki soliditas yang besar. Pada umumnya, kincir angin American multi blade digunakan untuk keperluan di bidang pertanian, seperti memopa air, menggiling biji-bijian dan lain-lain. Kincir angin American multi blade dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Kincir angin tipe American Multi Blade (Sumber : https://interestingengineering.com)
b. Tipe Dutch Four Arm
Kincir angin Dutch four arm adalah kincir angin empat sudu. Kincir angin tipe ini banyak digunakan di negara Belanda yang memiliki lahan lebih rendah daripada permukaan laut. Kincir angin Dutch four arm digunakan untuk mengeringkan suatu lahan dengan cara memompa air tanah keluar dari suatu lahan yang akan digunakan untuk suatu keperluan. Selain mengeringkan lahan, kincir angin tipe ini juga digunakan untuk menggiling padi dan biji-bijian lainnya.
Kincir angin Dutch four arm dapat dilihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Kincir angin tipe Dutch four arm (Sumber : http://multienergy.blogspot.com)
c. Tipe Propeler
Kincir angin propeler memiliki jumlah sudu sebanyak satu sampai tiga sudu.
Kincir angin tipe ini paling sering digunakan sebagai sarana pembangkit listrik bertenaga angin karena memiliki karakteristik yang unggul. Kincir angin propeler dapat dilihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Kincir angin tipe propeler
(Sumber : http://www.satuenergi.com/2015/10/jenis-jenis-turbin-angin.)
Kelebihan kincir angin sumbu horizontal adalah:
1. Menara penyangga yang tinggi memungkinkan untuk mendapatkan angin dengan kekuatan yang lebih besar.
2. Efisiensi lebih tinggi, karena sudu selalu bergerak tegak lurus terhadap arah angin, menerima daya sepanjang putaran.
3. Dapat dibuat dengan kemampuan pitch control untuk sudu – sudunya, sehingga dapat menghindari kerusakan bila terkena badai.
Kelemahan kincir angin sumbu horizontal adalah:
1. Dibutuhkan konstruksi menara penyangga yang kuat untuk menopang beban sudu, gear box dan generator.
2. Komponen - komponen dari kincir angin seperti pada poin pertama, harus diangkat ke posisinya pada saat pemasangan.
3. Membutuhkan yaw control sebagai mekanisme untuk mengarahkan sudu ke arah angin.
4. Kincir angin sulit dioperasikan dekat dengan permukaan tanah karena adanya angin turbulen.
2.3 Airfoil
Airfoil adalah bentuk dari suatu sayap pesawat yang dapat menghasilkan gaya angkat (lift) atau efek aerodinamika ketika melewati suatu aliran udara.
Airfoil merupakan bentuk dari potongan melintang sayap yang dihasilkan oleh perpotongan tegak lurus sayap terhadap pesawat, dengan kata lain airfoil merupakan bentuk sayap secara dua dimensi seperti pada Gambar 2.7.
Keterangan dari istilah-istilah pada Gambar 2.7 sebagai berikut:
a. Leading edge merupakan bagian permukaan paling depan dari airfoil.
b. Trailing edge merupakan bagian permukaan paling belakang dari airfoil.
c. Mean camber line merupakan garis pertenggahan yang membagi antara permukaan bagian atas dan permukaan bagian bawah dari airfoil.
d. Chord line merupakan garis lurus yang menghubungkan antara leading edge dan trailing edge.
e. Chord c merupakan panjang total dari suatu airfoil
f. Camber merupakan jarak antara mean camber line dengan chord line.
g. Thickness merupakan ketebalan maksimum dari suatu airfoil.
Gambar 2.7 Airfoil
(Sumber:https://panggih15.wordpress.com/2010/01/28/terminologi-airfoil/)
2.4 NACA
NACA airfoil adalah salah satu bentuk bodi aerodinamika sederhana yang berguna untuk dapat memberikan gaya angkat tertentu terhadap suatu bodi lainnya dan dengan bantuan penyelesaian matematis sangat memungkinkan untuk memprediksi beberapa besarnya gaya angkat yang dihasilkan oleh suatu bodi airfoil. Hingga saat ini banyak kemajuan airfoil dilakukan diberbagai negara, namun hasil riset NACA yang paling terkemuka pengujian dilakukan NACA lebih sistematik dengan berbagai pengaruh efek kelengkungan dan distribusi ketebalan atau thickness serta pengujian dilakukan pada bilangan Reynold yang lebih tinggi dibanding yang lain. NACA memiliki beberapa bentuk airfoil sesuai dengan NACA seri, sebagai contoh dapat dilihat sebagai berikut;
a. NACA Seri 4 Digit
Sekitar tahun 1932 NACA melakukan pengujian beberapa bentuk airfoil yang dikenal dengan NACA seri 4 digit. Distribusi kelengkungan dan ketebalan NACA seri empat itu diberikan berdasarkan pendekatan bentuk sayap yang efektif biasa digunakan saat itu, seperti yang dikenal airfoil Clark Y.
b. NACA Seri 5 Digit
Pengembangan airfoil NACA 5 digit dilakukan sekitar tahun 1935 dengan menggunakan distribusi ketebalan yang sama dengan seri empat digit. Garis kelengkungan rata-rata (mean camber line) seri ini berbeda dibandingkan seri empat digit. Perubahan dilakukan dalam rangka menggeser maksimum camber kedepan sehingga dapat meningkatkan CL maksimum jika dibandingkan ketebalan (thickness) dan camber, Seri ini memiliki nilai CL maksimum 0,1 hingga 0,2 lebih tinggi dibandingkan seri empat digit. Sistem penomoran seri lima digit ini berbeda dengan seri empat digit. Pada seri ini, digit pertama dikalikan 3/2 kemudian dibagi sepuluh memberikan nilai desain koefisien lift.
c. NACA Seri 6 Digit
Airfoil NACA seri 6 didesain untuk mendapatkan kombinasi drag.
Kompresibilitas, dan performa CL maksimum yang sesuai keinginan. Beberapa Persyaratan ini saling kontradiktif satu dan lainnya, sehingga tujuan utama desain airfoil ini adalah mendapatkan drag sekecil mungkin. Geometri seri 6 ini diturunkan dengan menggunakan metode teoritis yang telah dikembangkan dengan menggunakan matematika lanjut guna mendapatkan bentuk geometri yang dapat menghasilkan distribusi tekanan sesuai keinginan.
Penelitian ini menggunakan seri NACA empat digit yang dapat diartikan sebagai berikut:
a. Angka pertama seri NACA empat digit merupakan persentase besar camber maksimal seperseratus panjang chord.
b. Angka kedua seri NACA empat digit merupakan persentase posisi camber maksimal dalam sepersepuluh dari total panjang chord. Posisi camber maksimal sesuai persentase angka kedua diukur dari leading edge.
c. Dua angka terakhir seri NACA empat digit merupakan persentase besar ketebalan maksimal airfoil seperseratus panjang chord. Posisi ketebalan maksimal 30 % diukur dari leading edge.
Sebagai contoh seri NACA 2414 dengan chord 20 cm, maka dapat dideskripsikan bahwa airfoil memiliki besar camber maksimal sebesar 0,4 cm (2% × 20 cm) terletak pada posisi 8 cm dari leading edge (40% × 20 cm) dan ketebalan maksimal airfoil 2.8 cm (14% × 20 cm) terletak pada posisi 6 cm dari leading edge (30% × 20 cm). Penampang sudu yang digunakan untuk penelitian ini adalah airfoil dengan seri NACA 0020, sehingga dapat diketahui bahwa airfoil yang digunakan berbentuk simetris (besar dan posisi camber 0 % panjang chord) dan tebal airfoil sebesar 3,6 cm (20 % × 18 cm pada posisi 30 % panjang chord).
Panjang chord dibuat sebesar 18 cm.
2.5 Rumus Perhitungan
Berikut ini adalah rumus-rumus perhitungan yang digunakan dalam penelitian ini untuk mengetahui unjuk kerja kincir angin.
2.5.1 Daya Angin
Daya angin (𝑃𝑖𝑛) adalah daya yang dihasilkan oleh sudu kincir angin yang diakibatkan oleh hembusan angin. Rumus untuk menghitung besarnya daya yang dimiliki oleh angin merupakan besarnya energi kinetik persatuan waktu.
Sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut:
𝐸𝐾 =1 2𝑚. 𝑣2
(2.1)
dengan 𝐸𝑘 adalah energi kinetik (Joule), 𝑚 adalah massa udara (Kg) dan 𝑣 adalah kecepatan angin(m/s).
Dari rumus energi kinetik diatas dapat diperoleh besarnya daya angin berikut ini rumusnya:
𝑃𝑖𝑛= 1
2 ṁ. 𝑣2 (2.2)
dengan ṁ adalah laju aliran massa angin (kg/s), 𝑃𝑖𝑛 adalah besarnya daya yang dihasilkan angin (W) dan 𝑣 adalah kecepatan angin (m/s)
Kemudian besarnya ṁ dapat dicari dengan rumus :
ṁ = 𝜌 . 𝐴 . 𝑣 (2.3)
dengan 𝜌 adalah massa jenis udara (kg/m3), 𝐴 adalah luas penampang sudu(m2), dan 𝑣 adalah kecepatan angin (m/s).
dari persamaan diatas dapat dihitung besarnya daya yang dimiliki angin dengan mengunakan rumus berikut:
𝑃𝑖𝑛 =1
2 𝜌 . 𝐴 . 𝑣3 (2.4)
dengan 𝜌 adalah massa jenis udara (kg/m3), 𝐴 adalah luas penampang sudu(m2), 𝑃𝑖𝑛 adalah besarnya daya yang dihasilkan angin (W) dan 𝑣 adalah kecepatan angin (m/s).
2.5.2 Torsi
Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya dorong pada sudu – sudu kincir angin. Perhitungan nilai torsi dapat dirumuskan sebagai berikut:
𝑇 = 𝐹. ℓ (2.5)
dengan 𝐹 adalah gaya pembebanan(N), dan ℓ adalah panjang lengan torsi ke poros kincir angin(m).
2.5.3 Daya Kincir Angin
Daya kincir angin (𝑃𝑜𝑢𝑡) adalah daya yang dihasilkan oleh kincir angin karena putaran sudu kincir, putaran kincir angin tersebut menghasilkan energi kinetik yang kemudian di konversikan menjadi energi listrik. Perhitungan nilai daya kincir angin dapat dirumuskan sebagai berikut:
𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇. 𝜔 (2.6)
dengan 𝑃𝑜𝑢𝑡 adalah daya yang dihasilkan oleh kincir angin T adalah torsi dinamis (Nm) dan 𝜔 adalah kecepatan sudut (rad/s).
Perhitungan kecepatan sudut dapat dirumuskan sebagai berikut:
⍵ = 𝑛 2𝜋
60 (2.7)
dengan 𝜔 adalah kecepatan sudut, dan n adalah kecepatan putaran(rpm).
2.5.4 Tip Speed Ratio
Tip speed ratio adalah perbandingan antara kecepatan di ujung sudu kincir dengan kecepatan angin. Sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut Perhitungan nilai tip speed ratio dapat dirumuskan sebagai berikut:
𝜆 =𝜔 . 𝑟
𝑣 (2.8)
dengan 𝜆 adalah tip speed ratio 𝑟 adalah jari – jari kincir angin (m) dan 𝑣 adalah kecepatan angin(m/s).
2.5.5 Koefisien Daya
Koefisien daya adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir angin (𝑃𝑜𝑢𝑡) dengan daya yang disediakan oleh angin (𝑃𝑖𝑛). Perhitungan nilai koefisien daya dapat dirumuskan sebagai berikut:
𝐶𝑃 =𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛 .100% (2.9)
dengan 𝐶𝑃 adalah koefisien daya, 𝑃𝑜𝑢𝑡 adalah daya yang dihasilkan oleh kincir angin (W) dan 𝑃𝑖𝑛 adalah besarnya daya yang dihasilkan angin (W).
Menurut penelitian yang dilakukan pada tahun 1919 oleh seorang fisikawan asal Jerman, Albert Betz, mengatakan bahwa efisiensi atau koefisien daya
maksimal sebuah kincir angin adalah sebesar 59,3%. Penelitian ini dinamakan dengan Betz limit yang grafiknya dapat dilihat pada Gambar2.8.
Gambar 2.8 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio untuk beberapa jenis kincir angin
(sumber: https://www.intechopen.com)
21 BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Diagram alir Penelitian
Langkah kerja dalam melakukan penelitian ini tersaji dalam Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian Mulai
Persiapan alat dan bahan kincir angin Pembuatan dan perakitan kincir angin
Pengujian kincir angin
Pengambilan data (kecepatan angin, kecepatan putar poros kincir angin dan beban pengimbang)
Pengolahan data untuk mengetahui nilai koefisien daya dan tip speed ratio
Pembuatan Skripsi Selesai
Perancangan kincir angin model kincir angin kombinasi giromill dengan sudu airfoil NACA 0020 dan Savonius dua
tingkat
Tidak
Benar
3.2 Perancangan Kincir Angin
Pada penelitian ini menggunakan model kincir angin kombinasi giromill dengan sudu airfoil NACA 0020 dan Savonius dua tingkat yang memiliki ketentuan – ketentuan sebagai berikut:
3.2.1 Kincir angin giromill
a. Diameter kincir angin giromill : 75 cm
b. Tinggi kincir angin : 83 cm
c. Bentuk sudu : NACA 0020
d. Panjang sudu chord : 18 cm
3.2.2 Kincir Angin Savonius
a. diameter kincir angin Savonius : 35 cm
b. tinggi kincir angin : 60 cm
3.3 Alat dan Bahan Pembuatan Kincir Angin
Dalam pembuatan kincir angin model kombinasi giromill dan Savonius adalah:
3.3.1 Alat
Berikut alat yang digunakan dalam pembuatan kincir angin model kombinasi giromill dan Savonius :
1. Gergaji potong 2. Mesin bor 3. Palu 4. Pensil
5. Penggaris 6. Gunting 7. Tang
8. Busur derajat
3.3.2 Bahan
Berikut bahan yang digunakan dalam pembuatan kincir angin model kombinasi giromill dan Savonius :
1. Plat seng
Plat seng yang digunakan menggunakan ketebalan 0,2 mm. plat seng digunakan menutup rangka sudu kincir angin giromill dan sebagai sudu kincir angin Savonis.
2. Pipa aluminium
Pipa aluminium digunakan sebagai kerangka sudu kincir angin giromill.
Pipa aluminium yang digunakan memiliki diameter 8 mm.
3. Pipa stainless steel
Pipa stainless steel digunakan sebagai kerangka sudu kincir angin giromill.
Pipa stainless steel yang digunakan memiliki diameter 8 mm.
4. Pipa besi
Pipa besi digunakan sebagai poros kincir angin yang memiliki diameter 1 in.
5. Papan triplek
Papan triplek digunakan sebagai penyangga sudu dan penampang sudu yang memiliki ketebalan 8 mm.
6. Rail aluminium
Rail aluminium digunakan sebagai penghubung antara sudu dan penyangga sudu.
7. Sekrup
Sekrup digunakan sebagai pengikat rail aluminium dengan sudu kincir angin.
8. Paku
Paku digunakan sebagai pengikat seng pada rangka sudu kincir angin.
9. Lem
Lem digunakan sebagai perekat antara pipa aluminium dan pipa stainless steel dengan penampang airfoil agar tidak bergeser.
10. Mur, Baut, dan Ring
Mur, baut, dan ring digunakan sebagai pengikat antara rail dengan penyangga sudu.
3.4 Alat Pengujian
Dalam pengujian kincir angin memerlukan beberapa alat bantu dalam proses pengambilan data kincir angin. Berikut ini adalah alat-alat bantu yang digunakan:
1. Neraca pegas
Neraca pegas yang di tunjukan Gambar 3.2 memiliki fungsi yang sama seperti timbangan, yaitu untuk menghitung beban yang dihasilkan saat alat pengereman berkerja.
2. Anemometer
Anemometer seperti yang nampak pada Gambar 3.3 digunakan untuk mengukur kecepatan angin pada saat melakukan penelitian.
Gambar 3.2 Neraca pegas
Gambar 3.3 Anemometer
3. Tachometer
Tachometer seperti yang nampak pada Gambar 3.4 digunakan untuk mendapatkan nilai putaran poros kincir angin saat dilakukan penelitian.
Gambar 3.4 Tachometer 4. Fan Blower
Fan Blower seperti yang nampak pada Gambar 3.5 berfungsi untuk merekayasa sumber energi angin untuk membuat kincir angin berputar.
Gambar 3.5 Fan blower
5. Inverter
Inverter seperti yang nampak pada Gambar 3.6 berfungsi untuk mengatur kecepatan putar baling-baling fan blower yang bertujuan untuk mengatur kecepatan angin yang keluar dari fan blower.
Gambar 3.6 Inverter 6. Mekanisme Pengereman
Mekanisme pengereman seperti pada Gambar 3.7. Mekanisme pembeban digunakan untuk memberikan beban pada poros kincir yang berputar.
Gambar 3.7 Mekanisme pengereman
3.5 Pembuatan Kincir angin
Berikut ini adalah langkah-langkah yang dilakukan dalam pembuatan kincir angin model kombinasi giromill dan Savonius :
a. Pembelian material dan bahan yang akan digunakan dalam pembuatan kincir angin model kombinasi giromill dan Savonius.
b. Pemotongan rail aluminium, pipa stainless steel dan pipa aluminium.
c. Pengeboran papan penampang dan rail aluminium.
d. Pembuatan penampang sudu airfoil NACA 0020 dengan chord 18 cm dengan memotong papan triplek sesuai pola yang diinginkan. seperti ditunjukkan pada Gambar 3.8.
Gambar 3.8 Penampang sudu airfoil NACA 0020 dengan chord 18 cm e. Pembuatan kerangka sudu memasangkan pipa stainless steel dan pipa
aluminium pada sudu airfoil NACA 0020 chord 18 cm. seperti ditunjukkan pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Kerangka sudu kincir angin giromill
f. Pemasangan plat seng pada kerangka sudu menggunakan paku untuk menempelkan. seperti ditunjukkan pada Gambar 3.10.
Gambar 3.10 Sudu kincir angin giromill yang dilapisi plat seng
g. Pemasangan rail aluminium pada sudu berpenampang aifoil NACA 0020 panjang chord 18 cm. Seperti ditunjukkan pada Gambar 3.11.
Gambar 3.11 Pemasangan penopang pada sudu kincir angin giromill h. Pembuatan pola dan pemotongan pada papan triplek yang akan digunakan
untuk penampang kincir angin giromill. Seperti ditunjukkan pada Gambar 3.12
Gambar 3.12 Penampang kincir angin giromill
i. Pembuatan lubang untuk memasang sudu pada penampang kincir angin giromill. Lubang untuk memasang sudu agar dapat sudu diposisikan miring dengan sudut kemiringan sebesar 0°, 5°, dan 10°.
Gambar 3.13 Lubang untuk memposisikan kemiringan sudu j. Pembuatan dan pengeboran plat besi penyangga kincir angin giromill.
Seperti ditunjukkan pada Gambar 3.13.
Gambar 3.14 Penyangga kincir angin giromill
k. Pembuatan pola dan pemotongan pada papan triplek yang digunakan untuk pembuatan penahan sudu kincir Savonius dan papan penampang kincir Savonius. Seperti ditunjukkan pada Gambar 3.15 dan Gambar 3.16.
Gambar 3.15 Penampang kincir angin Savonius
Gambar 3.16 Penahan sudu kincir angin Savonius
l. Pembuatan pola dan pemotongan pada papan triplek yang digunakan untuk pembuatan bantalan freewheel kincir Savonius.
m. Pemotongan tromol sepeda yang digunakan untuk dudukan freewheel pada kincir angin Savonius.
n. Pemasangan penahan sudu pada papan penampang kincir angin Savonius dengan menggunakan paku dan lem.
Gambar 3.17 Pemasangan penahan sudu pada penampang kincir angin Savonius o. Pembuatan kincir angin Savonius dengan memasangkan plat seng pada
penahan sudu yang sudah terpasang pada papan penampang dengan menggunakan paku dan lem. seperti ditunjukkan pada Gambar 3.16.
Gambar 3.18 Sudu kincir angin Savonius p. Pemasangan freewheell pada bantalan Savonius, q. Pengelasan freewheel pada pipa besi.
r. Perangkaian kincir angin giromill dan kincir angin Savonius.
3.6 Bentuk Kincir Angin
Kincir angin yang digunakan dalam penelitian ini adalah kincir angin kombinasi giromill dengan sudu airfoil NACA 0020 dan Savonius dua tingkat bentuk turbin dapat dilihat pada Gambar 3.17.
Gambar 3.17 Kincir angin kombinasi giromill dengan sudu airfoil NACA 0020 dan Savonius dua tingkat
3.7 Variabel Penelitian
Variabel penelitian yang digunakan adalah:
Variasi sudut kemiringan sudu kincir angin giromill dengan sudut kemiringan sebesar 0°, 5°, dan 10°.
Variabel yang dicatat adalah:
a. Kecepatan angin (m/s).
b. Kecepatan putar kincir angin (rpm).
c. Beban pengimbang (N).
3.8 Langkah Pengambilan Data
Pengambilan data dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma proses pengambilan data dilakukan secara bergantian sesuai dengan variasi yang akan diteliti yaitu variasi sudut sudu pada setiap model kincir angin. Berikut skema pemasangan posisi kincir angin yang akan diteliti seperti pada Gambar 3.18.
Gambar 3.18 Skema pengujian kincir angin
Setelah kincir angin terpasang dengan benar, lakukan langkah pengujian sesuai dengan urutan sebagai berikut:
1. Menghubungkan mekanisme pengereman dengan poros kincir angin yang akan diuji.
2. Memasang neraca pegas seperti pada Gambar 3.18.
3. Memasang anemometer di depan kincir angin.
4. Menyalakan fan blower dan mengatur inverter pada fan blower hingga didapat angin dengan kecepatan 6,6 m/s. .
5. Untuk menambahkan pembebanan dilakukan dengan cara menahan tuas pengereman dengan menambah karet gelang sebagai pembeban.
6. Setelah semua sudah sesuai yang diinginkan lakukan pengambilan data.
7. Lakukan pengambilan data kecepatan poros kincir angin pada setiap penambahan beban, pengukuran dilakukan pada bagian poros kincir yang sudah diberi lakban aluminium foil dengan menggunakan tachometer.
8. Lakukan pengambilan data dari beban nol sampai beban maksimal.
3.9 Pengolahan Data
Setelah melakukan penelitian, data yang didapat adalah kecepatan angin, gaya pengimbang, putaran poros kincir angin dan daya angin masukan kincir angin yang kemudian diolah untuk menghitung kecepatan sudut poros, beban torsi, keluaran daya mekanis. Dari data tersebut, didapat Tip speed ratio () dan koefisien daya (CP) beserta hubungan dan nilai maksimal dari kedua data tersebut untuk masing-masing variasi.
36
BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Hasil Penelitian
Data hasil pengujian model kincir angin kombinasi giromill dengan penampang sudu airfoil NACA 0020 dan Savonius dua tingkat variasi sudut kemiringan sudu. Data yang didapat meliputi kecepatan angin dalam satuan m/s, kecepatan putar poros kincir (rpm), dan beban pengimbang (N).
Tabel 4.1 Data pengujian kincir angin tipe giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° dengan kecepatan angin 6,6 m/s.
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
1 0 0 319
2 0 0 318
3 0 0 318
4 50 0,49 301
5 50 0,49 299
6 50 0,49 299
7 100 0,98 285
8 100 0,98 287
9 100 0,98 286
10 200 1,96 263
Tabel 4,1 Data pengujian kincir angin tipe giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° dengan kecepatan angin 6,6 m/s (lanjutan).
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
11 200 1,96 262
12 200 1,96 260
13 250 2,45 250
14 250 2,45 252
15 250 2,45 249
16 300 2,94 244
17 300 2,94 244
18 300 2,94 243
19 350 3,43 232
20 350 3,43 233
21 350 3,43 235
22 400 3,92 224
23 400 3,92 223
24 400 3,92 225
25 450 4,41 202
26 450 4,41 203
27 450 4,41 202
28 500 4,91 174
Tabel 4,1 Data pengujian kincir angin tipe giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° dengan kecepatan angin 6,6 m/s (lanjutan).
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
29 500 4,91 172
30 500 4,91 175
Tabel 4.2 Data pengujian kincir angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° dengan kecepatan angin 6,6 m/s.
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
1 0 0,00 293
2 0 0,00 291
3 0 0,00 294
4 50 0,49 275
5 50 0,49 277
6 50 0,49 278
7 100 0,98 267
8 100 0,98 266
9 100 0,98 267
10 150 1,47 260
11 150 1,47 261
Tabel 4.2 Data pengujian kincir angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° dengan kecepatan angin 6,6 m/s (lanjutan).
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
12 150 1,47 260
13 200 1,96 247
14 200 1,96 246
15 200 1,96 245
16 250 2,45 242
17 250 2,45 241
18 250 2,45 241
19 300 2,94 228
20 300 2,94 226
21 300 2,94 228
22 350 3,43 218
23 350 3,43 219
24 350 3,43 217
25 400 3,92 205
26 400 3,92 205
27 400 3,92 206
28 450 4,41 176
29 450 4,41 177
Tabel 4.2 Data pengujian kincir angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° dengan kecepatan angin 6,6 m/s (lanjutan).
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
30 450 4,41 175
Tabel 4.3 Data pengujian kincir angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 10° dengan kecepatan angin 6,6 m/s.
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
1 0 0,00 189
2 0 0,00 187
3 0 0,00 192
4 30 0,29 180
5 30 0,29 182
6 30 0,29 180
7 50 0,49 172
8 50 0,49 173
9 50 0,49 171
10 80 0,78 162
11 80 0,78 161
12 80 0,78 163
Tabel 4.3 Data pengujian kincir angin giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 10° dengan kecepatan angin 6,6 m/s (lanjutan).
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
13 100 0,98 155
14 100 0,98 156
15 100 0,98 159
16 120 1,18 152
17 120 1,18 153
18 120 1,18 152
19 150 1,47 148
20 150 1,47 151
21 150 1,47 150
22 180 1,77 140
23 180 1,77 141
24 180 1,77 140
25 200 1,96 131
26 200 1,96 130
27 200 1,96 131
28 250 2,45 90
29 250 2,45 88
30 250 2,45 88
Tabel 4.4 Data pengujian kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° pada kecepatan angin 6,6 m/s.
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
1 0 0,00 281
2 0 0,00 282
3 0 0,00 282
4 50 0,49 277
5 50 0,49 276
6 50 0,49 276
7 100 0,98 264
8 100 0,98 260
9 100 0,98 264
10 150 1,47 248
11 150 1,47 247
12 150 1,47 247
13 200 1,96 234
14 200 1,96 237
15 200 1,96 238
16 250 2,45 224
17 250 2,45 226
18 250 2,45 228
Tabel 4.4 Data pengujian kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° pada kecepatan angin 6,6 m/s (lanjutan).
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
19 300 2,94 213
20 300 2,94 211
21 300 2,94 212
22 350 3,43 179
23 350 3,43 179
24 350 3,43 180
25 400 3,92 156
26 400 3,92 155
27 400 3,92 156
28 450 4,41 128
29 450 4,41 127
30 450 4,41 128
Tabel 4.5 Data pengujian kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° pada kecepatan angin 6,6 m/s.
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
1 0 0,00 272
Tabel 4.5 Data pengujian kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° pada kecepatan angin 6,6 m/s (lanjutan).
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
2 0 0,00 269
3 0 0,00 269
4 50 0,49 253
5 50 0,49 251
6 50 0,49 252
7 100 0,98 240
8 100 0,98 240
9 100 0,98 238
10 150 1,47 233
11 150 1,47 232
12 150 1,47 231
13 200 1,96 214
14 200 1,96 214
15 200 1,96 215
16 250 2,45 199
17 250 2,45 197
18 250 2,45 197
19 300 2,94 178
Tabel 4.5 Data pengujian kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 5° pada kecepatan angin 6,6 m/s (lanjutan).
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
20 300 2,94 178
21 300 2,94 177
22 330 3,24 151
23 330 3,24 152
24 330 3,24 151
25 350 3,43 129
26 350 3,43 129
27 350 3,43 124
28 400 3,92 98
29 400 3,92 96
30 400 3,92 97
Tabel 4.6 Data pengujian kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 10° pada kecepatan angin 6,6 m/s.
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
1 0 0,00 225
2 0 0,00 226
Tabel 4.6 Data pengujian kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 10° pada kecepatan angin 6,6 m/s (lanjutan).
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
3 0 0,00 226
4 50 0,49 206
5 50 0,49 208
6 50 0,49 207
7 80 0,78 196
8 80 0,78 195
9 80 0,78 197
10 100 0,98 183
11 100 0,98 185
12 100 0,98 187
13 120 1,18 179
14 120 1,18 178
15 120 1,18 178
16 150 1,47 170
17 150 1,47 171
18 150 1,47 171
19 180 1,77 156
20 180 1,77 157
Tabel 4.6 Data pengujian kincir angin kombinasi giromill dan Savonius dengan variasi sudut kemiringan sudu 10° pada kecepatan angin 6,6 m/s (lanjutan).
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
21 180 1,77 159
22 200 1,96 142
23 200 1,96 147
24 200 1,96 142
25 230 2,26 122
26 230 2,26 124
27 230 2,26 121
28 250 2,45 109
29 250 2,45 106
30 250 2,45 105
Tabel 4.7 Data pengujian kincir angin tipe Savonius dengan kecepatan angin 6,6 m/s.
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
1 0 0,00 340
2 0 0,00 340
3 0 0,00 338
Tabel 4.7 Data pengujian kincir angin tipe Savonius dengan kecepatan angin 6,6 m/s (lanjutan).
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
4 20 0,20 223
5 20 0,20 230
6 20 0,20 228
7 30 0,29 184
8 30 0,29 190
9 30 0,29 183
10 40 0,39 138
11 40 0,39 142
12 40 0,39 140
13 50 0,49 113
14 50 0,49 113
15 50 0,49 112
16 60 0,59 77
17 60 0,59 75
18 60 0,59 77
19 70 0,69 67
20 70 0,69 64
Tabel 4.7 Data pengujian kincir angin tipe Savonius dengan kecepatan angin 6,6 m/s (lanjutan).
No.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir, n
(gram) (N) (rpm)
21 70 0,69 62
22 80 0,78 45
23 80 0,78 46
24 80 0,78 42
25 90 0,88 36
26 90 0,88 34
27 90 0,88 36
28 100 0,98 25
29 100 0,98 22
30 100 0,98 21
4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan
Data yang diperoleh akan diolah dengan melakukan beberapa perhitungan untuk memperoleh nilai dari torsi kincir angin, kecepatan sudut kincir angin, daya angin, daya kincir angin, tip speed ratio dan koefisien daya. Sampel data sebagai contoh perhitungan diambil dari Tabel 4.4 baris nomor 7 dengan menggunakan beberapa asumsi untuk mempermudah dalam perhitungan. Diasumsikan massa jenis udara 1,18 kg/m3, lengan torsi 0,2 m, luas tangkapan angin 0,62 m2 dan kecepatan angin rata-rata 6,6 m/s.
4.2.1 Menghitung Beban Torsi
Besar Torsi yang dihasilkan oleh kincir angin dapat dicari dengan mengetahui beban terukur pada neraca pegas dan panjang lengan torsi menggunakan Persamaan 2.5.
𝑇 = 𝐹. ℓ
𝑇 = ( 0,98 𝑁 ). ( 0,20 𝑚) 𝑇 = 0,196 N.m
Jadi, berdasarkan data hasil perhitungan, maka besar beban torsi yang dapat dihasilkan adalah 0,196 N.m.
4.2.2 Menghitung Kecepatan Sudut Kincir Angin
Dengan diketahui putaran kincir sebesar 264 rpm maka kecepatan sudut dapat dihitung dengan Persamaan 2.7.
⍵ = 𝑛 2𝜋
60
⍵ = 264 𝑟𝑝𝑚 .2𝜋60
⍵ = 27,65 rad/s
Jadi, berdasarkan data hasil perhitungan, maka besar kecepatan sudut kincir angin yang dapat dihasilkan adalah 27,65 rad/s.
4.2.3 Menghitung Daya Angin
Dengan diketahui massa jenis udara 1,18 kg/m3, luas tangkapan angin 0,62 m2 dan kecepatan angin 6,6 m/s maka nilai daya angin dapat dihitung dengan Persamaan 2.4.
Pin = 12. 𝜌. 𝐴. 𝑣3
Pin = 12 (1,18 kg/m3).(0,6225 m2).(6,6 m/s)3
Pin = 105,59 watt
Jadi, berdasarkan data hasil perhitungan, maka besar daya angin yang dapat dihasilkan adalah 105,59 watt.
4.2.4 Menghitung Daya Kincir Angin
Dengan mengetahui Torsi sebesar 0,196 N.m dan kecepatan sudut 27,65 rad/s maka daya yang dihasilkan dari kincir angin bisa dicari menggunakan Persamaan 2.6.
Pout = 𝑇. 𝜔
Pout = ( 0,196 N. m ). ( 27,65 rad/s ) Pout = 5,42 watt
Jadi, berdasarkan data hasil perhitungan, maka besar daya kincir angin yang dapat dihasilkan adalah 5,42 watt.
4.2.5 Menghitung Tip Speed Ratio
Dengan mengetahui kecepatan sudut sebesar 27,65 rad/s, kecepatan angin sebesar 6,6 m/s dan jari-jari kincir sebesar 0,375 m maka tip speed ratio (TSR) dapat dihitung dengan Persamaan 2.8.
𝜆 = 𝜔 . 𝑟 𝑣
𝜆 = (27,65 𝑟𝑎𝑑/𝑠). (0,375 𝑚) 6,6 𝑚/𝑠
𝜆 = 1,57
Jadi, berdasarkan data hasil perhitungan, maka besar tip speed ratio yang dapat dihasilkan adalah 1,57.
4.2.6 Menghitung Koefisen Daya
Dengan diketahui daya angin sebesar 105,59 watt dan daya kincir angin sebesar 5,42 watt maka nilai koefisien daya dapat dihitung dengan Persamaan 2.9.
Cp
=
𝑃𝑜𝑢𝑡𝑃𝑖𝑛 100%Cp
=
5,42 𝑤𝑎𝑡𝑡105,59 𝑤𝑎𝑡𝑡 100%
Cp = 5,14 %
Jadi, berdasarkan data hasil perhitungan, maka besar koefisien daya yang dapat dihasilkan adalah 5,14 %.
4.3 Data Hasil Perhitungan
Setelah melakukan perhitungan, parameter yang didapat kemudian diolah menggunakan software Microsoft Excel untuk mendapatkan grafik hubungan antara kecepatan putaran poros kincir angin (rpm) dengan torsi (T) dan koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio (λ). Berikut hasil perhitungan data yang nampak pada Tabel 4.8, Tabel 4.9, Tabel 4.10, Tabel 4.11, Tabel 4.12, Tabel 4.13 dan Tabel 4.14.
Tabel 4.8 Hasil perhitungan kincir angin tipe giromill dengan variasi sudut kemiringan sudu 0° dengan kecepatan angin 6,6 m/s.
No.
Beban torsi, T
Kecepatan sudut, ꙍ
Daya angin,
Pin
Daya output,
Pout
Tip Speed Ratio, λ
Koef. Daya, Cр
(N.m) (rad/s) (watt) (watt) (%)
1 0,000 33,41 105,59 0,00 1,90 0,00
2 0,000 33,30 105,59 0,00 1,89 0,00
3 0,000 33,30 105,59 0,00 1,89 0,00
4 0,098 31,52 105,59 3,09 1,79 2,93
5 0,098 31,31 105,59 3,07 1,78 2,91
6 0,098 31,31 105,59 3,07 1,78 2,91
7 0,196 29,85 105,59 5,86 1,70 5,55
8 0,196 30,05 105,59 5,90 1,71 5,58
