UNJUK KERJA TIGA VARIASI UKURAN MODEL KINCIR ANGIN SAVONIUS DENGAN LUAS FRONTAL 4320 CM

(1)

UNJUK KERJA TIGA VARIASI UKURAN

MODEL KINCIR ANGIN SAVONIUS

DENGAN LUAS FRONTAL 4320 CM

2

TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin

Diajukan oleh :

TUMBUR SAHALA TUA NIM : 075214033

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

(2)

PERFORMANCE OF THREE VARIATIONS SIZE

SAVONIUS WIND TURBINE

WITH 4320 CM

2

FRONTAL AREA

FINAL PROJECT

As partial fulfillment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree

Mechanical Engineering Study Program Mechanical Engineering Department

by

TUMBUR SAHALA TUA Student Number : 075214033

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA

(3)

UNJUK KERJA TIGA VARIASI

TTKURAN

MODEL

KINCIR

ANGIN

SAYONTUS

(4)

I]NJUK KERJA TIGA VARIASI UKURAN

MODEL

KINCIR

ANGIN

SAVONIUS

DENGAN LUAS FRONTAL

4320 CM2

Yang dipersiapkan dan disusun oleh:

NAMA

: TUMBUR SAHALA TUA

NIM

:075214033

Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji

pada tanggal 23 Juni 2011

Susunan Dewan Penguji

Nama Lengkap

: Budi Setyahandanq S.T.,M.T.

Anggota : Ir. Rines, M.T.

Tugas Akhir ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan

untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Yogyakarta, 29 Juli 201 I Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta

Tanda tangan

W

4*

do

_g&-/

"r$*t

(5)

PERI\YATAAN KEASLIAN

TUGAS

AKIIIR

Dengan

ini

saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa dalam Tugas Akhir denganjudul:

UNJUK KERJA TIGA VARIASI UKURAN MODEL KINCIR ANGIN

SAVONIUS DENGAII LUAS FRONTAL 4320 CM2

Yang dibuat untuk melengkapi persyaratan yang wajib ditempuh untuk menjadi

Sarjana Teknik pada Program Strata-l, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan

Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan dari tugas akhir yang sudah dipublikasikan di Universitas Sanata Dharma maupun

di

Perguruan Tinggi manapun. Kecuali bagian informasinya

dicantumkan dalam daftar pustaka.

Dibuat

di

: Yogyakarta

Pada tanggal :29 Juli 2011 Penulis

ffi

(6)

INTISARI

Untuk mengurangi pemakaian energi fosil sebagai pendukung dalam kehidupan manusia diperlukan energi alternatif yang terbarukan dan ramah lingkungan. Salah satu energi yang dapat dikembangkan yaitu energi angin.

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengembangkan unjuk kerja model kincir angin Savonius dengan luas frontal 4320 cm2 dengan tiga variasi ukuran. Model pertama dengan diameter 60 cm dan tinggi 72 cm, model kedua dengan diameter 65,7 cm dan tinggi 65,7 cm, dan yang ketiga dengan diameter 72 cm dan tinggi 60 cm. Setiap kincir angin diuji untuk mengetahui torsi, daya kincir, dan koefisien daya.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa koefisien daya maksimal tertinggi diperoleh pada model kincir pertama, yaitu 36 % pada tip speed ratio (tsr) 1,11, menghasilkan daya 27,63 watt pada kecepatan angin 6,50 m/s dengan torsi 1,03 Nm. Kincir model kedua menghasilkan koefisien daya maksimal 32 % pada tip speed ratio 0,95, menghasilkan daya 23,42 watt pada kecepatan angin 6,63 m/s dengan torsi 1,22 Nm. Kincir model ketiga menghasilkan koefisien daya maksimal 33 % pada tip speed ratio 1,01, menghasilkan daya 22,26 watt pada kecepatan angin 6,43 m/s dengan torsi 1,24 Nm.

(7)

ABSTRACT

The alternative renewable and environmental friendly energy is needed to reduce the consumption of fossil energy which is functioned as a supporter of human life. One of the energy which can be developed is wind energy.

The purpose of the study was to develop the performance of Savonius windmill model which has 4320 cm2 frontal area and three various sizes. The first model a has 60 cm diameter and 72 cm hight. The second one has 65,7 cm diameter and 65,7 cm hight. The third one has 72 cm diameter and 60 cm hight. Each windmill was tested to determine the torque, power turbines, and power coefficiency.

The result of the research indicated that the highest maximum coefficient power had been obtained from the model of the first windmill. i.e. 36 percentages at the tip speed ratio (tsr) 1,11, 27,63 watts of generated power at wind speed of 6,50 m/s with a torque of 1,03 Nm. Meanwhile, the model of the second windmill produced coefficient power maximized at 32 percentages for the tip speed ratio of 0,95 and 23,42 watts of generated power at wind speed of 6,63 m/s with a torque of 1,22 Nm. Lastly, the third one produed maximum coefficient power for 33 percentages at the tip speed ratio of 1,01 and 22,26 watts of generated power at wind speed of 6,43 m/s with a torque of 1,24 Nm.

(8)

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUruAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Tumbur Sahala Tua

Nomor

Mahasiswa

: 075214033

Demi pengembangan ilmu pengetahuan,

sy&

memberikan kepada Perpustakaan

Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

T]NJUK KERJA TIGA VARIASI UKURAN MODEL KINCIR AI\GIN

SAVONilUS DENGAII LUAS FRONTAL 4320

C#

Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan

mempublikasikannya di Internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa

perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalty kepada saya selamatetap

mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenamya.

Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal

:

29 Juli 2011

Yang menyatakan

(9)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yesus Kristus karena rahmat yang diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga penulis dapat menyelesaikan

tugas akhir ini dengan baik.

Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Tugas Akhir ini dilaksanakan dalam rangka

memenuhi syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Berkat bimbingan, dukungan dan nasihat dari berbagai pihak, akhirnya Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang

sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., selaku Dekan Fakultas Sains dan

Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Bapak Budi Sugiharto, S.T., M.T., Ketua Program Studi Teknik Mesin

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Bapak Ir. Rines.,M.T., Dosen pembimbing Tugas Akhir.

4. RB. Dwiseno Wihadi, S.T., M.si., selaku Dosen pembimbing akademik. 5. Kepala Laboratorium Konversi Energi, Bapak Ir. YB. Lukiyanto, M.T., untuk

dukungan dan saran yang penulis dapatkan.

6. Bapak Morsin Marbun dan Ibu Emmy Munthe selaku orang tua penulis,

(10)

Keluarga penulis, yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah mendukung penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

7. Rekan sekelompok yaitu Kasianto dan Dian Afril Ganda Sinaga, yang telah

membantu dalam perancangan, pembuatan, perbaikan alat dan pengambilan

data.

8. Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2007 Universitas Sanata Dharma dan

teman-teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih

atas segala bantuanya.

Penulis menyadari dalam penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna.

Segala kritik dan saran yang membangun akan sangat penulis harapkan demi penyempurnaan dikemudian hari. Akhir kata seperti yang penulis harapkan semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.

Yogyakarta, 29 Juli 2011

(11)

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

TITLE PAGE ... ii

HALAMAN PERSETUJUAN ... iii

HALAMAN PENGESAHAN ... iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v

INTISARI ... vi

ABSTARCT ... vii

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN ... viii

KATA PENGANTAR ... ix

DAFTAR ISI ... xi

DAFTAR GAMBAR ... xiv

DAFTAR TABEL ... xv

DAFTAR LAMPIRAN ... xvi

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Batasan Masalah... 2

1.4 Metodologi ... 3

1.5 Tujuan Tugas Akhir ... 4

1.6 Manfaat Penelitian ... 4

(12)

2.1 Konsep Dasar Angin ... 6

2.1.1 Jenis-jenis Angin ... 7

2.2 Kincir Angin ... 10

2.2.1 Kincir Angin Poros Vertikal ... 11

2.2.2 Kincir Angin Poros Horizontal ... 11

2.3 Gaya yang bekerja Pada Sudu Kincir Angin... 12

2.3.1 Gaya Angkat... 12

2.3.2 Gaya Hambat ... 12

2.4 Dasar-dasar Perhitungan Kincir Angin Savonius ... 13

2.4.1 Energi Kinetik Angin ... 13

2.4.2 Perhitungan Torsi dan Daya ... 14

2.4.2.1 Torsi Kincir Angin ... 15

2.4.2.2 Daya Kincir Angin ... 15

2.4.3 Tip speed ratio ... 16

2.4.4 Koefisien Daya ... 17

BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Peralatan dan Bahan ... 18

3.2 Variabel Penelitian ... 25

3.3 Variabel yang Diukur ... 26

3.4 Parameter yang dihitung ... 26

3.5 Langkah Penelitian ... 28

BAB IV DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Penelitian ... 31

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan ... 36

4.2.1 Perhitungan Daya Angin ... 36

(13)

4.2.3 Perhitungan Daya Kincir ... 39

4.2.4 Perhitungan tip speed ratio ... 40

4.2.5 Perhitungan Koefisien Daya ... 41

4.3 Hasil dan Pembahasan... 42

4.3.1 Grafik Torsi Terhadap Putaran Poros dan Daya Kincir ... 48

4.3.2 Grafik Koefisien Daya terhadap tip speed ratio ... 50

4.4 Pembahasan ... 52

BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ... 54

5.2 Saran ... 55

DAFTAR PUSTAKA

(14)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Peta potensi Angin Indonesia ... 7

Gambar 2.2 Angin Laut dan Angin Darat ... 9

Gambar 2.3 Angin Lembah dan Angin Gunung ... 10

Gambar 2.4 Kincir Angin Poros Horizontal dan Mendatar ... 11

Gambar 3.1 Kincir Angin Savonius ... 18

Gambar 3.2 Poros Kincir Angin... 19

Gambar 3.3 Sudu Kincir Angin ... 20

Gambar 3.4 Penahan Sudu Kincir Angin ... 20

Gambar 3.5 Dudukan Sudu Kincir Angin ... 21

Gambar 3.6 Wind Tunnel ... 22

Gambar 3.7 Fan Blower ... 22

Gambar 3.8 Anemometer ... 23

Gambar 3.9 Neraca Pegas ... 23

Gambar 3.10 Rangkaian Beban Lampu ... 24

Gambar 3.11 Generator ... 24

Gambar 3.12 Takometer... 25

Gambar 3.13 Susunan Pengujian ... 27

Gambar 3.14 Posisi Kincir ... 28

Gambar 3.15 Posisi Anemometer ... 28

Gambar 4.1 Grafik Betz ... 47

Gambar 4.2 Grafik Torsi Terhadap Putaran Poros dan Daya Kincir ... 48

Gambar 4.5 Grafik Koefisien Daua Terhadap tip speed ratio ... 50

Gambar 4.6 Grafik Koefisien Daua Terhadap tip speed ratio ... 51

(15)

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Ukuran Variasi Kincir Angin ... 21

Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian Kincir Variasi Pertama ... 32

Tabel 4.2 Data Hasil Pengujian Kincir Variasi Kedua ... 33

Tabel 4.3 Data Hasil Pengujian Kincir Variasi Ketiga ... 35

Tabel 4.4 Data Hasil Perhitungan Kincir Variasi Pertama ... 42

Tabel 4.5 Data Hasil Perhitungan Kincir Variasi Kedua ... 44

(16)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Tabel Sifat Umum Udara

Lampiran 2 Gambar Proses Pembuatan Kincir

Lampiran 3 Gambar Posisi Kincir di Dalam Wind Tunnel

(17)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang Masalah

Energi sudah menjadi kebutuhan dalam kehidupan manusia seluruh aktivitas manusia dewasa ini tidak terlepas dari energi. Meningkatnya pemakaian

energi membuat kita beralih ke energi alternatif. Disamping itu juga penggunaan energi fosil dapat menyebabkan pemanasan global. Ketergantungan terhadap

energi fosil membuat ancaman terhadap lingkungan hidup akibat pemakaian energi yang berlebihan, beberapa contoh dapat kita lihat peningkatan suhu, mencairnya es di kutup utara dan pendangkalan laut. Untuk itu diperlukan

penggunaan sumber energi baru yang terbarukan dan ramah lingkungan.

Potensi sumber daya energi terbarukan seperti matahari, angin dan air,

secara prinsip memang dapat diperbarui karena selalu tersedia di alam. Namun kenyataanya potensi yang dapat dimanfaatkan adalah terbatas tidak disetiap daerah dan setiap waktu dapat diterapkan. Sumber daya energi terbarukan sampai

saat ini belum dapat menggantikan kedudukan sumber daya energi fosil sebagai bahan baku produksi energi listrik. Oleh sebab itu energi terbarukan ini lebih tepat

sebagai sumber energi tambahan untuk memenuhi peningkatan energi fosil serta menghambat atau mengurangi peranan sumber daya energi fosil. Di Indonesia, potensi sumber energi terbarukan banyak dimiliki. Beberapa diantaranya bisa

(18)

Untuk pemanfaatan energi angin, dapat diterapkan di daerah pantai dan daerah yang memiliki kecepatan angin yang relatif konstan. Secara garis besar

pemanfaatan energi angin dapat diterapkan pada kincir angin Savonius, pada prosesnya energi kinetik angin kemudian dikonversikan oleh suatu kincir angin

untuk dijadikan energi mekanik sebagai penggerak poros, dengan menggunakan sudu sebagai penangkap anginnya.

Untuk itu pada tugas akhir ini dilakukan pembuatan dan penelitian unjuk

kerja model kincir angin Savonius dengan luas frontal 4320 cm2 dan tiga variasi ukuran. Diharapkan setelah terciptanya alat ini dapat diketahui koefisien daya maksimal yang dihasilkan kincir dari ketiga variasi ukuran sebagai acuan untuk

penelitian selanjutnya dengan variasi dan ukuran yang lain untuk mengembangkan penelitian di bidang energi terbarukan yang ramah lingkuangan.

1.2 Rumusan Masalah

Dalam tugas akhir ini proses penelitian dari ketiga model kincir angin di

teliti di dalam terowongan angin, dari hasil pengujian diharapkan dapat diperoleh data dari ketiga model kincir angin untuk mengetahui daya maksimal yang dihasilkan kincir dan koefisien daya dari masing-masing variasi ukuran yang

kemudian dibandingkan dengan ukuran kincir.

1.3 Batasan Masalah

Dalam penulisan sikripsi ini, untuk mendapatkan pembahasan yang terarah

(19)

1. Kincir angin yang digunakan adalah kincir angin berporos vertikal tipe

Savonius dengan luas frontal 4320 cm2 dengan tiga variasi ukuran.

2. Sudu masing-masing kincir angin adalah empat dengan variasi dua tingkat.

3. Tidak membahas mengenai proses pembuatan kincir angin dan biaya

pembuatan.

4. Lokasi pengambilan data dilakukan di laboratorium Universitas Sanata

Dharma.

5. Dalam penelitian ini maksimal kecepatan angin yang dihasilkan

tergantung pada kecepatan blower pada terowongan angin. 6. Temperatur udara sekitar hanya pada lokasi pengambilan data.

7. Penelitian ini hanya menghitung torsi, daya yang dihasilkan kincir, tip

speed ratio, dan koefisien daya.

8. Kincir angin ini diteliti untuk mencari koefisien daya kincir yang terbaik

dari ketiga variasi ukuran.

1.4 Metodologi

Metodologi yang dilakukan dalam pelaksanaan tugas akhir ini adalah :

1. Studi Literatur

Mencakup pemahaman secara teoritis tentang konsep kerja angin dan kincir angin.

2. Sintesis

(20)

3. Pengujian

Meliputi pengambilan data kincir angin seperti kecepatan angin, suhu,

putaran poros dan gaya torsi. 4. Pembahasan

Membahas data-data yang diperoleh dari hasil penelitian. 5. Penyusunan sikripsi

Penyusunan sikripsi dibuat secara tertulis sebagai dokumentasi hasil

pengujian secara lengkap.

1.5 Tujuan Tugas Akhir

Tujuan dari penelitian kincir angin Savonius adalah :

1. Untuk mengetahui ukuran variasi kincir yang menghasilkan daya dan

koefisien daya tertinggi.

2. Mengetahui ukuran kincir mana yang menghasilkan daya dan torsi

tertinggi.

3. Mengetahui hubungan antara ukuran sudu dengan koefisien daya dan daya

yang dihasilkan kincir.

1.6Manfaat Tugas Akhir

Manfaat dari tugas akhir ini adalah :

1. Manfaat bagi peneliti :

a. Mampu membuat kincir angin Savonius yang digunakan untuk

(21)

b. Menerapkan ilmu pengetahuan yang didapatkan dibangku kuliah

terutama yang berkaitan dengan kincir angin. 2. Manfaat bagi ilmu pengetahuan :

a. Sebagai bahan mempelajari dan memahami teknologi energi angin

sebagai salah satu energi terbarukan.

b. Mengembangkan teknologi kincir angin sebagai salah satu sumber

energi alternatif yang ramah lingkungan.

3. Manfaat bagi Pemerintah, dapat dijadikan sebagai masukan untuk

pembangkit listrik tenaga angin dan dimanfaatkan untuk kepentingan

(22)

BAB II

DASAR TEORI

2.1Konsep Dasar Angin

Energi angin merupakan energi terbarukan yang tidak ada batasnya dengan menggunakan beberapa peralatan energi angin dapat digunakan untuk mendukung

kehidupan manusia.

Angin adalah udara yang bergerak, terjadi karena adanya perbedaan suhu

antara udara yang bergerak dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah. Perbedaan suhu ini disebabkan oleh adanya pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari. Sehingga pada setiap tempat dipermukaan bumi suhu

udara tidak sama, inilah yang dimaksut dengan perbedaan suhu udara disuatu tempat dengan tempat yang lain.

Udara yang bersuhu tinggi akan mengembang sehingga tekanan udara

akan menjadi ringan, karena tekanan udara ringan maka udara panas akan naik ke atas bergerak ke daerah lebih dingin. Sedangkan udara yang bersuhu rendah akan

mengalami kompresi, lalu tekanannya akan naik sehingga udara ini akan bergerak turun ke permukaan bumi. Karena perbedaan suhu lalu mengakibatkan perbedaan tekanan antara udara yang bergerak dari tempat yang bertekanan tinggi menuju ke

(23)

Adapun data kecepatan rata-rata angin di Indonesia dapat dilihat pada Gambar 2.1

Gambar 2.1 kecepatan angin rata-rata Indonesia (sumber :

http://konversi.wordpress.com/, november 2008)

Dari Gambar 2.1 dapat dilihat bahwa daerah yang memiliki kecepatan

angin rata-rata terbesar adalah daerah Nusa Tenggara, 5,5-6,5 m/s. Sedangkan pulau-pulau besar di Indonesia, seperti Sumatera, Kalimantan, Jawa, Sulawesi dan Papua hanya memiliki kecepatan angin rata-rata antara 2,7 – 4,5 m/s. Kecepatan

angin pada daerah di Indonesia memang relatif lebih kecil dari daerah-daerah konsumen energi angin seperti Finlandia, Belanda, dan Amerika Serikat.

2.1.1 Jenis-jenis Angin

Secara garis besar angin dapat dibagi menjadi dua yaitu Angin planetary

dan Angin Lokal.

1. Angin Planetary

Angin planetary disebabkan oleh pemanasan yang lebih besar pada permukaan

(24)

menerima sinar matahari daripada daerah kutup, hal ini yang menyebabkan udara yang panas naik mengalir ke atas atmosfir menuju kutub. Sedangkan udara dingin

dari kutub mengalir ke daerah tropis lewat permukaan bumi.

2. Angin Lokal

Angin lokal berskala harian dapat dibagi menjadi dua yaitu angin darat dengan angin laut, dan angin lembah dan angin gunung.

1. Angin darat dengan angin laut

Angin darat dan angin laut sangat dipengaruhi oleh perbedaan fisis antara daratan dan lautan. Perbedaan fisis tersebut dapat dilihat seperti berikut ini :

a. Laut memiliki kapasitas panas lebih besar dari darat.

b. Laut lebih banyak memantulkan sinar matahari daripada darat.

c. Energi matahari dapat masuk kedalam laut sampai kedalaman yang

cukup dalam dengan bantuan arus, sedangkan di darat, energi matahari hanya dapat masuk beberapa centimeter saja.

Dari perbedaan perbedaan sifat fisis tersebut, maka jelas terlihat bahwa darat akan lebih cepat panas di siang hari jika dibandingkan dengan laut, dan sebaliknya, dimalam hari, darat akan lebih cepat dingin daripada laut. Secara

singkat, darat lebih cepat menyimpan panas, dan juga lebih cepat melepaskan panas.

(25)

daripada tekanan udara di atas laut. Menuruti sifat udara yang bergerak dari tekanan yang lebih tinggi menuju tekanan yang lebih rendah, maka udara akan

bergerak dari laut ke darat. Inilah yang disebut angin laut.

Sedangkan pada malam hari, udara di atas daratan akan lebih dingin daripada

udara diatas lautan. Tekanan udara di atas daratan menjadi lebih tinggi daripada tekanan udara di atas laut. Sehingga angin berhembus dari darat ke laut. Inilah yang disebut angin darat.

Angin laut biasanya berhembus mulai sekitar pukul 10.00, dan mencapai maksimal pada pukul 14.00. Setelah melewati pukul 14.00 angin akan menurun

hingga pukul 20.00. Lalu akan digantikan oleh angin darat. Kekuatan angin darat dan laut sendiri sangat dipengaruhi oleh perbedaan suhu antara laut dan darat. Semakin besar perbedaan suhunya, maka kekuatan angin akan semakin besar.

Di Indonesia sendiri, angin laut dapat terjadi sepanjang tahun. Berbeda dengan Negara Negara di lintang menengah dan tinggi. Walaupun di Indonesia pengaruh

angin musim cukup besar, tetapi pengaruh angin laut masih bisa dirasakan. Seperti nelayan yang memanfaatkan angin darat untuk pergi melaut, dan angin laut untuk pulang ke daratan.

(26)

2. Angin lembah dan angin gunung

Berbeda dengan angin darat dan angin laut, angin lembah dan angin gunung

lebih dikarenakan perbedaan tekanan udara antara puncak pegunungan / gunung, dengan lembahnya. Pada malam hari, puncak gunung akan lebih dingin dari lembahnya, sehingga angin bergerak dari puncak menuju lembah atau tanah yang

lebih rendah. Inilah yang disebut angin gunung. Sedangkan di siang hari, kondisi lereng lereng gunung dan puncak gunung yang di sinari matahari, akan menjadi

lebih panas dari daerah lembah, sehingga angin bergerak dari lembah menuju tempat tempat yang lebih tinggi. (sumber : http://harirustianto.blogspot.com/)

Gambar 2. 3 Angin lembah dan angin gunung. (sumber :

http://zakroz.blogspot.com)

2.2Kincir Angin

Secara umum pada prinsipnya cara kerja kincir angin adalah mengubah energi

mekanis dari angin menjadi energi putar pada kincir. Berdasarkan kedudukan poros terhadap permukaan tanah kincir angin dikelompokkan menjadi dua yaitu:

1. Kincir angin poros vertikal.

(27)

2.2.1 Kincir Angin Poros Vertikal

Kincir angin dengan rotor tegak lurus dengan permukaan tanah disebut

dengan kincir angin poros tegak (vertical-axis wind turbine/VAWT). Kincir angin poros tegak dapat dapat menerima angin dari segala arah. Satu jenis yang paling terkenal dari kincir angin poros vertikal ini adalah kincir angin Savonius yang

pada awalnya dikembangkan di Finlandia.

2.2.2 Kincir Angin Poros Horizontal

Kincir angin dengan rotor paralel dengan permukaan tanah disebut juga dengan kincir angin poros mendatar (horizontal-axis wind turbine/HAWT).

Diperlukan peralatan tambahan agar kedudukan rotor dapat selalu searah dengan arah datangnya angin. Jika tidak, maka kincir angin ini tidak dapat memberikan efisiensi atau unjuk kerja yang maksimum pada saat arah datangnya angin

berubah-ubah. (Lukiyanto, Y.B : 2009)

Gambar 2. 2 sebelah kiri kincir angin poros mendatar, sebelah kanan kincir dengan poros tegak lurus dengan permukaan tanah (sumber :

(28)

Dari sekian banyak jenis kincir angin, dalam tugas akhir ini adalah adalah pengembangan dari kincir angin Savonius atau kincir angin bersumbu vertikal.

Pemilihan berdasarkan pertimbangan :

1. Bahan pembuatan kincir angin Savonius ini mudah diperoleh di pasaran. 2. Konstruksi kincir angin Savonius sederhana.

3. Kincir angin Savonius dapat beroperasi pada kecepatan angin yang rendah.

2.3 Gaya Yang Berkerja Pada Sudu Kincir Angin

Gaya yang berkerja pada sudu kincir angin ada dua yaitu gaya angkat (Lift force)dan gaya hambat (Drag force).

2.3.1 Gaya angkat (Lift force)

Gaya angkat (Lift force) banyak dibahas di teknologi pesawat terbang. Gaya angkat timbul karena adanya gerakan relatif antara sayap dengan udara yang

selanjutnya menimbulkan perbedaan tekanan antara sayap bagian atas dengan sayap bagian bawahnya. Perbedaan tekanan tersebut akan menyebabkan adanya gaya yang bekerja dari daerah yang bertekanan tinggi ke daerah yang bertekanan

rendah.

2.3.2 Gaya Hambat (Drag force)

Disamping menghasilkan gaya angkat pada teknologi pesawat terbang juga memberikan suatu gaya tahan (drag). Dalam dinamika fluida, gaya hambat (yang kadang-kadang disebut hambatan fluida atau hambatan seret) adalah gaya

(29)

atau gas). Bentuk gaya hambat yang paling umum tersusun dari sejumlah gaya gesek, yang bertindak sejajar dengan permukaan benda, plus gaya tekanan, yang

bertindak dalam arah tegak lurus dengan permukaan benda. (sumber:

http://id.wikipedia.org/wiki/Gaya_hambat)

2.4 Dasar-dasar Perhitungan Kincir Angin Savonius

Daya yang dihasilkan oleh kincir angin secara langsung tergantung pada

luas daerah yang disapu oleh sudu.

2.4.1 Energi Kinetik Angin

Sebagaimana diketehui energi yang terdapat pada angin adalah energi

kinetik dengan massa m dan kecepatan v dapat di hitung dengan rumus :

𝐸𝑘 = 0,5 𝑚 ∙ 𝑣2 (2.1)

Dengan :

𝐸𝑘 : Energi kinetic (Joule)

𝑚 : Kerapatan udara (kg)

𝑣 : Kecepatan angin (m/det)

Dengan demikian maka energi yang dapat dihasilkan per satuan waktu

adalah :

𝑃𝑎 = 0,5∙ 𝑚̇ ∙ 𝑣2 (2.2)

(30)

𝑃𝑎 : daya angin (watt)

𝑚̇ : massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu (kg/s)

dimana :

𝑚̇= 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣 (2.3)

Dengan :

A : Luas penampang melintang arus angin yang ditangkap oleh

kincir (m2)

𝜌 : kerapatan udara (kg/m3)

Dengan menggunakan persamaan (2.3), maka daya angin (Pa) dapat

dirumuskan menjadi :

𝑃_𝑎 = 0,5∙ 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣 ∙ 𝑣2 (2.4) disederhanakan menjadi :

𝑃_𝑎 = 0,5∙ 𝜌 ∙ 𝐴 ∙ 𝑣3 (2.5)

2.4.2 Perhitungan Torsi dan Daya

Tujuan dari tugas akhir ini adalah untuk mengetahui daya yang dihasilkan kincir angin dan koefisien daya yang dihasilkan kincir.

(31)

Torsi adalah perkalian vector antara jarak sumbu putar dengan gaya yang bekerja pada titik yang berjarak dari sumbu pusat. Dapat dirumuskan sebagai

berikut :

𝑇= 𝑟 ∙ 𝐹 (2.6)

Dengan :

𝑇 : torsi dihasilkan dari putaran poros (Nm)

𝐹 : gaya pada poros akibat puntiran (N)

𝑟 : jarak lengan ke poros (m)

2.4.2.2 Daya Kincir Angin

Dari hasil penelitian diketahui bahwa besarnya daya yang dihasilkan oleh

kincir (𝑃_𝑘) akan berbanding lurus dengan putaran poros (𝑛). Perhitungan daya

pada gerak melingkar pada umumnya dapat dituliskan sebagai berikut :

𝑃𝑘 = 𝑇 ∙ 𝜔 (2.7)

Dengan :

𝑇 : besarnya torsi (Nm)

𝜔 : kecepatan sudut (rad/sec)

Jika pada kincir angin besarnya kecepatan sudut (𝜔) dirumuskan sebagai :

𝜔= �𝜋 ∙ 𝑛

(32)

Maka besarnya daya kincir berdasarkan persamaan (2.7) dapat dinyatakan dengan :

𝑃𝑘 =𝑇 ∙ �𝜋 ∙ 𝑛₃₀ � (2.9)

Dengan :

𝑃𝑘 : daya poros kincir angin (watt)

𝑛 : putaran poros (rpm)

2.4.3 Tip speed ratio

Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu

kincir angin yang berputar dengan kecepatan angin yang melewatinya, dapat dirumuskan dengan :

𝑡𝑠𝑟= �𝜋 ∙ 𝑟𝑘∙ 𝑛

30∙ 𝑣 � (2.10)

Dengan :

𝑟𝑘 : jari-jari kincir (m)

𝑛 : putaran poros kincir (rpm)

𝑣 : kecepatan angin (m/det)

(33)

Koefisien daya (𝐶_𝑝) dalam kincir angin sering disebut juga dengan efisiensi adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir (𝑃_𝑘) dengan daya yang dihasilkan oleh angin (𝑃_𝑎), sehingga dapat dirumuskan :

𝐶𝑝 = 𝑃_𝑃𝑘

𝑎 ∙100% (2.11)

Dengan :

𝐶𝑝 : Koefisien daya (%)

𝑃_𝑘 : daya yang dihasilkan oleh kincir (watt)

(34)

BAB III

METODE PENELITIAN

Penelitian ini merupakan pengembangan penelitian dari kincir angin

Savonius. Penelitian dilakukan di laboratorium konversi energi Universitas Sanata Dharma selama tiga hari. Pengambilan data dilakukan dari pukul 08.00 hingga

15.00.

3.1 Peralatan dan Bahan

(35)

Kincir angin model tugas akhir yang dapat dilihat pada Gambar 3.1, memiliki empat bagian yaitu :

1. Poros Kincir Angin

Poros kincir angin seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.2, digunakan sebagai struktur utama penopang dari komponen kincir berada,

yang kemudian menyalurkan daya dari putaran sudu ke roda penggerak. Poros terbuat daru pipa PVC. Poros merupakan bagian terpenting dalam

proses kerja kincir dikarenakan dapat mempengaruhi efisiensi kerja kincir angin.

Gambar 3. 2 Poros kincir angin

2. Sudu Kincir Angin

Sudu kincir angin seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.3, adalah

komponen kincir angin yang berfungsi menagkap angin. Sudu didesain berbentuk lengkung (setengah silinder) yang disusun saling berlawanan

(36)

Gambar 3. 3 Sudu kincir angin

3. Penahan Sudu Kincir Angin

Penahan sudu kincir angin seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.4, adalah komponen yang digunakan untuk menahan sudut lingkaran pada

sudu.

Gambar 3. 4 Penahan sudu kincir angin

4. Dudukan Sudu Kincir Angin

Dudukan sudu kincir angin seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.5, berfungsi untuk menahan keempat sudu kincir yang selanjutnya

(37)

Gambar 3. 5 Dudukan sudu kincir angin

Ukuran posisi sudu dari ke tiga variasi kincir dapat dilihat pada Tabel 3.1 : Tabel 3. 1 Ukuran variasi kincir

D (mm) R (mm) r (mm) x (mm) y (mm) q (mm)

720 360 216 34 213 135

600 300 180 28 178 113

657 329 197 31 195 123

Peralatan yang digunakan dalam proses pengambilan data di laboratorium antara lain :

1. Wind Tunnel

Wind tunnel atau terowongan angin seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.6, berfungsi menangkap angin yang dihisap oleh motor fan.

(38)

Gambar 3. 6 Wind tunnel

2. Fan blower

Fan blower seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.7, adalah alat yang digunakan untuk menghisap angin melalui wind tunnel (terowongan

angin). Daya dari motor fan adalah 5,5 𝐾𝑤.

(39)

3. Anemometer

Anemometer seperti pada Gambar 3.8, digunakan untuk mengukur

kecepatan angin di dalam wind tunnel. Terdapat sebuah tahanan di dibagian depan kincir angin untuk tempat pemasangan anemometer.

Gambar 3. 8 Anemometer

4. Neraca pegas

Neraca pegas seperti pada Gambar 3.9, digunakan untuk mengukur

pembebanan pengimbang torsi.

(40)

5. Rangkaian beban lampu

Rangkaian beban lampu seperti pada Gambar 3.10, digunakan untuk

memberikan variasi pembebanan pada saat pengujian kincir angin.

Gambar 3. 10 Rangkaian beban lampu

6. Generator

Generator seperti pada Gambar 3.11, dihubungkan dengan rangkaian

pembebanan lampu. Berfungsi sebagai pengereman putaran kincir angin dalam pengambilan data torsi dan daya kincir.

(41)

7. Takometer

Takometer seperti pada Gambar 3.12, berfungsi untuk mengukur

kecepatan putaran kincir angin. Pengukuran dilakukan dibawah kincir angin.

Gambar 3. 9 Takometer

3.2 Variabel Penelitian

Sebelum penelitian kincir angin Savonius sumbu vertikal ini menggunakan

beberapa variabel pengujian :

1. Variasi ukuran kincir adalah :

1. Diameter 60 cm dengan tinggi 72 cm.

(42)

2. Variasi kecepatan angin dilakukan dengan cara mengatur jarak antara

motor fan dengan terowongan angin (wind tunnel).

3.3Variabel yang Diukur

Variabel yang diukur dalam penelitian ini adalah :

1. Putaran kincir angin (𝑟𝑝𝑚)

2. Kecepatan angin (𝑣)

3. Gaya torsi (F) 4. Suhu udara (°C)

3.4 Parameter yang Dihitung

Untuk mendapatkan karakteristik dari kincir angin, maka diambil

data-data sebagai dasar dalam perhitungan. Dimana data-data-data-data yang diperlukan adalah :

1. Daya angin (𝑃_𝑎)

2. Daya kincir (𝑃_𝑘)

3. Koefisien daya (𝐶_𝑝)

(43)

Gambar 3. 10 Susunan pengujian

Keterangan :

1. Anemometer

2. Kincir angin 3. Wind tunnel 4. Saklar blower

5. Kabel penghubung generator ke beban lampu 6. Tachometer

7. Neraca pegas 8. Blower

Sebelum pengambilan data, langkah awal yang perlu dilakukan memasang kincir di dalam wind tunnel. Lalu menyambungkan poros kincir dengan transmisi

(44)

Gambar 3. 11 Posisi Kincir

3.5 Langkah Penelitian

Pengambilan data daya kincir, putaran kincir dan gaya torsi dilakukan secara bersamaan yaitu :

1. Memasang alat ukur anemometer, untuk mengukur kecepatan angin di

dalam wind tunnel. seperti yang dilihat pada Gambar 3.15.

(45)

2. Memasang neraca pegas di tempat yang telah ditentukan.

3. Memasang tali sebagai penghubung antara neraca pegas dengan lengan

pada generator di bawah kincir.

4. Menghubungkan rangkaian lampu dengan generator, yang digunakan

untuk pengereman.

5. Semua saklar lampu diposisikan off terlebih dahulu, pengujian ini

dilakukan sampai putaran kincir tidak konstan dan sampai gaya torsi (F)

yang diukur dengan neraca pegas tidak bertambah lagi.

6. Semua peralatan yang digunakan diperiksa dan jarak blower dengan wind

tunnel dipastikan terpasang serapat mungkin untuk mendapatkan kecepatan angin yang maksimal.

7. Blower dihidupkan dengan memutar saklar blower dari posisi off ke posisi

on.

8. Bila kecepatan angin sudah konstan, timer yang terdapat pada anemometer

diaktifkan, dan satuan kecepatan angin pada anemometer (m/s). 9. Pengukuran yang dilakukan :

a. Kecepatan putaran poros dengan tachometer yang diarahkan pada

pulley yang terdapat pada generator.

b. Kecepatan angin dan suhu udara dengan anemometer. 10. Pengumpulan data dilakukan setelah 30 detik.

11. Hasil dari pengamatan kemudian dicatat.

(46)

13. Untuk mendapatkan variasi kecepatan angin, jarak mundur antara blower

dengan wind tunnel divariasikan.

14. Setelah kecepatan angin divariasikan, langkah 5 hingga 11 dilakukan

kembali sampai putaran kincir tidak konstan dan gaya torsi (F) tidak

(47)

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1Data Penelitian

Dalam penelitian ini data yang akan diambil berupa data kecepatan angin, putaran kincir, gaya torsi dan suhu udara, data tersebut diperoleh dari kincir yang

berputar. Pengambilan data dilakukan sampai putaran poros tidak konstan dan gaya torsi tidak bertambah lagi dengan melakukan pembebanan dari rangkaian

beban lampu dan memvariasikan kecepatan angin dengan cara mengatur jarak fan blower dengan wind tunnel untuk mendapatkan kecepatan angin yang bervariasi seperti yang terlihat pada tabel, posisi yang menunjukkan 0 adalah saat posisi

wind tunnel dengan fan blower dalam posisi rapat. Posisi yang menunjukkan 1 adalah saat wind tunnel dengan fan blower telah dimundurkan satu kali, pengambilan data dilakukan secara bersamaan dengan proses pengumpulan data

dalam waktu 30 detik. Dari ketiga variasi ukuran kincir maka didapatkan data yang dibandingkan pada jenis ukuran kincir manakah yang memberikan koefisien

(48)

Tabel 4.1 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi 72 cm

No Posisi Kecepatan Angin (m/s) Suhu (°C) Putaran Poros (rpm) Gaya (gram) 1 0

6,94 27,67 276,33 457

2 6,78 28,20 228,03 590

3 6,80 28,20 204,37 620

4 6,77 28,20 171,10 700

5 6,80 28,37 107,96 710

6

1

6,62 28,43 278,23 400

7 6,59 28,63 226,63 550

8 6,66 28,70 205,47 610

9 6,74 28,70 172,83 700

10 6,70 28,63 58,30 713

11

2

6,57 28,33 273,40 400

12 6,50 28,37 229,67 525

13 6,44 28,33 196,33 593

14 6,58 28,20 164,63 640

15 6,55 28,10 127,97 600

16 6,60 28,10 91,58 680

17 6,60 28,20 59,76 700

18

3

6,47 28,23 231,73 390

19 6,42 28,20 219,57 510

20 6,42 28,20 188,27 550

21 6,46 28,10 146,33 590

22 6,53 28,20 112,90 630

23 6,59 28,20 95,99 640

24 6,56 28,10 72,86 650

25 6,57 28,23 57,32 680

26

4

6,26 28,37 231,73 390

27 6,24 28,43 202,73 490

28 6,27 28,50 176,60 560

29 6,30 28,50 120,70 585

30 6,34 28,50 59,97 610

31

5

5,82 28,63 213,77 350

32 5,80 28,50 157,33 450

33 5,87 28,40 120,13 515

(49)

Tabel 4.1 (lanjutan) Data hasil pengujian kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi 72 cm

5,41 28,20 171,20 345

36 5,43 28,20 106,00 442

37 5,51 28,10 56,60 450

38

7

5,23 28,00 127,05 335

39 5,24 28,00 73,64 385

40 5,27 27,90 56,81 400

41 5,22 27,87 29,06 418

Tabel 4.2 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 65,7 cm dan tinggi 65,7cm

6,60 27,90 241,47 430

2 6,62 28,03 210,27 510

3 6,63 28,00 183,93 620

4 6,62 27,90 158,97 700

5 6,69 27,83 84,76 720

6 6,68 27,73 71,32 740

7 6,77 27,70 61,92 800

8

1

6,53 28,10 240,50 400

9 6,54 28,27 208,43 503

10 6,49 28,20 183,10 565

11 6,52 28,27 154,53 650

12 6,58 28,27 123,83 669

13 6,57 28,43 66,97 700

14

2

6,16 28,57 216,53 370

15 6,18 28,50 177,83 475

16 6,13 28,40 144,53 565

17 6,20 28,47 113,90 590

18 6,21 28,40 67,24 622

(50)

Tabel 4.2 (lanjutan) Data hasil pengujian kincir dengan diameter 65,7 cm dan tinggi 65,7cm

5,81 28,57 189,73 360

21 5,82 29,10 157,97 480

22 5,97 28,93 117,80 530

23 5,97 29,10 60,18 545

24 5,93 29,10 50,39 565

25

4

5,55 28,93 171,73 350

26 5,59 29,00 130,90 445

27 5,66 28,90 88,34 470

28 5,65 28,93 69,21 485

29 5,69 28,93 52,81 498

30 5,69 28,87 34,69 513

31

5

5,28 28,90 141,60 348

32 5,31 28,90 101,76 400

33 5,40 28,87 67,06 413

34 5,38 28,87 54,08 435

35 5,39 28,87 46,31 460

36 5,47 28,80 35,86 470

37

6

5,33 28,80 128,13 335

38 5,12 28,80 87,43 370

39 5,18 28,80 56,57 385

40 5,16 28,80 43,67 400

41 5,16 28,70 28,22 420

42 5,24 28,70 20,14 437

43

7

4,97 28,57 112,70 320

44 5,02 28,50 60,79 350

45 5,03 28,47 36,39 380

(51)

Tabel 4.3 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 72 cm dan tinggi 60 cm

6,51 26,47 227,67 430

2 6,58 26,80 149,63 663

3 6,63 26,70 86,81 660

4 6,69 26,87 66,83 700

5 6,71 26,80 58,48 723

6 6,70 26,70 48,47 750

7 6,67 26,60 43,80 770

8

1

6,25 28,83 239,73 400

9 6,43 29,43 220,67 470

10 6,51 29,60 195,93 553

11 6,43 29,43 171,63 630

12 6,39 29,20 128,70 675

13 6,45 29,47 103,13 683

14 6,56 29,50 72,46 718

15

2

5,92 29,57 205,63 360

16 5,99 29,77 183,30 418

17 5,92 29,43 153,63 510

18 6,11 29,77 112,70 550

19 6,13 29,67 76,49 580

20 6,03 29,53 50,16 627

21

3

5,60 29,80 179,63 360

22 5,54 29,97 152,53 425

23 5,76 29,77 110,97 487

24 5,72 29,60 66,46 515

25 5,76 29,60 52,94 547

26 5,78 29,73 43,78 567

27

4

5,40 30,03 163,50 357

28 5,39 29,73 136,30 415

29 5,47 30,13 82,20 437

30 5,46 30,10 53,84 477

(52)

Tabel 4.3 (lanjutan) Data hasil pengujian kincir dengan diameter 72 cm dan tinggi 60 cm

5,14 29,87 148,07 350

33 5,20 29,83 113,93 400

34 5,29 29,73 67,35 417

35 5,27 29,87 53,17 440

36 5,26 29,57 29,60 455

37 5,25 29,37 23,70 480

38

6

4,92 28,97 111,83 320

39 5,03 28,90 73,16 350

40 5,09 28,80 54,76 390

41 5,06 28,73 33,76 410

42

7

4,73 28,60 89,26 308

43 4,82 28,60 57,21 330

44 4,89 28,60 44,97 360

45 4,86 28,63 32,29 375

46 4,87 28,50 24,19 390

Contoh perhitungan dengan data yang diambil dari Tabel 4.1 untuk kincir

angin dengan diameter 60 cm dan tinggi 72 cm pada data pertama dengan kecepatan angin 6,94 m/s. Pada Tabel 4.1 belum dilakukan pembebanan lampu.

Dapat dilihat dengan contoh perhitungan :

4.2Pengolahan Data dan Perhitungan

4.2.1 Perhitungan Daya Angin

Daya yang tersedia pada angin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.5) :

(53)

Dengan :

𝑃𝑎 ∶ Daya angin (watt)

𝜌 : Kerapatan udara (kg/m3)

𝐴 : Luas penampang kincir yang ditangkap oleh angin (m2)

𝑣 : Kecepatan angin (m/det)

Massa jenis udara (𝜌) diperoleh dari tabel massa jenis udara yang terdapat pada

lampiran, dengan mengetahui suhu udara (℃) pada suhu udara sekitar terlebih

dahulu. Dengan cara menginterpolasi data dari tabel pada. Lampiran 1

Besar luas penampang (𝐴) dapat dihitung dengan :

𝐴 =𝑑 ∙ 𝑡

dengan :

𝑑 : diameter kincir (m)

𝑡 : tinggi kincir (m)

Sehingga persamaan (2.5) dapat disederhanakan menjadi :

𝑃𝑎 = 0,5∙ 𝑝 ∙ 𝑑 ∙ 𝑡 ∙ 𝑣3

(54)

Jika diketahui kecepatan angin adalah 6,94 m/s, dan kerapatan udara

1,1751 kg/m3 dengan diameter kincir (𝑑) adalah 0,6 m dan tinggi (𝑡) adalah 0,72

m. Maka besarnya daya yang terdapat pada angin (𝑃_𝑎) adalah :

𝑃𝑎 = 0,5∙ 𝜌 ∙ 𝑑 ∙ 𝑡 ∙ 𝑣3

𝑃𝑎 = 0,5∙1,1751∙0,6∙0,72∙(6,943)

𝑃𝑎 = 84,72 𝑤𝑎𝑡𝑡

Jika melihat hasil perhitungan diatas, maka dalam setiap kecepatan angin

6,94 m/s terdapat daya didalamnya sebesar 84,72 𝑤𝑎𝑡𝑡

4.2.2 Perhitungan Torsi

Dengan menggunakan persamaan (2.6) maka besarnya torsi dinamis dapat dirumuskan :

𝑇= 𝑟 ∙ 𝐹

Dengan :

𝑇 : torsi yang dihasilkan dari putaran poros (𝑁𝑚)

𝐹 : gaya pada poros akibat puntiran (𝑁)

𝑟 : jarak lengan ke poros (𝑚)

Besar gaya pengimbang (𝐹) dapat dihitung dengan :

(55)

Dengan :

𝑚 : massa pengimbang (𝑘𝑔)

𝑔 : percepatan gravitasi (m/s2)

Sehingga persamaan (2.6) dapat disederhanakan menjadi :

𝑇= 𝑟 ∙ 𝐹

𝑇= 𝑟 ∙ 𝑚 ∙ 𝑔

Contoh jika dimasukkan sebuah nilai yang dapat diambil dari Tabel 4.1 no. 1 maka :

Dengan besarnya massa pengimbang (𝑚) 0,45 kg, dan jarak lengan poros

(𝑟) yang diukur pada saat pengujian sepanjang 0,2 m, dengan anggapan

percepatan gravitasi adalah 9,81 m/s2, maka besar torsi dapat dihitung :

𝑇= 𝑟 ∙ 𝑚 ∙ 𝑔

𝑇= 0,2∙0,45 ∙9,81

𝑇= 0,90 𝑁𝑚

4.2.3 Perhitungan Daya Kincir

Dengan menggunakan rumus pada persamaan (2.9) maka daya kincir dapat

dihitung dengan :

(56)

Dengan :

𝑃𝑘 : daya poros kincir angin (𝑤𝑎𝑡𝑡)

𝑛 : putaran poros (𝑟𝑝𝑚)

Contoh jika dimasukkan sebuah nilai yang dapat diambil dari Tabel 4.1 no. 1

maka :

Dengan data yang didapat pada kecepatan angin (𝑣) 6,94 m/s, maka

putaran poros (𝑛) sebesar 276,33 rpm, dan besarnya torsi (𝑡) pada sub bab 4.2.2

sebesar 0,90 Nm, maka besarnya daya kincir :

𝑃𝑘 = 𝑇 ∙ �𝜋 ∙ 𝑛₃₀ �

𝑃𝑘 = 0,90∙ �3,14∙₃₀276,33�

𝑃𝑘 = 25,91 𝑤𝑎𝑡𝑡

4.2.4 Perhitungan tip speed ratio

Perhitungan tip speed ratio (tsr) mengacu pada persamaan (2.10) :

𝑡𝑠𝑟= 𝜋 ∙ 𝑟𝑘∙ 𝑛 30∙ 𝑣

Dengan :

(57)

𝑛 : putaran poros kincir (𝑟𝑝𝑚)

𝑣 : kecepatan angin (𝑚/𝑠)

Contoh jika dimasukkan sebuah nilai yang dapat diambil dari Tabel 4.1 no. 1

maka :

Jika diketahui putaran poros per 30 detik (𝑛) adalah sebesar 276,33 rpm,

pada kecepatan angin (𝑣) 6,94 m/det, dan jari-jari kincir (𝑟_𝑘) 0,3 m, maka

besarnya tip speed ratio :

𝑡𝑠𝑟= 3,14∙0,3∙276,33 30∙6,94

𝑡𝑠𝑟= 1,25

4.2.5 Perhitungan Koefisien Daya (𝑪𝒑)

Perhitungan Koefisien daya (𝐶_𝑝) memakai rumus yang ditampilkan pada

persamaan (2.11) :

𝐶𝑝 =𝑃_𝑃𝑘

𝑎 ∙100%

Dengan :

𝐶𝑝 : koefisien daya (%)

𝑃𝑘 : daya yang dihasilkan oleh kincir (𝑤𝑎𝑡𝑡)

(58)

Contoh jika dimasukkan sebuah nilai yang dapat diambil dari Tabel 4.1 no. 1 maka :

Seperti yang ditampilkan pada sub bab 4.2.3 hasil perhitungan besarnya

daya kincir (𝑃_𝑘) sebesar 25,91 𝑤𝑎𝑡𝑡. Sedangkan besarnya daya angin (𝑃_𝑎) yang diperoleh dari perhitungan pada sub bab 4.2.1 sebesar 84,72 𝑤𝑎𝑡𝑡. Maka koefisien daya (𝐶_𝑝) :

𝐶𝑝 =𝑃_𝑃𝑘

𝑎 ∙100%

𝐶𝑝 =25,91_84,72∙100%

𝐶𝑝 = 31 %

4.3 Hasil dan Pembahasan

Dari pengumpulan data melalui beberapa pengujian maka diketahui hasil

perhitungan sebagai berikut :

Tabel 4.4 Data hasil perhitungan kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi 72 cm

No ρ (kg/m³)

Torsi _𝑃_𝑎 (watt)

𝑃𝑘

(watt)

Koefisien

daya (𝐶_𝑝) tsr Kg.cm Nm

(59)

Tabel 4.4 (lanjutan) Data hasil perhitungan kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi 72 cm

No ρ (kg/m³)

Torsi 𝑃_𝑎 (watt)

𝑃𝑘

(watt)

Koefisien

(60)

Tabel 4.5 Data hasil perhitungan kincir dengan diameter 65,7 cm dan tinggi 65,7 cm

No ρ (kg/m³)

𝑃𝑘

(watt)

Koefisien

(61)

Tabel 4.5 (lanjutan) Data hasil perhitungan kincir dengan diameter 65,7 cm dan tinggi 65,7 cm

No ρ (kg/m³)

𝑃𝑘

(watt)

Koefisien

36 1,171 9,40 0,92 41,39 3,46 8% 0,23 37 1,171 6,70 0,66 38,29 8,81 23% 0,83 38 1,171 7,40 0,73 33,87 6,64 20% 0,59 39 1,171 7,70 0,76 35,15 4,47 13% 0,38 40 1,171 8,00 0,78 34,74 3,59 10% 0,29 41 1,171 8,40 0,82 34,75 2,43 7% 0,19 42 1,171 8,73 0,86 36,46 1,81 5% 0,13 43 1,172 6,40 0,63 31,07 7,41 24% 0,78 44 1,172 7,00 0,69 32,08 4,37 14% 0,42 45 1,172 7,60 0,75 32,22 2,84 9% 0,25 46 1,172 8,40 0,82 32,61 1,58 5% 0,12

Tabel 4.6 Data hasil perhitungan kincir dengan diameter 72 cm dan tinggi 60 cm

No ρ (kg/m³)

𝑃𝑎

(watt)

Koefisien

daya (𝐶_𝑝) tsr kg.cm Nm

(62)

Tabel 4.6 (lanjutan) Data hasil perhitungan kincir dengan diameter 72 cm dan tinggi 60 cm

No ρ (kg/m³)

𝑃𝑘

(watt)

Koefisien

daya (𝐶_𝑝) tsr kg.cm Nm

(63)

Unjuk kerja dari berbagai kincir angin yang dapat dilihat pada grafik batas Betz (Betz limit, seorang ilmuan dari Jerman Albert Betz) menurut Betz energi

kinetik yang dapat dikonversi menjadi energi mekanik pada sebuah kincir angin adalah 59%. Dari gambar juga terlihat bahwa pada umumnya kincir angin dengan koefisien daya besar akan menghasilkan torsi yang besar pula, dapat dilihat bahwa setiap jenis kincir angin memiliki efisiensi maksimum yang dapat dicapai seperti yang dapat dilihat pada Gambar 4.1.

Gambar 4.1 Grafik betz limit untuk berbagai macam kincir. (sumber :

(64)

4.3.1 Grafik Hubungan Torsi Terhadap Putaran Poros dan Daya Kincir

Dari hasil perhitungan yang terlihat pada Tabel 4.4 maka didapatkan

grafik hubungan antara torsi terhadap putaran poros dan daya kincir untuk kincir yang berdiameter 60 cm dan tinggi 72 cm, yang dapat dilihat pada Gambar 4.2.

Gambar 4.2 Grafik hubungan antara torsi terhadap putaran poros dan daya kincir untuk kincir berdiameter 60 cm dan tinggi 72 cm.

Dari hasil perhitungan yang terlihat pada Tabel 4.5 maka didapatkan grafik hubungan antara torsi terhadap putaran poros dan daya kincir untuk kincir yang berdiameter 65,7 cm dan tinggi 65,7 cm, yang dapat dilihat pada Gambar

(65)

Gambar 4.3 Grafik hubungan antara torsi terhadap putaran poros dan daya kincir untuk kincir berdiameter 65,7 cm dan tinggi 65,7 cm.

Dari hasil perhitungan yang terlihat pada Tabel 4.6 maka didapatkan grafik hubungan antara torsi terhadap putaran poros dan daya kincir untuk kincir

yang berdiameter 72 cm dan tinggi 60 cm, yang dapat dilihat pada Gambar 4.4.

(66)

4.3.2 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya (𝑪𝒑) dan tip speed ratio (𝒕𝒔𝒓)

grafik hubungan koefisien daya (𝐶_𝑝) terhadap tip speed ratio (𝑡𝑠𝑟) untuk kincir

Gambar 4.5 Grafik hubungan koefisien daya (𝑪_𝒑) terhadap tip speed ratio (𝒕𝒔𝒓) untuk kincir yang berdiameter 60 cm dan tinggi 72 cm.

yang berdiameter 65,7 cm dan tinggi 65,7 cm, yang dapat dilihat pada Gambar 4.6. 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

K o ef is ien D ay a (C p )

(67)

Gambar 4.6 Grafik hubungan koefisien daya (𝑪_𝒑) terhadap tip speed ratio (𝒕𝒔𝒓) untuk kincir yang berdiameter 65,7 cm dan tinggi 65,7 cm.

Gambar 4.7 Grafik hubungan koefisien daya (𝑪_𝒑) terhadap tip speed ratio (𝒕𝒔𝒓) untuk kincir yang berdiameter 72 cm dan tinggi 60 cm.

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Tip speed ratio (tsr)

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

(68)

4.4 Pembahasan

Daya yang dihasilkan oleh kincir angin secara langsung tergantung pada

luasan daerah yang disapu oleh angin pada sudu. Melihat hasil penelitian dengan data yang ada, dapat dilihat bahwasannya semakin tinggi kecepatan angin yang melewati sudu diimbangi dengan luasan daerah yang disapu oleh angin, maka

semakin tinggi pula kecepatan putar poros, sehingga hubungan antara kecepatan angin yang melewati sudu akan berbanding lurus dengan banyaknya putaran.

Dalam penelitian ini digunakan pembebanan berupa rangkaian lampu yang dihubungkan pada generator, pembebanan ini juga mempengaruhi besar kecilnya aliran listrik yang keluar dari generator. Karena semakin banyak

penambahan beban maka semakin besar arus listrik yang dibutuhkan untuk menyalakan lampu, dan jika penambahan beban semakin kecil maka jumlah aliran

listrik yang dikeluarkan generator akan semakin besar.

Dari data perhitungan dapat diketahui bahwa daya tertinggi yang

dihasilkan kincir yang didapat pada kecepatan angin 6,78 m/s diketahui pada variasi kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi 72 cm sebesar 27,63 watt, sehingga dapat diketahui bahwa semakin tinggi kecepatan angin maka semakin

besar pula daya arus listrik yang dihasilkan generator.

Ukuran tinggi sudu menunjukkan koefisien daya (𝐶_𝑝) kincir angin semakin

baik, diketahui pada kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi 72 cm mampunyai

(69)

(70)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan data dan hasil perhitungan, maka dapat diambil beberapa

kesimpulan, antara lain :

1. Koefisien daya maksimal tertinggi didapat pada model kincir dengan

diameter 60 cm dan tinggi 72 cm, sebesar 36% pada tsr 1,11.

2. Daya maksimal tertinggi yang dihasilkan diperoleh dari model kincir

dengan diameter 60 cm dan tinggi 72 cm sebesar 27,63 watt pada kecepatan angin 6,78 m/s dengan torsi 1,16 Nm.

3. Sebatas ukuran model kincir angin yang diteliti menunjukkan bahwa

semakin tinggi ukuran sudu maka semakin tinggi pula koefisien daya

(71)

5.2 Saran

Saran yang dapat di berikan untuk kelanjutan penelitian selanjutnya :

1. Untuk mengetahui karakteristik dari variasi dan model yang lain,

hendaknya dilakukan penelitian dengan variasi ukuran dan model yang

lain.

2. Material pada poros perlu dilakukan pergantian dengan meterial yang

ringan dan kokoh yang kemudian dapat dibandingkan dengan material

yang digunakan pada penelitian ini, bahan mana yang baik untuk digunakan, agar pada saat kecepatan angin maksimal, wind tunnel tidak goyang.

3. Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik lagi perlu kiranya dilakukan

(72)

DAFTAR PUSTAKA

Burton, Tony., David Sharpe., Nick Jenkins, & Ervin Bossanyi. (2001). Wind Energy Handbook, New York : Penerbit John Wiley

Kadir, Abdul. 2010. Energi Sumber Daya Inovasi, Tenaga Listrik, dan Potensi Ekonomi. Jakarta : Penerbit UI Press.

Pudjanarsa, Astu., Djati Nursuhud. (2008). Mesin Konversi Energi. Yogyakarta: Penerbit Andi Yogyakarta.

Prabowo, Eko, Andryanto, Stefanus. Unjuk Kerja Model Kincir Angin Poros Vertikal Dengan Empat Sudu Yang Membuka dan Menutup Secara Otomatis Dengan Variasi Diameter. FST-Universitas Sanata Dharma: Yogyakarta. 2011

Ragheb, Adam. Wind Turbines Theory - The Betz Equation and Optimal Rotor Tip Speed Ratio. University of Illinois at Urbana-Champaign, 216 Talbot Laboratory. USA

http://id.wikipedia.org/wiki/Kincir_angin

(73)

(74)

Tabel L1 : Sifat-sifat Umum Udara

(75)

(76)

(77)

(78)

Nama Mahasiswa NIM

Judul / topik

Pembimbing I Pembimbing 2