i
KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL DENGAN VARIASI
JUMLAH SUDU 3 DAN 6
TUGAS AKHIR
Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin JurusanTeknikMesin
Diajukan oleh :
ADE CANDRA KUSUMA NUGRAHA NIM : 105214078
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
ii
HORIZONTAL AXIS WIND TURBINES WITH A VARIATION
OF 3 AND 6 BLADES
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement to obtain the SarjanaTeknik degree
Mechanical Engineering Study Program Mechanical Engineering Department
by
ADE CANDRA KUSUMA NUGRAHA Student Number:105214078
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY
vii
INTISARI
Dewasa ini keberadaan energi fosil semakin berkurang, dengan eksploitasi secara besar-besaran maka dikawatirkan 25 tahun lagi tidak ada energi fosil yang bisa dimanfaatkan oleh manusia, oleh karena itu perlu dikembangkan energi alternatif yang ramah lingkungan sekaligus mudah dalam pemanfaatannya sehingga dapat menggantikan energi fosil yang semakin berkurang. Salah satu energi yang dapat dikembangkan adalah energi angin yang sangat melimpah. Tujuan penelitian ini adalah membuat kincir angin sudu plat datar dengan variasi jumlah sudu dan melihat unjuk kerja kincir angin.
Kincir angin yang diuji adalah kincir angin plat datar dengan jumlah sudu 3 dan 6. Kincir angin sudu plat datar memiliki empat bagian utama, yaitu sudu kincir, piringan kincir, penyangga kincir, dan sistem pembebanan. Kincir angin yang diuji memiliki diameter 500 mm. Pengujian dilakukan di dalam terowongan angin yang ada di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Variabel penelitian yang digunakan dalam pengujian kincir angin, yaitu variasi jumlah sudu, variasi pembebanan, dan variasi kecepatan angin. Variabel yang diukur dalam penelitian adalah kecepatan angin, putaran poros kincir dan beban pengereman.
Hasil penelitian menujukkan bahwa kincir dengan 6 sudu menghasilkan unjuk kerja yang lebih baik dari kincir dengan 3 sudu. Daya maksimal yang dihasilkan oleh kincir 6 sudu adalah 6,65 watt, torsi maksimal 0,29 N.m dengan CP maksimal 8,43% pada tsr 0,94, sedangkan untuk kincir angin bersudu 3 menghasilkan daya kincir maksimal sebesar 2,85 watt, torsi maksimal 0,12 N.m dengan CP maksimal 3,7 % pada tsr 0,82.
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yang Maha Esa 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. Ibu Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Bapak Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Bapak Budi Sugiharto, S.T., M.T. sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir. 4. Bapak I Gusti Ketut Puja, S.T., M.T., selaku Dosen pembimbing akademik. 5. Kepala Laboratorium Konversi Energi, Bapak Raden Benedictus Dwiseno
Wihadi, S.T., M.Si., untuk dukungan dan saran yang penulis dapatkan.
6. Bapak Sarjana, S.Pd., M.Pd dan Ibu Sri Hastuti, A.Ma.Pd., selaku orang tua penulis dan Kristiawan Cahya Nugraha, S.T., M.M., selalu kakak kandung, karena kebaikan dan kerendahan hati memberikan semangat pada penulis. Keluarga penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah mendukung penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.
7. Lintang Fitrianing Putri Rohmah, S.Kom., selaku teman dekat penulis.
ix
9. Teman-teman Teknik Mesin 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, 19 Februari 2012
x
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan
v Kecepatan angin (m/s)
n Kecepatan putar kincir (rpm)
F Gaya pengimbang (N)
A Luas penampang (m2)
T Torsi (N.m)
ω Kecepatan sudut (rad/detik)
Daya angin (watt) Daya kincir (watt) tsr tip speed ratio
CP Koefisien daya (%)
r Panjang lengan torsi (m)
d Diameter kincir (m)
R Jari-jari kincir (m)
Ek Energi kinetik (Joule)
m Massa (Kg)
ṁ Massa udara yang mengalir per satuan waktu (Kg/s)
xi
LEMBAR PERYATAAN PERSETUJUANPUBLIKASI KARYA ILMIAHUNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vi
xiii
Gambar 2.5 Grafik Hubungan antara Cp dan tsr dari beberapa jenis kincir. ...…...….. 11
Gambar 4.1 Grafik hubungan antara torsi dan putaran poros kincir 6 sudu...….. 30
Gambar 4.2 Grafik hubungan antara daya kincir dan putaran poros kincir 6 sudu...….. 31
Gambar 4.3 Grafik hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio 6 sudu...….. 32
xiv
Gambar 4.5 Grafik hubungan antara daya kincir dan putaran poros kincir 3
sudu...….. 34
Gambar 4.6 Grafik hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio 3 sudu...….. 35
Gambar 4.7 Grafik perbandingan torsi kincir dan putaran poros ... 36
Gambar 4.8 Grafik perbandingan daya kincir dan putaran poros ... 36
xv
DAFTAR TABEL
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang Masalah
Indonesia adalah negara yang memiliki kekayaan alam yang sangat melimpah, khususnya energi fosil yang ada di Indonesia. Energi fosil ini perlu dijaga agar keberadaannya tetap terpelihara dengan baik. Kebutuhan energi di Indonesia dan di dunia pada umumnya terus meningkat karena pertambahan penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pola konsumsi energi yang terus meningkat. Energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi utama, ketersediaannya mulai terbatas dan terus mengalami deplesi atau penipisan, karena selalu diekspoitasi secara besar-besaran. Sedangkan proses alam untuk menghasilkan energi fosil tersebut memerlukan waktu yang sangat lama dan rumit, sehingga perlu energi pengganti untuk mengurangi ketergantungan akan energi fosil.
Salah satu energi yang dapat dipakai untuk dapat menggantikan energi fosil adalah energi angin. Indonesia yang merupakan negara kepulauan yang memiliki potensi yang tinggi dalam penggunaan energi angin. Pemanfaatan angin dapat menggunakan berbagai cara, salah satu cara pemanfaatan energi angin adalah dengan menggunakan kincir angin. Kincir angin ini akan mengubah energi kinetik menjadi energi mekanik yang kemudian dapat dikonversikan menjadi energi listrik.
2
pada kincir angin poros horisontal bersudu banyak, dimana dalam penelitian tersebut menunjukkan bahwa sudut terbaik yang diperoleh adalah 60⁰.
Dalam penelitian ini, akan dibandingkan unjuk kerja kincir angin sudu plat datar dengan mevariasikan jumlah sudu 3 dan 6. Unjuk kerja ini meliputi daya yang dihasilkan kincir, torsi, Cp dan tsr.
1.2.Batasan Masalah
Batasan masalah yang ada dalam penelitian ini adalah :
1. Penelitian dilakukan pada sebuah terowongan angin yang ada di Laboratorium Konversi Energi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Material sudu terbuat dari bahan acrylic dengan tebal 2 mm. 3. Kincir angin memiliki luasan frontal 0,22 m2.
1.3.Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah :
1. Membuat kincir angin plat datar dengan variasi jumlah sudu. 2. Mengetahui unjuk kerja kincir angin plat datar 3 sudu dan 6 sudu.
1.4.Manfaat Penelitian
Manfaat yang didapatkan dalam penelitian ini adalah :
1. Menjadi sumber informasi mengenai unjuk kerja kincir angin plat datar. 2. Memberi solusi lain dalam pemanfaatan energi angin yang ada di
Indonesia.
3
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Dasar Teori
Angin adalah udara bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Pada daerah yang bertemperatur tinggi udara akan memuai dan massa jenis udara akan turun sehingga tekanan udara di daerah tersebut akan rendah. Tekanan rendah ini akan diisi oleh udara yang datang dari tekanan yang lebih tinggi.
Kecepatan angin sangat dipengaruhi oleh beberapa hal : pertama, oleh letak tempat atau topografi, dimana jika angin menerpa pada topografi berupa gunung, angin akan cenderung naik dan jika angin menerpa pada topografi berupa dataran, maka angin akan cenderung lurus-lurus saja. Kedua, saat angin bergerak di atas daratan dan lautan juga sangat berbeda. Walau bagaimanapun angin yang bergerak di daratan akan cenderung mengikuti keadaan permukaan daratan, berbeda jika angin yang berhembus di atas lautan maka ia akan ikut mempengaruhi bentuk muka air laut, bahkan pergerakan arus di atas laut. Sehingga ia lebih bebas bergerak di atas lautan daripada di daratan. Ketiga, adanya pepohonan sangat berpengaruh jika pohon tersebut cukup tinggi, maka akan menggangu laju angin.
4
Gambar 2.1 Peta Potesi Angin Indonesia ( Sutrisna, 2011 )
2.2. Kincir Angin
Kincir angin adalah sebuah mesin yang digerakkan oleh tenaga angin sehingga menghasilkan energi mekanik atau gerak. Kincir angin dulunya banyak ditemukan di Belanda, Denmark, dan negara-negara eropa lainya yang pada waktu itu banyak digunakan untuk irigasi, menumbuk hasil pertanian, dan penggilingan gandum. Istilah yang dipakai untuk menamai kincir pada waktu itu adalah Windmill.
Berdasarkan posisi poros kincir angin dibedakan menjadi dua kelompok utama, yaitu kincir angin poros horisontal dan kincir angin poros vertikal. Dalam penelitian ini akan dikembangkan mengenai kincir angin poros horisontal.
2.2.1. Kincir Angin Poros Horisontal
5
Beberapa jenis kincir angin poros horisontal yang ada di sekitar kita diantaranya ditunjukkan pada Gambar 2.2.
a. Kincir angin American WindMill. b. Kincir angin Cretan Sail Windmill. c. Kincir angin Dutch four arm. d. Kincir angin Rival calzoni.
a. Kincir angin American WindMill b. Kincir angin Cretan SailWindmill
c. Kincir angin Dutch four arm d. Kincir angin Rival calzoni
6
Pada kincir angin poros horisontal memiliki beberapa kelebihan, diantaranya adalah :
1. Mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi.
2. Banyak digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan skala besar. 3. Material yang digunakan lebih sedikit.
4. Memiliki faktor keamanan yang lebih baik karena posisi sudu yang berada diatas menara.
5. Kecepatan putar lebih besar dari pada kecepatan angin yang diakibatkan gaya angkat atau lift force oleh angin.
Adapun kelemahan yang dimiliki oleh kincir angin poros horisontal adalah : 1. Kontruksi yang tinggi dapat menyulitkan dalam pemasangan kincir. 2. Dapat mempengaruhi radar di bandara.
3. Perlu adanya mekanisme tambahan untuk menyesuaikkan dengan arah angin.
4. Biaya pemasangan yang sangat mahal.
2.2.2. Kincir Angin Poros Vertikal
Kincir angin poros vertikal atau Vertical Axis Wind Turbin (VAWT) adalah salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan arah angin atau dengan kata lain kincir jenis ini dapat mengkonversi tenaga angin dari segala arah kecuali arah angin dari atas atau bawah.
Kelebihan kincir angin poros vertikal adalah : 1. Dapat menerima arah angin dari segala arah. 2. Memiliki torsi yang besar pada putaran rendah. 3. Dapat bekerja pada putaran rendah.
4. Tidak membutuhkan kontruksi menara yang besar. 5. Tidak memerlukan mekanisme yaw.
7
Sedangkan kelemahan dari kincir angin poros vertikal adalah sebagai berikut : 1. Karena memiliki torsi awal yang rendah, diperlukan energi untuk mulai
berputar.
2. Bekerja pada putaran rendah, sehingga energi angin yang dihasilkan kecil. 3. Lebih boros material.
4. Dari konstruksinya berat poros dan sudu yang bertumpu pada bantalan merupakan beban tambahan.
Beberapa jenis kincir angin poros vertikal yang ada di sekitar kita diantaranya seperti terlihat pada Gambar 2.3.
a. Kincir angin Darrieus. b. Kincir angin Savonius.
a. Darrieus b. Savonius Gambar 2.3. Kincir Angin Poros Vertikal (Sumber :
http://wikipedia.org/Kincir_angin.)
8
2.2.3. Kincir Angin American Wind Mill
Kincir angin American Wind Mill merupakan salah satu jenis kincir angin poros horisontal yang pada umumnya mempunyai 3 sudu, 4 sudu, ataupun banyak sudu. Kincir jenis ini dapat bekerja dalam putaran yang tinggi sehingga sangat cocok untuk pembangkit listrik dengan skala besar.
Pada awalnya kincir angin jenis American Wind mill masuk pertama kali ke negara amerika pada tahun 1972 yang direkomendasikan oleh National Science Foundation (NSF) dan National Aeronautics And Space Administration (NASA) yang bertujuan untuk menciptakan sumber energi terbarukan, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4. ( Johnson, 2006 ). Pada tahun 1974 NASA meminta NSF untuk mendisain, membuat dan mengoperasikan kincir angin dengan jenis american wind mill yang diberi nama MOD-0. MOD-0 merupakan kincir angin yang pertama kali dibuat dan dioperasikan untuk menghasilkan energi listrik. Kincir ini diresmikan pada september 1975 di Sandusky, Ohaio, Amerika serikat.
9
2.3. Daya Angin
Energi angin adalah energi yang dimiliki oleh angin karena kecepatannya, sehingga merupakan suatu bentuk energi kinetik. Energi kinetik tersebut dapat disusun dalam, Persamaan 1:
Ener gi Kinetik( ) = 0,5 . m . v2 ... (1) Dari Persamaan 1, dapat ditentukan daya yang merupakan energi persatuan waktu (J/s), sehingga persamaan tersebut dapat ditulis menjadi :
= 0,5 . ̇ . v3 ... (2) Massa udara yang mengalir per satuan waktu ( ̇) adalah
̇ = ρ. A . v... (3)
Dengan mensubtitusikan Persamaan 2 dan 3, maka dapat diperoleh daya yang tersedia pada angin :
= 0,5 . (ρ.A.v) . v2
Yang dapat disederhanakan menjadi :
= 0,5 . ρ . A . v3 ... (4) Dalam penggunaannya dapat disederhanakan dengan mengansumsikan massa jenis udara (ρ) = 1,2 Kg/m3, maka diperoleh Persamaan daya angin :
10
2.4. Daya Kincir
Daya yang dihasilkan kincir adalah daya yang dihasilkan kincir akibat adanya angin yang melintasi sudu kincir. Sehingga daya kincir yang dihasilkan oleh gerakkan melingkar kincir dapat dirumuskan :
= T . ω ... (6)
2.5. Torsi Kincir
Gaya yang bekerja pada poros dihasilkan oleh gaya dorong pada sudu kincir yang dikurangi dengan gaya hambat (gaya yang berlawanan arah). Gaya dorong ini memiliki jarak terhadap sumbu poros kincir yang berputar. Untuk perhitungan torsi dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
T = F . r ... (7)
2.6. Kecepatan Sudut Kincir
Kecepatan sudut kincir adalah kecepatan putar kincir dalam satuan radian per detik. Kecepatan sudut dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
=
.
... (8)2.7. Tip Speed Ratio
Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu dengan kecepatan angin, tsr dapat dirumuskan :
=
. . .11
2.8. Koefisien Daya Kincir
Pada sebuah penelitian yang dilakukan oleh seorang ilmuan jerman yang bernama Albert Bezt yang telah menemukan efisiensi maksimum pada kincir angin, yaitu 59,3 % ( Johnson, 2006 ). Pada Gambar 2.5 menyajikan koefisien daya dari beberapa kincir, dengan koefisien daya maksimal sebesar 59,3 % yang disebut sebagai Bezt Limit.
Gambar 2.5. Grafik Hubungan antara Cp dan tsr dari beberapa jenis kincir.
Koefisien daya kincir adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukkan perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir dengan daya yang dihasilkan oleh angin . Sehingga CP dapat dirumuskan :
12
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Diagram Alir Penelitian
Langkah kerja yang dilakukan dalam penelitian ini disajikan dalam diagram alir sebagai berikut :
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian
Mulai
Perancangan Kincir Angin Poros Horisontal
Pembuatan Kincir Angin Poros Horisontal Variasi Jumlah
Sudu 3 dan 6
Pengambilan Data n, v, dan F
Pengolahan Data P
in, P
out, C
P, dan tsr
Pembahasan dan Pembuatan Laporan
13
3.2. Obyek Penelitian
Obyek dalam penelitian ini adalah model kincir angin poros horisontal dengan model kincir angin plat datar dengan variasi jumlah sudu 3 dan 6 dengan sudut sudu terhadap arah angin 60⁰.
3.3. Waktu dan Tempat Penelitian
Proses pembuatan kincir, pengambilan data, dan penelitian dimulai pada semester genap tahun ajaran 2011/2012 di laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3.4. Alat dan Bahan
Model kincir angin plat datar beserta bagian-bagiannya dapat dilihat pada Gambar 3.2. dan Gambar 3.3.
Gambar 3.2. Konstruksi Kincir Angin Plat Datar
1
14
Gambar 3.3 Konstruksi Kincir Angin Plat Datar (Lanjutan) Keterangan Gambar :
1. Sudu Kincir. 2. Piringan Kincir. 3. Penyangga Kincir. 4. Sistem Pembebanan.
Kincir angin plat datar pada konstruksi diatas memiliki beberapa bagian penting, yaitu :
1. Sudu Kincir
Sudu kincir untuk kincir angin plat datar terbuat dari bahan Acrylic dengan tebal 2 mm yang digunakan untuk menangkap angin yang melintasi kincir. Memiliki bentuk seperti trapesium dengan ukuran 20 cm x 9 cm x 3 cm. Banyak sudu yang dipakai adalah 6 buah dengan ukuran yang sama dan material yang sama. Sudu Kincir ini dipasang pada tiang sudu yang terbuat dari besi silindris dengan ukuran diameter 4 mm x 240 mm sebanyak 6 buah tiang sudu. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.4.
15
Gambar 3.4 Sudu Kincir Keseluruhan.
2. Piringan Kincir.
Piringan kincir berfungsi sebagai tempat untuk meletakkan sudu. Sudu akan menempel pada slot yang dikunci dengan menggunakan baut pengikat yang berbentuk U. Piringan kincir terbuat dari allumunium dengan diameter 120 mm x 20 mm, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.5.
16
3. Penyangga Kincir
Penyangga kincir terbuat dari besi profil L dengan ukuran 3 cm x 3 cm x 2 mm dan besi pipih dengan ukuran 3 cm x 2 mm. Bagian ini berfungsi untuk menopang sistem pembebanan beserta kincirnya. proses pembuatan dengan cara dilas untuk menguatkan sambungan antar besi profil, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6. Penyangga Kincir
4. Sistem Pembebanan
17
Gambar 3.7. Sistem Pembebanan
Keterangan :
1. Baut Pembeban. 2. Baut Adjuster.
Dalam pengambilan data digunakan beberapa peralatan penunjang, diantaranya :
1. Terowongan Angin
Terowongan angin atau wind tunnel adalah sebuah lorong berukuran 1,2 m × 1,2 m × 2,4 m yang berfungsi sebagai tempat dimana angin bergerak dengan kecepatan tertentu sekaligus merupakan tempat pengujian kincir angin, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.8. Di dalam terowongan angin tekanannya dibuat lebih rendah dari tekanan lingkungan sekitar, tujuannya agar udara bergerak dengan kecepatan tertentu. Kecepatan angin dapat diatur dengan cara mengatur jarak antara wind tunnel dan blower sesuai keinginan, dengan cara menarik blower menggunakan troli.
18
Gambar 3.8. Terowongan Angin atau Wind Tunel
2. Blower
Blower adalah alat yang digunakan untuk menurunkan tekanan di dalam terowongan angin sehingga angin dapat berhembus dengan kecepatan tertentu. Blower digerakkan oleh motor listrik AC 3 fasa berdaya 5,5 kW, sebagai transmisinya menggunakan sabuk dan puli, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.9.
19
3. Tachometer
Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur putaran poros kincir angin sebagai data yang dibutuhkan. Jenis tachometer yang digunakan adalah digital light tachometer, prinsip kerjanya berdasarkan pantulan yang diterima sensor dari reflektor, reflektor ini berupa alumunium foil atau benda yang berwarna yang dapat memantulkan cahaya dan dipasang pada poros, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.10.
Gambar 3.10. Tachometer
4. Anemometer
20
Gambar 3.11. Anemometer
5. Neraca Pegas
Neraca pegas digunakan untuk mengukur gaya pengimbang torsi kincir angin saat kincir berputar. Neraca pegas dihubungkan pada lengan ayun dengan panjang lengan yang telah ditentukan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.12.
21
3.5. Variabel Penelitian
Variabel penelitian yang digunakan adalah :
1. Variasi jumlah sudu yaitu 3 sudu dan 6 sudu.
2. Variasi pembebanan yaitu dari keadaan kincir diam sampai kincir berputar maksimal.
3. Variasi kecepatan angin dengan melakukan perubahan jarak antara blower dengan terowongan angin sebanyak 4 kali.
Variabel yang diukur adalah : 1. Kecepatan angin. 2. Gaya pengimbang. 3. Putaran poros kincir.
3.6. Langkah Percobaan
Pengambilan data kecepatan angin, beban, dan kecepatan putar kincir dilakukan secara bersama-sama. Hal pertama yang dilakukan adalah memasang kincir angin pada terowongan angin. Selanjutnya untuk pengambilan data memerlukan proses sebagai berikut :
1. Memasang neraca pegas serta pengaitnya pada tempat yang sudah ditentukan.
2. Memasang tali pengait pada neraca pegas yang dihubungkan dengan sistem pembebanan, seperti pada Gambar 3.13.
22
3. Memasang anemometer pada bagian depan terowongan angin, seperti pada Gambar 3.14.
Gambar 3.14. Penyangga anemometer 4. Menempatkkan tachometer pada tempatnya.
5. Setelah semua siap blower siap untuk dihidupkan.
6. Pengaturan kecepatan angin dilakukan dengan cara menggeser blower dengan troli yang sudah diberi tanda sehingga jarak celah antara blower dengan terowongan angin dapat disesuaikan.
7. Setelah mendapat kecepatan angin yang konstan pengambilan data dapat dimulai dari pembacaan kecepatan putar kincir, besar torsi, dan kecepatan angin.
8. Ulangi langkah 4 sampai 7 sampai variasi kecepatan angin ke empat.
3.7. Langkah Pengolahan Data
Dari data yang telah didapat, maka data tersebut dapat diolah dengan langkah-langkah sebagai berikut :
1. Dari data kecepatan angin dan dengan diketahui luasan frontal kincir, maka daya angin dapat dicari dengan Persamaan 2.
2. Data beban pegas dapat digunakan untuk mencari torsi dengan Persamaan 7.
23
4. Dengan membandingkan kecepatan keliling diujung sudu dan kecepatan angin, maka tip speed ratio dapat dicari dengan Persamaan 9.
24
BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Data Hasil Percobaan
Data hasil percobaan ditampilkan pada Tabel 4.1. untuk 6 sudu dan Tabel 4.2. untuk 3 sudu.
Tabel 4.1. Data percobaan kincir 6 sudu.
25
Tabel 4.2. Data percobaan kincir 3 sudu.
No. Kecepatan v (m/s) n (rpm) F (N)
Dalam setiap perubahan variasi, percobaan dilakukan sebanyak empat kali variasi kecepatan. Posisi pertama dengan tidak memberi celah pada blower dan terowongan, kedua dengan memberi celah kira-kira 3 cm antara blower dan terowongan dan untuk setiap posisi diberi penambahan jarak 3 cm sampai posisi ke empat. Pengambilan data penelitian dianggap selesai bila neraca pegas tidak menunjukkan perubahan beban atau sama dengan 0 N.
4.2. Pengolahan Data Dan Perhitungan
26
4.2.1. Perhitungan Daya Angin
Besar daya yang tersedia pada angin pada kincir angin dengan luasan frontal A= 0,22 m2 dan kecepatan angin 8,38 m/s, maka daya angin dapat dicari dengan menggunakan persamaan 5 :
= 0,6 . A . v3
= 0,6 . 0,22 m2 . (8,38 m/s)3 = 77,86 watt
Jadi daya yang tersedia pada angin adalah 77,86 watt
4.2.2. Perhitungan Daya Kincir
Untuk mendapatkan daya yang dihasilkan oleh kincir, dapat menggunakan persamaan 6, namun untuk mendapatkan daya kincir sebelumnya harus mengetahui kecepatan sudut dan torsi kincir, makan untuk itu perlu dicari terlebih dahulu dengan menggunakan persamaan 8 dan 7:
= .
= . 285,1 = 29,84 /
Maka kecepatan sudut yang didapatkan adalah 29,84 radian/detik
Untuk mencari besar torsi yang terjadi pada kincir, maka dapat menggunakkan persamaan 7. Sehingga torsi yang didapat adalah :
T = F . r
= 2 N . 0,11 m = 0,22 N.m
27
Dengan kecepatan sudut 29,84 rad/detik dan torsi 0,22 N.m, maka daya yang dihasilkan oleh kincir adalah :
= T . ω
= 0,22 N.m . 29,84 rad/detik = 6,56 watt
Sehingga daya yang dihasilkan oleh kincir adalah 6,56 watt.
4.2.3. Perhitungan tip speed ratio
Dengan memgetahui kecepatan putar kincir 285,1 rpm, jari-jari kincir 0,265 m dan kecepatan angin 8,38 m/s, maka tsr dapat dicari dengan menggunakan
Sehingga tsr yang didapatkan adalah 0,94
4.2.4. Perhitungan Koefisien Daya Kincir
Dengan mengetahui daya yang dihasilkan oleh kincir 6,56 watt dan daya yang dihasilkan oleh angin 77,86 watt, maka koefisien daya kincir dapat dicari dengan menggunakkan persamaan 10 :
= .100%
= ,
, .100%
= 8,43%
28
4.3. Hasil Perhitungan
Dari percobaan yang telah dilakukan dengan mevariasikan jumlah sudu dan mengatur kelonggaran blower dan terowongan, maka data yang didapatkan adalah sebagai berikut :
Tabel 4.3. Data hasil perhitungan untuk 6 sudu pada variasi kecepatan 8,4 m/s.
No. v
Tabel 4.4. Data hasil perhitungan untuk 6 sudu pada variasi kecepatan 7,8 m/s.
No. v
Tabel 4.5. Data hasil perhitungan untuk 6 sudu pada variasi kecepatan 7,2 m/s.
29
Tabel 4.6. Data hasil perhitungan untuk 6 sudu pada variasi kecepatan 6,7 m/s.
No. v
Tabel 4.7. Data hasil perhitungan untuk 3 sudu pada variasi kecepatan 8,3 m/s.
No. v
Tabel 4.8. Data hasil perhitungan untuk 3 sudu pada variasi kecepatan 8,1 m/s.
No. v
Tabel 4.9. Data hasil perhitungan untuk 3 sudu pada variasi kecepatan 7,8 m/s.
30
Tabel 4.10. Data hasil perhitungan untuk 3 sudu pada variasi kecepatan 7,3 m/s.
No. v
4.4. Grafik Hasil Perhitungan
Dari data yang telah diperoleh, kemudian diolah kembali ke dalam bentuk grafik untuk mengetahui hubungan antara torsi dan putaran poros, daya yang dihasilkan kincir dan putaran poros dan CP dan tsr untuk setiap variasi.
4.4.1. Grafik Untuk Variasi 6 sudu.
1. Grafik hubungan antara torsi dan kecepatan putar kincir.
Berdasarkan hasil perhitungan yang telah dilakukan pada Tabel 4.3., maka dapat dibuat grafik hubungan antara torsi dan putaran poros kincir yang disajikan pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1. Grafik hubungan antara torsi dan putaran poros kincir 6 sudu
31
Dapat dilihat bahwa setiap perubahan posisi variasi akan mempengaruhi besarnya torsi dan kecepatan putar kincir yang terjadi. Kecepatan maksimal yang tercapai adalah 524,5 rpm dan torsi maksimalnya adalah 0,29 N.m pada posisi 1. Pada dasarnya torsi sangat mempengaruhi putaran poros kincir, torsi tinggi maka putaran poros akan rendah sedangkan torsi rendah maka putaran poros kincir akan tinggi. Pada posisi 3 dan 4 memiliki hasil yang tidak begitu jauh, ini dapat terjadi karena data yang dipakai dalam penelitian sedikit sehingga data yang didapatkan tidak menghasilkan kinerja kincir yang diharapkan. Solusi yang digunakan adalah memperbanyak data penelitian sehingga setiap perubahan kinerja kincir dapat terlihat dengan jelas.
2. Grafik hubungan antara daya kincir dan putaran poros kincir.
Berdasarkan hasil perhitungan yang telah dilakukan pada Tabel 4.3., maka dapat dibuat grafik hubungan antara daya kincir dan putaran poros kincir yang dapat dilihat dalam Gambar 4.2.
Gambar 4.2. Grafik hubungan antara daya kincir dan putaran poros kincir 6 sudu
32
kecepatan putar posor kincir akan mempengaruhi daya yang dihasilkan kincir. Pada posisi 3 dan 4 memiliki hasil yang terbalik dimana pada posisi 4 memiliki daya kincir yang lebih tinggi dari pada posisi 3, ini memiliki kasus yang sama seperti grafik hubungan antara torsi dan putaran poros dimana data penelitian yang dipakai terlalu sedikit sehingga perubahan kinerja kincir tidak dapat maksimal, sehingga data penelitian perlu diperbanyak untuk mempermudah dalam pengolahan data dan mendapatkan data penelitian yang lebih akurat.
3. Grafik hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio.
Dari data yang telah didapatkan pada Tabel 4.3., maka dapat dibuat grafik hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio yang dapat dilihat pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3. Grafik hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio 6 sudu Seperti yang ditunjukkan Gambar 4.3., perbandingan antara CP dan tsr menunjukkan nilai maksimal CP 8,43 % dan tsr 0,94 pada posisi 1. Pada posisi 4 memiliki CP 7,85 % yang hampir sama dengan CP pada posisi 1. Besarnya CP dan tip speed ratio sama-sama dipengaruhi oleh unjuk kerja kincir angin. Unjuk kerja ini meliputi daya yang ada pada angin, daya yang dihasilkan kincir, torsi dan
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00
33
kecepatan putar kincir. Unjuk kerja yang tinggi maka akan menghasilkan koefisien daya dan tip speed ratio yang tinggi, sedangkan dengan unjuk kerja yang rendah maka akan menghasilkan koefisien daya kincir dan tip speed ratio yang rendah pula. Unjuk kerja ini sangat dipengaruhi oleh aerodinamis kincir dan dimensi kincir. Beberapa hal tersebut dapat mempengaruhi kecepatan putaran poros kincir, kecepatan tinggi maka CP akan tinggi sedangakan kecepatan rendah maka CP akan rendah.
4.4.2. Grafik Untuk Variasi 3 sudu.
1. Grafik hubungan antara torsi dan kecepatan putar kincir.
Berdasarkan hasil perhitungan yang telah dilakukan pada Tabel 4.4., maka dapat dibuat grafik hubungan antara torsi dan putaran poros kincir yang disajikan pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4. Grafik hubungan antara torsi dan putaran poros kincir 3 sudu Dapat dilihat bahwa setiap perubahan posisi variasi akan mempengaruhi besarnya torsi dan kecepatan putar kincir yang terjadi. Kecepatan maksimal yang tercapai adalah 508,1 rpm dan torsi maksimalnya adalah 0,12 N.m pada posisi 1. Torsi sangat dipengaruhi oleh putaran poros kincir, semakin cepat kincir berputar
34
maka torsi yang dihasilkan kincir tersebut kecil, sedangkan putaran poros yang rendah maka akan menghasilkan torsi yang besar. Torsi ini dapat berubah-ubah sesuai dengan variasi yang dilakukan.
2. Grafik hubungan antara daya kincir dan putaran poros kincir.
Berdasarka hasil perhitungan yang telah dilakukan pada Tabel 4.4., maka dapat dibuat grafik hubungan antara daya kincir dan putaran poros kincir yang dapat dilihat dalam Gambar 4.5.
Gambar 4.5. Grafik hubungan antara daya kincir dan putaran poros kincir 3 sudu
35
3. Grafik hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio.
Dari data yang telah didapatkan pada Tabel 4.4, maka dapat dibuat grafik hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio yang dapat dilihat pada Gambar 4.6.
Gambar 4.6. Grafik hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio 3 sudu Gambar 4.6., memperlihatkan perbandingan antara CP dan tsr dengan nilai sedangkan kincir angin dengan unjuk kerja yang rendah maka akan menghasilkan koefisien daya kincir dan tip speed ratio yang rendah pula.
Dari variasi yang telah dilakukan maka didapatkan perbandingan unjuk kerja untuk kincir 3 sudu dan 6 sudu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.7, Gambar 4.8, Gambar 4.9.
0,00
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00
36
Gambar 4.7. Grafik perbandingan torsi kincir dan putaran poros
Pada Gambar 4.7. menunjukkan perbandingan torsi kincir dan putaran poros kincir menunjukkan bahwa kincir angin bersudu 6 memiliki torsi lebih tinggi sebesar 4,25 % dari kincir bersudu 3.
Gambar 4.8. Grafik perbandingan daya kincir dan putaran poros
37
Pada Gambar 4.8. menunjukkan perbandingan daya kincir dan putaran poros kincir menunjukkan bahwa kincir angin bersudu 6 memiliki daya yang dihasilkan kincir lebih tinggi sebesar 92,75 % dari kincir bersudu 3.
Gambar 4.9. Grafik perbandingan Cp dan tsr
Pengaruh jumlah sudu yang terjadi menunjukkan bahwa jumlah sudu semakin banyak maka mempengaruhi unjuk kerja kincir angin yang diuji. Dalam pengujian menunjukkan bahwa kincir angin bersudu 6 menghasilkan koefisien daya lebih tinggi sebesar 107,5 % dari kincir bersudu 3.
0,00
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00
38
BAB V
PENUTUP
5.1. Kesimpulan
Dari pengujian model kincir angin plat datar yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Telah berhasil dibuat model kincir angin poros horisontal dengan model kincir angin plat datar.
2. Kincir angin dengan 6 sudu menghasilkan daya kincir maksimal 6,56 watt, torsi maksimal 0,29 N.m dan koefisien daya maksimal sebesar 8,43 % pada trs 0,94, sedangkan untuk kincir angin dengan 3 sudu menghasilkan daya kincir maksimal 2,85 watt, torsi maksimal 0,12 N.m dan koefisien daya maksimal sebesar 3,7 % pada tsr 0,82.
5.2. Saran
Setelah dilakukan penelitian ini ada kekurangan dan kelebihan yang perlu di perhatikan, untuk itu perlu adanya saran untuk pengembangan kincir angin ini, antara lain :
1. Untuk lebih meningkatkan kinerja kincir angin perlu dilakukan pengembangan lebih lanjut dengan mevariasikan jumlah sudu dan sudut sudu.
39
DAFTAR PUSTAKA
Andika, N.M, Triharyanto, T.Y., Prasetya, O.R. 2008. Kincir Angin Sumbu Horisontal Bersudu Banyak. Rancang Bangun Mesin. Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma. Yogyakarta.
Burton, T., Sharpe, D. 2001. Wind Energi Handbook. England.
Daryanto. Y. 2007. Kajian Potensi Angin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu. BALAI PPTAGG-UPT-LAGG.
Johnson, G.L. 2006. Wind Energy System. Manhattan.
Johnson, G.L. 1997. The Search for A New Energy Source. Manhattan.
Lukiyanto, Y.B. 2009. Wind Energy Converter. Panduan Praktikum Prestasi mesin.Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma. Yogyakarta.
Mulyani, 2008. Kajian Potensi Angin Indonesia. Central Library Institute Technology Bandung.
Sastrowijoyo, F. 2008. Permasalahan Yang Sering Terjadi Pada Sistem Wind Turbine di Indonesia. http://konversi.wordpress.com. Diakses : Tanggal 22 Februari 2012.
Sutrisna, F. K. 2011. Prinsip kerja Pembangkit Listrik Tenaga Angin.
40
