UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN SAVONIUS
TIGA VARIASI UKURAN DENGAN
LUAS FRONTAL 4920 CM
2TUGAS AKHIR
Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin
Diajukan oleh :
KASIANTO NIM : 075214032
Kepada
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNVERSITAS SANATA DHARMA
THE PERFORMANCE OF SAVONIUS WIND TURBINE
THREE SIZE VARIATIONS WITH 4920 CM
2FRONTAL AREA
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree
Mechanical Engineering Study Program Mechanical Engineering Department
by
KASIANTO
Student Number : 075214032
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA 2011
v
INTISARI
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui dan mencari torsi, daya kincir, koefisien daya dan tip speed ratio (tsr) pada model kincir angin Savonius.
Objek penelitian ini adalah model kincir angin Savonius 4 sudu 2 tingkat dengan poros vertikal, memiliki luas frontal 4920 cm2. Pengujian dilakukan dengan sumber angin berasal dari fan blower. Kecepatan angin yang digunakan divariasikan dengan mengubah posisi antara jarak wind tunnel dengan fan blower. Variasi pengujian juga dilakukan dengan variasi diameter kincir dengan menggunakan luas frontal yang sama. Terdapat 3 model kincir angin dalam penelitian ini. Model 1 adalah kincir angin dengan diameter 60 cm dan tinggi 82 cm. Model 2 adalah kincir angin dengan diameter 70,1 cm dan tinggi 70,1 cm. Dan model 3 adalah kincir angin dengan diameter 82 cm dan tinggi 60 cm
Hasil penelitian ditampilkan dalam bentuk grafik karakteristik koefisien daya terhadap tip speed ratio yang ditunjukan pada Gambar 4.2. Nilai Cp maksimum yang dicapai untuk kincir angin Model 1 adalah 44 % diperoleh pada saat tip speed ratio sebesar 1,2 dengan kecepatan angin 6,37 m/s, sedangkan nilai Cp maksimum yang dicapai untuk kincir angin Model 2 adalah 41 % diperoleh pada saat tip speed ratio sebesar 1,27 dengan kecepatan angin 6,17 m/s, dan Nilai Cp maksimum yang dicapai untuk kincir angin Model 3 adalah 40 % diperoleh pada saat tip speed ratio sebesar 1,12 dengan kecepatan angin 5,58 m/s. Daya kincir maksimum yang dihasilkan oleh kincir angin dengan 4 sudu 2 tingkat adalah 33 watt, yaitu pada model 1, pada putaran rotor sekitar 221 rpm, dicapai pada kecepatan angin 6,44 m/s.
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Allah SWT karena atas berkat dan rahmat-Nya dalam penyusunan Tugas Akhir ini, sehingga pada akhirnya Tugas Akhir ini dapat kami selesaikan dengan baik.
Tugas Akhir merupakan sebagian persyaratan yang wajib ditempuh oleh setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Tugas Akhir ini juga dapat dikatakan sebagai wujud pemahaman dari hasil belajar mahasiswa setelah mengikuti kegiatan perkuliahan selama di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Dalam Tugas Akhir ini akan dibahas mengenai unjuk kerja model kincir angin Savonius tiga variasi ukuran dengan luas frontal 4920 cm2. Dalam Tugas Akhir ini, penulis berencana untuk meneliti unjuk kerja dari kincir angin Savonius dengan luas frontal 4920 cm2.
Selama pembuatan tugas akhir ini tentu penulis mengalami berbagai macam hambatan dan cobaan, namun pada akhirnya dapat diselesaikan dengan bantuan saran, nasihat, ide, maupun bimbingan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini, dengan segenap kerendahan hati kami mengucapkan terima kasih kepada:
1. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., sebagai Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Bapak Budi Sugiharto, S.T., M.T., sebagai Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Bapak Ir. Rines,M.T., sebagai Dosen pembimbing Tugas Akhir. 4. RB. Dwiseno Wihadi, S.T.Msi., selaku Dosen pembimbing akademik.
viii
5. Ibu Sartinah selaku orang tua, karena kebaikan dan kerendahan hatinya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini, Keluarga penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah memberikan motivasi penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.
6. Rekan sekelompok yaitu Tumbur Sahala Tua dan Dian Afril Sinaga, yang telah membantu dalam perancangan, pembuatan, perbaikan alat dan pengambilan data. 7. 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 telah berusaha semaksimal mungkin untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini, namun sebagai manusia tentunya kami menyadari bahwa yang kami kerjakan masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis mohon maaf atas segala kekurangan dan kesalahan yang terdapat dalam penyusunan Tugas Akhir ini. Saran serta kritik yang membangun dari pembaca sangat penulis harapkan demi perbaikan dikemudian hari.
Penulis berharap semoga Tugas Akhir yang telah penulis susun ini dapat memberikan manfaat bagi para pembaca.
Yogyakarta, 17 Juli 2011
ix
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN ... vi
KATA PENGANTAR ... vii
BAB II DASAR TEORI 2.1 Konsep Dasar Angin ... 5
2.2 Kincir Angin ... 7
x
BAB III METODE PELAKSANAAN 3.1 Peralatan dan Bahan ... 16
3.2 Variabel Penelitian ... 24
3.3 Variabel Yang Diukur ... 24
3.4 Parameter Yang Dihitung ... 24
3.5 Langkah Penelitian ... 25
xi
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan ... 46
5.2 Saran ... 46
DAFTAR PUSTAKA ... 48
LAMPIRAN ... 49
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xii
Gambar 3.7 Poros yang digunakan dalam penelitian ... 20
Gambar 3.8 Skema alat pendukung ... 20
Gambar 4.2 Grafik hubungan antara torsi, putaran poros, dan daya kincir untuk diameter 60 cm dan tinggi 82 cm ... 42
xiii
Gambar 4.4 Grafik hubungan antara torsi, putaran poros, dan daya kincir
untuk diameter 82 cm dan tinggi 60 cm ... 43
Gambar 4.4 Grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr) ... 44
Gambar L.1 Desain model kincir angin ... 51
Gambar L.2 Kincir angin Savonius ... 52
Gambar L.3 Posisi pemasangan kincir angin pada terowongan angin ... 53
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xiv
DAFTAR TABEL
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Kebutuhan energi di Indonesia khususnya dan di dunia pada umumnya terus meningkat karena pertambahan penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pola konsumsi energi itu sendiri yang senantiasa meningkat. Khususnya penggunaan energi listrik diperlukan sekali oleh masyarakat yang sudah maju maupun yang sedang berkembang dalam jumlah yang besar, namun diusahakan dengan biaya yang serendah mungkin. Banyak sekali energi alternatif dari alam terutama di indonesia yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik. Salah satu contoh energi alternatif yang dapat dipilih adalah energi angin. Karena energi angin terdapat dimana-mana sehingga mudah didapat serta tidak membutuhkan biaya yang besar. Karena energi listrik tidak dihasilkan langsung oleh alam maka untuk memanfaatkan energi angin ini deperlukan sebuah alat yang bekerja dan menghasilkan energi listrik. Alat yang dapat digunakan untuk memanfaatkan energi angin ini adalah kincir angin. Kincir angin ini akan menangkap energi angin dan menggerakkan generator yang nantinya akan menghasilkan energi listrik.
Pemanfaatan tenaga angin di Indonesia sebagai pembangkit listrik tenaga angin belum begitu optimal dan kurang mendapat perhatian dari pemerintah, walaupun di beberapa daerah sudah mampu memanfaatkan tenaga angin sebagai pembangkit listrik, namun penerapannya belum bisa dibilang efektif. Padahal
kapasitas pembangkitan listrik tenaga angin di negara lain telah berkembang pesat seperti di Belanda dan Cina.
Berdasarkan kondisi diatas, maka untuk ikut andil dalam pengembangan energi terbarukan diadakanlah penelitian ini. Kincir angin yang penulis gunakan adalah kincir angin Savonius poros vertikal. Penelitian ini bermaksud untuk mendapatkan unjuk kerja kincir angin Savonius poros vertikal dengan 4 sudu 2 tingkat dari penelitian sebelumnya dengan variasi besar sudut sudu menjadi variasi tiga variasi ukuran dengan luas frontal yang sama. Desain kincir angin dibuat sesederhana mungkin menggunakan bahan-bahan yang mudah diperoleh disekitar kita untuk perawatannya agar nanti setiap orang dapat mengaplikasikan penelitian ini.
1.2 RUMUSAN MASALAH
Dengan rata-rata kecepatan angin yang rendah di Indonesia, kincir angin dituntut untuk dapat berputar secara optimal. Banyak hal yang dapat mempengaruhi dari unjuk kerja kincir angin Savonius, seperti bentuk dan ukuran sudu-sudu. Oleh karena penelitian bermaksud untuk mengetahui bagaimana pengaruh unjuk kerja dari tiga perbedaan variasi yang telah ditentukan.
1.3 BATASAN MASALAH
3
a. Kincir model yang digunakan adalah kincir poros vertikal dengan 4 sudu yang memiliki 2 tingkat, yang tiap tingkatnya terdapat 2 sudu.
b. Luas frontal untuk tiga model kincir angin dibuat sama yaitu 4920 cm2, dengan rincian sebagai berikut:
1. Diameter 60 cm dan tinggi 82 cm. 2. Diameter 70,1 cm dan tinggi 70,1 cm. 3. Diameter 82 cm dan tinggi 60 cm.
c. Besaran-besaran yang diukur meliputi kecepatan angin, putaran poros, suhu udara, dan gaya penyeimbang.
d. Besaran-besaran yang dicari meliputi torsi, daya kincir, daya angin, koefisien daya, dan tip speed ratio.
1.4 TUJUAN PENELITIAN
Sesuai dengan permasalahan yang telah dikemukakan diatas maka tujuan penelitian ini adalah:
a. Membuat tiga model kincir Savonius dengan luas frontal 4920 cm2
b. Mengetahui ukuran kincir yang memiliki koefisien daya maksimal yang paling tinggi diantara tiga variasi ukuran kincir.
c. Mengetahui ukuran kincir yang menghasilkan daya maksimal dan torsi maksimal paling tinggi diantara tiga variasi ukuran kincir.
1.5 MANFAAT PENELITIAN
Hasil Penelitian ini nantinya dapat memberikan manfaat yang cukup berarti bagi pihak – pihak antara lain:
a. Untuk Ilmu Pengetahuan
Memberi masukan dan informasi tambahan yang berguna untuk pemanfaatan energi angin.
b. Untuk Peneliti
Sebagai pedoman untuk mengembangkan energi listrik tenaga angin, khususnya kincir angin Savonius dalam skala lebih besar lagi.
c. Bagi Masyarakat
Untuk memberi informasi bagi masyarakat terutama di daerah pedesaan yang belum teraliri listrik untuk pemberdayaan teknologi tepat guna. d. Bagi Universitas Sanata Dharma
5
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Konsep Dasar Angin
Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Angin dapat bergerak secara horizontal maupun secara vertical dengan kecepatan bervariasi dan berfluktuasi secara dinamis.
Angin selalu bertiup dari tempat dengan tekanan udara tinggi ke tempat dengan tekanan udara yang lebih rendah. Jika tidak ada gaya lain yang mempengaruhi, maka angin akan bergerak secara langsung dari udara bertekanan tinggi ke udara bertekanan rendah. Akan tetapi, perputaran bumi pada sumbunya, akan menimbulkan gaya yang akan mempengaruhi arah pergerakan angin.
Kecepatan angin dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya letak tempat dimana kecepatan angin di dekat khatulistiwa lebih cepat dari pada yang jauh dari garis khatulistiwa. Semakin tinggi tempat, semakin kencang pula angin yang bertiup, hal ini disebabkan oleh pengaruh gaya gesekan yang menghambat laju udara. Di permukaan bumi, gunung, pohon, dan topografi yang tidak rata lainnya memberikan gaya gesekan yang besar. Semakin tinggi suatu tempat, gaya gesekan ini semakin kecil.
Di bandara, windsocks digunakan untuk menunjukkan arah angin, tetapi juga dapat digunakan untuk memperkirakan kecepatan angin dengan sudut
gantungnya. Kecepatan angin biasanya diukur dengan anemometer sedangkan wind vane, adalah alat untuk mengetahui arah angin.
Gambar 2.1 Peta potensi angin Indonesia (sumber: http://konversi.wordpress.com/)
Sebagaimana diketahui, pada dasarnya angin terjadi karena ada perbedaan temperatur antara udara panas dan udara dingin. Daerah sekitar khatulistiwa, yaitu pada busur 0°, adalah daerah yang mengalami pemanasan lebih banyak dari Matahari dibanding daerah lainnya di Bumi.
Daerah panas ditunjukkan dengan warna merah, oranye, dan kuning pada gambar inframerah dari temperatur permukaan laut yang diambil dari satelit NOAA-7 pada Juli 1984. Udara panas lebih ringan daripada udara dingin dan akan naik ke atas sampai mencapai ketinggian sekitar 10 kilometer dan akan tersebar ke arah utara dan selatan.
7
yang bergerak inilah yang merupakan energi yang dapat diperbaharui, yang dapat digunakan untuk memutar turbin dan akhirnya dapat menghasilkan listrik.
Dalam hal ini Indonesia merupakan suatu negara tropis, memiliki potensi angin yang rendah. Dari Gambar 2.1 dapat dilihat bahwa potensi angin terbesar di Indonesia terletak di kepulauan Sumba, Sumbawa, Lombok dan Bali, yaitu sebesar 4,6 – 6 m/s.
2.2 Kincir Angin
Kincir angin merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang salah satu fungsinya dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit tenaga listrik yang memanfaatkan energi angin. Angin dapat berhembus pada pagi hari, siang hari bahkan malam hari. Kapanpun angin berhembus, kincir angin dapat mengubah dan menyimpannya menjadi energi listrik.
Sebagai sumber energi terbarukan, energi angin memberikan beragam pemanfaatan, diantaranya :
• Listrik pedesaan / daerah tertinggal
• Pompa air untuk irigasi mikro
• Pengolahan air baku daerah terpencil • Aerasi tambak/ budidaya rumput laut
• Pabrik es balok untuk nelayan
Gambar 2.2 Kincir angin poros vertikal (Sumber :
http://pendekars.wordpress.com/2010/12/13/10-kincir-angin-modern/)
Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dibagi menjadi 2 yaitu kincir angin poros horizontal dan kincir angin poros vertikal. Sedangkan peneliatian ini adalah pengembangan dari kincir angin poros vertikal.
Kincir angin poros vertikal seperti pada Gambar 2.2 memiliki kelebihan diantaranya adalah tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Karena kincir angin poros vertikal mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah, kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginya sangat bervariasi. Kincir angin poros vertikal tidak terlalu membutuhkan kecepatan angin yang terlalu tinggi, sehingga cocok digunakan di Indonesia yang memiliki potensi kecepatan angin yang rendah.
2.3 Hal-hal Yang Mempengaruhi Aliran Udara
9
a. Ketinggian tempat
Dari hasil penelitian oleh para ahli, didapatkan bahwa kecepatan angin bertambah dengan bertambahnya ketinggian tempat peninjauan. Pergerakan lapisan udara yang dekat dengan permukaan bumi akan mengalami perlambatan. Hal ini diakibatkan oleh gesekan antara udara dan permukaan tanah makin kecil.
Para ahli meteorologi telah menyimpulkan bahwa suatu daerah yang dianggap perubahan kecepatan aliran udara terhadap ketinggian tempat peninjauan berbanding langsung dengan dengan berkurangnya gaya gesek antara udara dan permukaan tanah dan dapat diabaikan dengan ketinggian 1000 m diatas permukaan tanah. Jadi, pada ketinggian ini aliran udara tidak dipengaruhi oleh gesekan udara terhadap permukaan tanah. (Frank M,1982)
b. Bentuk topografis daerah
Bila angin bertiup melalui daerah yang tidak rata maka, akan terjadi
perubahan arah dan kecepatan angin. Daerah yang tidak rata ini merupakan
rintangan, namun adakalanya mempercepat angin. Hal ini disebabkan oleh adanya
pantukan angin atau pusaran angin. Bentuk yang landai menambah laju angin,
misalnya pada punggung bukit. Angin yang melewati punggung bukit akan
tertekan sehingga kecepatan aliran bertambah. Sebaliknya jika angin melewati
rintangan misalnya pada lereng gunung yang curam, bukit batu yang terjal,
gedung dan pohon kecepatan angin akan menurun dan dapat mengalami
pembalikan arah. Kincir angin sebaiknya ditempatkan pada lokasi yang terbuka
untuk menghindari terjadinya turbulensi. Turbulensi terjadi akibat aliran udara
terhalang oleh rintangan lokal misalnya pohon, gedung, tebing. jika suatu aliran
halus melewati rintangan lokal maka akan terjadi pembelokan arah secara
tiba-tiba yang menimbulkan reaksi hantaman yang berulang-ulang, sehingga terjadi
variasi tegangan yang tajam pada sudu kincir. Untuk mencegah terjadi hal tersebut
maka penempatan kincir angin berjarak minimal 20 kaki lebih tinggi dari
halangan lokal yang ada pada radius 300 kaki.
c. Densitas udara
Besar densitas benda padat dan cair umumnya tetap, sedangkan kepadatan benda gas tergantung pada tekanannya. Oleh karena densitas bergantung dengan tekanan, dimana tekanan ini bergantung terhadap ketinggian tempat peninjauan dari permukaan laut maka densitas pun bergantung dengan ketinggian. Densitas juga terpengaruh oleh temperatur , makin tinggi temperatur udaranya makin kecil densitasnya.
2.4 Gaya Drag dan Lift.
11
gaya hambat udara). Semakin cepat benda bergerak semakin besar gaya hambat udara ini.
Selain itu gaya angkat (lift) banyak dibahas di teknologi pesawat terbang. Dalam teknologi pesawat terbang, gaya lift didapatkan dari desain sayap pesawat terbang yang menyebabkan tekanan udara yang berada di bawah permukaan sayap lebih besar daripada tekanan udara di atas permukaan sayap.
2.5 Rumus Perhitungan
Berikut ini adalah beberapa rumus perhitungan yang mendukung analisa unjuk kerja kincir angin.
2.5.1 Energi Angin
Energi yang terdapat pada angin merupakan energi kinetik, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut:
𝐸𝑘 = 0,5.𝑚.𝑣2 (1)
yang dalam hal ini:
𝐸𝑘 : Energi kinetik, Joule
𝑚 : massa udara, kg
𝑣 : kecepatan angin, m/s
Selain itu daya adalah energi per satuan waktu, maka dari Persamaan (1) dapat dituliskan:
𝑃𝑎 = 0,5.𝑚̇ .𝑣2 (2)
yang dalam hal ini:
𝑃𝑎 : daya angin, watt
𝑚̇ : massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu, kg/s
Perhitungan massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu dapat dirumuskan sebagai berikut.
𝑚̇ = 𝜌.𝐴.𝑣 (3)
yang dalam hal ini:
𝐴 :luas penampang melintang arus angin yang ditangkap oleh
kincir,m2
𝜌 : massa jenis udara, kg/m3
Dengan menggunakan Persamaan (3), maka daya angin (𝑃𝑎) dapat dirumuskan menjadi:
𝑃𝑎 = 0,5. 𝜌.𝐴.𝑣 .𝑣2,
Apabila disederhanakan menjadi:
13
2.5.2 Perhitungan Torsi dan Daya
Salah satu tujuan dari tugas akhir ini adalah menentukan daya dan torsi yang dihasilkan kincir.
2.5.2.1 Torsi
Torsi adalah perkalian vektor antara jarak sumbu putar dengan gaya yang bekerja pada titik yang berjarak dari sumbu pusat, yang dapat dirumuskan sebagai berikut:
𝑇 = 𝑟. 𝐹 (5)
yang dalam hal ini:
𝑇 : torsi yang dihasilkan dari putaran poros, Nm
𝐹 : gaya pada poros akibat puntiran, N
𝑟 : jarak lengan ke poros, m
2.5.2.2 Daya Kincir
Perhitungan daya pada gerak melingkar pada umumnya dapat dituliskan sebagai berikut:
𝑃k = 𝑇 . 𝜔 (6)
yang dalam hal ini:
𝑇: torsi, Nm
𝜔 : kecepatan sudut, rad/s
Jika pada kincir angin besarnya kecepatan sudut (𝜔) dirumuskan sebagai:
𝜔 = 𝜋∙𝑛
30
(7)
maka besarnya daya kincir berdasarkan Persamaan (6) dapat dinyatakan dengan:
𝑃𝑘 =𝑇 ∙
(
𝜋30∙𝑛)
(8)yang dalam hal ini:
𝑃𝑘 : daya poros kincir angin, watt 𝑛 : putaran poros, rpm
2.5.3 Tip Speed Ratio
Tip speed ratio (tsr) adalah perbadingan antara kecepatan ujung sudu
kincir angin yang berputar dengan kecepatan angin, dapat dirumuskan dengan:
tsr
=
𝜋∙𝑛∙𝑟30∙𝑣 (9)
yang dalam hal ini:
𝑟: jari-jari kincir, m
𝑛: putaran poros kincir, rpm
𝑣: kecepatan angin, m/s
2.5.4 Koefisien Daya (Cp)
15
𝐶𝒑 = 𝑃𝑃𝑎𝒌∙100% (10)
yang dalam hal ini:
𝐶𝑝: koefisien daya, %
𝑃𝑘: daya yang dihasilkan oleh kincir, watt
𝑃𝑎: daya yang dihasilkan oleh angin, watt
16
BAB III
METODE PELAKSANAAN
Penelitian dilakukan di laboratorium konversi energi Universitas Sanata Dharma selama 3 hari. Pengambilan data dilakukan mulai pukul 09.00 sampai dengan pukul 15.00.
3.1 Peralatan dan Bahan
Kincir angin model tugas akhir ini ditunjukan pada Gambar 3.1, Gambar 3.2, dan Gambar 3.3 memiliki 4 bagian utama, yaitu:
17
Gambar 3.2 Kincir dengan diameter 70,1 cm dan tinggi 70,1 cm
Gambar 3.3 Kincir dengan diameter 82 cm dan tinggi 60 cm
1. Tempat Posisi Sudu
Tempat posisi sudu seperti yang terlihat pada Gambar 3.4 adalah komponen tempat sudu-sudu berada sekaligus tempat untuk saling menghubungkan komponen-komponen kincir angin. Bentuk dan ukuran sudu diambil dan diukur menurut bentuk rancangan dudukan ini. Jadi bagian ini merupakan salah satu komponen utama yang sangat penting, karena bentuk dan rancangan harus simetris.
Gambar 3.4 Tempat posisi sudu
Pada komponen ini saat unjuk kerja akan divariasikan menjadi 3 variasi diameter kincir, dengan ukuran yang dapat dilihat pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Ukuran variasi kincir angin
D (mm) r (mm) x (mm) y (mm)
820 246 38 243
701 210 33 208
19
2. Sudu
Sudu seperti dapat dilihat pada Gambar 3.5, adalah komponen kincir yang berfungsi untuk menangkap angin. Pada komponen ini saat unjuk kerja akan divariasikan menjadi 3 variasi diameter kincir dan komponen ini terbuat dari bahan seng.
Gambar 3.5 Sudu
3. Pendukung
Pendukung seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.6, merupakan komponen pendukung kincir yang yang terbuat dari triplek. Komponen ini juga merangkap sebagai pendukung untuk komponen sudu yang berfungsi untuk menahan sudu agar tetap pada bentuk dan ukuranya.
Gambar 3.6 Pendukung
4. Poros
Poros terbuat dari pipa PVC dengan panjang 122 cm dan diameter 0,75 inchi. Poros terbuat dari bahan yang ringan dengan tujuan agar nilai efisiensinya tinggi.
Gambar 3.7 Poros kincir yang diteliti
Adapun peralatan yang mendukung dalam pengambilan data antara lain:
Gambar 3.8 Skema alat pendukung
1. Wind Tunnel
21
Gambar 3.9 Wind tunnel
2. Fan Blower
Komponen ini ditunjukan pada Gambar 3.10 yang berfungsi untuk menghisap angin atau penghasil angin yang terhubung dengan wind tunnel.
Gambar 3.10 Fan blower
3. Anemometer
Alat ini berfungsi untuk mengetahui kecepatan angin dan suhu udara yang ada di dalam wind tunnel. Anemometer ditunjukan pada Gambar 3.11.
Gambar 3.11 Anemometer
4. Neraca Pegas
Neraca pegas yang ditunjukan pada Gambar 3.12 digunakan untuk mengukur gaya pengimbang.
Gambar 3.12 Neraca pegas
5. Susunan Beban Dengan Lampu
Rangkaian lampu seperti pada Gambar 3.13 berfungsi untuk memberikan variasi beban dalam menguji kincir angin.
23
6.
GeneratorGenerator seperti ditunjukan pada Gambar 3.14 dihubungkan dengan susunan beban lampu, yang nantinya berfungsi sebagai penghambat atau pengerem putaran kincir dalam pengambilan data torsi dan daya kincir.
Gambar 3.14 Generator
7. Takometer
Alat ini berfungsi untuk mengetahui kecepatan putaran kincir angin sebagai data yang dibutuhkan. Takometer yang dipakai ditunjukan pada Gambar 3.15.
Gambar 3.15 Takometer
3.2 Variabel Penelitian
Beberapa variabel penelitian yang harus ditentukan sebelum penelitian adalah:
1. Variasi ukuran diameter kincir adalah : 600 mm, 701 mm dan 820 mm 2. Variasi kecepatan angin dalam penelitian adalah 4 m/s sampai dengan
6,7 m/s
3.3 Variabel Yang Diukur
Variabel yang diukur sesuai dengan tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Kecepatan angin (v)
2. Putaran kincir atau poros (n) 3. Gaya penyeimbang (F) 4. Suhu udara
3.4 Parameter Yang Dihitung
Parameter yang dihitung untuk mendapatkan karakteristik kincir angin adalah:
1. Torsi (T) 2. Daya angin (Pa) 3. Daya kincir (Pk) 4. Koefisien daya (Cp)
25
Langkah pertama dalam pengambilan data penelitian adalah memposisikan kincir angin seperti Gambar 3.16. Sambungkan kincir angin dengan transmisi sabuk yang telah terhubung dengan generator yang berada dibawah wind tunnel.
Gambar 3.16 Setting posisi kincir angin
3.5 Langkah Penelitian
Pengambilan data kecepatan angin, suhu udara, putaran poros dan gaya penyeimbang dilakukan secara bersamaan.
Saat pengambilan data hal-hal yang perlu dilakukan adalah:
1. Memasang neraca pegas pada tempat yang telah ditentukan.
2. Memasang tali yang dihubungkan antara neraca pegas dengan lengan pada generator.
3. Memposisikan anemometer seperti Gambar 3.16 untuk mengukur kecepatan angin dan suhu udara didalam wind tunnel.
4. Menghubungkan generator kerangkaian lampu, yang nantinya berfungsi sebagai rem atau beban.
5. Rangkaian lampu diposisikan pada posisi saklar off semua terlebih dahulu, pengujian dilakukan hingga beberapa variasi beban lampu. 6. Jika sudah siap, nyalakan blower untuk menghembuskan angin pada
wind tunnel. Atur kecepatan angin pada wind tunnel dengan cara merubah jarak fan blower terhadap wind tunnel untuk menentukan variasi angin mulai dari sekitar 6,7 m/s hingga 4 m/s, mulai dari yang tercepat.
7. Bila kecepatan angin sudah sesuai dengan yang diinginkan, maka pengukuran dapat dilakukan dengan membaca gaya pengimbang yang terukur pada neraca pegas.
8. Mengukur putaran poros dengan takometer yang diarahkan pada pulley besar.
9. Mengukur kecepatan angin dan suhu udara dengan anemometer, seperti yang terlihat pada Gambar 3.16.
10.Pengambilan data diambil selama 30 detik. 11.Hasil dari pengujian kemudian dicatat.
27
BAB IV
DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Penelitian
Pengambilan data penelitian pada kecepatan angin, suhu udara, putaran poros dan gaya diambil secara bersamaan dalam kurun waktu 30 detik. Pengujian dilakukan dengan variasi kecepatan angin mulai dari yang tertinggi yaitu sekitar 6,7 m/s dengan penurunan kecepatan angin sekitar 0,5 m/s hingga kincir berhenti berputar. Pembebanan variatif dengan menggunakan rangkaian lampu, mulai dari 0 (tidak ada pembebanan) hingga beban maksimal generator. Dari penelitian didapatkan data yang dapat dilihat pada Tabel 4.1, Tabel 4.2 dan Tabel 4.3 untuk masing variasi diameter.
Tabel 4.1 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi 82 cm
No Posisi Kecepatan
Tabel 4.1 (Lanjutan) Data hasil pengujian kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi 82 cm
29
Tabel 4.1 (Lanjutan) Data hasil pengujian kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi 82 cm
No Posisi Kecepatan Angin (m/s)
Tabel 4.2 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 70,1 cm dan tinggi 70,1cm
No Posisi Kecepatan
Tabel 4.2 (Lanjutan) Data hasil pengujian kincir dengan diameter 70,1 cm dan tinggi 70,1 cm
No Posisi Kecepatan Angin (m/s)
Tabel 4.3 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 82 cm dan tinggi 60 cm
31
Tabel 4.3 (Lanjutan) hasil pengujian kincir dengan diameter 82 cm dan tinggi 60 cm
No Posisi Kecepatan Angin (m/s)
Contoh perhitungan untuk kincir angin dengan diameter 60 cm pada kecepatan angin 6,64 m/s dan suhu 27,2°C ditunjukan pada sub bab 4.2 :
4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan
4.2.1 Perhitungan Daya Angin
Daya angin dihitung dengan menggunakan Persamaan (4) :
𝑃𝑎 = 0,5 . 𝜌. 𝐴. 𝑣3
yang dalam hal ini :
𝑃𝑎: daya angin, watt
𝐴: luas penampang kincir yang ditangkap oleh angin, m2
𝑣: kecepatan angin, m/s
𝜌: kerapatan udara, kg/m3
selain itu besarnya luas penampang (A) sendiri adalah:
A = d . t
dengan:
d : diameter kincir, m
t : tinggi kincir, m
33
𝑃𝑎 = 0,5 . 𝜌. d . t . 𝑣3
Selain itu nilai kerapatan udara (𝜌) dapat dicari dari besarnya suhu (oC) yang dicari pada Tabel L.1 Sifat-sifat umum udara yang terdapat pada lampiran.
Sebagai contoh diambil data dari Tabel 4.1 no.1.
Dari data, kecepatan angin 6,64 m/s, kerapatan udara 1,18 kg/m3 , sedangkan diameter kincir yang diuji (D) adalah 0,6 m, dan tinggi (t) adalah 0,82m. Maka dapat dihitung besarnya daya angin (Pa) sebesar :
𝑃𝑎 = 0,5 . 𝜌. d . t . 𝑣3
𝑃𝑎 = (0,5) . (1,18) . (0,6) . (0,82) . (6,643)
𝑃𝑎 = 84,8 watt
4.2.2 Perhitungan Torsi
Mengacu pada Persamaan (5) maka besarnya torsi dapat dirumuskan: 𝑇 = 𝑟. 𝐹
yang dalam hal ini:
𝑇 : torsi yang dihasilkan dari putaran poros, Nm
𝐹 : gaya pada poros akibat puntiran, N
𝑟 : jarak lengan ke poros, m
Untuk contoh perhitungan diambil dari Tabel 4.1 no.1.
Dari data, diperoleh besarnya massa pengimbang (𝑚) 0,46 kg, sedangkan jarak lengan ke poros (𝑟) diukur saat pengujian sepanjang 0,2 m. Jika percepatan gravitasi dianggap 9,81 m/s2, maka besarnya torsi adalah:
𝑇= 𝑟. 𝑚. g
𝑇 = (0,2) . (0,46) . (9,81)
𝑇 = 0,9 Nm
4.2.3 Perhitungan Daya Kincir
Besarnya daya kincir dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (6):
𝑃𝑘 = 𝑇 ∙ �𝜋 . 𝑛
30 �
yang dalam hal ini:
Pk : daya poros kincir angin, watt
n : putaran poros, rpm
T : besarnya torsi, Nm
Untuk contoh perhitungan dapat diambil dari Table 4.1 no. 1.
35
4.2.4 Perhitungan Tip Speed Ratio
Perhitungan tip speed ratio (tsr) mengacu pada Persamaan (9):
tsr = 𝜋 .𝑛 .𝑟 30.𝑣
yang dalam hal ini:
𝑟: jari-jari kincir, m
𝑛: putaran poros kincir, rpm
𝑣: kecepatan angin, m/s
Untuk contoh perhitungan diambil data dari Table 4.1 no. 1.
Dari data, didapatkan putaran poros per 30 detik (𝑛) sebesar 310,97 rpm pada kecepatan angin (𝑣) 6,64 m/s, sedangkan jari-jari kincir (𝑟) sebesar 0,3 m. maka besarnya tip speed ratio:
tsr = (3,14)∙(310,97)∙(0,3) 30∙6,64
tsr = 1,47
4.2.5 Perhitungan Koefisen Daya (𝑪𝒑)
Koefisien daya (Cp) dapat dihitung dengan Persamaan (10).
𝐶𝑃 = 𝑃𝑃𝑘
𝑎 ∙100%
yang dalam hal ini:
𝐶𝑝: koefisien daya, %
𝑃𝑘: daya yang dihasilkan oleh kincir, watt
𝑃𝑎: daya yang dihasilkan oleh angin, watt
Untuk contoh perhitungan diambil data dari Table 4.1 no. 1.
Besarnya daya kincir (𝑃k) didapatkan dari perhitungan dengan
menggunakan Persamaan (6) yaitu sebesar 29,4 watt. Sedangkan besarnya daya angin (𝑃𝑎) didapatkan dari perhitungan pada Sub-bab 4.2.1 sebesar 84,8. Maka
didapatkan koefisen daya (𝐶𝑝) sebesar:
𝐶𝑃 = 𝑃𝑃𝑘
𝑎 ∙100%
𝐶𝑃 = 29,4
84,8 ∙100%
37
4.3 Hasil Perhitungan
Dari data yang didapat dalam pengujian maka dapat diketahui hasil perhitungan sebagai berikut:
Tabel 4.4 Hasil perhitungan kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi 82 cm
Tabel 4.4 (Lanjutan) Hasil perhitungan kincir dengan diameter 60 cm dan tinggi
Tabel 4.5 Hasil perhitungan kincir dengan diameter 70,1 cm dan tinggi 70,1 cm
39
Tabel 4.5 (Lanjutan) Hasil perhitungan kincir dengan diameter 70,1 cm dan tinggi
41
Tabel 4.6 (Lanjutan) Hasil perhitungan kincir dengan diameter 82 cm dan tinggi 60 cm
Unjuk kerja dari beberapa macam kincir angin ditunjukan pada Grafik batas Bets (Bets limit, atas nama ilmuan Jerman Albert Bets) ditunjukan pada Gambar 4.1. Jika dilihat pada grafik batas Bets, hubungan Cp dan tsr untuk kincir
angin poros vertikal (Savonius) merupakan fungsi persamaan garis polynomial pangkat dua.
Gambar 4.1 Grafik effisiensi (Cp) berbagai macam kincir. (sumber:
http://www.intechopen.com/ )
4.3.1 Grafik Hubungan Antara Torsi, Putaran Poros , dan Daya Kincir
Dari hasil perhitungan maka bisa didapatkan grafik hubungan antara torsi, putaran poros , dan daya kincir yang dapat dilihat gambar berikut ini:
43
Gambar 4.3 Grafik hubungan antara torsi, putaran poros, dan daya kincir untuk diameter 70,1 cm dan tinggi 70,1 cm.
Gambar 4.4 Grafik hubungan antara torsi, putaran poros, dan daya kincir untuk diameter 82 cm dan tinggi 60 cm.
4.3.2 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya (Cp) dan Tip Speed Ratio
Dari hasil perhitungan maka didapatkan grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr) dari ketiga jenis variasi kincir angin yang
ditunjukan pada Gambar 4.5.
Gambar 4.5 Grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr)
0
Tip Speed Ratio (tsr)
45
4.4 Pembahasan
Dari data-data hasil pengujian, dapat dilihat bahwa semakin besar beban yang diberikan maka akan mengurangi putaran pada poros kincir. Saat penambahan beban, tegangan yang dihasilkan oleh generator akan semakin turun sedangkan arus yang dihasilkan akan semakin besar seiring dengan bertambahnya beban. Hal ini terjadi karena semakin besar beban maka semakin besar arus yang dibutuhkan untuk menyalakan beban.
Dari perhitungan didapatkan bahwa daya keluaran terbesar yang didapatkan oleh kincir dicapai pada kecepatan angin 6,44 m/s yaitu pada variasi ukuran dengan diameter 60 cm dan tinggi 82 cm sebesar 33 watt. Hal ini membuktikan bahwa semakin tinggi kecepatan angin maka semakin besar daya keluaran yang dihasilkan, karena kecepatan angin akan mempengaruhi putaran pada poros kincir. Demikian pula tinggi sudu akan mempengaruhi aliran angin yang akan memberikan dorongan awal pada sudu sehingga mempengaruhi putaran pada poros kincir.
Pada perhitungan tsr dengan koefisien daya didapatkan bahwa efisiensi tertinggi pada variasi ukuran dengan diameter 60 cm dan tinggi 82 cm yaitu 44% pada tip speed ratio (tsr) 1,2.
46
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Dari pengujian model kincir angin yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan:
1. Kincir angin yang Savonius dibuat dalam penelitian ini dengan luas frontal 4920 cm2 adalah:
a. Diameter 60 cm dan tinggi 82 cm. b. Diameter 70,1 cm dan tinggi 70,1 cm. c. Diameter 82 cm dan tinggi 60 cm.
2. Koefisien daya maksimal tertinggi yang didapat oleh kincir angin Savonius dengan diamter 60 cm dan tinggi 82 cm sebesar 44 %.
3. Daya kincir maksimal tertinggi didapatkan pada kincir angin dengan diameter 60 cm dan tinggi 82 cm sebesar 33 watt dan pada torsi sebesar 14,6 kg.cm.
5.2 Saran
Beberapa hal penting yang dapat digunakan untuk penelitian berikutnya: 1. Berat material kincir dibuat seringan mungkin, untuk meningkatkan
47
2. Variasi posisi jarak antara wind tunnel dengan fun blower dibuat lebih banyak lagi dengan waktu pengambilan data yang lebih lama lagi, agar bisa mendapatkan data yang lebih spesifik lagi.
3. Perlu dibuat dengan skala yang lebih besar lagi, agar bisa diterapkan dilapangan.
DAFTAR PUSTAKA
Burton, T. Sharpe, D. Jenkins, N dan Bossanyi, E.,2001, Wind E H., Wiley, New York.
Frank M., Mekanika Fluida, Jilid 2, Erlangga, Jakarta,1982
Prabowo, Andryanto., Unjuk Kerja Model Kincir Angin Poros Vertikal Dengan Empat Sudu Yang Membuka Dan Menutup Secara Otomatis Dengan Variasi Diameter, 2011, Tugas Akhir.
http://winds-energy.blogspot.com/2008/09/vertical-axis-wind-turbines-vawt.html, Mei 2011
http://en.wikipedia.org/wiki/Windmill, Mei 2011
http://id.wikipedia.org/wiki/Kincir_angin, Mei 2011
49
LAMPIRAN
Tabel L.1 Sifat-sifat umum udara
51
Gambar L.1 Desain model kincir angin
53
Gambar L.3 Posisi pemasangan kincir pada terowongan angin
