UNJUK KERJA KINCIR ANGIN SAVONIUS DELAPAN TINGKAT TIPE-U DENGAN TIGA VARIASI KEKASARAN PERMUKAAN
TUGAS AKHIR
Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Strata (S1) Pada Jurusan Teknik Mesin
Universitas Sanata Dharma
Disusun oleh :
LAURENTIUS BIMA SENA NIM : 185214030
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2022
PERFORMANCE OF SAVONIUS WINDMILL TYPE-U EIGTH LEVEL WITH THREE SURFACE ROUGHNESS VARIATIONS
FINAL PROJECT
To Fulfill One of the Requirements to Obtain
Strata (S1) Bachelor Degree in the Departement of Mechanical Engineering Sanata Dharma University
Arranged by :
LAURENTIUS BIMA SENA SN : 185214030
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir dengan judul :
UNJUK KERJA KINCIR ANGIN SAVONIUS DELAPAN TINGKAT TIPE-U DENGAN TIGA VARIASI KEKASARAN PERMUKAAN
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi yang saya tulis ini tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, dengan mengikuti ketentuan sebagaimana layaknya karya ilmiah.
Yogyakarta, 3 Januari 2022 Penulis
(Laurentius Bima Sena)
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN
PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :
Nama : LAURENTIUS BIMA SENA
Nomor Induk Mahasiswa : 185214030
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :
UNJUK KERJA KINCIR ANGIN SAVONIUS DELAPAN TINGKAT TIPE-U DENGAN TIGA VARIASI KEKASARAN PERMUKAAN
Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin kepada saya atau memberi royalty kepada saya selama tetap menyantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Yogyakarta, 2 Januari 2021
INTISARI
Ketergantungan Indonesia pada produksi energi berbasis fosil memiliki dampak buruk bagi lingkungan dan keuangan negara. Peningkatan kapasitas produksi energi berbasis EBT (energi baru dan terbarukan) perlu dilakukan.
Kincir angin Savonius merupakan salah satu alat untuk memanen energi angin guna mendukung pemanfaatan EBT di Indonesia. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karateristik dari kincir angin Savonius yang lebih baik
Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan rata-rata kecepatan angin 6 m/s yang dihasilkan oleh blower pada jarak 2,7 m dari kincir. Model kincir angin Savonius ini memiliki diameter sudu sebesar 0,72 m dan tinggi total sudu sebesar 0,83 m. Kincir diuji mengunakan variasi tanpa kekasaran, setengah kekasaran, dan kekasaran penuh pada permukaan bagian dalam sudu. Setiap variasi kekasaran permukaan diberikan pembebanan dari sistem pengereman yang diukur dengan neraca pegas dan kecepatan rotornya di ukur dengan menggunakan tachometer.
Hasil penelitian menunjukan bahwa pada variasi tanpa kekasaran permukaan memiliki karateristik yang paling baik dengan koefisien daya tertinggi (Cp max) sebesar 3,11% saat nilai tip speed ratio (λ) sebesar 0,360. Pada variasi setengah kekasaran permukaan memiliki nilai Cp max sebesar 2,66% saat nilai λ sebesar 0,327. Pada variasi kekasaran permukaan penuh memiliki nilai Cp max
sebesar 2,31% saat nilai λ sebesar 0,317.
Kata kunci : kincir angin Savonius, variasi kekasaran permukaan, koefisien daya, tip sped ratio.
ABSTRACT
Indonesia's dependence on fossil-based energy production has a devastating impact on the country's environment and finances. Increasing the capacity of EBT-based energy production (new and renewable energy) needs to be done.
Savonius ferris wheel is one of the tools to harvest wind energy to support the utilization of EBT in Indonesia. The study aims to find out the characteristic of savonius windmills better.
The study was conducted using an average wind speed of 6 m/s produced by a blower at a distance of 2.7 m from the ferris wheel. Savonius windmill model has a blades diameter of 0.72 m and a total height of 0.83 m. The ferris wheel was tested using variations without roughness, half roughness, and full roughness on the inner surface of the blades. Each variation in surface roughness is given the loading of the braking system as measured by the spring balance and the rotor speed is measured using a tachometer.
The results showed that on variations without surface roughness has the best characteristic with the highest power coefficient (Cp max) of 3.11% when the tip speed ratio (λ) value is 0.360. In the half-roughness variation the surface has a Cp max value of 2.66% when the value of λ is 0.327. In the full surface roughness variation has a Cp maxvalue of 2.31% when the value of λ is 0.317.
Keywords : Savonius wind turbine, surface roughness variations, power coefficient, tip sped ratio.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini dengan sangat baik.
Karya ilmiah ini disusun sebagai syarat kelulusan dan melengkapi sebagian syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Pada kesempatan ini dengan segenap kerendahan hati, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada pihak-pihak yang telah memberikan bimbingan, dukungan, dan nasihat dalam menyelesaikan karya ilmiah ini, yaitu:
1. Prof. Ir. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D, selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma
2. Budi Setyahandana, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Ir. Rines, M.T., selaku dosen pembimbing selama penelitian penulis yang telah memberikan bimbingan, masukan, dan saran terkait penelitian dalam karya ilmiah.
4. Dr. Ir. Yohanes Babtista Lukiyanto selaku pembimbing akademik di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
5. Intan Widianarko selaku Laboran Konversi Energi yang lah memberi perizinan, mendampingi, dan arahan terhadap peminjaman alat pendukung proses penelitian.
6. FX. Sarijo S.Pd. dan Rekna Kristiani Rahayu S.Pd. selaku orangtua kandung dan Laurentia Ratna Prabandari selaku saudara kandung yang selalu memberi semangat, mendukung dan membiayai penulis dalam penelitian ini.
7. Agustinus Gunari dan Veronika Puput Indriyati selaku Pakde dan Bude penulis dan Maria Mahardika Candra Gupitasari S.H., M.Kn, Heribertus Gunawan Kristiyanto dan Christina Vilia Gupitasari selaku kerabat dekat penulis yang telah memberikan dukungan, nasehat, dan sarana pendukung selama penulis menempuh bangku kuliah hingga pembuatan karya ilmiah.
8. Wardah Ningtyas S.M. selaku pasangan penulis yang senantiasa mendukung, menyemangati, dan memberikan saran selama penulis membuat karya ilmiah.
9. Yustinus Akas Wibisono S.T., Hilarius Yuda Kusuma A. S.T., Hilarius Ananda Theo P. S.T. dan Yustina Jesicca D. S.T. selaku sahabat dekat penulis dalam grup “COVID SURVIVOR” yang telah banyak mendukung, berbagi pikiran, dan berkeluh-kesah bersama penulis selama menempuh bangku kuliah.
10. Handika Galih Priambodo, Daniel Ardian, Pankrasius Surya Tonapa, Fajar Deby Aprilla, Yohanes Bagus Wijaya, Gimas Ahmad Syaidi dan Egi Alamsyah selaku teman-teman penulis dalam grup “KOS VICTOR” yang senantiasa mendukung penulis dalam susah maupun senang selama penelitian.
11. Cyrillus Febi Prihantara dan Arthur Desmond S.T. selaku sahabat satu kos penulis yang selalu memberikan dukungan dan saran dalam peneletian.
12. Keluarga Teknik Mesin, Universitas Sanata Dharma baik dosen, karyawan, dan teman-teman lainya yang tidak dapat disebutkan satu-persatu untuk segala bantuan dan motivasinya.
Yogyakarta, 3 Januari 2022 Penulis
Laurentius Bima Sena 185214030
DAFTAR ISI
JUDUL... i
PENGESAHAN I... iii
PENGESAHAN II... iv
PERNYATAN KEASLIAN SKRIPSI... v
PERNYATAAN PUBLIKASI KARYA... vi
INTISARI ... vii
ABSTRACT... viii
KATA PENGANTAR... ix
DAFTAR ISI... xi
DAFTAR GAMBAR...xiv
DAFTAR TABEL... xvi
BAB I : PENDAHULUAN... 1
1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Rumusan Masalah... 3
1.3 Batasan Masalah... 3
1.4 Tujuan Penelitian... 3
1.5 Manfaat Penelitian... 4
BAB II : LANDASAN TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA... 5
2.1 Energi Angin... 5
2.2 Kincir Angin... 5
2.2.1 Kincir Angin Sumbu Vertikal... 6
2.2.2 Kincir Angin Sumbu Horizontal... 9
2.3 Persamaan Dalam Perhitungan... 10
2.3.1 Daya Angin... 10
2.3.2 Torsi... 10
2.3.3 Kecepatan Sudut... 11
2.3.4 Daya Kincir... 11
2.3.5 Koefisien Daya... 11
2.3.6 Tip Speed Ratio... 12
2.4 Tinjauan Pustaka... 12
BAB III : METODE PENELITIAN... 14
3.1 Diagram Alur Penelitian... 14
3.2 Alat dan Bahan... 16
3.2.1 Tachometer... 16
3.2.2 Anemometer... 16
3.2.3 Neraca Pegas... 17
3.2.4 Sistem Pembebanan... 18
3.2.5 Blower... 18
3.2.6 Rangka Kincir... 19
3.2.7 Kincir Angin... 19
3.3 Skema Pengujian... 23
3.4 Variabel Penelitian... 24
3.5 Langkah Pengambilan Data... 24
BAB IV : HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN... 27
4.1 Hasil Penelitian Kincir Angin Savonius Tanpa Kekasaran Permukaan... 27
4.1.1 Kalkulasi Data Variasi Tanpa Kekasaran Permukaan... 29
4.1.2 Hubungan Kecepatan Rotor Terhadap Torsi Pada Variasi Tanpa Kekasaran Permukaan... 30
4.1.3 Hubungan Koefisien Daya Terhadap Tip Speed Ratio Pada Variasi Tanpa Kekasaran Permukaan... 31
4.2 Hasil Penelitian Kincir Angin Savonius dengan Setengan Kekasaran Permukaan Bagian Dalam Sudu... 33
4.2.2 Hubungan Kecepatan Rotor Terhadap Torsi Pada Variasi Setengah
Kekasaran Permukaan Bagian Dalam Sudu... 35
4.2.3 Hubungan Koefisien Daya Terhadap Tip Speed Ratio Pada Variasi Setengah Kekasaran Permukaan Bagian Dalam Sudu... 37
4.3 Hasil Penelitian Kincir Angin Savonius dengan Kekasaran Penuh Pada Permukaan Bagian Dalam Sudu... 39
4.3.1 Kalkulasi Data Variasi dengan Kekasaran Penuh Pada Permukaan Bagian Dalam Sudu... 39
4.3.2 Hubungan Kecepatan Rotor Terhadap Torsi Pada Variasi Kekasaran Penuh Pada Permukaan Bagian Dalam Sudu... 40
4.3.3 Hubungan Koefisien Daya Terhadap Tip Speed Ratio Pada Variasi Kekasaran Penuh Pada Permukaan Bagian Dalam Sudu... 41
4.4 Pengaruh Variasi Kekasaran Permukaan Terhadap Kecepatan Rotor dan Torsi ... 44
4.5 Pengaruh Variasi Kekasaran Permukaan Terhadap Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio... 45
BAB V : PENUTUP... 47
5.1 Kesimpulan... 47
5.2 Saran... 47
DAFTAR PUSTAKA... 48
LAMPIRAN... 50
A. Gambar Komponen Kincir... 51
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Diagram kapasitas pembangkit listrik nasional... 2
Gambar 2.1 Kincir angin Savonius... 7
Gambar 2.2 Kincir angin darrieus ... 8
Gambar 2.3 Kincir angin H-rotor... 8
Gambar 2.4 Kincir angin sumbu horizontal... 9
Gambar 2.5 Skema perhitungan... 10
Gambar 2.6 Grafik karakteristik berbagai macam kincir angin... 12
Gambar 3.1 Diagram alur penelitian... 14
Gambar 3.2 Tachometer digital BENETECH-GM8905... 16
Gambar 3.3 Anemometer digital SANFIX-GM816A... 17
Gambar 3.4 Neraca pegas... 17
Gambar 3.5 Sistem pengereman... 18
Gambar 3.6 Blower REITZ... 18
Gambar 3.7 Rangka kincir... 19
Gambar 3.8 Gambar dua dimensi sudu dalam satuan cm... 20
Gambar 3.9 Sudu siap pakai... 20
Gambar 3.10 Gambar dua dimensi housing dengan satuan mm... 21
Gambar 3.11 Housing siap pakai beserta dengan baut dan mur... 21
Gambar 3.12 Poros kincir... 22
Gambar 3.13 Bearing FJB-F205... 22
Gambar 3.14 Tampak atas lapisan kekasaran... 23
Gambar 3.15 Tampak Samping Lapisan Kekasaran... 23
Gambar 3.16 Skema pengujian kincir angin... 23
Gambar 3.17a Foto sudu tanpa kekasaran permukaan... 24
Gambar 3.17b Foto kincir angin lengkap tanpa kekasaran permukaan... 24
Gambar 3.19a Foto sudu dengan penuh kekasaran permukaan... 25 Gambar 3.19b Foto kincir angin lengkap dengan penuh kekasaran permukaan.. 25 Gambar 4.1 Grafik hubungan kecepatan rotor terhadap torsi pada variasi tanpa
kekasaran permukaan... 30 Gambar 4.2 Grafik hubungan koefisien daya terhadap tip speed ratio pada variasi tanpa kekasaran permukaan... 31 Gambar 4.3 Grafik hubungan kecepatan rotor terhadap torsi pada variasi setengah
kekasaran permukaan bagian dalam sudu... 37 Gambar 4.4 Grafik hubungan koefisien daya terhadap tip speed ratio pada variasi setengah kekasaran permukaan bagian dalam sudu... 38 Gambar 4.5 Grafik hubungan kecepatan rotor terhadap torsi pada variasi
kekasaran penuh pada permukaan sudu bagian dalam... 41 Gambar 4.6 Grafik hubungan koefisien daya terhadap tip speed ratio pada variasi kekasaran penuh pada permukaan sudu bagian dalam... 43 Gambar 4.7 Grafik hubungan kecepatan rotor dan torsi setiap variasi kekasaran
permukaan pada kecepatan angin 6 m/s... 44 Gambar 4.8 Diagram kecepatan rotor tanpa beban pada setiap variasi kekasaran
permukaan dengan kecepatan angin 6 m/s... 45 Gambar 4.9 Diagram koefisien daya maksimum seluruh variasi kekasaran
permukaan dengan kecepatan angin 6 m/s... 46 Gambar 4.10 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio seluruh
variasi kekasaran permukaan dengan kecepatan angin 6 m/s... 46
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data hasil pengujian kincir angin tanpa keasaran permukaan... 28 Tabel 4.2 Hasil kalkulasi data pengujian pada variasi tanpa kekasaran... 32 Tabel 4.3 Data hasil pengujian kincir angin dengan setengah kekasaran
permukaan bagian dalam sudu... 34 Tabel 4.4 Hasil kalkulasi data pengujian pada variasi setengah
kekasaran permukaan bagian dalam sudu... 36 Tabel 4.5 Data hasil pengujian kincir angin dengan penuh kekasaran permukaan
bagian dalam sudu... 39 Tabel 4.6 Hasil kalkulasi data pengujian pada variasi kekasaran penuh pada
permukaan bagian dalam sudu... 42
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pemenuhan kebutuhan energi tentunya sangat bergantung pada kapasitas produksi energi nasional. Menurut Sekretariat Jendral Energi Nasional (2019), kapasitas pembangkit listrik tahun 2018 mencapai 64,5 GW yang didominasi oleh pembangkit energi fosil khususnya batubara (50%), diikuti gas bumi (29%), BBM (7%) dan Energi Baru dan Terbarukan (14%) dengan rincian seperti pada Gambar 1.1. Komposisi kapasitas pembangkitan energi yang terlalu bergantung pada energi fosil perlu didiversifikasikan ke arah energi yang lebih murah dan ramah lingkungan. Hal ini dikarenakan energi fosil banyak mengeluarkan subsidi APBN yang cukup besar sekitar Rp 95 Trilliun pada sektor pembangkitan energi listrik (Pemerintah Pusat, 2021) dan melepaskan gas rumah kaca ke udara yang menyebabkan pemanasan global.
Peningkatan kapasitas produksi energi terbarukan adalah jawaban yang tepat untuk mengatasi ketergantungan produksi energi fosil di Indonesia. Menurut International Energy Agency (IEA), Energi Baru dan Terbarukan (EBT) merupakan energi yang tercipta oleh proses alam yang selalu tersedia tanpa harus menunggu waktu jutaan tahun dalam produksinya layaknya energi fosil.
Sementara itu Indonesia memiliki total potensi energi terbarukan ekuivalen 442 GW yang dapat digunakan untuk pembangkit listrik. Potensi ini tetunya berdampak baik dalam pemenuhan konsumsi energi nasional yang meningkat seiring dengan berjalanya waktu.
Energi angin adalah salah satu energi terbarukan yang tersedia di Indonesia dengan potensi pembangkitan listrik sebesar 60,6 GW (Ditjen EBTKE, 2018).
Energi angin dapat dimanfaatkan dengan membangun kincir angin yang memanfaatkan kecepatan angin. Indonesia sendiri memiliki kecepatan angin rata-rata tahunan sebesar 3,5 - 4,5 m/s (Kementrian ESDM, 2008). Tentunya untuk memanfaatkan potensi energi angin ini, diperlukan kincir angin yang efektif bekerja dengan kecepatan angin rata-rata tahunan di Indonesia.
Persentase pemanfaatan energi angin yang masih sangat rendah mendorong peneliti untuk andil dalam mengembangkan potensi energi angin yang tertuang dalam penelitian ini. Pada penelitian ini, peneliti bertujuan untuk menganalisis dan membuat kincir angin Savonius delapan tingkat tipe-U dengan tiga variasi kekasaran permukaan. Peneliti memilih kincir ini, dikarenakan kincir angin Savonius merupakan salah satu jenis kincir angin poros vertikal yang efektif bekerja pada kecepatan angin rendah, kemampuan putaran awal yang baik, serta bentuk yang unik. Peneliti berharap agar nantinya jenis kincir angin ini dapat dikembangkan dan diaplikasikan di masyarakat, sehingga kincir ini dapat bermanfaat untuk menyediakan energi yang lebih bersih sebagai pengganti pembangkit listrik yang masih menggunakan energi fosil.
Gambar 1.1 Diagram kapasitas pembangkit listrik nasional (Sekretariat Jendral Energi Nasional, 2019)
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang penelitian, maka dapat dirumuskan beberapa masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Bagaimana pengaruh variasi kekasaran permukaan terhadap kecepatan rotor (n), torsi (T), koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (λ) pada kincir angin Savonius delapan tingkat ?
2. Bagaimana karakteristik unjuk kerja dari masing-masing variasi kekasaran permukaan pada kincir angin Savonius delapan tingkat?
3. Model kincir dengan variasi kekasaran permukaan manakah yang dapat menghasilkan unjuk kerja paling maksimal ?
1.3 Batasan Masalah
Supaya penelitian ini dapat mencapai tujuan dan dapat berjalan dengan lancar, maka penulis memberi batasan masalah pada penelitian ini sebagai berikut:
1. Kincir angin yang akan dibuat adalah kincir angin Savonius delapan dengan ketinggian sudu sebesar 0,83 m dan diameter total sudu sebesar 0,72 m.
2. Material yang digunakan dalam pembuatan kincir angin ini adalah kertas karton dengan ketebalan 3 mm dan sudut antar tingkat sudu sebesar 20°.
3. Tiga variasi kekasaran permukaan yaitu; tanpa kekasaran, setengah kekarasaran, dan kekasaran penuh pada permukaan sudu bagian dalam.
4. Variasi kekasaran berbahan dasar kardus.
5. Kecepatan angin yang digunakan adalah 6 m/s yang diperoleh dari blower milik Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Mengetahui pengaruh variasi kekasaran permukaan terhadap kecepatan rotor (n), torsi (T), koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (λ) pada kincir angin Savonius delapan tingkat tipe-U.
2. Mengetahui karakteristik untuk kerja dari masing-masing variasi kekasaran permukaan pada kincir angin Savonius delapan tingkat tipe-U.
3. Mengetahui model kincir dengan variasi kekasaran permukaan manakah yang dapat menghasilkan unjuk kerja paling maksimal.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang akan didapatkan dari pembuatan tugas akhir ini adalah:
1. Bagi Peneliti
a. Mampu membuat kincir angin Savonius delapan tingkat tipe-U yang digunakan dalam penelitian.
b. Menerapkan ilmu pengetahuan yang didapat dari bangku perkuliahan khususnya yang berkaitan dengan perancangan kincir angin.
c. Sebagai pedoman untuk berinovasi pada pengembangan energi terbarukan khususnya pada pembangkit listrik tenaga angin.
2. Bagi Masyarakat
a. Menginformasi dan mengedukasi masyarakat, terutama pada daerah yang memerlukan pemberdayaan teknologi tepat guna terutama pada bidang energi terbarukan.
b. Memanfaatkan energi terbarukan agar dapat mewujudkan penggunaan energi yang lebih bersih bagi lingkungan hidup dan mengurangi beban anggaran negara.
3. Bagi Universitas Sanata Dharma
a. Menjadi referensi ilmu dalam pengembangan kincir angin Savonius bagi perpustakaan khususnya yang berhubungan dengan kincir angin Savonius.
BAB II
LANDASAN TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi Angin
Energi adalah kemampuan yang dimiliki suatu benda sehingga dapat melakukan kerja. Terdapat dua jenis energi yang diketahui manusia saat ini yaitu energi yang dapat diperbaharui (renewable energy) dan energi yang tidak dapat diperbaharui (unrenewable energy). Energi terbarukan sendiri terbagi menjadi beberapa macam yaitu; energi air, angin, surya, panas bumi, biogas, bio masa, serta tidal. Sementara energi yang tidak dapat diperbaharui biasanya terdapat pada energi fosil seperti minyak bumi, batu bara, dan gas alam.
Energi angin terjadi karena adanya pergerakan udara akibat rotasi bumi serta adanya perbedaan tekanan antara suatu tempat dengan tempat yang lain.
Perbedaan tekanan udara tersebut terjadi karena udara menerima energi panas dari radiasi sinar matahari sehingga suhu udara meningkat. Peningkatan suhu udara akan menyebabkan massa jenis udara menjadi ringan dan tekanan udara menjadi lebih rendah. Sementara udara yang tidak terkena radiasi sinar matahari, massa jenis udaranya menjadi lebih berat dan tekanannya akan menjadi lebih tinggi. Saat terjadi perbedaan tekanan, udara akan bergerak dari tempat yang bertekanan tinggi menuju wilayah yang memiliki tekanan udara lebih rendah. Udara yang bergerak inilah yang kita kenal dengan sebutan angin. Angin memiliki banyak manfaat bagi kehidupan bila energinya dimanfaatkan dengan baik oleh manusia.
2.2 Kincir Angin
Kincir angin merupakan alat yang dibuat guna memanfaatkan energi angin yang tersedia di alam. Alat ini bekerja dengan memanfaatkan kecepatan angin untuk memutar sudu. Putaran sudu ini akan diteruskan menjadi putaran poros, nantinya energi mekanik dari putaran poros dapat dimanfaatkan untuk menunjang aktivitas manusia. Pada awalnya kincir angin banyak digunakan di wilayah Eropa digunakan untuk irigasi, menumbuk hasil pertanian dan menggiling gandum.
Seiring dengan berjalanya waktu kincir angin lebih banyak digunakan untuk mengkonversi energi angin menjadi energi listrik untuk memenuhi kebutuhan listrik dengan memasangkan generator sebagai pembangkit daya. Kincir angin yang mengubah energi angin menjadi listrik saat ini lebih sering kita kenal dengan sebutan turbin angin.
Kincir angin tebagi menjadi dua jenis berdasarkan posisi porosnya yaitu kincir angin sumbu horizontal dan kincir angin sumbu vertikal. Masing-masing jenis kincir angin ini memiliki kelebihan dan kekurangan yang berbeda-beda saat memanen energi angin pada kecepatan angin dan kondisi daerah tertentu. Dalam memanen energi angin diperlukan kincir angin yang tepat guna dengan kondisi dan kecepatan angin pada daerah instalasi.
2.2.1 Kincir Angin Sumbu Vertikal
Kincir angin ini memiliki sumbu rotor yang disusun secara vertikal. Kincir angin mampu menerima angin dari berbagai arah, sehingga kincir angin ini mampu diinstalasi pada daerah yang memiliki kondisi arah angin bervariasi.
Karena dapat menirima angin dari segala arah kincir ini tidak harus diarahkan pada arah angin tertentu untuk mendapat kerja maksimal. Pada kincir ini generator dan gearbox dapat diletakan didekat permukaan tanah, sehingga tidak dibutuhkan menara saat instalasinya dan membuat perawatan kincir ini menjadi lebih mudah. Biaya pembangunan dan perawatan kincir ini juga cenderung lebih murah karena instalasi dan perawatanya tidak memerlukan banyak peralatan pendukung layaknya kincir angin sumbu horizontal.
Pada awalnya putaran rotor kincir ini hanya memanfaatkan efek magnus yang terjadi akibat adanya selisih gaya drag (gaya yang mendorong pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat cair atau gas) )pada kedua sisi rotor atau sudu sehingga menghasilkan momen gaya terhadap sumbu putar rotor. Terdapat tiga macam bentuk rotor pada kincir angin ini yaitu Savonius, Darrieus, dan
A. Kincir Angin Savonius
Kincir angin tipe ini pertama kali diciptakan oleh insinyur Finlandia SJ Savonius pada tahun 1929, dan diaplikasikan pada tahun 1931 yang dikenal dengan S-rotor. Kincir ini awalnya di desain dengan memasangkan dua bagian lempengan silinder untuk memasangkan dua potongan setengah silinder yang di posisikan seperti huruf S sebagai sudu. Sudu diposisikan pada sumbu rotor vertikal yang tegak lurus terhadap arah angin. Kincir ini memiliki kerja seperti anemometer cangkir yang bekerja berbasis gaya drag. Kincir angin ini mempunyai kemampuan untuk memutar sudu sendiri dan bekerja pada kecepatan angin yang rendah (Islam, 2018).
Gambar 2.1 Kincir angin Savonius (Abdullah, dkk, 2016)
B. Kincir Angin Darrieus
Kincir angin ini ditemukan oleh Goerge Jeans Maria Darrieus seorang insinyur asal Prancis pada tahun 1931. Pada awalnya Darrieus membuat dua bentuk kincir yaitu Eggbeater/curved bladed dan Straight-Bladed. Kincir angin ini memiliki sudu yang diposisikan simetri dengan poros. Posisi ini membuat kincir cukup efektif dalam menangkap angin dari berbagai arah. Kincir ini memanfaatkan gaya lift yang terjadi ketika angin berhembus untuk menggerakan sudu. Sudu kincir ini akan bergerak mengitari sumbu.
Gambar 2.2 Kincir angin Darrieus
(Sumber :https://prd1stei15.wordpress.comdiakses pada 17 Agustus 2021)
C. Kincir Angin H-Rotor
Kincir angin ini ditemukan pada tahun 1970 di Inggris melalui penelitian para ahli. Pada penelitian tersebut diketahui bahwa mekanisme yang yang digunakan pada Straight-Bladed-Darrieus menyebutkan bahwa, sudu tersebut memicu efek hambatan karena membatasi kecepatan aliran angin. Maka dibuatlah kincir angin H-rotor yang dapat mengatur intensitas kecepatan angin untuk mencapai kecepatan putar rotor optimalnya.
2.2.2 Kincir Angin Sumbu Horizontal
Kincir angin ini memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Komponen utama kincir angin horizontal terdiri dari sudu, ekor, tiang penyangga, dan alternator. Secara garis besar kincir angin ini dibagi berdarsarkan letak rotor terhadap arah angin yaitu upwind dan downwind. Jenis upwind memiliki rotor yang menghadap arah angin datang. Sedangkan jenis downwind memiliki rotor yang membelakangi arah angin datang. Energi angin yang ditangkap oleh sudu kincir angin horizontal menghasilkan putaran yang rendah.
Oleh karena itu sebagian besar kincir angin menggunakan sistem transmisi untuk mengubah putaran rendah menjadi lebih cepat untuk memutar generator. Ada berbagai macam bentuk dari kincir angin ini seperti yang terdapat pada gambar berikut :
Gambar 2.4 Kincir angin sumbu horizontal (Daryanto, 2007)
Unconfined Vortex Sail-Wing
Bicycle Multi-Bladed
Cross-wind Savonius Horizontal-Axis :
Enfield-Andreas Down-Wind
Double-Blade d
Diffuser Triple-Bladed
Up-Wind
Concentrator U.S. Farm Windmil
Multi-Bladed
Counter-Rotating Blades Single-Bladed
Cross-wind Paddies Multi-Rotor
Pin
2.3 Persamaan Dalam Perhitungan
Persamaan yang dipakai dalam penelitian berdasarkan skema perhitungan yang akan diambil dari sistem kincir angin ini. Skema tersebut ditunjukan pada gambar berikut :
Gambar 2.5 Skema perhitungan
2.3.1 Daya Angin
Daya angin ( ) disebabkan oleh aliran angin yang berhembus. Daya dipengaruhi oleh massa jenis udara, luasan sudu terkena angin dan kecepatan angin.
2 3
1 Av
Pin (2.1)
dengan :
ρ = Massa jenis udara (kg/m3) A = Luas sudu terkena angin (m2) v = Kecepatan angin (m/s)
2.3.2 Torsi
Torsi (T) adalah hasil kali gaya pembebanan dan panjang lengan torsi.
Fl
T
(2.2)dengan :
P
in Kincir angin 8tingkat tipe-U
P
outCpdan λ
2.3.3 Kecepatan Sudut
Kecepatan sudut (ω) adalah kecepatan ujung sudu terhadap satu kali rotasi poros setiap detik.
60 2 n
(2.3)dengan :
n = Kecepatan rotor (rpm)
2.3.4 Daya Kincir
Daya yang dihasilkan kincir ( ) adalah daya dihasilkan kincir akibat adanya angin yang melintasi sudu.
T
P
out
(2.4)dengan :
T = Torsi (Nm)
ω = Kecepatan sudut (rad/s)
2.3.5 Koefisien Daya
Koefisien daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir angin dengan daya yang disediakan oleh angin
% 100
. in p Pout
C P (2.5)
dengan :
= Daya angin (watt)
= Daya kincir (watt)
Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Albert Betz, Cpmaksimal yang dapat dicapai dari berbagai tipe kincir angin adalah 59%. Hasil penelitiannya lalu dituangkan dalam bentuk grafik Betz limit. Berikut adalah grafik betz limit :
Pout
Pout
Pin
Gambar 2.6 Grafik karakteristik berbagai macam kincir angin (Ragheb, 2011) 2.3.6 Tip Speed Ratio
Tip Speed Ratio (λ) adalah perbandingan antara kecepatan pada ujung sudu kincir angin dengan kecepatan angin.
v
r
(2.6)dengan :
ω = Kecepatan sudut (rad/s) r = Jari-jari sudu (m) v = Kecepatan angin (m/s)
2.4 Tinjauan Pustaka
Pada penelitian bapak Budi Sugiharto (2010), dilakukan variasi kekasaran permukaan sudu. Variasi kekasaran sudu ini diakukan dengan memasangkan material kekasaran pada bagian luar, dalam serta luar-dalam sudu. Pada hasil penelitian ini diketahui bahwa nilai daya keluaran terbesar diperoleh dari kincir tanpa pemasangan material kekasaran. Sementara itu, semakin banyak luasan sudu kincir yang diberikan kekasaran permukaan maka akan semakin kecil nilai Cpdan λ yang dihasilkan oleh rotor. Hal ini juga menunjukan bahwa pemasangan sirip akan menghambat laju dari aliran udara dan mengurangi kecepatan putar pada rotor.
Pada penelitian oleh Yohanes Wahyu (2017), dilakukan analisis unjuk kerja pada kincir angin dengan pengambilan data mengunakan variasi pembebanan.
Variasi pembebanan ini dilakukan dengan metode pengereman kincir. Pada penelitian ini diketahui bahwa semakin kincir direm maka akan semakin besar juga nilai pembebanan yang diberikan. Semakin besar nilai pembebanan maka akan dihasilkan torsi yang dihasilkan. Namun, pembebanan juga akan memperkecil nilai dari Cp dan λ pada kincir yang di uji. Dari hasil perhitungan diperoleh bahwa variasi pembebanan akan membentuk grafik kurva polinomial yang naik hingga titik maksimal, lalu turun setelah mencapai titik tertingginya.
Grafik ini terjadi pada grafik hubungan Cpterhadap λ. Sementara itu, pada grafik kecepatan rotor terhadap torsi akan cendrung membentuk garis linear ke bawah.
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Diagram Alur Penelitian
Dalam penelitian kincir angin ini dibuat diagram alur penelitian untuk memperjelas kerangka berpikir yang akan peneliti lakukan dalam menentukan langkah penelitian ini seperti pada Gambar 3.1.
Mulai
Perancangan kincir angin Savonius 8 tingkat tipe-U dan pemilihan material
Pembuatan kincir angin sumbu vertikal Savonius delapan tingkat dan material variasi kekasaran permukaan
Studi literatur dan studi pustaka
X
Perlakuan variasi tanpa kekasaran permukaan, separuh kekasaran permukaan, dan kekasaran penuh pada
permukaan sudu bagian dalam
Gambar 3.1. Diagram alur penelitian (lanjutan) X
Pengambilan data dan pengujian masing-masing variasi dengan kecepatan angin 6 m/s dan variasi pembebanan
Pengolahan data dengan menghitung Pin, Pout, T Cp, dan λ
Apakah data sesuai ?
Tidak
Ya
Analisis dan pembahasan
Kesimpulan
Selesai
3.2 Alat dan Bahan Penelitian 3.2.1 Tachometer
Tachometer merupakan alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putaran rotor saat pengujian turbin. Tachometer yang digunakan adalah jenis Tachometer digital dengan pembacaan kecepatan rotor dalam satuan rpm (revolution per minute) seperti pada Gambar 3.2. Tachometer bekerja dengan memantulkan sinar Inframerah pada poros kincir yang beputar. Kecepatan rotor akan terbaca bila poros yang telah diberi strip silver berputar dan memantulkan kembali cahaya inframerah kearah datangnya cahaya tachometer. Setelah beberapa saat kecepatan rotor akan terlihat di layar tachometer.
Gambar 3.2 Tachometer digital BENETECH-GM8905 3.2.2 Anemometer
Anemometer merupakan alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin yang dihasilkan oleh blower. Anemometer yang digunakan adalah jenis anemometer digital seperti pada Gambar 3.3. Anemometer ini bekerja dengan menerima angin pada jarak 2.7 m dari blower. Setelah beberapa saat kecepatan
Gambar 3.3 Anemometer digital SANFIX-GM816A 3.2.3 Neraca Pegas
Neraca Pegas merupakan alat yang digunakan untuk mengukur gaya pembebanan dari sistem pengereman kincir sperti pada Gambar 3.4. Neraca pegas dihubungkan dengan lengan torsi yang ada pada sistem pengereman dengan mengunakan benang yang diikat pada bagian atas neraca. Sementara itu bagian kait bawah neraca (pegas) akan dihubungkan pada rangka kincir dengan mengunakan benang. Benang pada bagian kail bawah neraca ini akan ditarik dan disesuaikan dengan variasi pembebanan dari sistem pengereman hingga lengan torsi tepat pada titik acuan tegak lurus. Sehingga akan diperoleh data gaya pembebanan sesuai dengan gaya yang yang diberikan pada sistem pengereman.
Gambar 3.4 Neraca pegas
3.2.4 Sistem Pengereman
Sistem pengereman merupakan alat yang digunakan untuk memberi beban pada kincir saat berputar dengan metode pengereman roda logam mengunakan dua kain yang dijepit seperti pada Gambar 3.5. Kain ini berfungsi seperti kampas rem dan roda logam berfungsi seperti piringan cakram. Pengoprasian alat ini dilakukan secara manual dengan cara menambah karet untuk menjepit dua tangkai pengereman. Sehingga kain didalam sistem akan menjepit piringan yang membuat putaran kincir menjadi lebih lambat.
Gambar 3.5 Sistem Pengereman 3.2.5 Blower
Blower merupakan alat yang digunakan untuk memberikan angin dengan kecepatan konstan bagi turbin. Alat ini memiliki baling-baling dengan diameter sebesar 1,5 m seperti pada Gambar 3.6. Kecepatan angin yang dihasilkan oleh blower diatur sehingga didapatkan kecepatan angin rata-rata sebesar 6 m/s.
Roda logam Bearing
Poros
Tangkai pengereman
Kain
3.2.6 Rangka Kincir
Rangka kincir merupakan alat yang digunakan untuk memasangkan kincir pada jarak 2,7 m dari blower. Rangka kincir memiliki material besi L yang disusun sehingga membentuk rangka yang nantinya dapat digunakan untuk memasangkan turbin. Rangka kincir memiliki tinggi total rangka sebesar 1,76 m, lebar total rangka sebesar 1 m, lebar dalam rangka sebesar 0,9 m, dan 1,12 m untuk tinggi dalam rangka seperti pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Rangka kincir 3.2.7 KincirAngin
Kincir angin dalam pengjian ini adalah kincir angin Savonius 8 tingkat tipe-U dengan beda sudut tiap tingkat sebesar 20˚. Dalam penelitian menggunakan tiga variasi kekasaran permukan untuk mengetahui unjuk kerja paling optimal pada masing-masing variasi kekasaran yang diberikan pada sudu turbin. Berikut adalah komponen dalam kincir angin:
A. Sudu kincir
Sudu kincir berfungsi untuk menangkap angin yang nantinya akan memutar turbin. Sudu didesain memiliki dua sudu pada setiap tingkatnya. Pada penelitian ini sudu dibuat dengan materian kertas karton padi dengan ketebalan 3 mm yang
dilem dengan menggunakan lem korea dan dikeraskan mengunakan cat besi &
kayu berwarna biru muda. Berikut adalah gambar dari sudu yang dibuat:
Gambar 3.8 Gambar dua dimensi sudu dengan satuan cm
Gambar 3.9 Sudu siap pakai B. Housing
Housing berfungsi untuk menghubungkan sudu dengan poros dan dudukan
dipasang dengan menggunakan baut, cincin, dan mur seperti pada Gambar 3.10 dan 3.11.
Gambar 3.10 Gambar dua dimensi housing dengan satuan cm
Gambar 3.11 Housing siap pakai beserta dengan baut dan mur
C. Poros turbin
Poros kincir berfungsi untuk meneruskan putaran kincir ke sistem pengereman. Poros terbuat dari material besi pipa dengan diameter dalam sebesar 3/4 inch, ketebalan 1,8 mm, dan panjang 1,25 m seperti pada Gambar 3.12.
Gambar 3.12 Poros kincir D. Bearing
Bearing berfungsi untuk mengurangi gesekan dari putaran poros. Bearing juga digunakan untuk memasangkan kincir pada rangka turbin. Berikut adalah gambar dari Bearing yang digunakan:
Gambar 3.13 Bearing FBJ-F205 E. Lapisan kekasaran
Lapisan kekasaran ini dibuat dengan mengklupas sisi rata dari kardus untuk mendapatkan sisi alur kekasaran dari bagian dalam kardus. Ukuran lapisan kekasaran adalah 10 x 32,2 cm2 dengan jarak antar puncak kurva kekasaran adalah 0,4 mm dan kedalaman dari puncak sebesar 0,8 mm. Satu lapisan
Gambar 3.14 Tampak atas lapisan kekasaran
Gambar 3.15 Tampak samping lapisan kekasaran 3.3 Skema Pengujian
Pengujian diawali dengan merangkai sudu kincir menjadi delapan tingkat dengan beda sudut tiap tingkat sebesar 20˚. Setelah itu, kincir dipasang ke rangka kincir dan dilanjutkan dengan pemasangan sistem pengereman. Selanjutnya neraca pegas dihubungkan pada lengan torsi dengan menggunakan benang.
Setelah semua terpasang, rangka kincir akan diposisikan seperti gambar berikut:
Gambar 3.16 Skema pengujian kincir angin
Pengujian dilaksanakan di Laboratorium Konversi Energi guna menghindari aliran angin diluar ruangan saat pengujian. Angin yang digunakan pada pengujian bersumber dari blower. rangka kincir diletakan dengan acuan poros kincir sejauh 2,7 m dari blower. Blower diatur hingga menghasilkan kecepatan angin rata-rata sebesar 6 m/s yang terukur oleh anemometer.
Selanjutnya mekanisme pembebanan dilakukan dengan menjepit tuas pengereman 0.8 mm
0.4 mm
dengan karet. Penambahan karet dilakukan secara bertahap hingga kincir berhenti berputar. Ketika dilakukan pembebanan, lengan torsi akan bergeser dan menarik benang pada neraca pegas, lalu akan terbaca beban yang dihasilkan dari pengereman. Data kecepatan rotor dan jumlah pembebanan dicatat dari keadaan tanpa pembebanan hingga putaran rotor terakhir sebelum berhenti. Sebelum kincir berputar, poros ditempelkan stiker silver yang bertujuan untuk memudahkan pembacaan kecepatan rotor dengan menggunakan tachometer.
3.4 Variabel Penelitian
Variabel yang digunakan pada penelitian ini adalah tiga variasi dari kekasaran permukaan. Variasi ini dilakukan dengan menempelkan lapisan kekasaran pada bagian dalam sudu. Penempelan lapisan kekasaran dilakukan dengan menggunakan double side tape. Pada variasi pertama, analisis unjuk kerja kincir dilakukan tanpa menempelkan lapisan kekasaran pada sudu. Pada variasi kedua, analisis unjuk kerja kincir dilakukan dengan menempelkan satu lapisan kekasaran pada setengah bagian dalam sudu terluar. Pada variasi ketiga, analisis unjuk kerja kincir dilakukan dengan menempelkan dua lapisan kekasaran pada bagian dalam sudu, hingga seluruh permukaan dalam sudu tertutup sempurna. Gambaran dari variasi yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 3.17 a dan b, 3.18 a dan b, serta 3.19 a dan b.
(b) (a)
Gambar 3.18 Foto (a) sudu dan (b) kincir angin lengkap dengan setengah kekasaran permukaan
Gambar 3.19 Foto (a) sudu dan (b) kincir angin lengkap dengan penuh kekasaran permukaan
3.5 Langkah Pengambilan Data
Data dalam penelitian ini diambil setelah seluruh alat terpasang pada posisinya sesuai dengan skema pengujian dengan langkah-langkah sebagai berikut:
1. Menghidupkan blower dan memasang anemometer pada jarak 2,7 m.
2. Mengatur kecepatan angin pada blower hingga kecepatan angin rata-rata yang terbaca pada anemometer sebesar 6 m/s.
(b)
(b) (a)
(a)
3. Mengukur kecepatan poros kincir dengan mengunakan tachometer pada variasi pertama tanpa kekasaran permukaan.
4. Melakukan pembebanan mengunakan karet gelang yang kaitkan pada tuas pembebanan.
5. Mencatat putaran rotor dan besar pembebanan pada setiap pembebanan hingga kincir berhenti.
6. Mengulangi langkah ketiga untuk variasi setengah kekasaran permukaan dan kekasaran permukaan penuh.
7. Mengolah data hingga didapatkan nilai torsi (T), daya input (Pin), daya output (Pout), koefisien daya (Cp), dan tip sped ratio (λ).
8. Membuat grafik hubungan dari kecepatan rotor (n) dengan torsi (T) dan hubungan dari koefisien daya (Cp) dengan tsr pada masing-masing variasi.
9. Mengabungkan grafik koefisien daya (Cp) dengan tsr menjadi satu dan grafik koefisien daya (Cp) dengan tip sped ratio (λ) menjadi satu dari seluruh variasi.
10. Menyimpulkan kinerja dari kincir angin berdasarkan grafik yang tersedia.
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada bagian ini akan dibahas hasil penelitian dari unjuk kerja kincir angin Savonius delapan tingkat dengan perlakuan variasi permukaan dalam sudu tanpa kekasaran permukaan, separuh kekasaran permukaan, dan kekasaran permukaan penuh. Pegambilan data dilakukan dengan perlakuan yang sama pada setiap variasi kekasaran permukaan terhadap kecepatan angin, jarak kincir dari blower, dan pembebanan. Kecepatan angin yang digunakan adalah 6 m/s, Jarak kincir dari blower adalah 2,7 m, dan pembebanan dilakukan secara bertahap dengan penambahan karet pada sistem pengereman hingga kincir berhenti berputar.
Jumlah data dari pembebanan bervariasi pada masing-masing variasi kekasaran permukaan. Hal ini terjadi karena perbedaan karakteristik kincir terhadap kemampuan tahanan pembebanan. Dari pengujian akan diambil tiga data kecepatan rotor pada tiap perlakuan pembebanan.
Data yang diperoleh dari pengujian kincir ini adalah kecepatan rotor n (rpm) dan gaya pembebanan atau pengimbang torsi, F (N) dari masing-masing variasi.
Data hasil pengujian kincir selanjutnya akan diolah untuk mengetahui nilai dari kecepatan sudut ω (rad/s), Torsi T (Nm), daya angin Pin (watt), daya kincir Pout
(watt), koefisien daya Cp (%), dan tip speed ratio λ. Selanjutnya, data akan diolah menjadi grafik hubungan kecepatan rotor terhadap torsi dan grafik hubungan koefisien daya terhadap tip speed ratio. Karakteristik dari masing-masing variasi dapat dianalisis dari grafik yang telah diperoleh. Berikut adalah analisis dari hasil penelitian dari masing-masing variasi:
4.1 Hasil Penelitian Kincir Angin Savonius Tanpa Kekasaran Permukaan Penelitian pada kincir angin Savonius tanpa kekasaran permukaan yang telah dibuat seperti pada Gambar 3.17 a dan b. pengujian dilakukan pada Selasa, 30 November 2021 pukul 11.00-15.00 WIB. Data hasil pengujian pada varasi ini dicatat seperti pada Tabel 4.1.
Tabel 4.1 Data hasil pengujian kincir angin tanpa kekasaran permukaan
No
Gaya Pengimbang Torsi
Kecepatan Rotor
F n
(N) (rpm)
1 0 113,2
2 0 115,8
3 0 116,4
4 0,84 95,8
5 0,84 93,3
6 0,84 92,2
7 1,24 79,6
8 1,24 76,2
9 1,24 72,2
10 1,69 68,6
11 1,69 70,6
12 1,69 66,2
13 2,04 51,5
14 2,04 50,0
15 2,04 56,6
16 2,34 41,3
17 2,34 45,0
18 2,34 48,0
19 2,59 39,0
20 2,59 39,0
21 2,59 38,5
22 2,89 31,5
23 2,89 34,0
24 2,89 34,5
25 2,99 30,0
26 2,99 30,5
27 2,99 30,0
28 3,09 30,0
29 3,09 26,0
30 3,09 25,0
4.1.1 Kalkulasi Data Variasi Tanpa Kekasaran Permukaan
Kalkulasi data dilakukan hanya satu kali sebagai perwakilan dari seluruh data pada Tabel 4.1 sebagai acuan pengolahan data. Kalkulasi diawali dengan perhitungan kecepatan sudut mengunakan Pers. 2.3. Perhitungan mengunakan data nomer 5 dengan kecepatan rotor sebesar 93,3 rpm dari Tabel 4.1 maka dapat ditulis menjadi:
s rad / 77 , 9 60
3 , 93 2
Selanjutya dilakukan perhitungan terhadap torsi mengunakan Pers. 2.2 untuk data nomer 5 pada Tabel 4.1. Perhitungan mengunakan nilai gaya pembebanan sebesar 0,84 N dan panjang lengan torsi sebesar 0,2 m maka dapat ditulis menjadi:
Nm T
T
168 , 0
2 , 0 84 , 0
Perhitungan daya angin mengunakan Pers. 2.1 untuk data nomer 5 pada Tabel 4.1. Perhitungan mengunakan nilai densitas angin sebesar 1,18 kg/m3, kecepatan angin sebesar 6 m/s, tinggi sudu sebesar 0,83 m, dan lebar sudu sebesar 0,72 m maka ditulis menjadi:
watt P
P
in in
16 , 76
6 72 , 0 83 , 0 18 2 ,1
1 3
Dari nilai kecepatan sudut sebesar 9,77 rad/s dan torsi sebesar 0,168 Nm yang telah diketahui, maka dapat dihitung daya kincir. Perhitungan mengunakan Pers. 2.4 sebagai berikut:
watt P
P
out out
64 ,1
77 , 9 168 , 0
Setelah diketahui nilai daya angin sebesar 76,16 watt dan daya kincir sebesar 1,64 watt, maka dapat dicari nilai dari koefisien daya. Perhitungan koefisien daya menggunakan Pers. 2.5 seperti berikut:
% 16 , 2
% 16100 , 76
64 ,1
p p
C C
Tip speed ratio dihitung dengan menggunakan Pers. 2.6. Perhitungan mengunakan nilai kecepatan sudut sebesar 9,77 rad/s, kecepatan angin sebesar 6 m/s, dan jari-jari kincir sebesar 0,72 m, maka dapat ditulis seperti berikut:
586 ,
0 6
36 , 0 77 , 9
Seluruh kalkulasi data akan digunakan untuk mengetahui karakteristik dari kincir angin variasi tanpa kekasaran permukaan. Selanjutnya, seluruh data pada Tabel 4.1 diolah dengan persamaan yang sama seperti pada perhitungan diatas.
4.1.2 Hubungan Kecepatan Rotor Terhadap Torsi Pada Variasi Tanpa Kekasaran Permukaan
Setelah dilakukan kalkulasi data terhadap torsi pada seluruh data pada Tabel 4.1. Maka, data tersebut dapat dibentuk grafik hubungan kecepatan rotor terhadap Torsi. Grafik ini mengunakan seluruh data asli hasil perhitungan dan tersaji pada Gambar 4.1
Dari grafik dapat kita ketahui bahwa nilai kecepatan rotor akan mengalami penurunan secara linier seiring dengan bertambahnya nilai torsi yang dihasilkan oleh turbin.
4.1.3 Hubungan Koefisien Daya Terhadap Tip Speed Ratio Pada Variasi Tanpa Kekasaran Permukaan
Kalkulasi dilakukan hingga mendapatkan nilai koefisien daya dan tip speed ratio pada seluruh data seperti pada Tabel 4.2. Maka, seluruh data tersebut dapat dibentuk grafik hubungan koefisien daya terhadap tip speed ratio. Grafik ini mengunakan seluruh data asli hasil perhitungan dan tersaji seperti pada Gambar 4.2. Pada grafik terlihat bahwa hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio akan membentuk garis kurva polinomial pangkat 2 terbuka kebawah. Koefisien daya cendurung akan naik seiring dengan bertambahnya nilai tip speed ratio hingga mencapai puncak. Selajutnya nilai koefisien daya akan mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya nilai tip speed ratio setelah melewati titik puncak.
Gambar 4.2 Grafik koefisien daya terhadap tip speed ratio pada variasi tanpa kekasaran permukaan
Tabel 4.2 Hasil kalkulasi data pengujian pada variasi tanpa kekasaran permukaan
No
PengimbangGaya Torsi
Kecepatan
Rotor Kecepatan
Sudut Torsi Daya
Angin Daya Kincir
SpeedTip Ratio
Koefisien Daya
F n ω T Pin Pout
λ Cp
(N) (rpm) (rad/s) (Nm) (watt) (watt) (%)
1 0 113,2 11,85 0 76,16 0 0,711 0
2 0 115,8 12,13 0 76,16 0 0,728 0
3 0 116,4 12,19 0 76,16 0 0,731 0
4 0,84 95,8 10,03 0,168 76,16 1,69 0,602 2,21
5 0,84 93,3 9,77 0,168 76,16 1,64 0,586 2,16
6 0,84 92,2 9,66 0,168 76,16 1,62 0,579 2,13
7 1,24 79,6 8,34 0,248 76,16 2,07 0,500 2,71
8 1,24 76,2 7,98 0,248 76,16 1,98 0,479 2,60
9 1,24 72,2 7,56 0,248 76,16 1,88 0,454 2,46
10 1,69 68,6 7,18 0,338 76,16 2,43 0,431 3,19
11 1,69 70,6 7,39 0,338 76,16 2,50 0,444 3,28
12 1,69 66,2 6,93 0,338 76,16 2,34 0,416 3,08
13 2,04 51,5 5,39 0,408 76,16 2,20 0,324 2,89
14 2,04 50,0 5,24 0,408 76,16 2,14 0,314 2,81
15 2,04 56,6 5,93 0,408 76,16 2,42 0,356 3,18
16 2,34 41,3 4,32 0,468 76,16 2,02 0,259 2,66
17 2,34 45,0 4,71 0,468 76,16 2,21 0,283 2,90
18 2,34 48,0 5,03 0,468 76,16 2,35 0,302 3,09
19 2,59 39,0 4,08 0,518 76,16 2,12 0,245 2,78
20 2,59 39,0 4,08 0,518 76,16 2,12 0,245 2,78
21 2,59 38,5 4,03 0,518 76,16 2,09 0,242 2,74
22 2,89 31,5 3,30 0,578 76,16 1,91 0,198 2,50
23 2,89 34,0 3,56 0,578 76,16 2,06 0,214 2,70
24 2,89 34,5 3,61 0,578 76,16 2,09 0,217 2,74
25 2,99 30,0 3,14 0,598 76,16 1,88 0,188 2,47
26 2,99 30,5 3,19 0,598 76,16 1,91 0,192 2,51
27 2,99 30,0 3,14 0,598 76,16 1,88 0,188 2,47
28 3,09 30,0 3,14 0,618 76,16 1,94 0,188 2,55
29 3,09 26,0 2,72 0,618 76,16 1,68 0,163 2,21
30 3,09 25,0 2,62 0,618 76,16 1,62 0,157 2,12
Dari Gambar 4.2 kita dapat mengetahui bahwa hubungan Cpdengan λ dapat dirumuskan nilai Cp maxpada grafik adalah
0,1761 +
16,3 + -22,6262
p
C (4.1)
Untuk mencari titik maksimum maka
360 , 0
16,3 + (2) -22,626 0
16,3 + (2) -22,626
d dCpMeninjau dari Pers. 4.1 Cp maxpada λ = 0,360 adalah
Dari perhitungan yang menggunakan Pers. 4.1 kita dapat mengetahui bahwa nilai Cp maxsebesar 3,11% terjadi saat λ bernilai 0,360.
4.2 Hasil Penelitian Kincir Angin Savonius dengan Setengah Kekasaran Permukaan Bagian Dalam Sudu
Penelitian pada kincir angin Savonius dengan setengah kekasaran permukaan bagian dalam sudu yang telah dibuat seperti pada Gambar 3.18 a dan b. pengujian dilakukan pada Rabu, 1 Desember 2021 pukul 10.00-15.00 WIB. Data hasil pengujian pada varasi ini dicatat seperti pada Tabel 4.3.
4.2.1 Kalkulasi Data Variasi Setengah Kekasaran Permukaan Bagian Dalam Sudu
Kalkulasi data dilakukan hanya satu kali pada setiap nilai dari karakteristik kincir sebagai perwakilan dari seluruh data pada Tabel 4.3 sebagai acuan pengolahan data. Data perwakilan yang digunakan dalam perhitungan ini adalah
0
d dCp% 11 , 3
0,1761 +
) 360 , 0 ( 16,3 + ) 360 , 0 ( -22,626
max max 2
p p
C C
data dari Tabel 4.3 nomer 6 dengan nilai gaya pengimbang torsi sebesar 0,8 N dan kecepatan rotor yang tercatat sebesar 84,8 rpm.
Tabel 4.3 Data hasil pengujian kincir angin dengan setengah kekasaran permukaan bagian dalam sudu
No
PengimbangGaya Torsi
Kecepatan Rotor
F n
(N) (rpm)
1 0 106,0
2 0 109,5
3 0 103,1
4 0,84 85,5
5 0,84 85,7
6 0,84 84,8
7 1,39 63,7
8 1,39 65,9
9 1,39 65,5
10 1,74 54,0
11 1,74 53,0
12 1,74 55,0
13 1,99 44,0
14 1,99 48,0
15 1,99 50,0
16 2,34 39,5
17 2,34 37,0
18 2,34 39,0
19 2,49 34,5
20 2,49 34,5
21 2,49 33,5
22 2,74 31,0
23 2,74 28,5
24 2,74 30,3
25 3,09 25,0
26 3,09 26,5
27 3,09 24,7
28 3,29 20,5
Kalkulasi diawali dengan perhitungan kecepatan sudut mengunakan Pers.
2.3. didapatkan nilai kecepatan sudut sebesar 8,88 rad/s. Selanjutya dilakukan perhitungan terhadap torsi mengunakan Pers. 2.2 untuk data nomer 6 pada Tabel 4.3. Perhitungan mengunakan nilai gaya pembebanan sebesar 0,84 N dan panjang lengan torsi sebesar 0,2 m maka dihasikan nilai torsi sebesar 0,168 Nm.
Perhitungan daya angin mengunakan Pers. 2.1 untuk data nomer 6 pada Tabel 4.3.
Perhitungan mengunakan nilai densitas angin sebesar 1,18 kg/m3, kecepatan angin sebesar 6 m/s, tinggi sudu sebesar 0,83 m, dan lebar sudu sebesar 0,72 m maka didapatkan nilai daya angin sebesar 76,16 watt. Dari nilai kecepatan sudut sebesar 8,88 rad/s dan torsi yang telah diketahui, maka dapat dihitung daya kincir dan didapatkan nilai sebesar 1,49 watt.
Setelah diketahui nilai daya angin sebesar 76,13 watt dan daya kincir sebesar 1,49 watt, maka dapat dicari nilai dari koefisien daya. Perhitungan koefisien daya menggunakan Pers. 2.5 dan didapat nilai koefisien daya sebesar 1,96%. Tip speed ratio dihitung dengan menggunakan Pers. 2.6. Perhitungan mengunakan nilai kecepatan sudut sebesar 8,88 rad/s, kecepatan angin sebesar 6 m/s, dan jari-jari kincir sebesar 0,72 m, sehingga didapatkan nilai sebesar 0,533.
Selanjutnya seluruh data diolah dengan persamaan yang ditentukan, sehingga didapatkan nilai karakteristik kincir angin dari variasi ini, nilai-nilai tersebut akan disajikan dalam Tabel 4.4.
4.2.2 Hubungan Kecepatan Rotor Terhadap Torsi Pada Variasi Setengah Kekasaran Permukaan Bagian Dalam Sudu
Setelah dilakukan kalkulasi data terhadap torsi pada seluruh data pada Tabel 4.3. Maka, data tersebut dapat dibentuk grafik hubungan kecepatan rotor terhadap Torsi, sehingga dapat diketahui karakteristik dari kincir angin variasi setengah kekasaran permukaan bagian dalam sudu. Grafik ini mengunakan seluruh data asli hasil perhitungan dan pengamatan yang tersaji pada Gambar 4.3.
Tabel 4.4 Hasil kalkulasi data pengujian pada variasi setengah kekasaran permukaan bagian dalam sudu
No
PengimbangGaya Torsi
Kecepatan
Rotor Kecepatan
Sudut Torsi Daya
Angin Daya Kincir
SpeedTip Ratio
Koefisien Daya
F n ω T Pin Pout
λ Cp
(N) (rpm) (rad/s) (Nm) (watt) (watt) (%)
1 0 106,0 11,10 0 76,16 0 0,666 0
2 0 109,5 11,47 0 76,16 0 0,688 0
3 0 103,1 10,80 0 76,16 0 0,648 0
4 0,84 85,5 8,95 0,168 76,16 1,50 0,537 1,98
5 0,84 85,7 8,97 0,168 76,16 1,51 0,538 1,98
6 0,84 84,8 8,88 0,168 76,16 1,49 0,533 1,96
7 1,39 63,7 6,67 0,278 76,16 1,85 0,400 2,43
8 1,39 65,9 6,90 0,278 76,16 1,92 0,414 2,52
9 1,39 65,5 6,86 0,278 76,16 1,91 0,412 2,50
10 1,74 54,0 5,65 0,348 76,16 1,97 0,339 2,58
11 1,74 53,0 5,55 0,348 76,16 1,93 0,333 2,54
12 1,74 55,0 5,76 0,348 76,16 2,00 0,346 2,63
13 1,99 44,0 4,61 0,398 76,16 1,83 0,276 2,41
14 1,99 48,0 5,03 0,398 76,16 2,00 0,302 2,63
15 1,99 50,0 5,24 0,398 76,16 2,08 0,314 2,74
16 2,34 39,5 4,14 0,468 76,16 1,94 0,248 2,54
17 2,34 37,0 3,87 0,468 76,16 1,81 0,232 2,38
18 2,34 39,0 4,08 0,468 76,16 1,91 0,245 2,51
19 2,49 34,5 3,61 0,498 76,16 1,80 0,217 2,36
20 2,49 34,5 3,61 0,498 76,16 1,80 0,217 2,36
21 2,49 33,5 3,51 0,498 76,16 1,75 0,210 2,29
22 2,74 31,0 3,25 0,548 76,16 1,78 0,195 2,34
23 2,74 28,5 2,98 0,548 76,16 1,64 0,179 2,15
24 2,74 30,3 3,17 0,548 76,16 1,74 0,190 2,28
25 3,09 25,0 2,62 0,618 76,16 1,62 0,157 2,12
26 3,09 26,5 2,78 0,618 76,16 1,71 0,167 2,25
27 3,09 24,7 2,59 0,618 76,16 1,60 0,155 2,10
28 3,29 20,5 2,15 0,658 76,16 1,41 0,129 1,85
Gambar 4.3 Grafik hubungan kecepatan rotor terhadap torsi pada variasi setengah kekasaran permukaan bagian dalam sudu
Dari grafik dapat kita ketahui bahwa nilai kecepatan rotor awal cenderung lebih kecil dari variasi sebelumnya dan mengalami penurunan secara linier seiring dengan bertambahnya nilai torsi yang dihasilkan turbin.
4.2.3 Hubungan Koefisien Daya Terhadap Tip Speed Ratio Pada Variasi Setengah Kekasaran Permukaan Bagian Dalam Sudu
Kalkulasi dilakukan hingga mendapatkan nilai koefisien daya dan tip speed ratio pada seluruh data seperti pada Tabel 4.4. Selanjutnya, seluruh data tersebut dapat dibentuk grafik hubungan koefisien daya terhadap tip speed ratio. Pada grafik terlihat bahwa hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio akan membentuk garis kurva polinomial pangkat 2 terbuka kebawah. Koefisien daya cendurung akan naik seiring dengan bertambahnya nilai tip speed ratio hingga mencapai puncak. Selajutnya nilai koefisien daya akan mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya nilai tip speed ratio setelah melewati titik puncak.
Namun, nilai dari koefisien daya dan tip speed ratio yang dihasilkan dari kincir dengan variasi ini cenderung lebih rendah dari variasi tanpa kekasaran seperti yang dapat terlihat pada Gambar 4.4.
