Unjuk kerja model rotor kincir angin propeller tiga sudu berbahan dasar kayu berlapis seng dengan sudu dari belahan dinding silinder dan sudut sektor 80 derajat.

(1)

vii

ABSTRAK

Kebutuhan energi di dunia khususnya di Indonesia dari tahun ke tahun semakin meningkat. Hal ini terjadi akibat, bertambahnya jumlah penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pemakaian energi yang terus bertambah. Bahan bakar minyak (BBM), batubara dan gas menjadi sumber energi utama untuk ketersediaan listrik di Indonesia. Namun ketersedian bahan bakar tersebut semakin menipis.Atas dasar kondisi sekarang ini, muncul adanya ide untuk memanfaatkan energi baru terbarukan. Salah satu sumber energi terbarukan yang dapat diandalkan adalah angin. Tujuan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui unjuk kerja dari sebuah model kincir angin.

Kincir angin yang diteliti adalah kincir angin propeler tiga sudu berporos horizontal dengan diameter rotor 80 cm. Sudu kincir dibuat dari belahan dinding silinder dengan sudu sektor 80o berbahan dasar kayu yang dilapisi dengan seng.

Rotor kincir dibuat dalam tiga variasi diameter silinder, yaitu 15 cm, 20 cm dan 25 cm. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan fan blowerdi Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma. Agar mendapatkan daya kincir, torsi, koefisien daya maksimal, dan tip speed ratio pada kincir, maka poros kincir dihubungkan ke mekanisme pengereman yang berfungsi sebagai beban pada kincir. Besarnya beban kincir dapat diukur pada neraca pegas. Putaran kincir angin diukur mengunakantakometer dan kecepatan angin diukur menggunakan anemometer. Kecepatan udara yang ditetapkan berkisar antara 7 m/s hingga8m/s.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa kincir angin dengan diameter silinder 15 cm menghasilkan koefisien daya maksimal 14,4% pada tip speed ratio

2,24. Kincir angin dengan diameter silinder 20 cm menghasilkan koefisien daya maksima 16,4% pada tip speed ratio 1,8. Kincir angin dengan diameter silinder 25 cm menghasilkan koefisien daya maksimal 23,7% pada tip speed ratio 2,24. Kincir angin dengan diameter silinder 25 cm menghasilkan koefisien daya dan tip speed ratio paling tinggi dibandingkan variasi diameter silinder 15 cm dan 20 cm.

(2)

viii

ABSTRACT

The need of energy in the world especially in Indonesia is increasing year by year. This happens because of the population increase, economic growth, and energy consumption. Fuel oil, coal, and gas are major energy sources for availability of Electricity in Indonesia. However the availability of the fuel is running low. Therefore, there is an idea to utilize renewable energy. One of the renewable energy sources which can be used is wind. The aim of this research is to know the performance of a wind-turbine model.

The model of wind-turbine which is examined in this research is three blade propeller wind-turbine with horizontal axis and 80cm of rotor diameter. Turbine blade is made from parts of wall cylinder zinc plated wood and sector angle 80o. Turbine rotor is made in cylinder diameter variations, which is 15 cm, 20 cm, and 25 cm. the study was conducted by using a fan blower in the energy conversation laboratory of the University of Sanata Dharma. In order to obtain wind-turbine power, torque, maximum power coefficient, and tip speed ratio at the wheel, the wheel shaft is connected to a braking mechanism that serves as the load on the wheel. The magnitude of the load wheel is measured on a spring balance. Rotation speed wind-turbine is measured using tachometers and wind speed is measured using anemometer. Set air speed ranges from 7 m/s to 8 m/s.

The result showed the wind-turbinewith 15 cm of cylinder diameter produces 14.4 % of maximum power coefficient on 2.24 of tip speed ratio. Wind-turbine with 20 cm of cylinder diameter produces 16.4 % of maximum power coefficient 1.8 of tip speed ratio. Wind-turbine with 25 cm of cylinder diameter produces 23.7 % of maximum power coefficient 2.24 of pad tip speed ratio. Wind-turbine with 25 cm of cylinder diameter generated power coefficient and tip speed ratio which is the highest compared to the variation in 15 cm and 20 cm of cylinder diameter.

(3)

i

UNJUK KERJA MODEL ROTOR KINCIR ANGIN PROPELER

TIGA SUDU BERBAHAN DASAR KAYU BERLAPIS SENG

DENGAN SUDU DARI BELAHAN DINDING SILINDER DAN

SUDUT SEKTOR 80

o

TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagai persyaratan

mencapai derjat sarjana S-1

Diajukan oleh :

ANTHONIUS ADITYA SURYADI NIM :115214002

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

(4)

ii

THE PERFORMANCE OF THREE BLADE PROPELLER

WIND-TURBINE ROTOR MODEL MADE FROM PARTS OF

WALL CYLINDER ZINC PLATED WOOD AND

SECTOR ANGLE 80

o

FINAL PROJECT

As partitial fulfillment of the requirement

to obtain theSarjana Teknik degree in Mechanical Engineering

By

ANTHONIUS ADITYA SURYADI Student Number : 115214002

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHONOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2016

(5)

UNJUK KERJA

MODEL ROTOR KINCIR ANGIN PROPELER

TIGA

SUDU

BERBAHAN

DASAR

KAYU BERLAPIS

SENG

DENGAN

SUDU

DARI BELAHAN DINDING SILINDER DAN

SUDUT SEKTOR

8OO

Telah Disetujui Oleh :

Dosen Pembimbing

lll

\'

NIIrff'J t)214002

{?ffi.S

trffiE

p

{1"

?:.

1

ff:*

\\

-D

effi-n

LffiS

?ID

*t^^.

t

(6)

T]NJUK

KERJA MODEL

ROTOR

KINCIR

A]YGIN PROPELER TTGA STIDU

BERBAI{AN

DASAR

KAYU

BERLAPIS SENG

DENGAN SUDU

DARI BELAHAN

DI1YDING

SILINDER DAN

STJDUT SEKTOR 80"

Dipersiapkan dan disusun oleh :

NAMA

: ANTHONIUS ADITYA SURYADI

Yogyakarta,l6 Februari 2016 Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanak Dharrna Dekan,

Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D.

1V

(7)

PERI\-YATAAN KEASLIAN

TUGAS

AKHIR

Dengan ini saya menyatakan sesungguhnya Tugas Akhir dengan judul :

UNJUK KERJA MODEL ROTOR

KTNCIR

ANGIN PROPELER

TIGA

SUDU

BERBAHAN

DASAR

KAYU BERLAPIS

SENG

DENGAN

SUDU

DARI BELAHAN DINDING SILINDER DAN

ST]DT]T

SEKTOR

80"

Yang dibuat untuk mel _iibditempuh untuk menjadi

Sarjana Teknik pada in Fakultas Sains dan

Teknologi, Univ yang saya ketahui

bukan Loublikasikan di

Perguruan dalam

daftar

Dibuat di Y

Padatanggal 1

Penulis

Anthonius Aditya Suryadi

aratan

Ks4@;

(8)

LEMBAR PER}IYATAAN

PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA

ILMIAH

UNTUK KEPENTINGAN

AKADEMIS

Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma .

Nama

:

ANTHONIUS ADITYA SURYADI

NomorMahasiswa

:

115214002

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan

Universitas Sanata Dharma karya ilmiah yang berjudul :

UNJUK KERJA MODEL ROTOR

KINCIR

ANGIN PROPELER

TIGA

SUDU

BERBAHAN

DASAR

KAYU BERLAPIS

SEI{G

DENGAN

SUDU

DARI BBLAHAN DINDING SILINDER DAN

SUDUT SEKTOR

80"

Dengan demikian saya memberikan _|<epadaperpustakaan Universitas Sanata

Dharma

hak

un{uk menyimpaq mengalihkan dalam

bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusi|<an secara terbatas, dan

mempublikasikanya di internpt atau mpdia lain untuk kepentingan akademis tanpa

perlu meminta

ijin

dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama

tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di Yogyakarta

Pada tanggal 16 Februari 2016

Yang menyatakan

3€

Anthonius Aditya Suryadi

(9)

vii

ABSTRAK

Kebutuhan energi di dunia khususnya di Indonesia dari tahun ke tahun semakin meningkat. Hal ini terjadi akibat, bertambahnya jumlah penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pemakaian energi yang terus bertambah. Bahan bakar minyak (BBM), batubara dan gas menjadi sumber energi utama untuk ketersediaan listrik di Indonesia. Namun ketersedian bahan bakar tersebut semakin menipis.Atas dasar kondisi sekarang ini, muncul adanya ide untuk memanfaatkan energi baru terbarukan. Salah satu sumber energi terbarukan yang dapat diandalkan adalah angin. Tujuan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui unjuk kerja dari sebuah model kincir angin.

Kincir angin yang diteliti adalah kincir angin propeler tiga sudu berporos horizontal dengan diameter rotor 80 cm. Sudu kincir dibuat dari belahan dinding silinder dengan sudu sektor 80o berbahan dasar kayu yang dilapisi dengan seng. Rotor kincir dibuat dalam tiga variasi diameter silinder, yaitu 15 cm, 20 cm dan 25 cm. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan fan blowerdi Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma. Agar mendapatkan daya kincir, torsi, koefisien daya maksimal, dan tip speed ratio pada kincir, maka poros kincir dihubungkan ke mekanisme pengereman yang berfungsi sebagai beban pada kincir. Besarnya beban kincir dapat diukur pada neraca pegas. Putaran kincir angin diukur mengunakantakometer dan kecepatan angin diukur menggunakan anemometer. Kecepatan udara yang ditetapkan berkisar antara 7 m/s hingga8m/s. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kincir angin dengan diameter silinder 15 cm menghasilkan koefisien daya maksimal 14,4% pada tip speed ratio 2,24. Kincir angin dengan diameter silinder 20 cm menghasilkan koefisien daya maksima 16,4% pada tip speed ratio 1,8. Kincir angin dengan diameter silinder 25 cm menghasilkan koefisien daya maksimal 23,7% pada tip speed ratio 2,24. Kincir angin dengan diameter silinder 25 cm menghasilkan koefisien daya dan tip speed ratio paling tinggi dibandingkan variasi diameter silinder 15 cm dan 20 cm.

(10)

viii

ABSTRACT

The need of energy in the world especially in Indonesia is increasing year by year. This happens because of the population increase, economic growth, and energy consumption. Fuel oil, coal, and gas are major energy sources for availability of Electricity in Indonesia. However the availability of the fuel is running low. Therefore, there is an idea to utilize renewable energy. One of the renewable energy sources which can be used is wind. The aim of this research is to know the performance of a wind-turbine model.

The model of wind-turbine which is examined in this research is three blade propeller wind-turbine with horizontal axis and 80cm of rotor diameter. Turbine blade is made from parts of wall cylinder zinc plated wood and sector angle 80o. Turbine rotor is made in cylinder diameter variations, which is 15cm, 20cm, and 25cm. the study was conducted by using a fan blower in the energy conversation laboratory of the University of Sanata Dharma. In order to obtain wind-turbine power, torque, maximum power coefficient, and tip speed ratio at the wheel, the wheel shaft is connected to a braking mechanism that serves as the load on the wheel. The magnitude of the load wheel is measured on a spring balance. Rotation speed wind-turbine is measured using tachometers and wind speed is measured using anemometer. Set air speed ranges from 7 m/s to 8 m/s.

The result showed the wind-turbinewith 15 cm of cylinder diameter produces 14.4 % of maximum power coefficient on 2.24 of tip speed ratio. Wind-turbine with 20 cm of cylinder diameter produces 16.4 % of maximum power coefficient 1.8 of pad tip speed ratio. Wind-turbine with 25 cm of cylinder diameter produces 23.7 % of maximum power coefficient 2.24 of pad tip speed ratio. Wind-turbine with 25 cm of cylinder diameter generated power coefficient and tip speed ratio which is the highest compared to the variation in 15 cm and 20 cm of cylinder diameter.

(11)

ix

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena

berkat dan limpahan rakhmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir.

Penyusunan tugas akhir ini bertujuan untuk memenuhi salah satu syarat

mendapatkan gelar sarjana S-1pada program studi Teknik Mesin, Universitas

Sanata Dharma.

Penulis menyadari dalam penyusunan tugas akhir ini banyak pihak-pihak

yang telah membantu. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis menyapaikan

ucapatan trimakasih kepada :

1. Bapak Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas

Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Bapak Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku ketua pogram studi

Teknik Mesin, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Bapak Ir. Rines, M.T., selaku dosen pembimbing Tugas Akhir yang telah

membimbing dan mendampingi dalam penyelesian Tugas Akhir.

4. Bapak Budi Setya Handana, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing

akademik yang telah membimbing dan mendampingi selama

perkuliahaan.

5. Seluruh dosen program studi Teknik Mesin yang telah mendidik dan

memberikan ilmu pengetahuan kepada penulis.

6. Seluruh karyawan dan staff Universitas Sanata Dharma yang telah

(12)

x

7. Bapak Widagdo dan Ibu Chatarina Hartanti selaku orang tua penulis

yang telah mendukung serta memberi doa restu sehingga penulisan

Tugas Akhir ini dapat selesai.

8. Keluarga penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah

mendukung penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

9. Teman-teman Teknik Mesin khususnya angkatan 2011, yang tidak dapat

saya sebutkan satu persatu terimakasih atas segala bantuannya sehingga

Tugas Akhir ini dapat selesai.

10. Teman-teman UKF dan UKM Basketball Sanata Dharma, teman-teman

Tasura 52, teman Wisma Manunggal, teman SSAB,

teman-teman PT. Sinar Alam Permai, serta pihak-pihak yang tidak dapat penulis

sebutkan satu persatu, yang telah membantu selama penyusunan Tugas

Akhir.

Penulis menyadari dalam penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari

sempurna. Sehingga saran dan kritik yang membangunsanggat penulis harapkan

demi kesempurnaan laporan ini. Akhir kata, semoga laporan ini dapat bermanfaat

bagi kita semua.

Yogyakarta, 16Februari 2016

Penulis

(13)

xi

DAFTAR SIMBOL

SimbolKeterangan

A Luas penampang (m2)

Cp Koefisien daya (%) d Diameter kincir (m)

Ek Energi kinetik (joule) F Gaya pengimbang (N)

l Panjang lengan torsi (m)

m Masa (kg)

ṁ Masa udara yang mengalir pesatuanwaktu (kg/s)

n putaran poros(rpm)

Pin Daya angin (watt) Pout Daya kincir (watt)

r Jari-jari

T Torsi (N.m)

tsr Tip speed ratio

v Kecepatan angin (m/s) Masa jenis udara(kg/m3)

(14)

xii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

TITLE PAGE ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

DAFTAR DEWAN PENGUJI ... iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v

LEMBAR PUBLIKASI ... vi

ABSTRAK ... vii

ABSTRAC ... viii

KATA PENGANTAR ... ix

DAFTAR SIMBOL ... xi

DAFTAR ISI ... xii

DAFTAR GAMBAR ... xiv

DAFTAR TABEL ... xvii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1Latar Belakang ... 1

1.2Rumusan Masalah... 3

1.3Batasan Masalah ... 3

1.4Tujuan Penelitian ... 4

1.5Manfaat Penelitian ... 4

BAB II DASAR TEORI... 5

2.1Energi Angin... 5

2.2Jenis-Jenis Angin ... 6

2.3Kincir Angin ... 9

2.4Rumus Perhitungan... 13

BAB III METODE PENELITIAN... 18

3.1Diagram Penelitian ... 18

(15)

xiii

3.3Waktu dan Tempat Penelitian... 19

3.4Bahan dan Alat ... 19

3.5Bentuk Sudu Kincir ... 24

3.6Variabel Penelitian ... 28

3.7Langkah-Langkah Penelitian ... 29

BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN ... 30

4.1Data Hasil Penelitian ... 30

4.2Pengolahan Data dan Perhitungan ... 33

4.3Data Hasil Perhitungan ... 35

4.4Grafik Hasil Perhitungan ... 42

4.5Grafik Perbandingan Tiga Variasi Diameter Silinder ... 51

BAB V PENUTUP ... 54

5.1Kesimpulan ... 54

5.2Saran ... 55

(16)

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Instalasi energi baru dan terbarukan di Indonesia 2

Gambar 2.1 Angin laut 7

Gambar 2.2 Angin darat 7

Gambar 2.3 Angin lembah 8

Gambar 2.4 Angin gunung 9

Gambar 2.5 Jenis kincir horizontal 11

Gambar 2.6 Jenis kincir vertikal 12

Gambar 2.7Grafik hubungan Cp dan tip speed ratio (tsr) beberapa jenis kincir

angin 15

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian kincir angin poros horizontal 18

Gamabr 3.2 Fan Blower 21

Gambar 3.3 Takometer 22

Gambar 3.4 Anemometer 22

Gambar 3.5 Mekanisme pengereman 23

Gambar 3.6 Neraca pegas 24

Gambar 3.6 Dudukan sudu 24

Gambar 3.8 Bentuk belahan sudu pada permukaan dinding silinder diameter 15

cm 25

(17)

xv

cm 25

Gambar 3.11 Disain tampak depan dan samping sudu dengan diameter silinder 15

cm 26

Gambar 3.12 Sudu kincir dengan diameter silinder 15 cm 26

cm 26

cm 27

Gambar 4.1 Grafik hubungan torsi dan rpm untuk kincir angin dengan diameter

silinder 15 cm 42

Gambar 4.2 Grafik hubungan daya dan torsi untuk kincir angin dengan diameter

silinder 15 cm 43

Gambar 4.3 Grafik hubungan antara koefisien daya dan tsr untuk kincir angin

dengan diameter silinder 15 cm 45

silinder 20 cm 45

silinder 20 cm 46

dengan diameter 20 cm 48

(18)

xvi

silinder 25 cm 49

dengan diameter silinder 25 cm 51

Gambar 4.10 Grafik perbandingan putaran poros dan torsi untuk variasi diameter

silinder 15 cm, 20 cm dan 25 cm 52

Gambar 4.11 Grafik perbandingan daya output dan torsi untuk variasi diameter

silinder 15 cm, 20 cm dan 25 cm 52

Gambar 4.12 Grafik perbandingan koefisien daya dan tip speed ratio untuk variasi

(19)

xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Cadangan dan produksi energi Indonesia tahun 2008 1

Tabel 2.1 Tingkat kecepatan angin 6

Tabel 4.1 Data penelitian kincir angin tiga sudu dengan diameter silinder 15 cm 30

Tabel 4.1 Data penelitian kincir angin tiga sudu dengan diameter silinder 15 cm

(lajutan) 31

(lajutan) 32

(lajutan) 33

Tabel 4.4 Data hasil perhitungan kincir angin tiga sudu dengan diameter silinder

15 cm 36

15 cm (lanjutan) 37

20 cm 38

20 cm (lanjutan) 39

25 cm 40

(20)

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Kebutuhan energi di dunia khususnya di Indonesia dari tahun ke tahun

semakin meningkat. Hal ini terjadi dikarenakan, bertambahnya jumlah penduduk,

pertumbuhan ekonomi dan pemakaian energi yang terus bertambah. Bahan bakar

minyak (BBM), batubara dan gas menjadi sumber energi utama untuk

ketersediaan listrik di Indonesia. Namun peningkatan konsumsi ini tidak diikuti

dengan ketersediaan bahan bakar minyak, gas maupun batu bara sebagai sumber

energi utama pembangkit listrik di Indonesia. Hal ini dikarenakan ketesediaan

bahan bakar tersebut semakin menipis, ini bisa kita lihat pada Tabel 1.1. Data dari

kementrian ESDM tahun 2008 mengenai cadangan sumber daya alam Indonesia.

Sehingga pemanfaat sumber-sumber energi baru dan terbarukan perlu

ditingkatkan. Salah satunya adalah energi angin.

Tabel 1.1 Cadangan dan produksi energi Indonesia tahun 2008

No Energi Fosil

Sumber Daya (SD) Cadangan (CD) Rasio SD/CAD (%) Produksi (PROD) Rasio CAD/PROD (Tahun)*) 1 Minyak bumi (miliyar

barel) 56,6 8,2 **) 14 0,357 23

2 Gas bumi (TSCF) 334,5 170 51 2,9 59

3 Batubara

(miliyar ton) 104,8 20,98 18 0,229 82

4 Coal Bed

Methane/CBM(TSCF) 453 - - - -

*) Dengan asumsi tidak ada penemuan cadangan baru **) Termasuk Blok Cepu

Sumber : https://helmidadang.wordpress.com/2012/12/29/cadangan-minyak-bumi-di-indonesia. April 2015

(21)

Pemanfaatan energi angin sudah dilakukan manusia sejak berabad-abad yang

lalu. Misalnya bangsa Eropa yang telah memanfaatkannya sejak sembilan ratus

tahun yang lalu untuk mengiling biji-bijian dan membuat barang, serta

menggerakkan kapal-kapal layar. Kemudian disusul oleh Amerika pada tahun

1800an yang digunakan untuk memompa air. Pada dasarnya terbentuknya angin

terjadi karena perbadaan tekanan di permukaan bumi, Angin bergerak dari

tekanan tinggi ke tekanan rendah. Akan tetapi perbedaan kecepatan angin setiap

daerah berbeda-beda dan memiliki karakter tersendiri.

Ketersedian angin selama ini masih dianggap sebagai fenomena yang terjadi

secara alami oleh kebanyakan masyarakat di Indonesia, hal ini terlihat pada

kesadaran pemanfaatan penggunaan energi angin sebagai sumber energi alternatif

yang masih rendah. Ini dapat kita lihat pada Gambar 1.1. Data dari Ministry of Energy and Mineral Resource tahun 2012. Padahal bila dimanfaatkan secara maksimal dengan memasang turbin-turbin di lokasi yang memiliki potensi angin

yang besar pengunaan energi angin sebagai pembangkit listrik sanggat

menguntungkan.

Gambar 1.1 Instalasi energi baru dan terbarukan di Indonesia

(22)

3

Sebagai mahasiswa teknik mesin yang mendalami energi terbarukan dan

konversi energi khususnya energi angin penulis ingin mengembangkan model

kincir yang sudah ada saat ini untuk mencari unjuk kerja yang sesuai dengan

kondisi angin yang berada di Indonesia. Penulis melakukan penelitian pada kincir

angin horizontal khususnya propeler tiga sudu.

1.2Rumusan Masalah

Masalah yang ingin dipecahkan melalui penelitian ini antara lain:

1. Angin adalah energi yang berlimpah, bersifat kekal, gratis dan ramah

lingkungan, namun di Indonesia pemanfaatan energi angin belum

dilakukan secara optimal.

2. Perlunya model kincir yang dapat mengkonversikan energi angin untuk

mencapai efisiensi maksimal.

1.3Batasan Masalah

Pada penelitian ini, penulis hanya memfokuskan kajian dan analisa sebagai

berikut :

1. Bahan yang digunakan dalam pembuatan sudu kincir ialah triplek dengan

ketebalan 4 mm dan dilapisi seng dengan ketebalan 0.2 mm.

2. Model kincir yang digunakan ialah jenis horizontal yaitu propeler tiga

sudu dengan diameter rotor 80 cm.

3. Penelitian dilakukan di dalam laboratorium konversi energi Universitas

Sanata Dharma dengan memanfaatkan mesin fan blower.

(23)

4. Data yang diambil dalam penelitian ini ialah, kecepatan angin, putaran

poros kincir dan beban yang diberikan.

5. Variasi yang digunakan ialah diameter belahan silinder sebagai bentuk

dasar sudu, yaitu 15 cm, 20 cm dan 25 cm dengan sudut sektor 80o.

1.4Tujuan Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan tujuan sebagai berikut :

1. Membuat model kincir angin propeler tiga sudu yang diperoleh dari tiga

variasi belahan silinder sebagai bentuk dasar sudu dengan diameter 15

cm, 20 cm dan 25 cm dan sudut sektor 80o.

2. Mencari unjuk kerja kincir angin propeler tiga sudu yang diperoleh dari

tiga variasi silinder dengan diameter yang berbeda.

3. Menentukan sudu terbaik diantara tiga variasi sudu yang diteliti.

1.5Manfaat Penelitian

Pada penelitian ini, penulis berharap dapat memberikan manfaat antara lain :

1. Diharapkan menjadi sumber referensi bagi masyarakat maupun

pengembang yang ingin memanfaatkan energi angin.

2. Menambah sumber pustaka mengenai kincir angin terutama jenis

propeler tiga sudu.

3. Diharapkan menjadi sumber informasi mengenai unjuk kerja kincir angin

(24)

5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Energi Angin

Angin adalah udara yang bergerak, angin terjadi karena perbedaan tekanan di

permukaan bumi. Angin bergerak dari tekanan tinggi ke tekanan rendah.

Perbedaan tekanan ini disebabkan oleh perbedaan penerimaan dan penyerappan

panas matahari oleh bumi. Energi angin dimanfaatkan sebagai sumber

Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLTA) dengan memanfaatkan turbin angin

atau generator angin. Cara kerjanya cukup sederhana, angin memutar kincir angin

yang kemudian memutar rotor pada generator yang terletak dibagian belakang.

Energi listrik yang dihasilkan bisa dimanfaatkan secara langsung, ataupun

disimpan dengan menggunakan battery.

Batas minimum untuk menggerkkan kincir ialah angin kelas 3 dan batas

maksimum adalah angin kelas 7. Kondisi angin yang dapat digunakan untuk

menghasilkan energi listrik dapat dilihat pada Tabel 2.1.

(25)

Tabel 2.1 Tingkat kecepatan angin

Tingkat Kecepatan Angin 10 meter di atas permukaan tanah

Kelas Angin

Kecepatan Angin

(m/s)

Kondisi Alam di Daratan

1 0,00 – 0,02 --- 2 0,3 – 1,5 Angin bertiup, asap lurus keatas 3 1,6 – 3,3 Asap bergerak mengikuti arah angin 4 3,4 – 5,4 Wajah terasa ada angin, daun bergoyang,

petunjuk arah angin bergerak

5 5,5 – 7,9 Debu jalanan dan kertas berterbangan, ranting pohon bergoyang

6 8,0 – 10,7 Ranting pohon bergoyang, bendera berkibar 7 10,8 – 13,8 Ranting pohon besar bergoyang, air kolam

bergoyang kecil

8 13,9 – 17,1 Ujung pohon melengkung, hembusan angin terasa di telinga

9 17,2 – 20,7 Dapat mematahkan ranting pohon, jalan berat melawan arah angin

10 20,8 – 24,4 Dapat mematahkan ranting pohon, rumah rubuh 11 24,5 – 28,4 Dapat merubuhkan pohon dan menimbulkan

kerusakan

12 28,5 – 32,5 Dapat menimbulkan keruskan parah 13 32,6 – 42,3 Angin Topan

Sumber : hhtp://www.kincirangin.info/plta-gbr.php. Agustus 2015

2.2 Jenis-Jenis Angin 2.2.1 Angin Laut

Angin laut adalah angin yang terjadi pada waaktu siang hari di tepian danau

dan di sepanjang garis pantai di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari laut atau

danau menuju daratan. Hal ini terjadi dikarenakan udara diatas daratan mengalami

pemanasan lebih cepat dibandingkan udara diatas permukaan air, sehingga

tekanan udara diatas daratan lebih rendah dibandingkan di atas permukaan laut

(26)

7

`

Gambar 2.1 Angin laut

Sumber :

https://luciafebriarlita17.wordpress.com/2014/04/09/unsur-unsur-iklim-dan-cuaca-ii-angin/angin-laut-dan-angin-darat/. Agustus 2015

2.2.2 Angin Darat

Angin darat adalah angin yang terjadi pada waktu malam hari di tepian danau

dan di sepanjang garis pantai di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari darat

menuju laut. Hal ini terjadi dikarenakan udara diatas daratan mengalami

pendinginan lebih cepat dibandingkan udara diatas permukaan air, sehingga

tekanan udara diatas permukaan laut atau danau menjadi lebih rendah

dibandingkan di atas daratan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Angin darat

Sumber :

https://luciafebriarlita17.wordpress.com/2014/04/09/unsur-unsur-iklim-dan-cuaca-ii-angin/angin-laut-dan-angin-darat/. Agustus 2015

(27)

2.2.3 Angin Lembah

Angin lembah adalah angin yang terjadi pada waktu siang hari di kawasan

pengunungan di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari lembah menuju gunung.

Hal ini terjadi dikarenakan udara di atas gunung mengalami pemanasan lebih

cepat dibandingkan lembah, sehingga tekanan udara di atas permukaan gunung

menjadi lebih rendah dibandingkan di atas permukaan lembah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Angin lembah

Sumber :

http://softilmu.blogspot.sg/2013/07/pengertian-dan-macam-macam-angin.html. Agustus 2015

2.2.4 Angin Gunung

Angin gunung adalah angin yang terjadi pada waktu malam hari di kawasan

pengunungan di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari gunung menuju lembah.

Hal ini terjadi dikarenakan udara di atas gunung mengalami pendingin lebih cepat

dibandingkan di atas permukaan lembah, sehingga tekanan udara di atas

permukaan lembah menjadi lebih rendah di atas permukaan gunung seperti yang

(28)

9

`

Gambar 2.4 Angin gunung

Sumber :

http://softilmu.blogspot.sg/2013/07/pengertian-dan-macam-macam-angin.html. Agustus 2015

2.3 Kincir Angin

Kincir angin adalah alat yang mengkonverisikan energi angin menjadi energi

mekanis. Pada awalnya kincir angin hanya digunakan untuk mengiling biji-bijian,

memompa air serta irigasi. Namun pada saat ini kincir angin telah dimanfaatkan

sebagai pembangkit listrik. Kincir angin yang digunakan untuk pembangkit listrik

disebut turbin angin (wind turbine) atau generator angin (wind generator). Sedangkan kincir angin (wind mill) digunakan untuk penamaan kincir yang digunakan untuk memompa air. Turbin angin atau generator angin menghasilkan

energi listrik dengan cara mengkonversi energi angin menjadi energi mekanis

yang akan menggerakkan generator sehingga terciptanya induksi magnetik.

Turbin angin secara umum digolongkan menjadi dua tipe yaitu kincir angin

horizontal dan kincir angin vertikal.

(29)

2.3.1 Kincir Angin Horizontal

Kincir angin horizontal atau HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) ialah kincir angin yang memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros

utama sesuai arah angin. Kincir ini ditopang oleh sebuah menara dan kincir

terletak di puncak menara. Kincir dapat berputar 360o terhadap sumbu vertical

untuk menyesesuaikan arah angin. Adapun jenis-jenis kincir angin ditunjukkan

pada Gambar 2.5.

Kelebihan kincir angin poros horizontal adalah :

1. Dapat dibuat dengan kemampuan pitch control untuk sudu-sudunya, sehingga dapat menghindari kerusakan bila terkena badai.

2. Penggunaan menara yang tinggi memungkinkan menempatkan turbin pada

landasan yang tidak datar, di pinggir pantai ataupun di kawasan hutan

dengan sarat kincir didirikan di atas treeline (garis batas puncak pohon). 3. Ukuran kincir yang besar memiliki nilai ekonomis yang lebih baik, karena

volume produksi listrik yang lebih besar dengan faktor kapasitas dan

efisiensi yang tinggi.

Kekurangan kincir angin poros horizontal adalah:

1. Kincir angin poros horizontal sulit dioperasikan dekat dengan permukaan

tanah yang merupakan tempat beradanya angin-angin turbulen, karena yaw control dan blade control memerlukan aliran-aliran yang lebih lamminer. 2. Kincir angin poros horizontal yang tinggi sulit untuk dipasang karena

(30)

11

`

3. Menara-menara yang tinggi dan sudu-sudu yang panjang (mencapai

hingga 60 m) sulit untuk diangkut ketempat pendirian turbin. Biaya

[image:30.595.101.495.188.575.2]

transportasi sekitar 20 % dari biaya peralatan.

Gambar 2.5. Jenis kincir horizontal

Sumber :Hirman, Syukri.

2.3.2 Kincir Angin Vertikal

Kincir angin vertikal atau VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) ialah kincir angin yang memiliki poros tegak lurus dengan arah angin atau dengan kata lain

kincir jenis ini dapat menerima segala arah angin kecuali dari atas atau dari

bawah. Kincir jenis ini menghasilkan torsi yang besar dari pada angin poros

horizontal. Adapun jenis-jenis kincir angin vertikal dapat dilihat pada Gambar 2.6.

Kelebihan kincir angin sumbu vertikal antara lain:

Single

Blade _Double Blade

Three

Blade _{U.S Farm Windmil}

Multi Blade Bicycle Multi Blade

Up Wind Down Wind

Enfield Andreau

Sail Wind

Multi Rotor Counter Rotating Blades

(31)

1. Kincir angin dapat menerima angin dari segala arah.

2. Perawatan dan pemasangan lebih mudah karena pemasangan dekat dengan

permukaan tanah.

3. Secara teoritis menggunakan sedikit material.

4. Tidak memerlukan menara free-standing, sehingga lebih murah dan lebih kuat bila berada dalam daerah angin kencang yang dekat dengan

permukaan tanah.

Kekurangan kincir angin sumbu vertikal antara lain:

1. Karena umum dipasang dekat dengan permukaan tanah kualitas angin

yang diterima kurang baik sehingga kincir jenis ini mudah rusak.

2. Memerlukan tanah yang lebih datar.

3. Kebanyakan kincir angin vertikal menghasilkan energi dengan efisiensi

sekitar 50% dari efisiensi yang dihasilkan kincir angin horizontal karena

[image:31.595.98.513.202.719.2]

kincir angin vertikal menerima tambahan drag selama sudu-sudunya berputar di dalam udara yang bergerak (atau angin).

Gambar 2.6 Jenis kincir vertikal

Sumber :

http://www.grund-wissen.de/diplomarbeit/funktionsweisen-erneuerbarer-energietechnologien.html. Agustus 2015.

(32)

13

`

2.4 Rumus Perhitungan

Berikut ini adalah rumus-rumus yang digunakan untuk melakukan

perhitungan dan analisis kerja kincir angin yang diteliti.

2.4.1 Energi dan Daya Angin

Energi angin adalah energi yang dimiliki oleh angin yang disebabkan

adanyanya kecepatan, karena adanya energi yang dimiliki oleh angin maka

dinamakan energi kinetik angin. Maka energi kinetik dapat dirumuskan :

k 2 (1)

dengan :

Ek adalahenergi kinetik (joule) m adalah massa (kg)

v adalah kecepatan angin (m/s)

Dari persamaan (1), dapat diketahui daya adalah energi per satuan waktu (J/s)

maka persamaan tersebut dapat ditulis menjadi :

Pin 2 (2)

dengan :

Pin adalah daya yang dihasilkan angin (J/s = watt)

adalah massa udara yang mengalir per satuan waktu (kg/s)

v adalah kecepatan angin (m/s) dimana :

(3)

n n :

(33)

adalah massa jenis udara (kg/m3)

A adalah luasan angin yang ditangkap kincir (m2)

Dengan subtitusi, persamaan (2) dan persamaan (3), daya angin (Pin) dapat

dirumuskan menjadi :

Pin 2

disederhanakan menjadi :

Pin 3 (4) 2.4.2 Torsi Kincir Angin

Torsi adalah hasil kali gaya pembebanan (F) dengan panjang lengan torsi (l). Torsi pada kincir ditimbulkan oleh gaya dorong yang terjadi pada sudu-sudu

kincir. Perhitungan torsi dapat dirumuskan sebagai berikut :

T = F. Ɩ (5)

dengan :

T adalah torsi (N.m)

F adalah gaya pembebanan (N)

Ɩ adalah panjang lengan torsi ke poros (m)

2.4.3 Daya Kincir Angin

Daya kincir angin adalah suatau daya yang dihasilkan oleh kincir dengan cara

mengkonversi energi kinetik menjadi energi potensial. Daya kincir angin

dipengaruhi oleh koefisien daya angin. Pada suatu penelitian yang dilakukan

seorang insinyur dari Jerman yang bernama Albert Betz telah menemukan

(34)

15

`

[image:34.595.97.508.173.648.2]

Number atau Betz Limit. Pada Gambar 2.7 menunjukkan grafik koefisien daya dari berbagai jenis kincir angin.

Gambar 2.7 Grafik hubungan Cp dan tip speed ratio (tsr) beberapa jenis kincir angin

Sumber : https://energypedia.info/wiki/Wind_Turbine_Technology. Agustus 2015

Secara teoritis daya kincir yang dapat dari gerak melingkar pada poros kincir

dapat dirumuskan :

Pout =T.ω (6)

dengan :

Pout adalah daya yang dihasilkan kincir angin (watt) T adalah torsi (N.m)

ω adalah kecepatan sudut (rad/s)

Kecepatan sudut adalah laju dan orientasi rotasi suatu benda pada sumbunya.

Satuan dari kecepatan sudut adalah radian per detik (rad/detik) atau rotasi per

menit. Konversi satuan yang menghubungkan (rpm) dan (rad/s) adalah 1 rpm =

2π/60 r / t, m k p rs m n (6) dapat diubah menjadi :

Tip speed ratio(tsr)

Koef

is

ien

Daya

,

Cp

(

%

)

(35)

Pout = T. (7)

dengan :

n adalah putaran poros (rpm)

2.4.4 Tip Speed Ratio (tsr)

Tip speed ratio adalah perbandingan kecepatan linier ujung terluar pada suatu sudu (blade-tip speed) turbin dan kecepatan angin yang melewatinya. Tip speed ratio biasa disingkat tsr dan dilambangkan dengan λ. Tsr dapat dirumuskan:

tsr=

(8)

atau biasa disederhanakan menjadi

tsr=

(9)

dengan :

r adalah jari-jari kincir (m)

n adalah putaran poros (rpm)

v adalah kecepatan angin (m/s)

2.4.5 Koefisien Daya (Cp)

Koefisien Daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir

(Pout) dengan daya disediakan oleh angin (Pin). Cpdapat dirumuskan:

out

n %

(36)

17

`

dengan :

Cp adalah koefisien daya (%)

Pout adalah daya yang dihasilkan kincir (watt) Pin adalah daya yang disediakan oleh angin (watt)

(37)

18

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Penelitian

[image:37.595.100.508.199.689.2]

Langkah kerja penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian kincir angin poros horizontal.

Mulai

Perancangan kincir angin poros horizontal

Pembelian alat dan bahan yang digunakan untuk pembuatan kincir

Pembuatan kincir angin

Pengambilan data berupa kecepatan angin, putaran poros kincir dan beban pengereman

Pengolahan data mencari torsi, kecepatan sudut, daya angin, daya kincir, koefisien daya (Cp), tip speed ratio (tsr). Kemudian membuat grafik hubungan

antara daya kincir dan torsi, putaran poros dan torsi serta koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr) dari setiap variasi diameter silinder sudu

Analisi serta pembahasan data dan penulisan penelitian

(38)

19

`

3.2 Objek Penelitian

Objek penelitian ini adalah kincir angin poros horizontal jenis propeler

dengan variasi yang digunakan ialah variasi sudu yang diperoleh dari tiga variasi

silinder dengan diameter silinder 15 cm, 20 cm dan 25 cm dan sudut sektor 80o.

3.3 Waktu dan Tempat Penelitian

Proses pembuatan kincir dan pengambilan data dilakukan pada bulan Agustus

2015 sampai dengan bulan Desember 2015 di Laboratorium Konversi Energi

Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.

3.4 Bahan dan Alat

Bahan yang dipakai untuk membuat penelitan ini adalah sebagai berikut:

a. Bahan untuk sudu.

Sudu-sudu kincir angin dibuat dari papan triplek (plywood) dengan ketebalan 4 mm.

b. Bahan untuk melapisi sudu.

Sudu-sudu yang dibuat dilapisi dengan seng yang memiliki ketebalan 0,2

mm. Seng ini bertujuan untuk menahan bentuk triplek yang sudah

dibentuk lengkung dan mengecilkan gaya gesek yang diakibatkan ketidak

rataan permukaan sudu.

c. Bahan untuk perekat dan membentuk lengkungan sudu.

Pada saat proses perekatan antara celah potongan pada triplek yang telah

(39)

digunakan serbuk kayu yang halus untuk mengisi celah potongan triplek.

Serbuk kayu yang mengisi celah antar triplek tersebut ditetesi dengan lem

G agar dapat merekatkan dan menutup celah antar triplek dan

menghasilkan lengkungan yang kokoh.

d. Bahan untuk poros utama kincir.

Poros utama kincir dibuat dari pipa pejal berbahan baja. Poros utama

kincir yang dipasang tetap pada trowongan angin dan ditahan oleh dua

bantalan yang terhubung ke sistem pengereman dengan bantuan kopling

fleksibel.

e. Bahan untuk tiang poros.

Tiang penahan poros dibuat dari baja profil I yang tertanam pada rangka

trowongan angin.

f. Bahan untuk dudukan kincir.

Dudukan sudu terbuat dari triplek yang dilapisi dengan seng tipis yang

bertujuan untuk memperkokoh dudukan dalam menopang sudu.

Alat yang dipakai untuk penelitian ini meliputi beberapa bagian antara lain:

a. Alat kerja utama:

1. Gergaji

2. Mesin drilling

3. Palu

4. Tool box

5. Mesin Gerinda

(40)

21

`

b. Pada saat proses pengambilan data digunakan beberapa alat pendukung

antara lain:

1. Fan blower

Fan blower adalah alat sebuah alat yang digunakan untuk menciptakan angin di depan serta di belakang fan blower dengan kecepatan tertentu. Fan blower yang digunakan selama penelitian digerakkan oleh motor listrik berdaya 11,1855 kW dan dihubungkan

dengan menggunakan transmisi sabuk dan puli, seperti pada Gambar

[image:40.595.99.510.200.617.2]

3.2.

Gambar 3.2 Fan Blower

2. Takometer

Takometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur putaran poros

(41)

selama penelitian ialah sisi mengkilat dari cakram yang dapat

memantulkan cahaya kepada sensor.

Gambar 3.3 Takometer

3. Anemometer

Anemometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan

angin. Anemometer dipasang di depan kincir angin. Adapun bentuk

dari anemometer yang digunakan selama penelitian dapat dilihat pada

[image:41.595.98.510.162.605.2]

Gambar3.4.

Gambar 3.4 Anemometer

4. Mekanisme pengereman

Mekanisme pengereman digunakan untuk mencari beban maksimal

dan kecepatan putar kincir angin yang bekerja pada poros kincir,

(42)

23

`

pembebanannya dengan menambahkan karet terhadap mekanisme

[image:42.595.100.508.163.590.2]

pengereman di cakram.

Gambar 3.5 Mekanisme pengereman

5. Neraca pegas

Neraca pegas digunakan untuk mengukur beban yang diberikan

terhadap kincir angin saat kincir berputar, seperti pada Gambar 3.6.

Penggunaan neraca pegas dihubungkan dengan mekanisme

pengereman menggunakan benang dan pemberat yang jaraknya telah

diukur.

(43)

[image:43.595.98.509.100.603.2]

Gambar 3.6 Neraca pegas

6. Dudukan kincir

Dudukan kincir ialah alat yang berfungsi sebagai tempat untuk

memasang sudu, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.7.

Gambar 3.7 Dudukan sudu

3.5 Bentuk Sudu Kincir

Sudu-sudu kincir yang digunakan dalam penelitian ini memiliki penampang

silinder yang dibedakan menjadi tiga variasi. Adapun variasi tersebut didapat dari

tiga variasi diameter belahan dinding silinder, yakni 15 cm, 20 cm dan 25 cm

(44)

25

`

Gambar 3.8 Bentuk belahan sudu pada permukaan dinding silinder diameter 15 cm

[image:44.595.101.510.125.557.2]

Kesamaan pada tiga variasi sudu ini adalah:

1. Panjang sudu sebesar 37 cm.

2. Lebar ujung sudu adalah 30o.

3. Menggunakan cetakan yang sama untuk setiap variasi jenis sudu.

Dalam penelitian ini, dinding silinder tabung dibentuk dari potongan yang

diambil setiap 10o dari bagian tabung dengan menggunakan seng yang digoreskan

menggunakan paku. Dinding silinder ini berguna sebagai cetakkan untuk

15 cm 37 cm

1,25 cm 80o

20 cm

1,65 cm

37 cm

80o 80o

25 cm

2,44 cm

37 cm

(45)

membentuk belahan dinding tabung silinder sudu. Seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 3.8, 3.9 dan 3.10.

Pada gambar di bawah ini adalah desain bentuk sudu yang sudah dibentuk

dengan menggunakan bantuan cetakkan dan gambar sudu yang sudah jadi.

[image:45.595.99.511.205.636.2]

Gambar 3.11 Desain tampak depan dan samping sudu dengan diameter silinder 15 cm

(46)

27

[image:46.595.104.502.131.734.2]

`

Gambar 3.14 Sudu kincir dengan diameter silinder 20 cm

(47)

[image:47.595.97.514.102.591.2]

Gambar 3.16 Sudu kincir dengan diameter silinder 25 cm

3.6 Variabel Penelitian

Variabel penelitian ini adalah:

1. Variasi yang digunakan ialah variasi sudu yang diperoleh dari tiga

variasi silinder dengan diameter silinder 15 cm, 20 cm dan 25 cm.

2. Variasi pembebanan dilakukan sampai menemukan beban maksimum

(kincir berhenti berputar).

Parameter yang diukur :

1. Kecaptan angin, (m/s)

2. Putaran kincir, (rpm)

3. Gaya pengimbang, (N)

Parameter yang dihitung untuk mendapatkan karakteristik kincir angin adalah:

1. Daya angin, (Pin)

2. Torsi, (T)

3. Daya kincir, (Pout)

(48)

29

`

3.7 Langkah-Langkah Penelitian

Proses pengambilan data putaran poros, kecapatan angin, gaya pengimbang

dan tempratur udara diambil secara bersamaan. Adapun langkah-langkah sebelum

melakukan pengambilan data antara lain :

1. Memasang kincir di depan fanblower.

2. Menghubungkan poros kincir dengan mekanisme pengereman.

3. Memasang anemometer di depan kincir angin.

4. Memasang tali yang menghubungkan antara neraca pegas dengan lengan

pada mekanisme pengereman.

5. Jika semua sudah siap, hidupkan fan blower untuk menciptakan angin. 6. Setelah kecepatan angin stabil pengambilan data dapat dilakukan dengan

pengukuran kecepatan angin dengan anemometer, pengukuran putaran

poros kincir dengan takometer dan pengukuran beban pada neraca pegas.

7. Memvariasikan beban pengereman dengan cara memasang karet pada

mekanisme pengeraman, dimulai dari tanpa karet, kemudian 1 karet

kemudian ditambah 1 karet sampai kincir berhenti.

8. Mematikan fan blower.

9. Mengganti kincir angin dengan variasi lainya dan mengulangi langkah 1-8.

10.Melepaskan, merapikan dan mengemkembalikan semua peralatan ke

tempat semula setelah penelitian selesai dilakukan.

(49)

30

BAB IV

ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Hasil Penelitian

Berikut ini adalah data hasil penelitian kincir angin tiga sudu jenis peopeller

tiga sudu dengan tiga variasi silinder dengan diameter silinder 15 cm, 20 cm dan

25 cm. Data yang didapat dapat dilihat pada Tabel 4.1, Tabel 4.2 dan Tabel 4,3.

Tabel 4.1 Data penelitian kincir angin tiga sudu dengan diameter silinder 15 cm.

Penelitian No Kecepatan Angin Putaran Poros Beban

m/s rpm g

1

1 7,69 590,8 0 2 7,34 541,7 70 3 7,42 532 110 4 7,43 496,6 130 5 7,44 475,7 150 6 7,53 468 180 7 7,58 413,3 220 8 7,54 364,3 250

2

[image:49.595.100.498.257.645.2]

(50)

31

`

Tabel 4.1 Data penelitian kincir angin tiga sudu dengan diameter silinder 15 cm. (lanjutan)

m/s Rpm g

1

1 7,21 548,2 0 2 7,14 491,8 80 3 7,63 475,2 130

4 7,79 448 170

5 7,51 421,3 200 6 7,13 403,9 230 7 7,53 360,7 280 8 7,54 334,2 310 9 7,47 290,5 340

2

1 7,21 553,5 0 2 7,35 495,4 100 3 7,53 457,8 130 4 7,64 449,2 170 5 7,23 418,6 200 6 7,54 393,4 240 7 7,55 353,6 270 8 7,63 312,2 300 9 7,33 294,2 330 Penelitian No Kecepatan Angin Putaran Poros Beban

m/s Rpm g

3

1 7,5 604,6 0

2 7,42 574,2 80

3 7,52 518 110

[image:50.595.98.496.148.703.2]

(51)

m/s Rpm g

3

1 7,71 556,1 0 2 7,35 498,5 90 3 7,53 457,3 130 4 7,64 443,9 160

5 7,24 428 200

6 7,53 403 220

7 7,55 377,7 260 8 7,63 331,3 310 9 7,57 307,2 340

m/s Rpm g

1

1 7,5 640 0

2 7,45 592 140

3 7,45 570,2 180 4 7,35 559,5 210

5 7,4 525 240

6 7,55 482,5 270 7 7,4 454,8 320 8 7,45 428,7 370 9 7,35 365,3 400

2

[image:51.595.102.492.152.742.2]

(52)

33

`

m/s Rpm g

3

1 7,57 621,3 0

2 7,55 555 150

3 7,53 512,3 180 4 7,48 489,8 230 5 7,57 455,5 270 6 7,3 417,5 310 7 7,35 397,3 340 8 7,4 337,1 380 9 7,34 327,1 410

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan

Pengolahan data menggunakan beberapa asumsi untuk mempermudah dalam

proses perhitungan, anatara lain sebagai berikut:

a. Percepatan gravitasi bumi = 9,81 m/s2

b. Masa jenis udara = 1,18 kg/m3

4.2.1 Perhitungan Daya Angin

Sebagai contoh perhitungan diambil dari tabel pengujian 4.1 pada pengujian

pertama dan pembebanan kedua diperoleh kecepatan angin 7,34 m/s, massa jenis

udara (ρ) = 1,18 kg/m3, dan luas penampang (A) = 0,5026 m2. Maka dapat dihitung daya angin sebesar :

Pin = 0,5 . ρ . A . v3

=0,5 . 1,18 . 0,5026 . (7,34)3

[image:52.595.97.508.149.555.2]

(53)

=117,28 watt

Jadi daya angin yang dihasilkan sebesar 117,28 watt.

4.2.2 Perhitungan Torsi

Sebagai contoh perhitungan yang diambil dari tabel 4.1 pada pengujian

pertama, dan pembebanan ke dua, diperoleh besaran gaya (F) = 0,69 N dan jarak lengan torsi keporos sebesar 0,2 m. maka torsi dapat dihitung :

T = F . l

= 0,69 . 0,2 = 0,138 N.m

Jadi torsi yang dihasilkan sebesar 0,14 N.m.

4.2.3 Perhitungan Daya Kincir

pertama dan pembebanan kedua diperoleh kecepatan angin 7,34 m/s, putaran poros

(n) sebesar 541,7 rpm, dan torsi yang telah diperhitungkan pada sub bab 4.2.2 sebesar = 0,1373 N.m. maka besarnya day kincir dapat dihitung :

Pout = T .

= T.

= 0,14 .

= 7,79 watt

(54)

35

`

4.2.4 Perhitungan Tip Speed Ratio (tsr)

pertama dan pembebanan kedua diperoleh putaran poros kincir angin sebesar 541,7

rpm, jari jari (r) kincir angin sebesar 0,4 m, dan kecepatan angin sebesar 7,34 m/s. maka tip speed ratio dapat dihitung :

Tsr =

=

= 3,22

Jadi tip speed ratio yang dihasilkan sebesar 3,22.

4.2.5 Perhitungan Koefisien Daya (Cp)

Sebagai contoh perhitungan diambil dari perhitugan diatas yakni, daya angin

pada sub bab 4.21 sebesar 221 watt dan daya yang dihasilkan kan kincir angin pada

sub bab 4.2.3 sebesar 5,14 watt. Maka koefisien daya dapat dihitung :

out

n

= (7,79 /117,28).100% = 6,64%

Jadi koefisien daya yang dihasilkan sebesar 6,64 %.

4.3. Data Hasil Perhitungan

Dengan menggunakan langkah perhitungan seperti Sub Bab 4.2, maka untuk

[image:54.595.99.509.218.604.2]

hasil pengolahan dan perhitungan data yang lain disajikan dalam Tabel 4.4 sampai

Tabel 4.6.

(55)

[image:55.842.88.715.140.447.2]

36

Tabel 4.4 Data hasil perhitungan kincir angin tiga sudu dengan diameter silinder 15 cm.

Penelitian No

Kecepatan Angin

Putaran

Poros Beban

Gaya Pengimbang Beban Torsi Kecepatan Sudut Daya Angin Daya Output Kincir Tip Speed Ratio Koefisien Daya

m/s rpm g N N.m rad/s Watt Watt tsr Cp

1

1 7,69 590,80 0,00 0,00 0,00 61,87 134,87 0,00 3,22 0,00 2 7,34 541,70 70,00 0,69 0,14 56,73 117,28 7,79 3,09 6,64 3 7,42 532,00 110,00 1,08 0,22 55,71 121,15 12,02 3,00 9,92 4 7,43 496,60 130,00 1,28 0,26 52,00 121,64 13,26 2,80 10,90 5 7,44 475,70 150,00 1,47 0,29 49,82 122,14 14,66 2,68 12,00 6 7,53 468,00 180,00 1,77 0,35 49,01 126,62 17,31 2,60 13,67 7 7,58 413,30 220,00 2,16 0,43 43,28 129,16 18,68 2,28 14,46 8 7,54 364,30 250,00 2,45 0,49 38,15 127,13 18,71 2,02 14,72

2

(56)

37

Tabel 4.4 Data hasil perhitungan kincir angin tiga sudu dengan diameter silinder 15 cm. (lanjutan)

Penelitian No

Kecepatan Angin

Putaran

Poros Beban

Gaya Pengimbang

Beban Torsi

Kecepatan Sudut

Daya Angin

Daya Output

Kincir

Tip Speed

Ratio

Koefisien Daya

3

1 7,50 604,60 0,00 0,00 0,00 63,31 125,11 0,00 3,38 0,00 2 7,42 574,20 80,00 0,78 0,16 60,13 121,15 9,44 3,24 7,79 3 7,52 518,00 110,00 1,08 0,22 54,24 126,12 11,71 2,89 9,28 4 7,55 506,20 130,00 1,28 0,26 53,01 127,63 13,52 2,81 10,59 5 7,63 497,50 150,00 1,47 0,29 52,10 131,73 15,33 2,73 11,64 6 7,45 442,10 170,00 1,67 0,33 46,30 122,63 15,44 2,49 12,59 7 7,50 411,80 200,00 1,96 0,39 43,12 125,11 16,92 2,30 13,53 8 7,71 380,90 240,00 2,35 0,47 39,89 135,92 18,78 2,07 13,82

(57)

[image:57.842.90.716.140.476.2]

38

Tabel 4.5 Data hasil perhitungan kincir angin tiga sudu dengan diameter 20 cm.

Penelitian No

Kecepatan Angin

Putaran

Poros Beban

1

1 7,21 548,20 0,00 0,00 0,00 57,41 111,15 0,00 3,18 0,00

2 7,14 491,80 80,00 0,78 0,16 51,50 107,95 8,08 2,89 7,49

3 7,63 475,20 130,00 1,28 0,26 49,76 131,73 12,69 2,61 9,64

4 7,79 448,00 170,00 1,67 0,33 46,91 140,20 15,65 2,41 11,16

5 7,51 421,30 200,00 1,96 0,39 44,12 125,62 17,31 2,35 13,78

6 7,13 403,90 230,00 2,26 0,45 42,30 107,50 19,09 2,37 17,76

7 7,53 360,70 280,00 2,75 0,55 37,77 126,62 20,75 2,01 16,39

8 7,54 334,20 310,00 3,04 0,61 35,00 127,13 21,29 1,86 16,74

9 7,47 290,50 340,00 3,34 0,67 30,42 123,62 20,29 1,63 16,42

2

1 7,21 553,50 0,00 0,00 0,00 57,96 111,15 0,00 3,22 0,00

2 7,35 495,40 100,00 0,98 0,20 51,88 117,76 10,18 2,82 8,64

3 7,53 457,80 130,00 1,28 0,26 47,94 126,62 12,23 2,55 9,66

4 7,64 449,20 170,00 1,67 0,33 47,04 132,25 15,69 2,46 11,86

5 7,23 418,60 200,00 1,96 0,39 43,84 112,08 17,20 2,43 15,35

6 7,54 393,40 240,00 2,35 0,47 41,20 127,13 19,40 2,19 15,26

7 7,55 353,60 270,00 2,65 0,53 37,03 127,63 19,62 1,96 15,37

8 7,63 312,20 300,00 2,94 0,59 32,69 131,73 19,24 1,71 14,61

(58)

39

Tabel 4.5 Data hasil perhitungan kincir angin tiga sudu dengan diameter 20 cm. (lanjutan)

Penelitian No

Kecepatan Angin

Putaran

Poros Beban

Gaya Pengimbang

Beban Torsi

Kecepatan Sudut

Daya Angin

Daya Output

Kincir

Tip Speed

Ratio

Koefisien Daya

3

1 7,71 556,10 0,00 0,00 0,00 58,23 135,92 0,00 3,02 0,00

2 7,35 498,50 90,00 0,88 0,18 52,20 117,76 9,22 2,84 7,83

3 7,53 457,30 130,00 1,28 0,26 47,89 126,62 12,21 2,54 9,65

4 7,64 443,90 160,00 1,57 0,31 46,49 132,25 14,59 2,43 11,03

5 7,24 428,00 200,00 1,96 0,39 44,82 112,55 17,59 2,48 15,63

6 7,53 403,00 220,00 2,16 0,43 42,20 126,62 18,22 2,24 14,39

7 7,55 377,70 260,00 2,55 0,51 39,55 127,63 20,18 2,10 15,81

8 7,63 331,30 310,00 3,04 0,61 34,69 131,73 21,10 1,82 16,02

9 7,57 307,20 340,00 3,34 0,67 32,17 128,65 21,46 1,70 16,68

(59)

[image:59.842.87.722.140.476.2]

40

Tabel 4.6 Data hasil perhitungan kincir angin tiga sudu dengan diameter silinder 25 cm.

Penelitian No

Kecepatan Angin

Putaran

Poros Beban

1

1 7,50 640,00 0,00 0,00 0,00 67,02 125,11 0,00 3,57 0,00

2 7,45 592,00 140,00 1,37 0,27 61,99 122,63 17,03 3,33 13,89

3 7,45 570,20 180,00 1,77 0,35 59,71 122,63 21,09 3,21 17,20

4 7,35 559,50 210,00 2,06 0,41 58,59 117,76 24,14 3,19 20,50

5 7,40 525,00 240,00 2,35 0,47 54,98 120,18 25,89 2,97 21,54

6 7,55 482,50 270,00 2,65 0,53 50,53 127,63 26,77 2,68 20,97

7 7,40 454,80 320,00 3,14 0,63 47,63 120,18 29,90 2,57 24,88

8 7,45 428,70 370,00 3,63 0,73 44,89 122,63 32,59 2,41 26,58

9 7,35 365,30 400,00 3,92 0,78 38,25 117,76 30,02 2,08 25,49

2

1 7,53 638,60 0,00 0,00 0,00 66,87 126,62 0,00 3,55 0,00

2 7,51 560,30 140,00 1,37 0,27 58,67 125,62 16,12 3,13 12,83

3 7,45 544,10 180,00 1,77 0,35 56,98 122,63 20,12 3,06 16,41

4 7,43 483,70 230,00 2,26 0,45 50,65 121,64 22,86 2,73 18,79

5 7,27 444,30 250,00 2,45 0,49 46,53 113,95 22,82 2,56 20,03

6 7,48 429,30 290,00 2,84 0,57 44,96 124,12 25,58 2,40 20,61

7 7,35 405,10 310,00 3,04 0,61 42,42 117,76 25,80 2,31 21,91

8 7,38 381,30 340,00 3,34 0,67 39,93 119,20 26,64 2,16 22,35

(60)

[image:60.842.83.724.137.422.2]

41

Tabel 4.6 Data hasil perhitungan kincir angin tiga sudu dengan diameter silinder 25 cm. (lanjutan)

Penelitian No

Kecepatan Angin

Putaran

Poros Beban

Gaya Pengimbang

Beban Torsi

Kecepatan Sudut

Daya Angin

Daya Output Kincir

Tip Speed

Ratio

Koefisien Daya

3

1 7,57 621,30 0,00 0,00 0,00 65,06 130,83 0,00 3,44 0,00

2 7,55 555,00 150,00 1,47 0,29 58,12 129,80 17,10 3,08 13,18

3 7,53 512,30 180,00 1,77 0,35 53,65 128,77 18,95 2,85 14,71

4 7,48 489,80 230,00 2,26 0,45 51,29 126,22 23,15 2,74 18,34

5 7,57 455,50 270,00 2,65 0,53 47,70 130,83 25,27 2,52 19,31

6 7,30 417,50 310,00 3,04 0,61 43,72 117,32 26,59 2,40 22,67

7 7,35 397,30 340,00 3,34 0,67 41,61 119,75 27,75 2,26 23,18

8 7,40 337,10 380,00 3,73 0,75 35,30 122,21 26,32 1,91 21,54

9 7,34 327,10 410,00 4,02 0,80 34,25 119,26 27,55 1,87 23,10

(61)

4.4Grafik Hasil Perhitungan

Dari data yang telah diperoleh dan dilakuakan perhitungan, maka data

tersebut ditampilkan dalam bentuk grafik untuk mengetahui hubungan antara

torsi dengan kecepatan putar kincir, daya yang dihaslikan kincir dengan torsi dan

koefisien daya kincir dengan tip speed ratio untuk setiap variasi.

4.4.1 Grafik Untuk Variasi Kincir Dengan Dimater Silinder 15cm

a. Grafik hubungan putaran poros dan torsi

Berdasarkan hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.4 maka dapat

dibuat grafik hubungan putaran poros dan torsi yang dihasilkan kincir angin

untuk variasi dimeter silinder 15 cm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar

[image:61.595.104.513.213.639.2]

4.1.

Gambar 4.1 Grafik hubungan torsi dan rpm untuk kincir angin dengan diameter silinder 15 cm.

Dari Gambar 4.1 dapat diketahui bahwa kincir angin dengan diameter 15 cm

menghasilkan putaran poros tertinggi sekitar 620 rpm.

0 100 200 300 400 500 600 700

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

P

u

tar

an

p

or

os

,

n

(

rp

m

)

(62)

43

b. Grafik hubungan antara daya output dan torsi

Dari Tabel 4.4 yang sudah diperoleh perhitungan maka dapat dibuat grafik

yang menghubungkan antara daya output dan torsi yang dihasilkan kincir

angin untuk variasi diameter 15 cm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar

[image:62.595.100.505.233.564.2]

4.2.

Gambar 4.2 Grafik hubungan daya dan torsi untuk kincir angin dengan diameter silinder 15 cm.

Dari Gambar 4.2 dapat diketahui bahwa kincir angin dengan diameter silinder

15 cm mengashilkan daya kincir tertinggi sekitar 19,5 watt pada torsi sekitar

0,45 N.m.

c. Grafik Hubungan Anatara Koefisien Daya Maksimal dan tip speed ratio

Untuk Kincir Angin dengan Diameter Silinder 15 cm. Pada Gambar 4.3

menunjukkan grafik hubungan antara koefisien daya maksimum dan tsr

optimal untuk kincir angin variasi sudu polos diperoleh persamaan y = -10,74x2+48,166x-39,623 untuk menentukan nilai koefisien daya maksimum

0 5 10 15 20

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Daya

ou

tp

u

t,

Po

u

t

(

wat

t)

Torsi, T (N.m)

(63)

dan tsr optimal. Nilai tsr optimal dapat dihitung dari persmaan sebagai

berikut:

y = -10,74x2+48,166x-39,623

0 = 2(-10,74)x + 48,166 0 = -21,48x + 48,166 21,48x = 48,166

x =

x = 2,24

Dari hasil perhitungan persamaan di atas menunjukan nilai x = tip speed ratio

optimal, yakni sebesar 2,24.

Adapun nilai koefisien daya maksimal didapat dari nilai x yang dimasukan ke dalam persamaan sebagai berikut :

y = -10,74x2+48,166x-39,623

y = -10,74(2,24)2 + 48,166(2,24) – 39,623

y = 14,4

(64)

[image:64.595.99.508.109.730.2]

45

Gambar 4.3 Grafik hubungan antara koefisien daya dan tsr untuk kincir angin dengan diameter silinder 15 cm.

4.4.2 Grafik Untuk Variasi Kincir Dengan Dimater Silinder 20cm

a. Grafik hubungan putaran poros dan torsi

Berdasarkan hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.5 maka dapat

dibuat grafik hubungan putaran poros dan torsi yang dihasilkan kincir angin

untuk variasi dimeter silinder 20 cm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar

4.4.

Gambar 4.4 Grafik hubungan torsi dan rpm untuk kincir angin dengan diameter silinder 20 cm.

y = -10,74x2_{+ 48,166x - 39,623}

R² = 0,9047

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0

K oef is ien Da ya , Cp ( % )

Tip speed ratio (tsr)

0 100 200 300 400 500 600

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

P u tar an p or os , n ( rp m )

Torsi, T (N.m)

(65)

Dari Gambar 4.4 dapat diketahui bahwa kincir angin dengan diameter 20 cm

menghasilkan putaran poros tertinggi sekitar 560 rpm.

b. Grafik hubungan antara daya output dan torsi

Dari Tabel 4.5 yang sudah diperoleh perhitungan maka dapat dibuat grafik

yang menghubungkan antara daya output dan torsi yang dihasilkan kincir

angin untuk variasi diameter 20 cm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar

[image:65.595.101.504.249.578.2]

4.5.

Gambar 4.5 Grafik hubungan daya dan torsi untuk kincir angin dengan diameter silinder 20 cm.

Dari Gambar 4.5 dapat diketahui bahwa kincir angin dengan diameter silinder

20 cm mengashilkan daya kincir tertinggi sekitar 21 watt pada torsi sekitar

0,63 N.m.

c. Grafik Hubungan Anatara Koefisien Daya Maksimal dan tip speed ratio

Untuk Kincir Angin dengan Diameter Silinder 20 cm. Pa