Unjuk kerja kincir angin poros horisontal tipe propeler dengan 3 sudu dari pipa pvc berdiameter 4 inci

(1)

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL

TIPE PROPELER DENGAN 3 SUDU DARI PIPA PVC

BERDIAMETER 4 INCI

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh:

HERMANSYAH NIM : 115214072

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

(2)

ii

PERFORMANCE OF HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE

PROPELLER TYPE WITH THREE BLADE FROM 4 INCH

IN DIAMETER PVC PIPE

FINAL PROJECT

As partial fulfillment of the requirement to obtain the SarjanaTeknik degree

by

HERMANSYAH NIM : 115214072

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

(3)

iii

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL

TIPE PROPELER DENGAN 3 SUDU DARI PIPA PVC

BERDIAMETER 4 INCI

Disusun Oleh: HERMANSYAH NIM : 115214072

Telah Disetujui Oleh: Dosen Pembimbing:

(4)

iv

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL

TIPE PROPELER DENGAN 3 SUDU DARI PIPA PVC

BERDIAMETER 4 INCI

Yang dipersiapkan dan disusun oleh: NAMA :HERMANSYAH NIM :115214072

Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji pada tanggal...

Susunan Dewan Penguji

Nama Lengkap Tanda tangan

Ketua : A Prasetyadi, S.Si, M.Si ...

Sekretaris : Doddy Purwadianto, ST, MT ...

Anggota : Ir. Rines, MT ……… Tugas Akhir ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan

untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Yogyakarta,... Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

Dekan

(5)

v

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR

Dengan ini saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa dalam TugasAkhir dengan judul :

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL

TIPE PROPELER DENGAN 3 SUDU DARI PIPA PVC

BERDIAMETER 4 INCI

Yang dibuat untuk melengkapi persyaratan yang wajib ditempuh untuk menjadi Sarjana Teknik pada Program Strata-1, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan dari tugas akhir yang sudah dipublikasikan di Universitas Sanata Dharma maupun di Perguruan Tinggi manapun. Kecuali bagian informasinya dicantumkan dalam daftar pustaka.

Dibuat di : Yogyakarta Pada tanggal : 21 Januari 2013

Penulis

(6)

vi

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Hermansyah

Nomor Mahasiswa : 115214072

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada PerpustakaanUniversitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL

TIPE PROPELER DENGAN 3 SUDU DARI PIPA PVC

BERDIAMETER 4 INCI

Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di Internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalty kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di Yogyakarta

Pada tanggal : 21 Januari 2013 Yang menyatakan

(7)

vii INTISARI

Konsumsi energi dewasa ini semakin meningkat dan terfokus kepada penggunaan energi fosil yang tidak dapat diperbarui, maka diperlukan sumber energi baru yang terbarukan dan ramah lingkungan. Salah satu energi yang dapat dikembangkan adalah energi angin dengan ketersediaan yang melimpah dan ramah lingkungan. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui unjuk kerja kincir angin poros horizontal tipe propeler tiga sudu dengan variasi sudut potong pada sudunya. Sudu kincir terbuat dari pipa PVC dengan diameter 4 inci.

Variasi sudut potong yang digunakan yaitu variasi sudut potong 600, variasi sudut potong 750 , variasi sudut potong 900. Dengan 5 variasi kecepatan disetiap variasi sudut potong. Pengujian untuk setiap variasi sudut potong dilakukan untuk mengetahui torsi, putaran poros, daya kincir, dan koefisien daya.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa koefisien daya maksimal diperoleh dengan model kincir angin dengan sudut potong 60o, yaitu 27 % pada tip speed ratio (tsr) 6,01 menghasilkan daya sebesar 26,92 watt pada kecepatan angin 7,03 m/s dengan torsi 0,26 Nm. Model kincir angin dengan sudut potong 75o menghasilkan koefisien daya maksimal 39 % pada tip speed ratio 5,84 menghasilkan daya sebesar 37,26 watt pada kecepatan angin 6,91 m/s dengan torsi 0,37 Nm. Model kincir dengan sudut potong 90o menghasilkan koefisien daya maksimal 25 % pada tip speed ratio 3,52 menghasilkan daya sebesar 23,92 watt pada kecepatan angin 6,93 m/s dengan torsi 0,39 Nm.

(8)

viii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yang Maha Esa karena rahmat yang diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.

Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Tugas Akhir ini dilaksanakan dalam rangka memenuhi syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

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

1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Ir. Rines, M.T., sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir dan juga selaku Dosen Pembimbing Akademik..

(9)

ix

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

6. Rekan sekelompok yaitu Leonardo Bayu Adi Prasetya dan Wahyu Catur Pamungkas, yang telah membantu dalam perancangan, pembuatan, perbaikan alat dan pengambilan data.

7. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan semua pihak lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu.

Penulis menyadari dalam penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Segala kritik dan saran yang membangun akan sangat penulis harapkan demi penyempurnaan dikemudian hari. Akhir kata seperti yang penulis harapkan semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.

Yogyakarta, 21 Januari 2013

(10)

x

DAFTAR ISI

Halaman Judul ... i

Title Page ... ... ii

Halaman Pengesahan... iii

Daftar Dewan Penguji ... ... iv

Pernyataan Keaslian Karya ... v

Lembar Pernyataan Persetujuan Karya Ilmiah ... vi

Intisari ... vii

Kata Pengantar ... viii

Daftar Isi ... x

Daftar Gambar ... xii

Daftar Tabel ... xiv

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Manfaat Penelitian ... 3

1.5 Tujuan Penelitian ... 3

BAB II DASAR TEORI 2.1 Energi Angin ... 4

(11)

xi

2.3 Rumus-Rumus Perhitungan ... 11

BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 16

3.2 Objek Penelitian ... 17

3.3 Waktu dan Tempat Penelitian ... ... 17

3.4 Peralatan dan Bahan ... ... 17

3.5 Variabel Penelitian ... ... 24

3.6 Variabel yang Diukur ... ... 24

3.7 Variabel yang Dihitung ... ... 24

3.8 Langkah Penelitian ... ... 25

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Hasil Percobaan ... ... 27

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan ... 30

4.3 Data Hasil Perhitungan ... 34

4.4 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan... ... 38

BAB V Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan ... 49

5.2 Saran ... 49

DAFTAR PUSTAKA ... 50

LAMPIRAN ... 51

(12)

xii

Gambar 2.10 Grafik Cp vs tsr pada beberapa jenis kincir ... 15

Gambar 3.1 Diagram alir langkah-langkah penelitian ... 16

Gambar 3.2 Kincir angin tipe propeler ... 17

Gambar 3.11 Mekanisme Pengereman ... 23

Gambar 4.1 Grafik hub. rpm dan τ variasi sudut potong 600 ... 38

(13)

xiii

Gambar 4.3 Grafik hub. Cp dan tsr variasi sudut potong 600 ... 40

Gambar 4.4 Grafik hub. rpm dan τ variasi sudut potong 750

... 41

Gambar 4.5 Grafik hub. daya dan τ variasi sudut potong 750

... 42 Gambar 4.6 Grafik hub. Cp dan tsr variasi sudut potong 750 ... 43

Gambar 4.7 Grafik hub. rpm dan τ variasi sudut potong 900

... 44

Gambar 4.8 Grafik hub. daya dan τ variasi sudut potong 900

(14)

xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data percobaan kincir angin sudut potong 600 ... 27

Tabel 4.4 Data hasil perhitungan kincir angin sudut potong 600 ... 35

Tabel 4.5 Data hasil perhitungan kincir angin sudut potong 750 ... 36

(15)

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang Masalah

Konsumsi energi dewasa ini semakin meningkat dan terfokus kepada penggunaan energi fosil yaitu bahan bakar yang jumlahnya terbatas dan harganya semakin meningkat. Energi fosil merupakan energi yang tidak terbarukan (non renewable energi) yang suatu saat nanti akan habis. Dalam penggunaannya, energi fosil masih begitu dominan untuk memenuhi kebutuhan energi listrik yang banyak di gunakan dalam bidang industri, transportasi dan rumah tangga. Oleh sebab itu pemanfaatan energi alam yang berkelanjutan kini banyak diteliti dan dikembangkan.

Banyak sumber daya alam terbarukan yang ada di Indonesia yang belum dimanfaatkan secara optimal seperti energi angin, energi air, energi surya dan lainnya. Salah satu energi terbarukan yang saat ini mendapatkan perhatian yang besar di dunia tentang pemanfaatannya adalah energi angin, karena sifatnya yang terbarukan, berkelanjutan dan ramah lingkungan. Untuk memanfaatkan energi angin diperlukan sebuah alat untuk mengubahnya dengan menggunakan prinsip konversi energi menjadi energi listrik. Salah satu alat yang digunakan adalah kincir angin. Dengan menggunakan kincir angin, maka energi listrik yang dihasilkan dapat mengurangi ketergantungan terhadap penggunaan energi fosil.

(16)

2 potong 600, 750, 900. Penggunaan variasi sudut potong ini ditujukan untuk mengetahui sudut-sudut yang paling efisien untuk digunakan.

1.2Rumusan Masalah

Masalah yang dapat dirumuskan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Angin merupakan energi yang murah, kekal dan tidak menimbulkan polusi

bagi lingkungan.

2. Besarnya energi angin di Indonesia yang belum dapat dimanfaatkan secara maksimal.

3. Tingginya kebutuhan manusia yang masih mengandalkan energi fosil.

1.3Batasan Masalah

Permasalahan dalam penelitian ini dibatasi pada :

1. Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin poros horisontal tipe propeler dengan 3 buah sudu.

2. Menggunakan 3 buah sudu dengan sudut potong yang berbeda yaitu 600,750 dan 900.

3. Penelitian dilakukan dengan mengoperasikan kincir angin didalam sebuah terowongan angin yang tersedia di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. 4. Data yang diambil pada saat penelitian adalah kecepatan angin, putaran poros

(17)

3 1.4Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Merupakan sarana untuk menerapkan pengetahuan teori yang telah didapatkan di bangku kuliah.

2. Sebagai sumber informasi mengenai unjuk kerja kincir angin poros horizontal tipe propeler dengan tiga buah sudu.

3. Memberi solusi lain dalam pemanfaatan energi angin yang ada di Indonesia. 4. Memberi manfaat bagi perkembangan teknologi energi terbarukan, khususnya

energi angin.

5. Menjadi sumber referensi bagi masyarakat untuk mengembangkan energi alternatif sebagai pengganti energi fosil.

1.5Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Membuat kincir angin poros horisontal dengan tiga variasi sudut potong. 2. Mengetahui daya maksimal yang dapat dihasilkan oleh kincir angin poros

horizontal dengan tiga variasi sudut potong.

3. Mengetahui unjuk kerja dari model kincir angin poros horizontal pada tiga variasi sudut potong.

(18)

4 BAB II

DASAR TEORI

2.1 Energi Angin

Angin adalah udara yang bergerak karena adanya pengaruh dari rotasi

bumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Angin bergerak dari tempat yang memiliki tekanan udara tinggi ke tempat bertekanan udara rendah. Angin yang bertiup di permukaan bumi ini disebabkan oleh penyinaran matahari, pada siang hari sinar matahari memanaskan permukaan bumi, namun panas yang terserap oleh bumi tersebut besarnya tidak merata. Akibatnya, aliran udara bergerak dari daerah yang mempunyai tekanan yang lebih tinggi ke daerah yang memiliki tekanan lebih rendah. Udara yang bergerak akan semakin kencang bila perbedaan tekanan daerah tersebut semakin besar. Udara yang bergerak inilah yang disebut angin. Pada dasarnya Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia. Perahu-perahu layar yang menggunakan energi ini untuk melewati perairan sudah lama sekali.

(19)

5 pohon dan gedung juga dapat mempengaruhi kecepatan angin, semakin tinggi hambatan maka semakin kecil udara yang dapat melewati hambatan tersebut.

Potensi angin di Indonesia sangat besar, ini disebabkan karena sebagian besar wilayah Indonesia terdiri dari pulau-pulau yang memiliki garis pantai yang panjang. Dengan memanfaatkan energi angin yang tersedia di sepanjang garis pantai, kita dapat mengurangi ketergantungan terhadap pemakaian energi fosil. Kecepatan angin di Indonesia berkisar 2,5 – 6 m/s.

Gambar 2.1 Peta Potensi Angin

(Sumber : http://nextdaytechnology.blogspot.com)

(20)

6 Jenis - jenis angin antara lain :

1. Angin Darat (angin malam).

Angin darat adalah angin yang bertiup dari arah darat ke arah laut yang umumnya terjadi pada saat malam hari dari jam 20.00 sampai dengan jam 06.00 di daerah pesisir pantai. Angin jenis ini bermanfaat bagi para nelayan untuk berangkat mencari ikan dengan perahu bertenaga angin sederhana.

Gambar 2.2 Angin Darat

(Sumber : www.ibnurizky/blog-post.html)

2. Angin Laut (angin siang).

Angin laut adalah angin yang bertiup dari arah laut ke arah darat yang umumnya terjadi pada siang hari dari pukul 09.00 sampai dengan pukul 16.00 di daerah pesisir pantai. Angin ini biasa dimanfaatkan para nelayan untuk pulang dari menangkap ikan di laut. Angin laut ini terjadi pada siang hari.

Gambar 2.3 Angin Laut

(21)

7 3. Angin Lembah

Angin lembah adalah angin yang bertiup dari arah lembah ke arah puncak gunung dan terjadi pada siang hari. Gerakan ini disebabkan oleh perbedaan temperatur antara puncak gunung dan lembah, puncak gunung lebih dahulu menerima panas matahari sehingga tekanannya turun dan terjadi aliran udara.

Gambar 2.4 Angin Lembah (Sumber : www.ibnurizky/blog-post.html)

4. Angin Gunung

Angin gunung adalah angin yang bertiup dari arah puncak gunung ke arah lembah dan terjadi pada malam hari. Pergerakan angin dari gunung ke lembah ini disebabkan karena lembah akan melepaskan energi panas lebih lambat dan puncak gunung yang telah mendingin akan mengalirkan udara ke lembah.

(22)

8 2.2 Kincir Angin

Kincir angin merupakan salah satu mesin konversi energi yang digerakkan oleh tenaga angin sehingga energi angin dapat diubah menjadi bentuk energi lain. Pada umumnya kincir angin dibedakan menjadi dua kelompok utama, yaitu : kincir angin poros horizontal dan kincir angin poros vertikal.

2.2.2 Kincir Angin Poros Horizontal

Kincir angin poros horizontal atau Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) adalah jenis kincir angin yang memiliki poros utama dan generator listrik yang berada di puncak menara. Kincir jenis ini juga mempunyai poros kincir yang dapat berputar 3600 terhadap sumbu vertical yang berfungsi untuk menyesuaikan kincir dengan arah datangnya angin. Disamping itu juga kincir menggunakan ekor atau sensor elektrik yang secara otomatis akan mengarahkan kincir ke arah datangnya angin.

Adapun kelebihan dari kincir angin jenis HAWT antara lain :

1. Dasar menara yang tinggi ,memungkinkan kincir angin untuk berputar lebih kencang, karena kecepatan angin lebih tinggi.

2. Mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi.

(23)

9 Selain kelebihan diatas kincir jenis HAWT juga mempunyai beberapa kekurangan antara lain :

1. Diperlukan alat bantu lain yang digunakan untuk menyesuaikan arah kincir dengan arah angin.

2. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator.

3. Proses pembuatan dan pemasangan dilapangan cukup sulit. Berikut ini merupakan tipe-tipe dari kincir angin poros horizontal:

Gambar 2.6 Kincir Angin Poros Horisontal (sumber: http://tugasakhirteknik.com)

(a) (b)

Gambar 2.7 Kincir Angin Poros Horizontal (a) American windmill, (b) Propeler windmill.

(24)

10 2.2.1 Kincir Angin Poros Vertikal

Kincir angin poros vertikal atau Vertical Axiz Wind Turbine (VAWT) adalah salah satu jenis kincir angin dengan posisi poros yang tegak lurus terhadap arah angin. Dengan demikian kincir angin jenis ini dapat menerima angin dari arah manapun selama datangnya arah angin horizontal dengan poros kincir. Kelebihan kincir angin poros vertical ini adalah sebagai berikut :

1. Dapat menerima angin dari arah manapun.

2. Karena bilah-bilah rotornya vertikal, tidak dibutuhkan mekanisme yaw. 3. Bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi dilarang

dibangun.

4. Memiliki torsi yang cukup besar walaupun putaran poros rendah. 5. Mampu bekerja pada rpm rendah.

6. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar. 7. Proses pemasangan yang tidak terlalu sulit.

Dari beberapa kelebihan diatas, kincir angin poros vertical juga memiliki beberapa kekurangan antara lain :

1. Bekerja pada kecepatan angin rendah, sehingga energi angin yang diperoleh hanya energi angin kecil.

2. Mempunyai torsi awal yang rendah dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.

(25)

11

Gambar 2.8 Kincir Angin Poros Vertical (sumber: http://tugasakhirteknik.com)

(a) (b)

Gambar 2.9 Kincir Angin Poros Vertikal (a) Savonius windmill, (b) Da rriieus windmill. (sumber: http://www.green-living-made-easy.com)

2.3 Rumus-Rumus Perhitungan

Berikut ini merupakan beberapa rumus perhitungan yang digunakan dalam analisa perhitungan unjuk kerja kincir angin.

2.3.1 Energi yang terdapat pada Angin

(26)

12

(1)

dengan :

Ek : energi kinetik, Joule

m : massa, kg

v : kecepatan angin, m/s

Dari Persamaan (1), diketahui daya adalah energi tiap satuan waktu (J/s) sehingga persamaan tersebut dapat ditulis menjadi :

(2)

dengan :

Pin : daya yang dihasilkan angin, J/s (watt)

: massa udara yang mengalir per satuan waktu, kg/s

massa udara yang mengalir per satuan waktu adalah :

(3)

dengan :

ρ : massa jenis udara, kg/m3

A : luasan angin yang ditangkap kincir, m2

(27)

13 Yang dapat disederhankan menjadi :

(4)

Dalam penggunaan secara sederhana dengan mengasumsikan ρ udara : 1,2 kg/m3 maka diperoleh persamaan :

(5)

2.3.2 Torsi

Gaya yang bekerja pada poros ditimbulkan oleh adanya gaya dorong pada

sudu-sudu kincir dikurangi dengan gaya-gaya hambat (gaya yang berlawanan arah). Gaya dorong pada sudu ini memiliki lengan atau jarak terhadap sumbu

putaran (poros). Hasil kali kedua besaran ini disebut dengan torsi (τ). Secara teori

dapat dirumuskan :

T = r . F (6)

dengan :

T : torsi akibat putaran poros, Nm

r : jarak lengan, m

F : gaya pengimbang, N 2.3.3 Daya Kincir

Daya kincir angin adalah daya yang dihasilkan oleh poros kincir akibat daya angin yang melintasi sudu-sudu kincir. Secara teori daya kincir yang dihasilkan oleh gerak melingkar pada poros kincir angin dapat dirumuskan :

(28)

14 dengan :

Pout : daya yang dihasilkan kincir angin, watt

T : torsi, Nm

ω : kecepatan sudut, rad/s

Kecepatan sudut adalah jumlah putaran permenit (rpm) atau juga radian per second (rad/sec). Konversi satuan yang menghubungkan (rpm) dan (rad/s) adalah 1 rpm = 2π/60 rad/s, maka Persamaan (7) dapat dirubah menjadi :

(8)

dengan :

n : putaran poros, rpm 2.3.4 Tip Speed Ratio (tsr)

Tip speed ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin yang berputar melingkar dengan kecepatan angin yang melewatinya, tsr dapat dirumuskan :

(9)

atau dapat disederhanakan :

(10)

dengan :

r : jari-jari kincir, m

n : putaran poros, rpm

(29)

15 2.3.5 Koefisien Daya / Power Coefficient (Cp)

Koefisien daya atau power coefficient adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir angin (Pout) dengan daya yang dihasilkan oleh angin (Pin),

sesuai dengan teori yang ada, maka dapat dirumuskan :

(11)

dengan :

Pout : daya yang dihasilkan kincir, watt

Pin : daya yang dihasilkan angin, watt

Pada sebuah penelitian yang dilakukan oleh seorang ilmuan Jerman bernama Albert Betz telah didapatkan efisiensi maksimum kincir angin, yaitu sebesar 59,3 %. Angka ini disebut Betz Limit, pada Gambar 2.10 disajikan koefisien daya beberapa kincir.

(30)

16 BAB III

METODE PENELITIAN

3.1Diagram Alir Penelitian

Langkah kerja dalam penelitian ini dapat dilihat pada diagram berikut :

Gambar 3.1 Diagram alir langkah-langkah penelitian

Mulai

Perancangan Kincir Angin Propeler

Pembuatan Kincir Angin Propeler

Pengambilan Data ( v, n, F )

Pengolahan Data

Pembahasan

Selesai Data Hasil

Dan Grafik

(31)

17 3.2Objek Penelitian

Objek yang diteliti dalam penelitian ini adalah model kincir angin tipe

propeler. Sudu yang dipakai sebanyak 3 buah, dengan variasi sudut potong 60˚,

75˚,90˚.

3.3Pelaksanaan Penelitian

Proses pembuatan kincir, pengambilan data serta penelitian dimulai pada

bulan Juni 2012 sampai dengan September 2011 di Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3.4Peralatan dan Bahan

Model kincir angin propeler yang dibuat adalah seperti pada Gambar 3.2. Keterangan :

1. Sudu kincir 2. Dudukan sudu 3. Poros kincir

Gambar 3.2 Kincir angin tipe propeler

1

2

(32)

18

25 mm

Gambar diatas merupakan bentuk dari kincir angin propeler . Bagian-bagian dari kincir angin propeler ini terdiri dari:

1. Sudu kincir

Sudu kincir berfungsi untuk menangkap angin yang datang melintasi kincir. Material yang dipakai adalah pipa PVC diameter 4 inch dengan tebal ± 2 mm. Banyak sudu yang di pakai yaitu sebanyak 3 buah, dengan bentuk dan ukuran yang sama. Untuk lebih jelasnya, bentuk dan ukuran dari sudu ini dapat dilihat pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3 Sudu kincir

Sudut potong 600

Sudut potong 750

Sudut potong 900

380 mm

900 750

600

(33)

19 2. Dudukan sudu

Dudukan sudu kincir berfungsi sebagai tempat untuk meletakkan sudu. Pemasangan sudu pada dudukan sudu dilakukan dengan cara menempelkan sudu pada dudukan sudu yang kemudian dibaut dengan baut M6, sebanyak 2 buah. Dudukan sudu kincir terbuat dari penutup pipa PVC dengan diameter 120 mm, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4 Dudukan sudu kincir

(34)

20 3. Poros kincir

Poros adalah alat yang berfungsi menopang kincir saat berputar dan juga sebagai pusat putaran kincir. Disamping fungsi-fungsi diatas poros juga berfungsi untuk mentrasmisikan putaran kincir ke system pengereman. Poros kincir terbuat dari baja St 40 dengan diameter 15 mm.

Gambar 3.5 Poros kincir

Dalam pengambilan data digunakan beberapa peralatan pendukung, peralatan tersebut antara lain :

1. Terowongan Angin

(35)

21

Gambar 3.6 Terowongan angin

2. Fan Blower

Fan Blower digunakan untuk menghisap udara sekitar yang nantinya udara itu akan melewati terowongan, dan digunakan untuk menggerakkan kincir. Blower digerakkan oleh motor listrik berdaya 5.5 kW, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.7.

(36)

22 3. Takometer

Takometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur putaran poros kincir angin, dalam penelitian ini pengukuran dilakukan pada disk yang ada di system pengereman. Prinsip kerja dari takometer ini berdasarkan pantulan yang diterima sensor dari reflektor, refrektor dapat berupa alumunium foil atau benda warna yang dapat memantulkan cahaya yang dipasang pada disk.

Gambar 3.8 Tachometer

4. Anemometer

(37)

23

Gambar 3.9 Anemometer

5. Neraca Pegas

Neraca pegas digunakan untuk mengukur gaya pengimbang torsi kincir angin saat kincir berputar. Neraca pegas dihubungkan pada lengan ayun dengan panjang lengan yang telah ditentukan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.10.

Gambar 3.10 Neraca Pegas

6. Mekanisme Pengereman.

(38)

24

Gambar 3.11 Mekanisme Pengereman

5. Variabel Penelitian

Variabel penelitian yang digunakan yaitu: 1) Kincir angin menggunakan 3 buah sudu.

2) Variasi sudut potong yang digunakan yaitu: 60o, 75o dan 90o.

3) Variasi kecepatan angin : setiap variasi sudut potong terdiri dari lima variasi kecepatan angin.

4) Diameter kincir angin 800 mm atau 0,8 m.

5) Variasi pembebanan dilakukan dari kincir angin berputar konstan sampai kincir angin berhenti berputar.

6. Variabel yang Diukur

Data yang diukur dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1) Kecepatan angin (v).

(39)

25 7. Parameter yang Dihitung

Setelah mendapatkan variabel yang diukur, langkah selanjutnya yaitu menghitung Parameter yang digunakan untuk mendapatkan karakteristik kincir angin, diantaranya yaitu:

1) Daya angin (Pin)

2) Daya kincir (Pout)

3) Torsi (t)

4) Koefisien daya (Cp) 5) Tip Speed Ratio (tsr)

8. Langkah Penelitian

Langkah pertama yang dilakukan sebelum pengambilan data penelitian adalah pemasangan kincir angin di dalam terowongan angin kemudian memasang komponen poros penghubung kincir angin dengan mekanisme pengereman yang berada di bagian depan terowongan angin.

Proses pengambilan data daya dan torsi dinamis kincir angin dilakukan secara bersamaan di saat pengambilan data daya dan torsi dinamis kincir, ada beberapa hal yang perlu dilakukan yaitu:

1) Menghubungkan poros kincir dengan mekanisme pengereman.

2) Menempatkan anemometer pada terowongan di depan kincir angin untuk mengukur kecepatan angin di saluran terowongan angin.

(40)

26 4) Memasang tali yang menghubungkan antara neraca pegas dengan lengan

pada mekanisme pengereman.

5) Mengatur dan mengganti sudu ( sudut potong 60˚,75˚,90˚) yang diperlukan. 6) Menghidupkan fan blower untuk menghembuskan angin pada terowongan

angin.

7) Pengaturan kecepatan angin dilakukan dengan cara memberi celah antara terowongan angin dan blower, perlu beberapa saat hingga angin berhembus dengan kecepatan konstan.

8) Variasi pembebanan pada mekanisme pengereman dilakukan dengan cara penambahan beban ( karet ) yaitu: 1 karet, 2 karet, 3 karet, 4 karet, dan seterusnya sampai kincir angin berhenti berputar.

9) Setelah kecepatan angin konstan pengambilan data dimulai dari pembacaan kecepatan angin pada layar anemometer, pembacaan temperatur udara, pengukuran putaran poros kincir dengan takometer, dan yang terakhir pembacaan beban untuk penghitungan torsi dinamis pada neraca pegas. 10) Mencatat semua data yang dibutuhkan.

(41)

27 BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1Data Percobaan

Data hasil percobaan ditampilkan pada Tabel 4.1 sampai Tabel 4.3. Tabel 4.1. Data percobaan kincir dengan sudut potong 600.

(42)

(43)

29 Tabel 4.3. Data percobaan kincir dengan sudut potong 900.

(44)

30 Dalam percobaan ini didapat 3 data hasil percobaan kincir angin dengan variasi sudut potong pada bagian sudunya. Variasi sudut potong 600, variasi sudut potong 750, variasi sudut potong 900 dengan jarak lengan 10 cm dan diameter kincir 80 cm. Sedangkan untuk setiap variasi sudut potong yang diuji, terdiri dari lima variasi kecepatan angin. Variasi kecepatan kincir angin didapat dengan cara mengatur jarak antar blower dengan terowongan angin. Posisi 1 berarti tidak ada jarak antara blower dengan terowongan angin. Pada posisi 2 blower telah dimundurkan sekitar 3 cm dari posisi 1. Posisi 3 blower dimundurkankan lagi dengan jarak 6 cm dari posisi 1.dan begitu juga untuk posisi 4 dan 5. Untuk proses pengambilan data pada percobaan kali ini dilakukan dengan cara pemberian beban secara bertahap, dimulai pada saat putaran kincir angin konstan sampai kincir angin berhenti atau tidak berputar lagi.

4.2Perhitungan

Untuk mengetahui besarnya daya angin (Pin), daya kincir (Pout), tip speed ratio

(tsr) dan koefisien daya kincir (CP) perlu dilakukan perhitungan. Sebagai contoh Perhitungan penulis mengambil salah satu Data dari percobaan kincir angin dengan sudut potong 750 , pada posisi 1 dan beban ke 1. Dari data tersebut diketahui kecepatan angin 6,53 m/s, putaran poros kincir 1199 rpm, pembebanan 50 gr dan suhu 30 o.

4.2.1 Perhitungan daya angin

(45)

31 dengan :

Pin : daya angin, watt

ρ : massa jenis udara, kg/m3

A : luas penampang kincir angin yang dilintasi angin, m2

Diameter kincir yang digunakan yaitu 80 cm ( d = 0,8 m ), maka luas penampang dapat di hitung dengan rumus:

A = π d2 /4 = 3,14 (0,8)2/4 = 0,50 m2 dengan :

d : diameter kincir angin, m

nilai massa jenis udara (ρ) diketahui dengan cara interpolasi dari tabel massa jenis yang ada pada lampiran, dengan suhu udara 30 oC maka ρ = 1,17 kg/m3 maka

Jadi didapatkan daya angin (Pin) sebesar 81,56 Watt.

4.2.2 Perhitungan torsi

Untuk mengetahui torsi yang dihasilkan kincir angin dapat dicari dengan Persamaan 6 pada sub bab 2.3.2 yaitu :

T = r . F

(46)

32

T : torsi akibat putaran poros kincir, Nm

r : jarak lengan ke poros, m

F : gaya pengimbang, N

gaya pengimbang (F) dapat dicari dengan persamaan :

F = m . a

dengan :

m : massa yang ditunjukkan pada neraca pegas, kg

a : percepatan gravitasi, m/s2

dengan jarak lengan 0,1 m dan percepatan gravitasi sebesar 9,81 m/s2, besarnya gaya pengimbang (F) :

T = r . m . a

T = (0,1 m) (0,05 kg) (9,81 m/s2)

T = 0,049 Nm

Jadi didapatkan torsi (T) sebesar 0,049 Nm.

4.2.3 Perhitungan Daya Kincir

Untuk menghitung daya yang dihasilkan kincir angin dapat dicari dengan Persamaan 8 pada sub bab 2.3.2 yaitu :

dengan :

T : torsi kincir angin, Nm

(47)

33 maka dengan nilai torsi 0,903 Nm dan putaran poros 290,37 rpm besarnya daya kincir adalah :

Pout = 6,16 Watt

Sehingga didapatkan daya kincir angin (Pout) sebesar 6,16 Watt.

4.2.4 Perhitungan tip speed ratio

Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan ujung kincir dengan kecepatan angin atau tip speed ratio dapat dicari dengan Persamaan 10 pada sub bab 2.3.4 yaitu :

dengan :

r : jari-jari kincir, m

n : putaran poros, rpm

maka dengan jari-jari kincir 0,4 m, putaran poros 290,37 rpm dan kecepatan angin 6,57 m/s besarnya tip speed ratio adalah :

tsr = 7,69

(48)

34 4.2.5 Perhitungan koefisien daya (Cp)

Untuk mengetahui perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir angin (Pout) dengan daya yang dihasilkan oleh angin (Pin), dapat dicari dengan

Persamaan 11 pada sub bab 2.3.5 yaitu :

dengan :

Pin : daya yang dihasilkan angin, watt

dengan daya kincir 6,16 watt dan daya angin 81,56 watt besarnya koefisien daya yaitu :

Sehingga didapatkan nilai Cp sebesar 8 % 4.3Data Hasil Perhitungan

(49)

35 Tabel 4.4. Data hasil perhitungan kincir dengan sudut potong 600.

No Posisi Torsi

Daya Angin Daya

(50)

(51)

37 Tabel 4.6. Data hasil perhitungan kincir dengan sudut potong 900.

No Posisi Torsi

Daya

Angin Daya Kincir

(52)

38 4.3 Grafik Hasil Perhitungan

Dari data hasil percobaan dan perhitungan, maka dapat dibuat beberapa grafik hubungan antara putaran poros dan torsi, daya kincir dan torsi, serta Cp dan tsr untuk setiap variasi sudut potong.

4.3.1 Grafik untuk variasi kincir dengan sudut potong 600

a. Grafik Hubungan Putaran Poros dan Torsi

Dari hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.4 maka dapat dibuat grafik hubungan putaran poros (rpm) dan torsi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1 berikut ini.

Gambar 4.1 Grafik hubungan putaran poros dan torsi dengan sudut potong 600

(53)

39 Grafik diatas juga menunjukkan bahwa semakin besar torsi yang didapat putaran poros akan semakin rendah. Hal ini menunjukkan bahwa torsi berbanding terbalik dengan rpm yang dihasilkan.

b. Grafik Hubungan Daya Kincir dan Torsi

Dari hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.4 maka dapat dibuat grafik hubungan daya kincir dan torsi yang dihasilkan oleh kincir angin seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.2 .

Gambar 4.2 Grafik hubungan daya kincir dan torsi dengan sudut potong 600

(54)

40 sehingga angin yang melewati terowongan tidak bisa terserap secara maksimal oleh blower.

c. Grafik Hubungan Cp dan tsr

Berdasarkan hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.4 maka dapat dibuat grafik hubungan Cp (koefisien daya) dan tsr (tip speed ratio) yang dihasilkan kincir angin untuk variasi sudut potong 600, Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.3.

Gambar 4.3 Grafik hubungan Cp dan tsr dengan sudut potong 600

Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa koefisien daya (Cp) maksimal yang dapat dicapai oleh sudut potong 600 yaitu sebesar 27 % dengan tsr sebesar 6,01.

(55)

41 4.3.2 Grafik untuk variasi kincir dengan sudut potong 750

Grafik hubungan putaran poros (rpm) dan torsi dibawah ini dibuat berdasarkan hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.5 yang dihasilkan oleh kincir angin untuk variasi kincir angin dengan sudut potong 750, pada kecepatan angin 6,95 dengan torsi sebesar 0,42 Nm, putaran poros yang dihasilkan yaitu sebesar 910 rpm. Untuk putaran poros maksimal yang dapat dihasilkan yaitu sebesar 1261 yang didapat pada pembebanan atau torsi 0,05 Nm. Grafik dibawah ini juga menunjukkan bahwa torsi berbanding terbalik dengan rpm yang dihasilkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.4.

(56)

42 b. Grafik Hubungan Daya Kincir dan Torsi

Berdasarkan hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.5 maka dapat dibuat grafik hubungan daya kincir dan torsi yang dihasilkan kincir angin untuk variasi kincir angin dengan sudut potong 750, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.5.

Gambar 4.5 Grafik hubungan daya kincir dan torsi dengan sudut potong 750.

(57)

43 berubah. Sehingga angin yang memasuki terowongan semakin besar, begitu juga putaran poros yang dihasilkan.

c. Grafik Hubungan Cp dan tsr

Berdasarkan hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.5 maka dapat dibuat grafik hubungan Cp (koefisien daya) dan tsr (tip speed ratio) yang dihasilkan kincir angin untuk variasi kincir angin dengan sudut potong 750, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.6.

Gambar 4.6 Grafik hubungan Cp dan tsr dengan sudut potong 750.

Dari grafik hubungan antara Cp dan tsr ,dapat dilihat bahwa Cp tertinggi yang dapat dicapai yaitu sebesar 39 % dengan tsr 5,84.

(58)

44 4.3.3 Grafik untuk variasi kincir dengan sudut potong 900

Berdasarkan hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.6 maka dapat dibuat grafik hubungan putaran poros (rpm) dan torsi yang dihasilkan kincir angin untuk variasi kincir angin dengan sudut potong 900, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.7.

Gambar 4.7 Grafik hubungan putaran poros dan torsi dengan sudut potong 900

(59)

45 b. Grafik Hubungan Daya Kincir dan Torsi

Berdasarkan hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.6 maka dapat dibuat grafik hubungan daya kincir dan torsi yang dihasilkan kincir angin untuk variasi kincir angin dengan sudut potong 900, Seperti terlihat pada grafik dibawah ini, daya kincir maksimal yang dapat dicapai yaitu sekitar 24 watt dengan torsi sebesar 0,39 Nm dan pada kecepatan angin 7,06 m/s. Grafik dibawah ini juga menunjukkan bahwa semakin besar torsi ( pembebanan )yang diberikan maka daya kincir yang dihasilkan juga akan semakin besar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.8.

Gambar 4.8 Grafik hubungan daya kincir dan torsi dengan sudut potong 900

(60)

46 c. Grafik Hubungan Cp dan tsr

Berdasarkan hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.6 maka dapat dibuat grafik hubungan Cp (koefisien daya) dan tsr (tip speed ratio) yang dihasilkan kincir angin untuk variasi kincir angin dengan sudut potong 900, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.9.

Gambar 4.9 Grafik hubungan Cp dan tsr dengan sudut potong 900

Dari grafik hubungan Cp dan tsr diatas, dapat dilihat bahwa koefisien daya tertinggi yang dapat dihasilkan oleh kincir angin dengan sudut potong 900 yaitu sebesar 25% dengan tsr sebesar 3,9.

(61)

47 4.3.4 Grafik gabungan Cp dan tsr dengan sudut potong 600, 750, 900

Dari data ketiga variasi kincir angin tersebut didapatkan grafik perbandingan unjuk kerja untuk ketiga variasi sudut potong seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.10.

Gambar 4.10 Grafik perbandingan unjuk kerja ketiga variasi sudut potong

Dari grafik diatas, dapat dilihat bahwa kincir angin dengan sudut potong 750 memiliki Cp (koefisien daya) yang paling tinggi dari kedua sudut potong yang lain. Hal ini membuktikan bahwa dengan sudut potong yang besar belum tentu Cp

(koefisien daya) yang dihasilkan juga besar, tetapi juga belum tentu dengan sudut potong yang kecil, hasil yang didapat juga kecil. Dari grafik diatas dapat diketahui bahwa ada sudut-sudut tertentu yang efektif untuk digunakan dalam pembuatan sudu untuk kincir angin poros horizontal tipe propeler.

(62)

(63)

49 BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari penelitian model kincir angin tipe propeler yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :

1. Telah berhasil dibuat model kincir angin tipe propeler tiga sudu dengan tiga variasi sudut potong pada sudu-sudunya.

2. Daya maksimal yang dapat dicapai adalah 38,77 Watt dengan kecepatan angin 6,95 m/s ,yang didapat pada kincir angin dengan penampang sudut potong 750.

3. Kincir angin dengan sudut potong 600 menghasilkan koefisien daya sebesar 27 % dengan kecepatan angin 7,03 m/s dan pada nilai tip speed ratio 6,01. 4. Kincir angin dengan sudut potong 750 menghasilkan koefisien daya sebesar

39 % dengan kecepatan angin 6,91 m/s dan pada nilai tip speed ratio 5,84. 5. Kincir angin dengan sudut potong 900 menghasilkan koefisien daya sebesar

25 % dengan kecepatan angin 6,93 m/s dan pada nilai tip speed ratio 3,52. 5.2 Saran

Setelah dilakukan penelitian ini ada beberapa hal dapat menjadi saran untuk penelitian selanjutnya antara lain :

(64)

50