SKRIPSI
PERFORMA KINCIR ANGIN SUMBU VERTIKAL DENGAN SUDU AIRFOIL NACA 6412
Disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan studi Jenjang Strata 1 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Sains & Teknologi AKPRIND
Yogyakarta
Disusun Oleh :
Nama : Muh. Satrio Nugroho
NIM : 161.03.1091
Konsentrasi : Manufaktur
PROGRAM STUDI STRATA 1 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND
YOGYAKARTA 2020
ii THESIS
VERTICAL AXIS WINDMILL PERFOMANCE WITH NACA 6412 AIRFOIL BLADE
Arranged to qualify completed the graduete
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Industrial Technology Institute Science & Technology AKPRIND Yogyakarta
Compiled By : Muh. Satrio Nugroho
161.03.1091
STUDY PROGRAM STRATA S-1
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY INSTITUTE OF SCIENCE & TECHNOLOGY AKPRIND
YOGYAKARTA 2020
iii
HALAMAN PENGESAHAN
PERFORMA KINCIR ANGIN SUMBU VERTIKAL DENGAN SUDU AIRFOIL NACA 6412
Disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan studi Jenjang Strata 1 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Sains & Teknologi AKPRIND
Yogyakarta
MUH. SATRIO NUGROHO 161.03.1091
Telah Diujikan
Hari : Senin
Tanggal : 4 Mei 2020
Dihadapan Tim Penguji :
1. Yuli Purwanto, ST., M.Eng. ………..
2. Ir. H. Saiful Huda, M.T., M.E. ………..
3. Dr. Ir. Toto Rusianto, M.T. ………..
Menyetujui
Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II
Dr.Ir.Toto Rusianto, M.T. Ir.Saiful Huda, M.T., M.E.
NIK. 93.0166.466.E NIK. 88.0256.361.E Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Mesin
Nidia Lestari, S.T., M.Eng.
NIK. 14.1187.705.E Nidia
Lestari, ST., MEng
Digitally signed by Nidia Lestari, ST., MEng
DN: cn=Nidia Lestari, ST., MEng gn=Nidia Lestari, ST., MEng c=ID Indonesia l=ID Indonesia ou=Jurusan Teknik Mesin
e=nidianina14@akprind.ac.id Reason: I am approving this document Location:
Date: 2020-05-15 09:41+07:00
v MOTO
“Teruslah berusaha meraih mimpi yang kamu impikan meskipun orang menganggap dirumu tidak mampu, namun percayalah usaha tidak akan
mengkhianati hasil”
vi
KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Tuhan semesta alam atas limpahan rahmat dan karunia- Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Skripsi dengan judul
“Performa Kincir Angin Sumbu Vertikal Dengan Sudu AIRFOIL NACA 6412”.
Laporan Skripsi merupakan syarat yang harus dipenuhi dalam menyelesaikan studi jenjang strata satu (S-1) pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri IST AKPRIND Yogyakarta. Pada kesempatan yang baik ini, penulis ingin menyampaikan penghargaan dan terima kasih kepada:
1. Allah SWT yang telah memberikah rahmat dan hidayah-Nya sehingga saya diberikan kelancaran dalam menyelesaikan laporan ini.
2. Kedua orangtua saya yang telah memberikan semua dukungan kepada saya baik secara moril maupun materil sehingga laporan ini terselesaikan dengan semestinya.
3. Bapak Dr. Ir. Amir Hamzah, M.T. selaku Rektor Institut Sains &
Teknologi AKPRIND Yogyakarta.
4. Bapak Dr. Ir. Toto Rusianto, M.T. selaku Dekan Fakultas Teknologi Industri Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta.
5. Ibu Nidia Lestari, ST., M.Eng. selaku ketua jurusan Teknik Mesin Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta.
6. Bapak Dr. Ir. Toto Rusianto, M.T. selaku pembimbing I dan Bapak Ir.
Saiful Huda, M.T.,M.E. selaku pembimbing II yang telah sabar
vii
memberikan bimbingan dan pengarahan dalam penyusunan skripsi ini hingga selesai.
7. Dosen-dosen Teknik Mesin yang telah membimbing dan mendidik penulis hingga selesai menempuh studi ini.
8. Bapak Tony selaku pemilik Laboratorium Mesin di Jl. Wonosari.
9. Kent Fitria RTZ selaku calon pasangan hidup saya yang telah mensupport saya dan membuat saya semangat dalam menyelesaikan skripsi ini.
10. Mas Riski Baskoro yang telah memberikan masukan tentang alur skripsi sehingga saya mampu menyelesaikan skripsi ini.
11. Teman-teman saya angkatan 2016 Teknik Mesin yang sudah mendukung dan mengingatkan saya dengan selalu bertanya “sudah acc belum ?” sehingga memotivasi saya untuk terus menyelesaikan skripsi ini.
Tak ada gading yang tak retak, tak ada manusia yang sempurna, dan tak ada satupun yang sempurna melainkan Allah SWT. Oleh karena itu, penulis memohon saran dan kritik pembaca sebagai koreksi dan masukan guna penyempurnaan laporan tugas akhir ini. Akhirnya, semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Yogyakrata, Maret 2020
Muh. Satrio Nugroho
viii DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
SURAT PERNYATAAN KEASLIAN ... iv
MOTTO ... v
KATA PENGANTAR ... vi
DAFTAR ISI ... viii
DAFTAR GAMBAR ... xii
DAFTAR TABEL ... xiv
DAFTAR GRAFIK ... xv
ABSTRAK ... xvi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah... 2
1.4 Tujuan Penelitian ... 3
1.5 Manfaat Penelitian ... 3
1.6 Metode Pengumpulan Data ... 4
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Studi Literatur ... 6
2.2 Angin ... 9
2.3 Jenis Kincir Angin ... 11
ix
2.3.1 Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) ... 11
2.3.2 Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) ... 13
2.4 Teori-Teori Perhitungan ... 15
2.4.1 Konversi Energi ... 15
2.4.2 Torsi Kincir Angin ... 18
2.4.3 Daya Output Poros Kincir Angin NACA 6412 ... 18
2.4.4 Koefisiensi Daya (Cp) ... 19
2.4.5 Daya Generator ... 20
2.4.6 Efisiensi Generator ... 20
2.4.7 Tip Speed Ratio ... 20
2.4.8 Jumlah Sudu ... 22
2.4.9 Profil Airfoil ... 23
2.4.10 Blades/Sudu ... 25
BAB III METODE PENELITIAN SUDU AIRFOIL NACA 6412 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 27
3.2 Parameter Desain ... 28
3.2.1 Tip Speed Ratio... 28
3.2.2 Jumlah Sudu ... 29
3.2.3 Spesifikasi Generator... 29
3.2.4 Pemilihan Airfoil ... 29
3.3 Tempat Dan Waktu Penelitian ... 30
3.4 Peralatan Pengujian ... 30
3.5 Prosedur Penelitian ... 33
x
3.5.1 Bahan Airfoil NACA 6412 ... 33
3.5.2 Alat Yang Digunakan Dalam Pembuatan Airfoil NACA 6412 ... 34
3.5.3 Alat Yang Digunakan Dalam Pembuatan Airfoil NACA 6412 ... 35
3.6 Variabel Penelitian ... 37
3.7 Parameter Yang Dihitung ... 37
3.8 Pengolahan Data Dan Pembahasan Hasil Penelitian ... 38
BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Pengujian ... 40
4.2 Pengolahan Data Dan Perhitungan ... 41
4.2.1 Torsi Kincir Angin ... 41
4.2.2 Daya Angin Yang Diterima ... 42
4.2.3 Daya Outpur Poros Kincir Angin NACA 6412 ... 42
4.2.4 Koefisien Daya (Cp) ... 44
4.2.5 Daya Generator ... 44
4.2.6 Efisiensi Generator ... 45
4.3 Grafik Hasil Perhitungan ... 46
4.3.1 Grafik Hubungan Antara Kecepatan Angin Dengan Kecepatan Putaran Poros... 46
4.3.2 Grafik Hubungan Kecepatan Angin Dengan Tegangan ... 47
xi
4.3.3 Grafik Hubungan Antara Kecepatan Angin Dengan
Daya Angin Yang Didapat ... 48 4.3.4 Grafik Hubungan Kecepatan Angin Dengan
Daya Output... 49 4.3.5 Grafik Hubungan Kecepatan Angin Dengan
Efisiensi Airfoil (Cp), Efisiensi Generator (𝜂 ) ... 50 4.3.6 Grafik Hubungan Kecepatan Angin Dengan Torsi ... 51 4.4 Pembahasan ... 51 BAB V KESIMPULAN
5.1 Kesimpulan ... 52 5.2 Saran ... 52 DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) ... 12
Gambar 2.2 Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) ... 14
Gambar 2.3 Kondisi Aliran Udara Karena Ekstrasi Energi Mekanik Aliran Bebas ... 17
Gambar 2.4 Diagram Cp vs Tsr Untuk Berbagai Jenis Kincir AnginVertikal ... 18
Gambar 2.5 Nilai Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio Berbagai Turbin Angin ... 21
Gambar 2.6 Parameter Geometri Pada Airfoil ... 23
Gambar 2.7 Elemen Kecepatan Pada Sudu ... 24
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 27
Gambar 3.2 Profil Airfoil NACA 6412 ... 30
Gambar 3.3 Blower Kipas Angin ... 31
Gambar 3.4 Anemometer Digital ... 31
Gambar 3.5 Tachometer Digital ... 32
Gambar 3.6 Timbangan Digital ... 32
Gambar 3.7 Multimeter Digital ... 33
Gambar 3.8 Proses Pembuatan Airfoil NACA 6412 ... 34
Gambar 3.9 Proses Pengecattan ... 36
xiii
Gambar 3.10 Hasil Sudu Airfoil Yang Siap Digunakan ... 36 Gambar 3.11 Perakitan Airfoil Dengan Generator dan
Dudukan Yang Sudah Disediakan ... 37
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Skala Beaurfort ... 10 Tabel 2.2 Nilai Tip Speed Ratio Terhadap Jumlah Sudu
Pada Turbin Angin ... 22 Tabel 4.1 Hasil Pengambilan Data Kincir Angin Vertikal
Sudu AirfoilNACA 6412 Tanpa Beban ... 40 Tabel 4.2 Hasil Pengambilan Data Kincir Angin Vertikal Sudu Airfoil NACA 6412 Dengan Beban Lampu LED White 1 Watt ... 41
xv
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4.1 Garfik Hubungan Antara Kecepatan Angin Dengan
Kecepatan Putaran Poros... 46
Grafik 4.2 Grafik Kecepatan Angin Dengan Tegangan ... 47
Grafik 4.3 Grafik Kecepatan Angin Dengan Daya Angin Yang Didapat ... 48
Grafik 4.4 Grafik Kecepatan Angin Dengan Daya Output ... 49
Grafik 4.5 Grafik Hubungan Kecepatan Angin Dengan Efisiensi Airfoil (Cp) dan Efisiensi Generator (𝜂 ) ... 50
Grafik 4.6 Grafik Kecepatan Angin Dengan Torsi ... 51
xvi ABSTRAK
Airfoil NACA yaitu bentuk airfoil untuk sayap pada pesawat terbang yang dikembangkan oleh pihak National Advisory Committee For Aeronaustics (NACA). Bentuk dari airfoil NACA sendiri dijelaskan berdasarkan digit mengikuti kata “NACA”. Parameter dalam kode numeric dapat dimasukkan ke dalam persamaan untuk secara akurat menghasilkan penampang airfoil dan menghitung propertinya.
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui efisiensi dari airfoil NACA 6412 dan efisiensi daya generator yang dihasilkan oleh kincir angin vertikal.
Kecepatan angin sangat berpengaruh pada hasil pengujian penelitian, pada kecepatan angin tertinggi yang diperoleh yaitu 7,8 m/s, didapat daya output poros (𝑃 ) sebesar 8,05 Watt, dan daya generator (𝑃 ) 1,59 Watt, dengan efisiensi airfoil (Cp) 11,3% dan efisiensi generator (𝜂 ) 2,23%. Sedangkan pada kecepatan angin terendah yang diperoleh yaitu 4,1 m/s didapat daya output poros (𝑃 ) sebesar 3,45 Watt, dan daya generator (𝑃 ) 0,57 Watt, dengan efisiensi airfoil (Cp) 33,39% dan efisiensi generator (𝜂 ) 5,51%.
Kata kunci : Kecepatan angin, NACA, Airfoil, Efisiensi, Daya Output
1 1.1. Latar Belakang Masalah
Kincir angin sebuah alat yang mampu memanfaatkan kekuatan angin untuk diubah menjadi kekuatan mekanik. Dari proses itu akan memberikan kemudahan dalam berbagai proses dalam kegiatan manusia seperti dalam hal pengairan sawah atau menggiling padi maupun biji-bijian.
Hingga saat ini belum ditemukan siapa penemu pertama dari kincir angin. Kekuatan angin sendiri sudah menjadi perhatian utama para manusia pada era modern sekarang. Pengembangan kincir angin dulu dimulai dengan bentangan layar untuk menggerakkan kapal untuk berlayar. Dari sinilah, pengetahuan terus dikembangkan hingga terciptalah alat yang dinamakan kincir angin. Fungsi utama jaman dulu kincir angin digunakan untuk menumbuk biji-bijian serta menggiling tanaman padi. Seiring berjalannya waktu, kincir angin mengalami pergeseran fungsi hingga sekarang dimanfaatkan untuk pembangkit listrik yang ramah lingkungan.
Kincir angin digunakan untuk pembangkit listrik pertama kali dibangun oleh P. La Cour dari Denmark di akhir abad ke-19. Menggunakan layar yang berpenampang melintang menyerupai sudut propeler pesawat sekarang disebut kincir angin type propeler atau biasa disebut turbin.
Eksperimen kincir angin dengan sudut kembar pertama kali dilakukan di wilayah Amerika Serikat tahun 1940, ukurannya sangat besar yang dulu
2
dinamakan dengan mesin Smith-Putman, karena dirancang oleh Palmer Putman, dengan kapasitas 1,25 MW yang dibuat oleh Morgan Smith Company dari New York Pensylvania. Dengan diameter propelernya 175 ft dan beratnya 16 ton dan menaranya dengan tinggi 100 ft.
Airfoil NACA yaitu bentuk airfoil untuk sayap pada pesawat terbang yang dikembangkan oleh pihak National Advisory Committee For Aeronaustics (NACA). Bentuk dari airfoil NACA sendiri dijelaskan berdasarkan digit mengikuti kata “NACA”. Parameter dalam kode numeric dapat dimasukkan ke dalam persamaan untuk secara akurat menghasilkan penampang airfoil dan menghitung propertinya.
1.2. Perumusan Masalah
Dari latar belakang yang telah disampaikan, maka rumusan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Bagaimana koefiesien daya (Cp) dari airfoil NACA 6412 dan efisiensi generator (𝜂𝑔𝑒𝑛) yang dihasilkan kincir angin vertikal dengan menggunakan sudu airfoil NACA 6412 dengan unjuk kerja yang maksimal pada kecepatan angin yang rendah ?
1.3. Batasan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang dan rumusan masalah diatas, maka penulis membatasi permasalahan yang diteliti difokuskan pada :
1. Kincir Angin yang digunakan yaitu kincir angin vertikal dengan sudu airfoil NACA 6412.
2. Generator dan dudukan yang digunakan mengikuti produk yang disediakan atau disarankan.
3. Pengujian kincir angin di lakukan menggunakan kecepatan angin kurang dari 10 m/s.
1.4. Tujuan Penelitian
Penyusunan skripsi ini adalah untuk mengetahui efisiensi airfoil NACA 6412 dan efisiensi daya generator yang dihasilkan oleh kincir angin vertikal dengan menggunakan sudu airfoil NACA 6412 dengan unjuk kerja yang maksimal pada kecepatan angin kurang dari 10 m/s.
1.5. Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan sumbangan terhadap perkembangan ilmu pengetahuan energi terbarukan diantaranya :
1. Bagi Penulis
a. Sebagai pengaplikasian ilmu manufaktur yang digunakan untuk rancang bangun kincir angin yang diteliti yang menerapkan ilmu-ilmu yang didapat selama dalam bangku perkuliahan.
4
2. Bagi Pembaca
a. Sebagai referensi bagi mahasiswa/i Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri di Institut Sains &
Teknologi Akprind Yogyakarta.
b. Dapat memberikan informasi serta ilmu pengetahuan tentang kincir angin vertikal dengan sudu airfoil NACA 6412.
1.6. Metode Pengumpulan Data
Untuk dapat mengumpulkan data atau masukan dalam menyusun laporan skripsi, penulis menggunakan beberapa metode pengumpulan data, yaitu :
1. Metode Observasi
Dalam metode ini pengumpulan data dilakukan dengan mengamati data kecepatan angin dilapangan yang akan dilakukan di pantai Depok Bantul Yogyakarta, dipilihnya pantai Depok Bantul Yogakarta sebagai lokasi pengujian karena sepinya pengunjung untuk berwisata sehingga angin yang berhembus tidak terhambat oleh para wisatawan yang sedang berlalu-lalang di pinggir pantai serta tidak menggangu kenyamanan wisatawan yang lain.
2. Metode Studi Literatur
Metode kepustakaan adalah pengumpulan data-data yang diperoleh dari buku/jurnal yang berkaitan dengan turbin angin digunakan dan melengkapi ilmu penyusunan skripsi.
3. Metode Wawancara
Dalam metode ini pengumpulan data dilakukan dengan bertanya langsung kepada responden dalam hal ini adalah dari dosen pembimbing.
4. Internet
Pengumpulan data berasal dari program-program disitus internet yang dapat digunakan sebagai data dan referensi.
6
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Studi Literatur
Moch, Indra (2018) telah melakukan pengujian turbin angin sumbu vertikal jenis cross flow dengan variasi jumlah sudu blade. Dimana kecepatan angin berbanding lurus dengan kecepatan putaran poros turbin angin. Perubahan jumlah blade berpengaruh terhadap kinerja putaran poros turbin. Dikarenakan sapuan gaya drag yang diterima pada blade. Semakin besar sapuan yang diterima blade semakin besar juga putaran turbin yang dihasilkan. Daya elektrik generator (Pg) tertinggi pada variasi jumlah blade 12 sebesar 3,87 W pada kecepatan angin 5,52 m/s dengan pembebanan lampu 5 W dan 12 W. Efisiensi overall (𝜂) turbin angin sumbu vertikal jenis cross flow pada kondisi angin di lapangan, hasil tertinggi yang diperoleh pada turbin angin dengan variasi jumlah 12 blade sebesar 3,36% pada kecepatan angin 5,52%.
M.Yonggi, Melda (2018) membuat suatu pengujian dengan pemilihan bahan sudu untuk perancangan dan pembuatan prototype turbin angin NACA 4415 sumbu horizontal. Pembuatan sudu turbin angin pertama menggunakan material akrilik dikarenakan dalam proses pembuatannya mudah untuk dibentuk dan juga mudah untuk didapatkan. Dimana sudu turbin angin dapat memulai berputar pada kecepatan 2,6 m/s dengan perkiraan daya yang mampu dihasilkan yaitu 3,591x10−5 kW.
Rines (2016) melakukan unjuk kerja model-model kincir angin savonius dua tingkat dengan kelengkungan sudu termodifikasi. Dimana sudu kincir angin dibuat dengan plat lembaran seng komersial, dan poros kincir anginnya dibuat dengan pipa berdiameter 1 inci. Pengujian dilakukan menggunakan sebuah terowongan angin berukuran 120 cm x 120 cm dengan menggunakan fan blower yang mampu menghasilkan kecepatan angin hinggan 7 m/s. Untuk model-model rotor kincir angin berdiameter sama dengan ketinggian yang berbeda-beda, maupun untuk model-model dengan ketinggian yang sama dengan berdiameter yang berbeda-beda , dapat disimpulkan bahwa semakin besar rasio ketinggian terhadap diameter atau semakin langsing rotor tersebut, maka semakin tinggi koefisien daya puncak yang dihasilkan oleh rotor kincir terkait. Koefisien daya puncak paling tinggi dicapai oleh rotor dengan diameter 60 cm dan tinggi rotor 92 cm, yakni 0,49 pada nilai tip speed ratio 1,18.
Saiful Huda, dkk (2018) melakukan research untuk memperbarui performa turbin angin yang berukuran kecil. Dengan menggunakan desai sudu NACA 4415. Hasil dari pengujian yang dilakukan pada kecepatan angin 3 m/s dimana material blade menggunakan fiber natural mampu menghasilkan 22 Volt dimana sudu yang menggunakan material fiber glass hanya mampu menghasilkan 7 Volt. Ini menunjukkan bahwa sudu yang memiliki berat lebih ringan mampu memiliki rotasi awal yang bagus, karena gaya tangensial angin yang dihasilkan di awal rotasi dengan berat sudu yang ringan hanya memerlukan energi kinetik yang lebih sedikit. Namun ada
8
perbedaan hasil rpm yang diperoleh pada kecepatan angin 7 m/s dimana sudu yang menggunakan serat fiber glass menghasilkan 3.600 rpm sedangkan yang menggunakan fiber natural menghasilkan 2.500 rpm. Ini terjadi karena serat fiber glass pada kecepatan angin tinggi energy kinetik yang dihasilkan lebih besar dan lebih stabil namun disisi lain torsi yang dihasilkan justru lebih tinggi menggunakan fiber natural sehingga memiliki unjuk kerja lebih baik.
Toto Rusianto, dkk (2019) melakukan pengujian generator untuk trubin angin vertikal. Pengujian dilakukan untuk menunjang pengembangan turbin angin vertikal. Dimana generator didisain untuk 1 fase arus bolak balik dan jumlah kutub 16 buah. Generator menggunakan kawat email tembaga berdiameter 0,5 mm dengan 300 lilitan perkumparan. Stator berada dibagian tengah dimana kumparan dan poros statis ditempatkan. Sedang rumah generator merupakan rotor bagian yang berputar dimana magnet permanen ditempatkan. Rotor tersebut nantinya yang dihubungkan dengan baling-baling turbin angin. Spesifikasi ukuran generator berdiameter 166 mm dengan tinggi 88 mm dengan poros berdiameter 20 mm dan panjang 170 mm. Performa dari generator hasil pengujian menunjukan bahwa pada putaran 300 rpm tegangan yang dihasilkan 15,90 volt tanpa beban dan 13,40 volt pada beban 5 watt dengan arus listrik 50,8 mA, meningkatnya putaran akan meningkatkan tegangan. Pengukuran osiloskop menunjukan tegangan sinusoidal dengan meningkatnya putaran akan meningkatkan frekuensi listrik yang dihasilkan. Pada putaran rotor 300 rpm menghasilkan
pengukuran frekuensi sebesar 38 Hz sedang frekuensi teoritis adalah 40 Hz, pengaruh perbedaan nilai antara pengukuran dan teoritis tersebut menunjukan adanya rugi-rugi daya generator.
2.2. Angin
Angin merupakan pergerakan udara secara alami yang mempunyai arah dan kecepatan diakibatkan oleh rotasi bumi sehingga angin terbentuk sebagai hasil dari gerakan udara dari daerah bertekanan tinggi ke daerah tekanan rendah. Dengan arah angin merupakan asal hembusan angin bertiup yang dapat ditunjukan dengan 16 titik-titik pada kompas. Hembusan angin menunjukkan dari mana datangnya bukan ke mana angin itu bergerak.
Menurut hukum Buys Ballot, “Udara bergerak dari daerah yang bertekanan tinggi (maksimum) ke daerah bertekanan rendah (minimum), di belahan bumi utara berbelok ke kanan sedangkan di belahan bumi selatan berbelok ke kiri”. Jika tidak ada gaya lain yang mempengaruhi, maka angin akan bergerak secara langsung dari udara bertekanan tinggi ke udara bertekanan rendah. Pengaruh perputaran bumi terhadap arah angin disebut pengaruh Coriolis (Coriolis Effect). Pengaruh Coriolis menyebabkan angin bergerak searah jarum jam mengitari daerah bertekanan rendah di belahan bumi selatan dan sebaliknya bergerak dengan arah yang berlawanan dengan arah jarum jam mengitari daerah bertekanan rendah di belahan bumi utara.
Arah Angin adalah arah dari mana angin berhembus dan dinyatakan dalam derajat arah (Direction Degree) yang diukur searah dengan arah
10
jarum jam mulai dari titik utara Bumi atau secara sederhana sesuai dengan skala sudut pada kompas. (Sugiharyanto, 2007)
Kecepatan angin adalah kecepatan udara yang bergerak secara horizontal yang dipengaruhi oleh gradien barometris letak tempat, tinggi tempat, dan keadaan topografi suatu tempat. Untuk pengukuran kecepatan angin yang lebih baik memang dilakukan pada ketinggian 10 m, dengan pertimbangan efek dari lapisan perbatas. Untuk satuan kecepatan angin dalam meter per detik, kilometer per jam atau knot (1 m/s = 1,9438 knots = 3,6 km/jam).
Berdasarkan pengertiannya kecepatan angin tidak pasti atau selalu berubah-ubah dalam setiap keadaan maka yang harus dilakukan adalah melakukan pengamatan melalui skala standar internasional yaitu dengan menggunakan skala Beaufort seperti pada tabel berikut ini :
Tabel 2.1 Skala Beaurfort Skala
Beaurfort
Kecepatan Angin Nama Uraian
Angin Nama Inggris
Keterangan m/s Knots
0 0,0 - 0,2 0 - 1 Angin reda Calm Tiang asap tegak 1 0,3 - 0,5 1-3 Angin sepoi-
sepoi Ligth air Tiang asap miring 2 1,6 - 3,3 4-6
Angin lemah Ligth breeze Daun-daun bergerak 3 3,4 - 5.4 7-10 Angin sedang Gentle breeze Ranting-
ranting bergerak 4 5,5 - 7,9 11-16 Angin tegang
Moderate breeze
Dahan- dahan bergerak
5 8,0 - 10,7 17-21 Angin keras Fresh breeze Batang pohon bergerak
6 10,8 -
13,8 22-27 Angin keras
sekali Strong breeze
Batang pohon besar
bergerak
7 13,9 -
17,1 28-33 Angin ribut
High wind, Moderate
gale,
Dahan- dahan patah
8 17,2 -
20,7 34-40 Angin ribut hebat
Gale, Fresh gale
Pohon- pohon kecil
patah
9 20,8 -
24,4 41-47 Angin badai Strong gale
Pohon- pohon besar
patah
10 24,5 -
28,4 48-55 Angin badai hebat
Storm, Whole gale
Rumah- rumah roboh
11 28,5 -
32,6 56-63 Angin taufan Violent storm
Benda berat berterbanga
n 12 32,7 >63 Angin taufan
hebat Hurricane Kerusakan hebat (Sumber : Sugiharyanto, 2007, Geografi dan Sosiologi Smp Kelas VII. Bogor.)
2.3. Jenis Kincir Angin
2.3.1. Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT)
Turbin angin sumbu horizontal atau dalam bahasa inggrisnya disebut Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) memiliki poros rotor utama dan generator listrik di bagian puncak menara. Turbin yang berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling-baling angin seperti pada gambar 2.1 turbin angin yang cukup sederhana, sedangkan untuk tubin yang memiliki ukuran yang besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang dihubungkan ke servo motor. Sebagian besar memiliki gearbox yang mampu
12
mengubah peputaran turbin angin yang memiliki speed pelan menjadi lebih cepat dalam berputar. Karena biasanya pada sebuah menara kincir angin menghasilkan turbulensi di bagian belakangnya, maka turbin angin biasanya diarahkan melawan arah anginnya. Bilah-bilah turbin angin dibuat kaku sehingga bagian bilah-bilah turbin tidak terdorong menuju menara oleh angin yang berkecepatan tinggi. Bilah-bilah itu sendiri biasanya diletakkan pada jarak tertentu di bagian depan menara dengan posisi seidkit dimiringkan.
Karena tubulensi akan mengakibatkan kerusakan pada bagian struktur menara sehingga sebagian besar HAWT merupakan mesin upwind (memiliki rotor yang menghadap ke adarah datangnnya angin). Meski memiliki permasalahan dibagian turbulensi, mesin downwind (memiliki rotor yang membelakangi arah datangnnya angin) dibuat karena tidak memerlukan tambahan mekanisme karena saat angin berhembus sangat kencang bilah- bilahnya bisa dilipat sehingga mengurangi resistensis angin dari bilah-bilah tersebut.
Gambar 2.1. Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) (Sumber : Mathew, 2006: 16)
Kelebihan Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) :
1. Menara penyangga yang tinggi memungkinkan untuk mendapatkan angin dengan kekuatan yang lebih besar.
2. Efisiensi menjadi lebih tinggi, karena sudu yang terus bergerak secara tegak lurus terhadap arah angin, dimana menerima daya sepanjang putaran.
3. Dapat dibuat dengan pitch control untuk sudu-sudunya, sehingga dapat menghindari kerusakan ketika terjadi badai.
Kelemahan Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) :
1. Memerlukan konstruksi menara penyangga yang cukup kuat untuk menopang bagian sudu, gearbox dan generator.
2. Komponen-kompenen dari tubin angin dipasang dengan posisi berdiri sehingga cukup rumit.
3. Membutuhkan yaw control (kontrol dalam stabilitas sudu) sebagai mekanisme untuk mengarahkan sudu kearah angina.
4. Sulit didekatkan dengan permukaan tanah karena adanya turbulensi.
2.3.2. Vertical Axis Wind Turbine (VAWT)
Kincir angin sumbu vertikal atau Vertical Axis Wind Turbin (VAWT) adalah kincir angin yang memiliki poros tegak lurus dengan tanah atau arah datangnya angin.
Dengan sumbu vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan dekat dengan permukaan tanah, jadi menara tidak
14
terlalu memerlukan penyokong dan lebih mudah diakses untuk keperluan maintenece. Dengan kecepatan angin yang lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga energi yang dihasilakan terkadang tidak terlalu besar. Aliran udara di dekat tanah dan obyek yang lain mampu menciptakan aliran yang bergolak, yang mampu menyebabkan berbagai masalah yang berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan meningkatkan biaya pemeliharaan.
Gambar 2.2. Vertical Axis Wind Turbin (VAWT) (Sumber :Tong Wei, 2010: 113)
Kelebihan Vertical Axis Wind Turbin (VAWT):
1. Kincir angin ini mudah untuk proses maintenance karena letaknya yang berdekatan dengan permukaan tanah.
2. Memiliki kecepatan pengawalan angin yang rendah dibandingkan dengan kincir angin horizontal.
3. Kincir angin ini dapat menerima hembusan angin dari segala arah.
4. Tidak memerlukan menara yang tinggi sehingga lebih murah dan kuat.
Kelemahan Vertical Axis Wind Turbin (VAWT) :
1. Memiliki putaran kecepatan angin yang cukup rendah, karena letaknya dekat dengan tanah.
2. Karena pada umumnya pemasangannya dekat dengan permukaan tanah maka perlu biaya maintenance yang lebih.
2.4. Teori-Teori Perhitugan
Adapun teori-teori perhitungan yang digunakan pada penelitian performa kincir angin vertikal dengan airfoil NACA 6412 yaitu :
2.4.1. Konversi Energi
Bentuk energi yang terdapat pada angin yang dapat dikonversikan oleh turbin angin adalah energi kinetiknya. Angin adalah massa udara yang bergerak. Besarnya energi yang terkandung pada angin bergantung pada besarnya keepatan angin dan massa jenis angin atau udara yang bergerak tersebut. Adapun energi kinetik dalam benda bergerak dapat dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut : ( Hau Erich, 2013:79)
𝐸𝑘 = 1
2 𝑚. 𝑣2 (𝑁𝑚) … … … (2.1) Dalam hal ini :
m = massa udara yang bergerak (kg) v = kecepatan angin (m/s)
Energi kinetik yang terkandung dalam angin inilah yang ditangkap oleh turbin angin untuk memutar rotor. Untuk
16
menganalisis seberapa besar energi angin yang dapat diserap oleh turbin angin, digunakan teori momentum elementer Bertz.
Walaupun teori dari elementer Betz telah mengalami penyederhanaan, namun teori ini cukup baik untuk menjelaskan bagaimana energi angin dapat dikonversikan menjadi bentuk energi lainnya. Dengan menganggap bahwa kecepatan udara yang melalui penampang A adalah sebesar v, maka aliran volume udara yang melalui penampang rotor pada setiap satuan waktu adalah :
V = v. A ………(2.2) Dimana :
V = laju volume udara (𝑚3/𝑠) v = kecepatan angin (m/s) A = luas area sapuan rotor (𝑚2)
Dengan demikian, laju aliran massa dapat dirumuskan dengan persamaan :
𝑚̇ = 𝜌. 𝑣. 𝐴 (kg
s)………(2.3)
Dimana :
𝜌 = massa jenis udara (kg/𝑚3)
Persamaan yang menyatakan energi kinetik yang melalui penampang Apada setiap waktu dapat dinyatakan sebagai daya yang melalui penampang A yaitu :
𝑃𝑖𝑛= 1
2𝜌. 𝑣3. 𝐴………...(2.4)
Dimana :
𝑃𝑖𝑛 = daya angin (Watt)
Gambar 2.3. Kondisi Aliran Udara Karena Esktrasi Energi Mekanik Aliran Bebas
(Sumber : Hau Erich, 2013:80)
Umumnya daya efektif yang dapat diperoleh sebuah kincir angin poros vertikal hanya sebesar 59,3%. Angka ini disebut batas Betz ( Betz limit, atas nama ilmuwan Jerman Albert Betz ), seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.4. Angka ini secara teoritis menunjukkan efisiensi maksimum yang dapat dicapai oleh rotor kincir angin tipe sumbu vertikal.
18
Gambar 2.4. Diagram Cp vs Tsr Untuk Berbagai Jenis Kincir Angin Vertikal
(Sumber : Johnson, 2006:18) 2.4.2. Torsi Kincir Angin
Torsi adalah momen putar yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya dorong pada sumbu kincir, dimana gaya dorong ini memiliki jarak terhadap sumbu poros yang berputar, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :
T = F . r……….(2.5) Dimana :
T = Torsi dinamis yang dihasilkan oleh poros (Nm) F = Gaya pada poros akibat puntiran (N)
r = Jarak lengan torsi ke poros (m) 2.4.3. Daya Output Poros Kincir Angin NACA 6412
Perhitungan daya pada gerak melingkar secara umum dirumuskan :
Pout = T . ω……….(2.6) Dimana :
T = Torsi dinamis (Nm)
ω = Kecepatan sudut yang didapatkan dari
ω = n rpm
= n 𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛
𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡
= 2 𝜋 𝑟𝑎𝑑
60 𝑠
= 𝑛 𝜋
30 𝑟𝑎𝑑/𝑠
Dengan demikian daya output poros kincir angin dapat dituliskan dengan persamaan berikut :
𝑃𝑜𝑢𝑡 = T . 𝑛 𝜋
30 Watt………(2.7)
Dimana :
𝑃𝑜𝑢𝑡 = Daya output yang dihasilkan kincir angin (Watt) n = Putaran poros (Rpm)
2.4.4. Koefisiensi Daya (Cp)
Koefisiensi daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir (Pout) dengan daya yang sediakan oleh angin (Pin), sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :
Cp = 𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛x100%...(2.8) Dimana :
Cp = Koefisien daya (%)
Pout = Daya yang dihasilkan oleh kincir (Watt)
20
Pin = Daya yang disediakan oleh angin (Watt) 2.4.5. Daya Generator
Daya generator yang dihasilkan dapat dihitung dengan rumus : 𝑃𝑔𝑒𝑛 = 𝑉𝑔𝑒𝑛 . 𝐼𝑔𝑒𝑛………..(2.9) Dimana :
𝑃𝑔𝑒𝑛 = Daya generator (Watt) 𝑉𝑔𝑒𝑛 = Tegangan (Volt) 𝐼𝑔𝑒𝑛 = Arus (Ampere) 2.4.6. Efisiensi Generator
Efisiensi generator dihitung berdasarkan perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh generator (𝑃𝑔𝑒𝑛) dengan daya yang dihasilkan oleh angin (𝑃𝑖𝑛), dengan rumus berikut ini :
𝜂𝑔𝑒𝑛= 𝑃𝑔𝑒𝑛
𝑃𝑖𝑛 x 100%...(2.10) Dimana :
𝜂𝑔𝑒𝑛 = Efisiensi generator (%) 𝑃𝑔𝑒𝑛 = Daya generator (Watt)
𝑃𝑖𝑛 = Daya yang dihasilkan oleh angin (Watt) 2.4.7. Tip Speed Ratio
Tip Speed Ratio (rasio kecepatan ujung), adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin bebas. Untuk kecepatan angin nominal yang tertentu, tip speed ratio akan
berpengaruh pada kecepatan rotor. Tip speed ratio dapat dihitung dengan persamaan : (Mathew,2006:15)
Kecepatan sudut : Ω = 2.Π.𝑛
60 ………(2.11)
𝑇𝑖𝑝 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 : 𝜆 = Ω.𝑅
𝑣 ………...(2.12)
Dimana :
𝜆 = tip speed ratio R = jari-jari rotor (m) v = kecepatan angin (m/s) Ω = kecepatan sudut (rad/s)
Grafik berikut menunjukkan variasi nilai tip speed ratio dan koefisien daya 𝐶𝑃untuk berbagai macam turbin angin.
Gambar 2.5. Nilai Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio Berbagai Turbin Angin
(Sumber : Hau Erich, 2013: 105)
22
2.4.8. Jumlah Sudu
Penentuan jumlah sudu berkaitan dengan rasio kecepatan ujung (tip speed ratio) yang diinginkan dan juga aspek keindahan.
Dimana jumlah sudu yang banyak akan mampu menghasilkan tip speed ratio yang besar. Jumlah sudu yang umum digunakan pada turbin angin adalah satu hingga tiga sudu.
Tabel 2.2. Nilai Tip Speed Ratio Terhadap Jumlah Sudu Pada Turbin Angin
Tip Speed Ratio Jumlah sudu (B)
1 8-24
2 6-12
3 3-6
4 3-4
> 4 1-3
(Sumber : Manwell, 2009: 134)
Semakin tinggi nilai tip speed ratio maka semakin tinggi juga efisiensi dari turbin angin (Hansen, 2008: 40), tetapi hal itu juga mengindikasikan bahwa terjadinya noise yang tinggi. Untuk pertimbangan desain turbin, nilai tip speed ratio yang paling baik untuk turbin angin dengan jumlah sudu 1sampai 3 adalah sekitar 7 (Burton, 2001: 207).
2.4.9. Profil Airfoil
Profil Airfoil adalah elemen penting dalam konversi energy angin. Profil airfoil memberikan nilai koefisien drag yang kecil jika dibandingkan dengan lift yang diberikan. Terdapat beberapa variabel yang dinyatakan dalam menggambarkan bentuk airfoil diantaranya : panjang profil airfoil chord (c), ketebalan/thickness (d), dan kelengkungan/chamber (f), nose radius (𝑟𝑛), airfoil coordinat y (x).
Gambar 2.6. Paramater Geometri Pada Airfoil (Sumber : Hau Erich, 2013:123)
Untuk turbin angin, profil airfoil memungkinkan efisiensi yang tinggi. Untuk turbin angin, profil airfoil yang digunakan bergantung pada beberapa pertimbangan diantaranya aspek koefisien daya yang ingin dicapai, aspek estetika, dan aspek keterbuatan.
Bentuk sudu dengan airfoil adalah fungsi dari tip speed ratio, diameter rotor dan jumlah sudu. Elemen-elemen penting yang dipilih dalam merancang sudu adalah bentuk platform, sudu, lebar sudu (chord), jari-jari pangkal (root radius), tebal sudu dan sudut pitch.
Untuk menentukan lebar sudu sebagai fungsi jarak penampang dari pusat rotasi dapat menggunakan pendekatan Bets. (Mathew, 2006:37)
24
C = 𝜑.𝜋.𝑟
𝜋.𝐶𝐿 (1 − 𝑐𝑜𝑠𝜙)………...……(2.13) Dimana :
C = lebar sudu/chord (m)
r = jarak penampang dari pusat rotasi (m) 𝐶𝐿 = koefisien lift
B = jumlah sudu Ratio tiap penampang sudu :
𝜆𝑟= 𝜆.𝑟
𝑅………(2.14)
Dimana :
R = jari-jari rotor (m)
Untuk menetukan sudut pasang/blade pitch angle dapat digunakan persamaan :
𝛽 = 𝜙 − 𝛼………..………...(2.15) Dimana :
𝛽 = sudu pitch (derajat) 𝛼 = sudu serang (derajat)
𝜙 = sudut kecepatan angin resultan (derajat)
Gambar 2.7. Elemen Kecepatan Pada Sudu (Sumber: Barton, 2001: 61)
Arah angin untuk setiap elemen berbeda, disebut apparent wind direction. Besarnya apparent wind merupakan resultan dari kecepatan angin bebas dan kecepatan tangensial elemen rotor yang dinyatakan dengan persamaan :
W = (1−𝑎).𝑣
sin 𝜙 ……….(2.16)
Dimana :
w = kecepatan angin resultan (m/s) v = kecepatan angin bebas (m/s) a = slip steam (𝑣1.𝑣′
𝑣1= 1/3)
𝜙 = kecepatan angin resultan (derajat)
Dan sudut kecepatan angin resultan dihitung dengan persamaan : 𝜙 = 2
3𝑡𝑎𝑛−1 1
𝜆𝑟………..(2.17) 2.4.10. Blades/Sudu
Blades/sudu merupakan komponen utama pada turbin angin karena pada sudu inilah energi kinetik dari hembusan angin diubah menjadi energi mekanik. Untuk menghasilkan kinerja yang optimal maka perlu diperhatikan parameter-parameter dalam merancang sudu turbin angin, antara lain; potensi angin yang tersedia yang merupakan factor terpenting dalam perancangan sebuah turbin angin, penampang airfoil, jumlah sudu dan geometri sudu.
Besarnya gaya thrust tergantung pada koefisien thurst 𝐶𝑟 yang dapat dikalkulasikan sebagai berikut ini : (Sumber : Manwell, 2009: 171)
26
T = 𝐶𝑟.1
2. 𝜌. 𝜋. 𝑅2. 𝑣12………...(2.18) Dimana :
T = thrust (N)
R = jari-jari rotor (m) v = kecepatan angin (m/s) 𝐶𝑟= koefisien thurst
= 4.a (1-a) untuk ideal case Momen bending sudu :
𝑀𝛽 = 𝑇
𝐵.2
3. 𝑅……….………(2.19)
Dimana :
𝑀𝛽= momen bending (N.m) B = jumlah sudu
Tegangan maksimum:
𝜎𝛽.𝑚𝑎𝑥 = 𝑀𝛽
𝑠 ……….(2.20)
Dimana :
𝜎𝛽.𝑚𝑎𝑥 = tegangan maksimum (N/𝑚2) S = I/c = modulus penampang (𝑚3)
27 3.1. Diagram Alir Penelitian
Urutan penelitian sudu airfoil NACA 6412 ditunjukkan oleh diagram alir berikut :
Tidak
Gambar.3.1. Diagram Alir Penelitian Mulai
Studi Pustaka
Perancangan Sudu Airfoil NACA 6412
Set up Alat
Perakitan Turbin Angin Dan Pembuatan Sudu Pengambilan Data
Analisis Data
Optimum
Kesimpulan Dan Saran Selesai
Ya
28
3.2. Parameter Desain 3.2.1. Tip Speed Ratio
Tip Speed Ratio merupakan nilai perbandingan antara kecepatan tangensial ujung sudu terhadap kecepatan angin. Untuk mengetahui besaran tersebut perlu diketahui putaran rotor (n). Apabila direncanakan putaran rotor sebesar 300 rpm , karena disini 300 rpm merupakan kategori putaran rendah (Merrick, 2013), putaran tersebut dapat terjangkau oleh turbin sumbu vertikal.
Kecepatan sudut :
Ω =
2.Π.𝑛60
=
2. 3,14. 300 60= 31 rad/s Tip Speed Ratio :
𝜆 =
Ω.𝑅𝑣
= 31. 1
9
= 3,44
Jumlah sudu yang disarankan dengan TSR 3,44 yaitu 3-6 sudu.
3.2.2. Jumlah Sudu
Penentuan jumlah sudu (B) berhubungan dengan nilai tip speed ratio rotor turbin. Disini jumlah sudu dipilih 3 buah dengan pertimbangan antra lain :
- Koefisien prestasi relatif tinggi - Stabil dan relative sederhana 3.2.3. Spesifikasi Generator
Dimana generator didisain untuk 1 fase arus bolak balik dan jumlah kutub 16 buah. Generator menggunakan kawat email tembaga berdiameter 0,5 mm dengan 300 lilitan perkumparan.
Stator berada dibagian tengah dimana kumparan dan poros statis ditempatkan. Sedang rumah generator merupakan rotor bagian yang berputar dimana magnet permanen ditempatkan. Rotor tersebut nantinya yang dihubungkan dengan baling-baling turbin angin.
Spesifikasi ukuran generator berdiameter 166 mm dengan tinggi 88 mm dengan poros berdiameter 20 mm dan panjang 170 mm.
3.2.4. Pemilihan Airfoil
Penampang sudu yang digunakan ini adalah airfoil NACA 6412, merupakan jenis airfoil seri empat angka dimana pada tipe ini memiliki kelengkungan chamber (f) = 6% pada posisi (Xf) = 39,6%
terhadap chord length (C), dengan thickness (d) = 12% pada posisi (Xd) = 30,1% terhadap chord length (C). Airfoil NACA 6412 dipilih berdasarkan pertimbangan berikut :
30
- Perbandigan gaya lift dan gaya drag relatif tinggi.
- Koefisien lift tidak terlalu tajam menurun, sedangkan koefisien drag meningkat tajam pasca stall.
Gambar 3.2. Profil airfoil NACA 6412
3.3. Tempat Dan Waktu Penelitian
Tempat penelitian dilakukan di laboratorium otomotif AKPRIND Yogyakarta. Pegambilan data dilakukan di dua tempat yang berbeda, yang pertama dilakukan di bengkel jalan wonosari Yogyakarta untuk pengujian menggunakan wind tunnel serta dilakukan di pantai Depok Bantul Yogyakarta yang dilakukan selama beberapa hari dari tanggal 1 - 6 Februari 2020.
3.4. Peralatan Pengujian
Peralatan pendukung untuk mendukung penilitian kincir angin vertikal ini. Beberapa peralatan pendukung tersebut yaitu :
1. Blower Kipas Angin berfungsi sebagai sumber angin untuk memutar kincir angin yang telah ditempatkan di depan blower.
Gambar 3.3. Blower Kipas Angin
2. Anemometer Digital, berfungsi untuk mengukur kecepatan angin dan suhu lingkungan penelitian.
Gambar 3.4. Anemometer Digital
3. Tachometer Digital, berfungsi untuk mengukur rpm dari putaran kincir angin vertikal.
32
Gambar 3.5. Tachometer Digital
4. Timbangan Digital, berfungsi untuk mengetahui besaarnya tekanan yang di berikan angin pada airfoil NACA 6412.
Gambar 3.6. Timbangan Digital
5. Multimeter Digital, berfungsi untuk mengetahui besarnya tegangan dan arus.
Gambar 3.7. Multimeter Digital
3.5. Prosedur Penelitian
3.5.1. Bahan Airfoil NACA 6412
Bahan untuk airfoil NACA 6412 ini menggunakan karbon berjenis anyaman serta dilapisi dengan resin AB. Dengan pembuatan pola di awal menggunakan styrofoam yang kemudian dilapisi dengan kertas koran yang sudah diberi perekat lem fox putih dengan campuran alkohol sekitar 10%. Dimana ukuran panjang dan lebar airfoil yaitu 100 cm x 25 cm.
34
Gambar 3.8. Proses Pembuatan Airfoil NACA 6412 3.5.2. Alat Yang Digunakan Dalam Pembuatan Airfoil NACA 6412
Alat yang digunakan saat proses pembuatan Airfoil yaitu : 1. Mesin Bor
2. Mata bor 8 mm 3. Gergaji
4. Mesin gerinda 5. Pengaris besi 6. Amplas 7. Spidol 8. Gunting 9. Cutter
10. Mal atau cetakan sudu airfoil NACA 6412 11. Sarung tangan
12. Waterpass
3.5.3. Alat Yang Digunakan Dalam Pembuatan Airfoil NACA 6412 1. Menyiapkan meja yang digunakan sebagai alas pengerjaan.
2. Pembuatan pola pada styrofoam sesuai dengan ukuran yang diinginkan.
3. Pemotongan pola pada ukuran yang sudah ditentukan dengan cutter.
4. Pola yang sudah dipotong kemudian diamplas sesuai dengan bentuk airfoil NACA 6412.
5. Tidak lupa proses pengecekan kerataan permukaan pola menggunakan waterpass.
6. Setelah proses pembuatan pola selesai kemudian pola dilapisi dengan kertas koran yang sudah dilapisi dengan lem fox.
7. Setelah semuanya tertupup dengan lapisan kertas koran kemudian diberi lapisan resin AB dan karbon anyaman yang sudah di siapkan.
8. Diamkan beberapa menit untuk proses pengeringan resin.
9. Proses pengamplasan untuk pemerataan permukaan airfoil hasil resin yang sudah kering.
10. Kemudian proses pengecetan menggunakan pylox.
36
Gambar 3.9. Proses Pengecattan 11. Hasil akhir pembuatan sudu airfoil NACA 6412.
Gambar 3.10. Hasil Sudu Airfoil Yang Siap Digunakan
12. Proses Perakitan airfoil NACA 6412 dengan generator dan dudukan yang sudah disediakan oleh dosen.
Gambar 3.11. Perakitan Airfoil Dengan Generator dan Dudukan Yang Sudah Disiapkan.
3.6. Variabel Penelitian
Beberapa variabel penelitian yang harus ditentukan sebelum melakukan penelitian yaitu :
1. Variasi kecepatan angin pada penelitian ini 4-10 m/s.
2. Variabel yang diukur disini yaitu kecepatan angin (v), besar tekanan angin (m), putaran poros kincir angin (n).
3.7. Parameter Yang Dihitung
Untuk mendapatkan karakteristik yang didapat dalam penelitian ini maka menggunakan parameter sebagai berikut :
1. Daya ouput kincir (Pout) 2. Daya angin (Pin)
38
3. Koefisien daya (Cp) 4. Daya Generator (𝑃𝑔𝑒𝑛)
3.8. Pengolahan Data Dan Pembahasan Hasil Penelitian
Pengolahan data dilakukan dengan mengolah data yang diperoleh dari pengujian menggunakan program Micorsoft Excel. Data yang dicari yaitu :
1. Dari data kecepatan angin dan luasan kincir angin didapatkan daya angin dengan persamaan menggunakan persamaan (2.4).
2. Data dari tekanan angin yang diberikan dapat digunakan untuk mencari besarnya torsi dengan menggunakan persamaan (2.5).
3. Data putaran poros dan torsi dapat digunakan untuk mencari daya yang dihasilkan oleh kincir angin vertikal dengan menggunakan persamaan (2.6).
4. Dengan membandingakan antara daya yang dihasilkan oleh kincir angin vertikal (𝑃𝑜𝑢𝑡) dengan daya yang disediakan oleh angin (𝑃𝑖𝑛) maka koefisien daya (Cp) dapat diketahui dengan persamaan (2.8).
5. Diagram antara hubungan kecepatan angin (m/s) dengan kecepatan putaran poros (Rpm).
6. Diagram antara hubungan kecepatan angin (m/s) dengan tegangan (Volt).
7. Diagram antara hubungan kecepatan angin (m/s) dengan daya angin yang didapat (Watt).
8. Diagram antara hubungan kecepatan angin (m/s) dengan daya output (Watt).
9. Diagram antara hubungan kecepatan angin (m/s) dengan efisiensi airfoil (%) dan efisiensi generator (%).
40 BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Data Pengujian
Hasil Pengujian kincir angin dengan kecepatan angin yang berkisar 4-8 m/s, meliputi : putaran poros kincir angin (rpm), kecepatan angin (m/s), tekana pada kincir angin (Kg), tegangan (v), arus (A).
Tabel 4.1. Hasil Pengambilan Data Kincir Angin Vertikal Sudu Airfoil NACA 6412 Tanpa Beban
No Kecepatan Angin (m/s)
Putaran Poros Kincir Angin
(rpm)
Tekanan Angin
(Kg)
Tegangan (v)
Arus (A)
1 7,8 70 2,25 4,3 0
2 7,6 67 2,20 4,1 0
3 6,5 53 2,05 3,6 0
4 6,2 51 2,01 3,5 0
5 5,6 44 1,48 3,1 0
6 5,4 42 1,45 2,8 0
7 4,8 35 1,30 2,5 0
8 4,5 33 1,28 2,3 0
9 4,3 31 1,24 1,9 0
10 4,1 30 1,20 1,8 0
Tabel 4.2. Hasil Pengambilan Data Kincir Angin Vertikal Sudu Airfoil NACA 6412 Dengan Beban Lampu LED White 1 Watt
No Kecepatan Angin (m/s)
Putaran Poros Kincir Angin
(rpm)
Tekanan Angin
(Kg)
Tegangan (v)
Arus (A)
1 7,8 51 2,25 2,12 0,75
2 7,6 46 2,20 2,09 0,71
3 6,5 41 2,05 1,97 0,66
4 6,2 38 2,01 1,93 0,62
5 5,6 35 1,48 1,87 0,56
6 5,4 33 1,45 1,84 0,52
7 4,8 31 1,30 1,74 0,47
8 4,5 29 1,28 1,71 0,43
9 4,3 27 1,24 1,67 0,38
10 4,1 26 1,20 1,63 0,35
4.2. Pengolahan Data Dan Perhitungan 4.2.1. Torsi Kincir Angin
T = F . r Dimana :
T = Torsi dinamis yang dihasilkan oleh poros (Nm) F = Gaya pada poros akibat puntiran (N)
42
r = Jarak lengan torsi ke poros (m)
(Disini jarak lengan torsi ke poros yaitu 5 cm ) Disini saya mengambil sampel pengujian pada tabel 4.1 nomer 1.
T = F x r
= (2,25 Kg x 9,81 m/𝑠2) x 0,05 m = 22,07 N x 0,05 m
= 1,10 Nm
4.2.2. Daya Angin Yang Diterima 𝑃𝑖𝑛= 1
2𝜌. 𝑣3. 𝐴 Dimana :
𝜌 = massa jenis udara (kg/𝑚3)
(Disini massa jenis udara yang digunakan yaitu 1,2 kg/𝑚3) v = kecepatan angin (m/s)
A = luas area sapuan rotor (𝑚2)
Disini saya mengambil sampel pengujian pada tabel 4.1 nomer 1.
𝑃𝑖𝑛= 1
2𝜌. 𝑣3. 𝐴
= 0,5 x 1,2 kg/𝑚3 x 7,83 m/s x (1 m x 0,25 m) = 71,18 Watt
4.2.3. Daya Output Poros Kincir Angin NACA 6412 𝑃𝑜𝑢𝑡 = T . ω
Dimana :
T = Torsi dinamis (Nm)
ω = Kecepatan sudut yang didapatkan dari
ω = n rpm = n 𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟𝑎𝑛
𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡
= 2 𝜋 𝑟𝑎𝑑
60 𝑠
= 𝑛 𝜋
30 𝑟𝑎𝑑/𝑠
Dengan demikian daya output poros kincir angin dapat dituliskan dengan persamaan berikut :
𝑃𝑜𝑢𝑡 = T . 𝑛 𝜋
30 watt Dimana :
𝑃𝑜𝑢𝑡 = Daya output yang dihasilkan kincir angin (watt) n = Putaran poros (rpm)
Disini saya mengambil sampel pengujian pada tabel 4.1 nomer 1.
𝑃𝑜𝑢𝑡 = T . 𝑛 𝜋
30 watt
= 1,10 Nm x 70 𝑥 3,14
30 rpm = 8,05 Watt
Disini saya juga mengambil sampel pengujian pada tabel 4.2 nomer 1.
𝑃𝑜𝑢𝑡 = T . 𝑛 𝜋
30 watt
= 1,10 Nm x 51 𝑥 3,14
30 rpm = 5,87 Watt
44
4.2.4. Koefisiensi Daya (Cp) Cp = 𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛x100%
Dimana :
Cp = Koefisien daya (%)
𝑃𝑜𝑢𝑡 = Daya yang dihasilkan oleh kincir (watt) 𝑃𝑖𝑛 = Daya yang disediakan oleh angin (watt)
Disini saya mengambil sampel pengujian pada tabel 4.1 nomer 1.
Cp = 𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛x100%
= 8,05 𝑊𝑎𝑡𝑡
71,18 𝑊𝑎𝑡𝑡x 100 % = 11,32 %
Disini saya juga mengambil sampel pengujian pada tabel 4.2 nomer 1.
Cp = 𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛x100%
= 5,87 𝑊𝑎𝑡𝑡
71,18 𝑊𝑎𝑡𝑡x 100 % = 8,24 %
4.2.5. Daya Generator 𝑃𝑔𝑒𝑛 = 𝑉𝑔𝑒𝑛 . 𝐼𝑔𝑒𝑛 Dimana :
𝑃𝑔𝑒𝑛 = Daya generator (Watt) 𝑉𝑔𝑒𝑛 = Tegangan (Volt) 𝐼𝑔𝑒𝑛 = Arus (Ampere)
Disini saya mengambil sampel pengujian pada tabel 4.2 nomer 1.
𝑃𝑔𝑒𝑛 = 𝑉𝑔𝑒𝑛 . 𝐼𝑔𝑒𝑛
= 2,12 Volt x 0,75 A = 1,59 Watt
4.2.6. Efisiensi Generator 𝜂𝑔𝑒𝑛= 𝑃𝑔𝑒𝑛
𝑃𝑖𝑛 x 100%
Dimana :
𝜂𝑔𝑒𝑛 = Efisiensi generator (%) 𝑃𝑔𝑒𝑛 = Daya generator (Watt)
𝑃𝑖𝑛 = Daya yang dihasilkan oleh angin (Watt)
Disini saya mengambil sampel pengujian pada tabel 4.2 nomer 1.
𝜂𝑔𝑒𝑛= 𝑃𝑔𝑒𝑛
𝑃𝑖𝑛 x 100%
= 1,59 𝑊𝑎𝑡𝑡
71,18 𝑊𝑎𝑡𝑡 x 100%
= 2,23%
46
4.3. Grafik Hasil Perhitungan
Dari hasil perhitungan yang sudah dilakukan maka dibuatlah grafik sebagai berikut :
4.3.1. Grafik Hubungan Antara Kecepatan Angin Dengan Kecepatan Putaran Poros.
Grafik 4.1. Grafik Hubungan Antara Kecepatan Angin Dengan Kecepatan Putaran Poros
Grafik 4.1 diatas menunjukkan hubungan antara kecepatan angin dengan putaran poros tanpa beban dan putran poros dengan beban 1 Watt. Dari hasil pengujian didapatkan hasil
30 31 33 35
42 44 51 53
67 70
26 27
29 31 33 35 38
41 46
51
0 10 20 30 40 50 60 70 80
4,1 4,3 4,5 4,8 5,4 5,6 6,2 6,5 7,6 7,8
Kecepatan Putaran Poros (Rpm)
Kecepatan Angin (m/s)
Putaran Poros Tanpa Beban
Putaran Poros Dengan Beban 1 Watt
perbedaan pada putaran poros yang didapat yaitu ketika tanpa beban maka putaran poros maksimal yang didapatkan pada kecepatan angin 7,8 m/s yaitu 70 Rpm, sedangkan untuk putaran poros dengan beban 1 Watt didapatkan kecepatan putaran poros maksimal 51 Rpm dengan kecepatan angin yang sama.
4.3.2. Grafik Hubungan Kecepatan Angin Dengan Tegangan.
Grafik 4.2. Grafik Kecepatan Angin Dengan Tegangan
Grafik 4.2 diatas menjelaskan tentang hubungan antara kecepatan angin (m/s) dengan tegangan yang dihasilkan (Volt).
Dari hasil pengujian didapatkan tegangan tanpa adanya beban
1,8 1,9 2,3
2,5 2,8
3,1 3,5 3,6
4,1 4,3
1,631,671,711,741,841,871,931,972,092,12
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
4,1 4,3 4,5 4,8 5,4 5,6 6,2 6,5 7,6 7,8
Tegangan (Volt)
Kecepatan Angin (m/s)
Tegangan Tanpa Beban
Tegangan Dengan Beban 1 Watt
48
pada kecepatan angin 7,8 m/s yaitu 4,3 Volt, dan tegangan yang didapatkan dengan beban 1 Watt yaitu 2,12 Volt.
4.3.3. Grafik Hubungan Antara Kecepatan Angin Dengan Daya Angin Yang Didapat.
Grafik 4.3. Grafik Kecepatan Angin Dengan Daya Angin Yang Didapat
Grafik 4.3 diatas menunjukkan hubungan antara kecepatan angin dengan daya angin yang didapat. Dari hasil pengujian yang dilakukan, didapatkan daya angin yang didapat tertinggi yaitu 71,18 Watt pada kecepatan angin 7,8 m/s dan didapatkan daya angin terendah yaitu 10,33 Watt pada kecepatan angin terendah yaitu 4,1 m/s.
10,33 11,92 13,66 16,58
23,61 26,34
35,74 41,19
65,84 71,18
0 10 20 30 40 50 60 70 80
4,1 4,3 4,5 4,8 5,4 5,6 6,2 6,5 7,6 7,8
Daya Angin Yang Didapat (Watt)
Kecepatan Angin (m/s)
4.3.4. Grafik Hubungan Kecepatan Angin Dengan Daya Output.
Grafik 4.4. Grafik Kecepatan Angin Dengan Daya Output Grafik 4.4 diatas menunjukkan hubungan antara kecepatan angin (m/s) dengan daya output (Watt). Dari hasil pengujian didapatkan daya output yang dihasilkan tanpa beban pada kecepatan angin 7,8 m/s yaitu 8,05 Watt sedangkan daya output yang didapatkan dengan beban 1 Watt yaitu 5,87 Watt.
3,45 3,56
3,794,02
4,835,06 5,876,1
7,718,05
2,99 3,1 3,333,563,794,02 4,37
4,72 5,29
5,87
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
4,1 4,3 4,5 4,8 5,4 5,6 6,2 6,5 7,6 7,8
Daya Output (Watt)
Kecepatan Angin (m/s)
Daya Output Tanpa Beban
Daya Output Dengan Beban 1 Watt
50
4.3.5. Grafik Hubungan Kecepatan Angin Dengan Efisiensi Airfoil (Cp), Efisiensi Generator (𝜼𝒈𝒆𝒏).
Grafik 4.5. Grafik Hubungan Kecepatan Angin Dengan Efisiensi Airfoil (Cp) dan Efisiensi Generator (𝜂𝑔𝑒𝑛).
28,94
26 24,37
21,47
16,05 15,26
12,22 11,45
8,03 8,24
5,51 5,28 5,344,88
4,02 3,94
3,32 3,15
2,24 2,23 33,39
29,86
27,74
24,24
20,45 19,21
16,42 14,8
11,7111,3
0 5 10 15 20 25 30 35 40
4,1 4,3 4,5 4,8 5,4 5,6 6,2 6,5 7,6 7,8
Efisiensi Airfoil (Cp) dan Efisiensi Generator(%).
Kecepatan Angin (m/s)
Efisiensi Airfoil (Cp)
Efisiensi Generator (ηgen).
Efisiensi Airfoil (Cp) Tanpa Beban
Dari hasil pengujian yang dilakukan didapatkan efisiensi airfoil dengan beban 1 Watt pada kecepatan angin 7,8 m/s yaitu 8,24% dan efisiensi generatornya 2,23 serta efisiensi airfoil tanpa beban yaitu 11,3% pada kecepatan angin yang sama.
4.3.6. Grafik Hubungan Kecepatan Angin Dengan Torsi
Grafik 4.6. Grafik Kecepatan Angin Dengan Torsi
Grafik 4.6 diatas menunjukkan hubungan antara kecepatan angin (m/s) dengan torsi (Nm). Dari hasil pengujian didapatkan torsi yang dihasilkan pada kecepatan angin 7,8 m/s yaitu 1,10 Nm dan pada kecepatan angin terendah 4,1 m/s didapatkan torsi sebesar 0,58 Nm.
4.4. Pembahasan
Pada penelitian kincir angin vertikal dengan sudu airfoil NACA 6412 ini. Diperoleh data hasil penelitian, dilihat dari daya yang dihasilkan oleh generator dengan adanya beban 1 Watt , terlebih
0,58 0,6 0,62 0,63 0,71 0,72
0,98 1 1,07 1,1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
4,1 4,3 4,5 4,8 5,4 5,6 6,2 6,5 7,6 7,8
Torsi (Nm)
Kecepatan Angin (m/s)
52
dahulu dimana daya generator yang dihasilkan tergolong kecil, yaitu maksimal 1,59 watt pada kecepatan putaran poros 51 Rpm dan kecepatan angin yaitu 7,8 m/s.
Terdapat banyak faktor yang dapat menentukan besar kecilnya nilai daya pada kincir angin. Salah satunya adalah mengurangi rugi- rugi gesekan dengan mengganti bearing yang sudah mulai seret. Poros kincir yang oleng juga mempengaruhi, karena putaran dari kincir angin yang dihasilkan tidak stabil.
Dari hasil data pengujian diatas diperoleh bahwa semakin besar kecepatan angin maka nilai torsi dan daya generator kincir angin yang dihasilkan semakin besar akan tetapi dipengaruhi oleh besar kecilnya putran poros kincir angin. Begitu juga dengan ukuran sudu yang digunakan, semakin besar ukuran sudu maka semakin besar nilai torsi yang di dapat dari kincir angin karena luasan permukaan yang diperoleh.
