Unjuk kerja model kincir angin american multi-blade sembilan sudu dengan tiga variasi pitch angle.

INTISARI

Kebutuhan energi yang semakin meningkat saat ini membuat energi terbarukan mulai banyak dikembangkan. Angin merupakan salah satu sumber energi terbarukan ramah lingkungan yang berlimpah, diperoleh gratis dari alam dan dapat dikembangkan di Indonesia. Kincir angin adalah suatu alat yang dapat mengkonversikan energi angin menjadi energi mekanis ataupun energi listrik. Desain kincir angin yang baik harus terus diteliti dan dikembangkan untuk meningkatkan efisiensi pemanfaatan konversi energi angin, untuk itu penelitian ini ditujukan untuk membuat model kincir angin American mutli-blade sembilan sudu dan mencari unjuk kerja terbaik dari tiga variasi pitch angle model kincir.

Model kincir angin yang diteliti berdiameter 80 cm dari bahan aluminium dengan tiga variasi pitch angle 100, 200, dan 300. Penelitian dilakukan dengan menggunakan terowongan angin (wind tunnel) di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma. Data yang diambil pada penelitian ini adalah kecepatan angin yang dapat diketahui dengan menggunakan anemometer, putaran poros kincir diukur dengan takometer, dan gaya pengimbang torsi yang diukur menggunakan neraca pegas. Data yang diperoleh dari penelitian kemudian diolah untuk mencari hubungan antara koefisien daya maksimal dan tip speed ratio optimal pada setiap variasi pitch angle, kemudian membandingkan dan mencari unjuk kerja terbaik dari model kincir angin dari ketiga variasi pitch angle tersebut. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa model kincir dengan variasi pitch angle 100 memiliki koefisien daya maksimal 4,2% pada tip speed ratio 0,86. Model kincir angin dengan pitch angle 200 memiliki koefisien daya maksimal 11,5% pada tip speed ratio 1,09. Unjuk kerja terbaik diperoleh dari model kincir dengan pitch angle 300 yang memiliki koefisien daya maksimal sebesar 14,5% pada tip speed ratio 1,03.

i

UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN AMERICAN

MULTI-BLADE SEMBILAN SUDU DENGAN

TIGA VARIASI PITCH ANGLE

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan

mencapai derajat Sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin

Oleh :

YULIUS ANGGERIYANTOPO

NIM : 115214028

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

ii

THE PERFORMANCE OF NINE BLADES

AMERICAN MULTI-BLADE WINDMILL MODEL

WITH THREE PITCH ANGLE VARIATONS

FINAL PROJECT

Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree

in Mechanical Engineering

By :

YULIUS ANGGERIYANTOPO

Student Number : 115214028

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

T}NJUK

KERJA

MODEL KINCIR A}IGIN

A]UTERICAN

T{ALTI.B LADE SEMBILAI\I

SUDU DENGAI\I

TIGA VARIASI

PITCH

ANGLE

Disusun Oleh:

UNJUK

KERJA MODEL

KTNCIR

ANGIN

AMERICAN

MULTI-BLADE SEMBILAN

SUDU

DENGAN

TIGA VARIASI

PITCH

ANGLE

Yang dipersiapkan dan disusun oleh:

NAMA

: YULIUS ANGGERIYANTOPO

N.I.M

z 115214028

Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji pada tangg al 24 Juli 201 5

Susunan Dewan Penguji

Nama Lengkap

Ketua

: Doddy Purwadianto, S.T., M.T.

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

Anggota : Ir. Rines, M.T.

Tugas Akhir ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Yogyakarta,

30

Sulf

Zoltr

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma

Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc.

lv

PERNYATAAN

KEASLIAN

TUGAS

AKHIR

Dengan

ini

saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa dalam Tugas

Akhir dengan judul :

UNJUK

KERJA MODEL

KINCIR

ANGIN

AMERICAN

MULTI-BLADE SEMBILAN

SUDU DENGAN

TIGA

VARIASI

PITCH ANGLE

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

Padatanggal : 24 Juli 2015

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

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

Nama : YULIUS ANGGERIYANTOPO

Nomor Mahasiswa : 115214028

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah yang beriudul :

UNJUK

KERJA MODEL

KINCIR

ANGIN

AMERICAN

*u"',ulifu'^!i,Hi;#H'1##NGAN

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

mempublikasikanya 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 24 luli 2015

Yang menyatakan

VI

vii

INTISARI

Kebutuhan energi yang semakin meningkat saat ini membuat energi terbarukan mulai banyak dikembangkan. Angin merupakan salah satu sumber energi terbarukan ramah lingkungan yang berlimpah, diperoleh gratis dari alam dan dapat dikembangkan di Indonesia. Kincir angin adalah suatu alat yang dapat mengkonversikan energi angin menjadi energi mekanis ataupun energi listrik. Desain kincir angin yang baik harus terus diteliti dan dikembangkan untuk meningkatkan efisiensi pemanfaatan konversi energi angin, untuk itu penelitian ini ditujukan untuk membuat model kincir angin American mutli-blade sembilan sudu dan mencari unjuk kerja terbaik dari tiga variasi pitch angle model kincir.

Model kincir angin yang diteliti berdiameter 80 cm dari bahan aluminium dengan tiga variasi pitch angle 100, 200, dan 300. Penelitian dilakukan dengan menggunakan terowongan angin (wind tunnel) di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma. Data yang diambil pada penelitian ini adalah kecepatan angin yang dapat diketahui dengan menggunakan anemometer, putaran poros kincir diukur dengan takometer, dan gaya pengimbang torsi yang diukur menggunakan neraca pegas. Data yang diperoleh dari penelitian kemudian diolah untuk mencari hubungan antara koefisien daya maksimal dan tip speed ratio optimal pada setiap variasi pitch angle, kemudian membandingkan dan mencari unjuk kerja terbaik dari model kincir angin dari ketiga variasi pitch angle tersebut. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa model kincir dengan variasi pitch angle 100 memiliki koefisien daya maksimal 4,2% pada tip speed ratio 0,86. Model kincir angin dengan pitch angle 200 memiliki koefisien daya maksimal 11,5% pada tip speed ratio 1,09. Unjuk kerja terbaik diperoleh dari model kincir dengan pitch angle 300 _{yang memiliki koefisien daya maksimal sebesar 14,5%}

pada tip speed ratio 1,03.

viii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala kasih dan karunia yang telah diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan laporan Tugas Akhir yang berjudul “UNJUK KERJA KINCIR ANGIN AMERICAN MULTI-BLADE SEMBILAN SUDU DENGAN TIGA VARIASI PITCH ANGLE”.

Laporan Tugas Akhir ini disusun berdasarkan penelitian yang telah kami lakukan di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Pembuatan laporan Tugas akhir merupakan salah satu syarat wajib yang harus ditempuh untuk menyelesaikan jenjang pendidikan S-1 pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Penulis berharap laporan Tugas Akhir ini juga dapat bermanfaat bagi masyarakat dan sebagai referensi pengembangan teknologi konversi energi angin, khususnya di Indonesia.

Dalam penyusunan laporan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapatkan bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak, oleh sebab itu penulis ingin mengungkapkan rasa terima kasih 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. P.K. Purwadi selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Ir. Rines, M.T. selaku dosen pembimbing Tugas Akhir yang telah membimbing, dan memberikan waktunya untuk mendampingi penulis dalam menyelesaikan pembuatan Tugas Akhir dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.

4. Budi Setyahandana, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing akademik. 5. Ambrosius Santoso dan Theresia Sutrinem sebagai orangtua saya yang

6. Wahyu Bayu

Aji

dan Dimas Christian Nugroho sebagai teman satu

kelompok dalam pembuatan Tugas Akhir ini yang telah bekerja sama dan

membantu saya untuk menyelesaikan pembuatan Tugas Akhir dari awal

sampai selesai.

Rekan

-

rekan mahasiswa teknik mesin yang telah banyak memberikan nasihat, saran, dan pelajaran yang sangat berharga bagi saya hingga saat

ini.

Segenap dosen dan karyawan Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains

dan Teknologi yang telah membantu untuk menyelesaikan laporan Tugas

Akhir ini.

Penulisan Laporan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna, oleh sebab itu

penulis berharap segala kritik dan saran yang membangun derni perbaikan dan

penyempurnaan dikemudian hari.

Akhir kata semoga Laporan Tugas Akhir ini dapat memberikan banyak manfaat

bagi kita semua.

Penulis

7.

1X

x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

TITLE PAGE ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

DAFTAR DEWAN PENGUJI ... iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v

LEMBAR PUBLIKASI ... vi

INTISARI ... vii

KATA PENGANTAR ... viii

DAFTAR ISI ... x

DAFTAR GAMBAR ... xii

DAFTAR TABEL ... xiv

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Rumusan Masalah ... 2

1.4 Manfaat Penelitian ... 3

1.5 Batasan Masalah... 3

BAB II DASAR TEORI ... 5

2.1 Konsep Dasar Angin ... 5

2.2 Kincir Angin ... 6

2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal... 6

2.2.2 Kekurangan dan Kelebihan Kincir Angin Poros Horisontal ... 8

2.2.3 Kincir Angin Poros Vertikal ... 9

2.2.4 Kekurangan dan Kelebihan Kincir Angin Poros Vertikal... 11

2.3 Grafik Hubungan Antara Cp Terhadap tsr ... 12

2.4 Rumus Perhitungan ... 13

2.4.1 Energi Angin ... 13

2.4.2 Perhitungan Torsi dan Daya ... 14

xi

2.4.4 Daya Kincir ... 15

2.4.5 Tip Speed Ratio ... 16

2.4.6 Koefisien Daya ... 16

BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 17

3.1 Diagram Penelitian ... 18

3.2 Bahan Pembuatan Model Kincir Angin ... 19

3.3 Alat – alat Pembuatan Model Kincir Angin ... 19

3.4 Alat – alat Pengujian dan Alat Bantu Pengukuran ... 20

3.5 Prosedur Pembuatan Model Kincir Angin ... 25

3.6 Variabel Penelitian ... 26

3.7 Variabel yang diukur ... 27

3.8 Parameter yang dihitung ... 27

3.9 Langkah Percobaan ... 28

3.10 Langkah Pegolahan Data... 29

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ... 31

4.1 Data Percobaan... 32

4.2 Perhitungan ... 34

4.2.1 Perhitungan Daya Angin ... 34

4.2.2 Daya Kincir ... 34

4.2.3 Tip Speed Ratio ... 35

4.2.4 Koefisien Daya ... 35

4.3 Data Hasil Perhitungan ... 36

4.4 Grafik Hasil Perhitungan... 38

4.5 Grafik Perbandingan Tiga Variasi Pitch Angle ... 47

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 49

5.1 Kesimpulan ... 49

5.2 Saran ... 50

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Upwind dan downwind ... 7

Gambar 2.2 Kincir angin poros horisontal jenis propeler ... 7

Gambar 2.3 Kincir angin poros horisontal jenis American multi-blade ... 8

Gambar 2.4 Kincir angin poros vertikal jenis Savonius ... 10

Gambar 2.5 Kincir angin poros vertikal jenis Darrieus ... 10

Gambar 2.6 Grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) dari beberapa jenis kincir angin ... 12

Gambar 3.1 Diagram alir... 18

Gambar 3.2 Mesin penekuk plat ... 20

Gambar 3.3 Terowongan angin yang dilengkapi blower ... 21

Gambar 3.4 Anemometer ... 21

Gambar 3.5 Takometer... 22

Gambar 3.6 Mekanisme pengereman ... 23

Gambar 3.7 Neraca pegas ... 24

Gambar 3.8 Kincir angin yang terpasang pada tiang penahan kincir dan poros utama kincir didalam wind tunnel ... 24

Gambar 3.9 Sudu model kincir angin jenis American multi-blade yang digunakan dalam penelitian ... 25

Gambar 3.10 Hub ... 26

Gambar 3.11 Model kincir angin American multi-blade sembilan sudu yang digunakan dalam penelitian ... 27

Gambar 3.12 Skema alat pengujian ... 29

Gambar 4.1 Grafik hubungan putaran kincir dengan Torsi untuk pitch angle 100 pada kecepatan angin rerata 8,55 m/s ... 38

Gambar 4.2 Grafik hubungan daya output dengan torsi untuk pitch angle 100 pada kecepatan angin rerata 8,55 m/s ... 39

Gambar 4.3 Grafik hubungan koefisien daya (Cp) dengan Tip speed ratio (tsr) untuk pitch angle 10˚ ... 39

Gambar 4.4 Grafik hubungan Putaran kincir dengan torsi untuk pitch angle 200 _{pada kecepatan angin rerata 8,47 m/s ... 41}

Gambar 4.5 Grafik hubungan daya output dengan torsi untuk pitch angle 200 pada kecepatan angin rerata 8,47 m/s ... 42

Gambar 4.6 Grafik hubungan koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) untuk pitch angle 20˚ ... 42

Gambar 4.7 Grafik hubungan Putaran kincir dengan torsi untuk pitch angle 300 _{pada kecepatan angin rerata 8,77 m/s ... 44}

Gambar 4.8 Grafik hubungan daya output dengan torsi untuk pitch angle 300 pada kecepatan angin rerata 8,77 m/s ... 45

xiii

xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data percobaan dengan pitch angle 100 ... 31

Tabel 4.2 Data Percobaan dengan pitch angle 200 ... 32

Tabel 4.3 Data Percobaan dengan pitch angle 300 ... 33

Tabel 4.4 Data perhitungan pitch angle 100 ... 36

Tabel 4.5 Data perhitungan pitch angle 200 ... 36

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Kebutuhan energi yang semakin meningkat saat ini membuat energi terbarukan mulai banyak dikembangkan. Angin merupakan salah satu sumber energi terbarukan ramah lingkungan yang berlimpah dan dapat diperoleh gratis dari alam. Kondisi geografis Indonesia yang spesifik memungkinkan terjadinya pola angin yang bermacam–macam, diantaranya mempunyai prospek dalam pengembangan energi angin. Beberapa lokasi di Indonesia memiliki kecepatan angin rata – rata tahunan > 4,0 m/s, bahkan didaerah Atambua, NTT memiliki kecepatan angin rata – rata mencapai 7,3 m/s. Dari data tersebut dapat dikatakan bahwa pengembangan pemanfaatan energi angin di Indonesia sangat menjanjikan. Pemanfaatan energi angin dapat dilakukan dengan menggunakan kincir angin, pada prinsipnya energi angin akan memutar kincir angin, kemudian putaran kincir angin tersebut dapat dimanfaatkan sebagai penggerak mekanis ataupun menjadi energi listrik.

berguna sebagai referensi untuk mengembangkan pengetahuan tentang pemanfaatan energi angin, dan meningkatkan efisiensi konversi energi angin.

1.2Tujuan Penelitian

Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah :

a. Merancang dan membuat kincir angin poros horisontal jenis American multi-blade sembilan sudu yang terbuat dari bahan aluminium dengan diameter 80 cm dan variasi pitch angle 10o_{, 20}o_{, 30}o_.

b. Mengetahui unjuk kerja masing – masing model kincir angin American multi-blade sembilan sudu dengan diameter 80 cm dari tiga variasi pitch angle.

c. Mendapatkan unjuk kerja terbaik dari model kincir angin American multi-blade sembilan sudu dengan tiga variasi pitch angle 100_{, 20}0_{, dan 30}0_.

1.3Rumusan Masalah

Setiap jenis kincir angin memiliki karakteristik yang berbeda – beda, salah satunya adalah kincir angin jenis American multi-blade yang memiliki koefisien daya maksimal sebesar 15%. Karakteristik setiap jenis kincir angin dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satunya adalah desain dari kincir angin itu sendiri, maka dari itu desain kincir angin yang baik harus terus dikembangkan untuk meningkatkan efisiensi pemanfaatan energi angin sebagai salah satu energi alternatif yang ramah lingkungan.

ratio (tsr) akan berbeda – beda setiap desainnya. Dalam penelitian ini akan diketahui unjuk kerja kincir angin jenis American multi-blade yang mencakup besar koefisien daya (Cp) maksimal dan tip speed ratio (tsr) optimal.

Unjuk kerja dari sebuah kincir angin dipengaruhi oleh beberapa faktor, salah satunya adalah pitch angle. Pengaruh pitch angle terhadap unjuk kerja kincir angin jenis American multi-blade dapat diketahui dari penelitian ini.

1.4Manfaat Penelitian

Manfaat yang didapat dari penelitian kincir angin adalah sebagai berikut : a. Referensi bagi pengembang teknologi untuk mengembangkan teknologi

alternatif, khususnya energi angin.

b. Sebagai referensi untuk memanfaatkan energi angin dengan bahan yang murah dan sederhana.

c. Memicu pengembangan pemanfaatan energi angin sebagai pengganti bahan bakar fosil untuk menjaga dan melestarikan bumi.

1.5Batasan Masalah

Adapun batasan masalah dari penelitian ini adalah sebagai berikut : a. Model kincir angin American multi-blade dengan sembilan sudu dan

dengan diameter 80 cm.

b. Variasi yang dilakukan adalah dengan menggunakan variasi pitch angle sudu kincir dengan sudut 10o , 20o, dan 30o.

5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Konsep Dasar Angin

Angin adalah udara yang bergerak horisontal melintasi permukaan bumi, pada dasarnya angin terjadi karena adanya perbedaaan tekanan udara diantara dua kawasan, angin selalu bergerak dari tempat bertekanan tinggi ke tempat bertekanan rendah. Perbedaan tekanan tersebut terjadi karena adanya perbedaan pemanasan oleh sinar matahari pada permukaan bumi, maka kecepatan angin di setiap daerah dapat berbeda – beda.

Angin tidak mengalir secara smooth diatas permukaan bumi, selama bergerak angin mengalami beberapa hambatan yang disebut gesekan. Gesekan ini memunculkan fenomena yang disebut ground drag. Gesekan adalah gaya yang menahan gerakan salah satu material terhadap material lainnya. Ground drag yang disebabkan oleh gesekan ini bervariasi, bergantung pada kekasaran permukaan. Semakin kasar atau semakin tak beraturan suatu permukaan, maka semakin besar gesekan yang terjadi. Gesekan terjadi hingga mencapai ketinggian sekitar 500 m, namun efek – efek paling besar terjadi disekitar daerah yang paling dekat dengan permukaan bumi. Gesekan memiliki efek yang besar terhadap kecepatan angin pada ketinggian – ketinggian yang berbeda. Angin bergerak lebih lambat di permukaan tanah yang disebabkan oleh gesekan. Gesekan akan semakin kecil pada ketinggian yang semakin tinggi, sehingga kecepatan angin pun meningkat.

mengetahui arah angin kita dapat menggunakan windsocks.

2.2 Kincir Angin

Kincir angin (windmill) adalah mesin yang digunakan untuk mengkonversikan energi angin kedalam bentuk energi yang lain, yang kebanyakan dalam bentuk energi mekanis. Pada awalnya kincir angin dirancang untuk menggiling biji – bijian dan memompa air, namun lambat laun kincir angin didesain untuk membangkitkan listrik. Kincir angin pembangkit listrik umumnya disebut sebagai turbin angin (wind turbine) atau generator angin (wind generator). Mesin angin untuk memompa air pada umumnya disebut sebagai kincir angin (windmill).

Berdasarkan kedudukan poros yang digunakan, turbin angin dibedakan dalam dua jenis, yaitu : HAWT (horizontal axis wind turbine) yakni turbin angin bersumbu horisontal dan VAWT (vertical axis wind turbine) yakni turbin angin bersumbu vertikal.

2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal

HAWT (horizontal axis wind turbine) yakni turbin angin bersumbu horisontal. Turbin angin HAWT memiliki poros utama sejajar dengan permukaan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah angin. Turbin angin ini dapat berputar dikarenakan adanya gaya aeorodinamis yang bekerja pada suatu kincir.

Gambar 2.1. Upwind dan downwind (sumber: www.cleanenergybrands.com)

Beberapa jenis kincir angin poros horisontal yang telah banyak dikenal diantaranya ditunjukan pada Gambar 2.2 dan Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Kincir angin poros horisontal jenis American multi-blade (Sumber :

https://img.okezone.com/content/2013/12/02/373/906056/NdGjDBZm2n.jpg)

2.2.2 Kekurangan dan kelebihan Kincir Angin Poros Horisontal

Kincir angin poros horisontal memilki beberapa kelebihan jika dibanding dengan kincir angin poros vertikal, beberapa kelebihan yang dimiliki oleh kincir angin poros horisontal adalah sebagai berikut :

1. Sudu – sudu kincir angin sumbu horisontal berada disamping pusat garvitasi turbin, sehingga membantu stabilitas turbin.

2. Kincir angin sumbu horisontal dapat dibuat dengan kemampuan wing warp, sehingga sudut serang sudu – sudu turbin dapat diatur atau ditetapkan pada harga yang paling baik.

3. Menara yang tinggi memungkinkan turbin mendapatkan angin yang kuat dan smooth.

4. Menara yang tinggi memungkinkan penempatan kincir pada landasan yang tidak datar atau di lokasi garis pantai.

Kincir angin poros horisontal adalah kincir angin yang paling umum digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga angin, akan tetapi kincir angin poros horisontal masih memiliki beberapa kekurangan jika dibanding dengan kincir angin poros vertikal. Kekurangan yang dimiliki oleh kincir angin poros horisontal adalah :

1. Menara yang tinggi serta bilah yang panjang sulit diangkut dan juga memerlukan biaya besar untuk pemasangannya, bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan turbin angin.

2. Perlu adanya mekanisme tambahan untuk menyesuaikan dengan arah angin (sirip penggerak atau sensor elektrik).

3. Varian – varian downwind menderita kelelahan dan kegagalan struktural yang disebabkan oleh turbulensi.

2.2.3 Kincir Angin Poros Vertikal

Kincir angin poros vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) adalah salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan arah angin atau dengan kata lain kincir jenis ini dapat mengkonversi tenaga angin dari segala arah kecuali arah angin dari atas atau bawah. Kincir jenis ini menghasilkan torsi yang lebih besar dari pada kincir angin poros horisontal, terutama pada kincir angin poros vertikal jenis Savonius yang sering dimanfaatkan sebagai pengangkat air.

Gambar 2.4 Kincir angin poros vertikal jenis Savonius (Sumber:

http://sinarharapan.co/sh_img/14/09/29/l/14092903214092903214092903214092 903214092903214092903214092903214092903214092903214092903214092903

21409290321)

Gambar 2.5 Kincir angin poros vertikal jenis Darius (Sumber :

2.2.4 Kekurangan dan kelebihan Kincir Angin Poros Vertikal

Pada umumnya kincir angin poros vertikal menghasilkan torsi yang lebih besar dibanding dengan kincir angin poros horisontal, oleh karena itu kincir angin poros vertikal lebih cocok dimanfaatkan sebagai penggerak mekanis. Kelebihan lain yang dimiliki oleh kincir angin poros vertikal adalah sebagai berikut :

1. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar, dan perawatannya lebih mudah karena sebagian besar komponen – komponennya terletak dekat dengan permukaan tanah.

2. Tidak memerlukan yaw device atau alat pemutar turbin terhadap sumbu vertikal sehingga orientasi turbin selalu sesuai dengan arah angin.

3. Memiliki pitch-angle airfoil yang lebih besar, yang berarti memperbaiki aerodinamika turbin.

4. Dapat menerima arah angin dari segala arah.

5. Kincir angin sumbu vertikal yang kecil dapat dengan mudah diangkut dan dipasang.

6.Bisanya memiliki tip-speed-ratio yang lebih rendah sehingga kecil kemungkinannya untuk rusak dalam kondisi angin kencang.

Dari beberapa kelebihan yang dimiliki, kincir angin poros vertikal masih memiliki kekurangan. Kekurangan yang dimiliki oleh kincir angin poros vertikal diantaranya :

1. Hanya dapat mengkonfersi energi angin 50% dikarenakan adanya gaya drag tambahan.

dibanding dengan kincir angin sumbu horisontal.

3. Kebanyakan kincir angin sumbu vertikal memerlukan permukaan tanah ynag relatif datar sehingga tidak cocok didirikan ditempat - tempat yang terlalu curam.

4. Dipasang ditempat rendah maka faktor keselamatan perlu diperhatikan.

2.3 Grafik Hubungan Antara Cp Terhadap Tsr

Dari gambar 2.5 dapat dilihat bahwa koefisien daya maksimal yang dapat dihasilkan oleh kincir angin ideal adalah sebesar 59%, sedangkan kincir angin American multi-blade memiliki koefisien daya (Cp) maksimal sebesar 15%.

Gambar 2.6 Grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) dari beberapa jenis kincir angin.

2.4 Rumus Perhitungan

Berikut ini adalah rumus – rumus yang digunakan untuk melakukan perhitungan dan analisis unjuk kerja kincir angin yang diteliti.

2.4.1 Energi Angin

Angin adalah fluida yang bergerak sehingga memiliki energi kinetik, maka dapat dirumuskan sebagai berikut:

Ek= 0,5m v2 (1)

dengan :

Ek = energi kinetik (joule).

m = massa udara (kg). v = kecepatan angin (m/s).

Daya adalah energi persatuan waktu, sehingga perhitungan daya angin dapat dituliskan sebagai berikut:

Pin = 0,5 ṁ v2 (2)

dengan :

Pin = daya angin (watt).

ṁ = massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu (kg/s).

dengan :

dengan :

ρ = massa jenis udara (kg/m3).

A = luas penampang yang membentuk sebuah lingkaran (m2). dengan menggunakan Persamaan (3), maka daya angin (Pin) dapat

dirumuskan menjadi :

Pin = 0,5(ρAv)v2

yang dapat disederhanakan menjadi:

Pin = 0,5 ρ A v3 (4)

2.4.2 Perhitungan Torsi dan Daya

Untuk mengetahui unjuk kerja dari setiap model kincir angin dengan tiga variasi pitch angle, maka perlu dicari besarnya torsi dan daya yang dihasilkan oleh model kincir angin yang diteliti.

2.4.3 Torsi

Torsi merupakan hasil perkalian vektor antara jarak sumbu putar dengan gaya yang bekerja pada titik yang berjarak tertentu dari sumbu pusat. Pada penelitian ini digunakan mekanisme pengereman, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut:

T = Fr (5)

dengan:

F = gaya pada poros akibat puntiran (N).

r

= jarak lengan torsi ke poros (m).

2.4.4 Daya Kincir

Pada umumnya perhitungan untuk menghitung daya pada gerak melingkar dapat dituliskan sebagai berikut:

Pout = T

ω

(6)

dengan :

T = torsi dinamis (Nm).

ω = kecepatan sudut didapatkan dari ω = n rpm

= =

ω = (7)

Dari persamaan diatas, daya yang dihasilkan oleh kincir dapat dinyatakan dengan persamaan :

Pout =T rad/s (8)

dengan:

Pout = Daya yang dihasilkan kincir angin (watt).

2.4.5 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin dengan kecepatan angin.

Kecepatan di ujung sudu (Vt) dapat dirumuskan sebagai:

vt = ω r (9)

dengan.:

vt = kecepatan ujung sudu ω = kecepatan sudut (rad/s). r = Jari-jari kincir (m). sehingga tsrnya dapat dirumuskan dengan:

tsr= (10)

dengan:

r = jari – jari kincir (m).

n = putaran poros kincir tiap menit (rpm). v = kecepatan angin (m/s).

2.4.6 Koefisiensi Daya

Cp = 100% ₍₁₁₎

dengan:

Cp = koefisien daya (%).

Pout = daya yang dihasilkan oleh kincir (watt).

Pin = daya yang dihasilkan oleh angin (watt).

18 BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Diagram Penelitian

Langkah kerja dalam penelitian ini meliputi perancangan kincir hingga analisis data, pembahasan, serta pembuatan laporan. Langkah kerja tersebut disajikan dalam bentuk diagram alir yang ditampilkan pada Gambar 3.1.

ya

[image:33.595.123.526.274.739.2]

Gambar 3.1 Diagram alir

Analisis data dan pembahasan serta pembuatan laporan

Selesai Hasil olah data

Pengolahan data untuk mencari koefisien daya (Cp) dan Tip Speed Ratio (tsr) kemudian

membandingkan antara koefisien daya (Cp) dan Tip Speed Ratio (tsr) pada masing – masing

variasi kincir angin Mulai

Perancangan model kincir angin American multi-blade 9 sudu

Pembuatan model kincir angin American multi-blade berbahan baku plat aluminium, dengan variasi pitch angle 10o_{, 20}o_{, dan 30}o

Pengambilan data untuk mencari kecepatan angin, kecepatan putaran poros kincir angin, dan beban pengereman pada kincir angin

tidak

3.2 Bahan Pembuatan Model Kincir Angin

Model kincir angin American multi-blade dibuat dari bahan – bahan yang murah dan sederhana. Bahan – bahan yang digunakan untuk membuat model kincir angin adalah sebagai berikut :

1. Plat aluminium dengan ketebalan 1 mm untuk membuat sudu kincir angin dengan diameter 80 cm.

2. Tutup pipa paralon diameter 6 inchi digunakan untuk membuat hub kincir angin.

3. Aluminium profil U dengan panjang 35 cm digunakan untuk membuat tulang sudu.

4. Mur dan baut ukuran m5.

3.3 Alat – Alat Pembuatan Model Kincir Angin

Adapun beberapa peralatan yang digunakan dalam pembuatan model kincir angin adalah sebagai berikut :

1. Busur, jangka, penggaris, dan spidol untuk menggambar pola pada plat aluminium.

2. Gerinda potong untuk memotong plat aluminium sesuai dengan pola yang telah digambar.

3. Gerinda duduk dan kikir untuk menghaluskan potongan sudu kincir. 4. Bor digunakan untuk membuat lubang baut pada model kincir angin. 5. Mesin penekuk plat, digunakan untuk menekuk sudu kincir sesuai dengan

[image:35.595.113.500.108.580.2]

Gambar 3.2 Mesin penekuk plat 6. Obeng dan kunci pas.

3.4 Alat – Alat Pengujian dan Alat Bantu Pengukuran

Penelitian ini menggunakan alat pengujian dan alat bantu pengukuran yang telah dikalibrasi secara berkala. Alat pengujian dan alat bantu pengukuran yang digunakan dalam penelitian ini adalah :

1. Terowongan angin yang dilengkapi blower.

Alat ini digunakan untuk pengkondisian angin. Blower akan menyedot udara luar dan mengalirkannya melalui terowongan angin, kemudian angin yang dihasilkan oleh blower akan memutar kincir angin. Gambar dari terowongan angin yang dilengkapi blower ditunjukkan pada Gambar 3.3. 2. Anemometer

[image:36.595.133.511.163.739.2]

blower dan ditempatkan sejajar dengan arah angin. Anemometer dapat dilihat pada Gambar 3.4.

Gambar 3.3 Terowongan angin yang dilengkapi blower 3. Takometer

Takometer digunakan untuk mengukur kecepatan putar poros kincir angin. Pengukuran dilakukan dengan mengarahkan takometer tegak lurus dengan piringan mekanisme pengereman yang dihubungkan dengan poros utama kincir angin. Gambar 3.5 menunjukan takometer yang digunakan dalam penelitian ini.

[image:37.595.132.514.102.573.2]

Gambar 3.5 Takometer 4. Mekanisme pengereman

Mekanisme pengereman atau alat ukur gaya tangensial terdiri dari piringan yang terhubung dengan poros utama kincir angin, penjepit karet yang digunakan untuk pengereman, dan tali yang terhubung ke neraca pegas. Alat ini berfungsi sebagai pengerem atau penghambat putaran kincir yang dilakukan untuk pengambilan data putaran kincir (rpm) dan pembebanan (gram/N). Mekanisme pengereman ditunjukkan pada Gambar 3.6.

5. Neraca pegas

6. Tiang penahan kincir

[image:38.595.132.455.248.574.2]

Tiang penahan kincir terpasang didalam terowongan angin, alat ini digunakan untuk menopang kincir angin yang berputar didalam blower. Kincir angin yang terpasang pada tiang penahan kincir dan poros utama kincir dapat dilihat pada Gambar 3.8.

Gambar 3.6 Mekanisme pengereman 7. Poros utama kincir

[image:39.595.139.456.107.677.2]

Gambar 3.7 Neraca pegas

3.5 Prosedur Pembuatan Model Kincir Angin

Adapun langkah-langkah yang ditempuh dalam pembuatan model kincir angin tipe American multi-blade sembilan sudu adalah:

1. Menyiapkan plat alumunium sebagai bahan dasar pembuatan sudu kincir. 2. Menggambar pola pada plat aluminium sesuai dengan ukuran yang sudah

ditentukan. Pola berupa lingkaran berdiameter 80 cm yang dibagi menjadi 8 bagian.

[image:40.595.135.506.249.609.2]

3. Memotong pola dengan gerinda potong. Salah satu pola yang telah dipotong digunakan sebagai mal untuk membuat satu sudu lagi. Sudu model kincir angin yang sudah dipotong dapat dilihat pada Gambar 3.9.

Gambar 3.9 Sudu model kincir angin jenis American multi-blade yang digunakan dalam penelitian

5. Mengebor sudu kincir, hub, dan tulang sudu dengan diameter 5 mm sesuai dengan ukuran baut yang digunakan.

6. Menyatukan tulang kincir dengan sudu kincir dengan membautnya.

[image:41.595.135.479.248.562.2]

7. Memasang sudu – sudu kincir angin pada hub yang sudah dibor. Hub yang terbuat dari tutup pipa paralon dapat dilihat pada Gambar 3.10.

Gambar 3.10 Hub

8. Model kincir angin siap diuji. Model kincir angin American multi-blade sembilan sudu dapat dilihat pada Gambar 3.11.

3.6 Variabel Penelitian

Variabel penelitian yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Variasi pembebanan turbin yaitu dari posisi berputar maksimal sampai turbin dalam posisi diam (terhenti).

[image:42.595.115.508.128.578.2]

Gambar 3.11 Model kincir angin American multi-blade sembilan sudu yang digunakan dalam penelitian

3.7 Variabel yang diukur

Untuk mencapai tujuan penelitian, parameter yang harus diukur dalam penelitian unjuk kerja model kincir angin American multi-blade sembilan sudu adalah :

1. Kecepatan angin, v (m/s). 2. Gaya Pengimbang, F (N). 3. Putaran turbin, n (rpm).

3.8 Parameter yang dihitung

Parameter yang dihitung untuk mendapatkan karakteristik kincir angin yang diuji dalam penelitian ini adalah :

4. Tip speed ratio (tsr)

3.9 Langkah Percobaan

Pengambilan data dilakukan pada terowongan angin laboratorium konversi energi Universitas Sanata Dharma. Skema alat pengujian dapat dilihat pada Gambar 3.12. Pengambilan data yang meliputi kecepatan angin, beban, dan kecepatan putar kincir dilakukan secara bersama – sama dan dilakukan sebanyak tiga kali pada setiap variasi beban yang diberikan. Pertama - tama mengatur pitch angle model kincir dan memasang model kincir angin pada terowongan angin, sedangkan untuk pengambilan data memerlukan langkah - langkah sebagai berikut :

1. Memastikan validitas alat ukur yang digunakan dalam pengujian dan memastikan alat pengujian sudah dikalibrasi secara berkala.

2. Memasang neraca pegas yang dihubungkan ke sistem pengereman.

3. Memasang anemometer pada tempat yang sudah disediakan pada bagian depan terowongan angin.

4. Mempersiapkan takometer.

5. Menyambungkan model kincir angin dengan poros utama kincir agar kincir angin terhubung ke sistem pengereman.

6. Mengecek semua peralatan yang akan digunakan. 7. Menghidupkan blower.

[image:43.595.118.514.265.567.2]

[image:44.595.134.533.224.553.2]

9. Mengulangi langkah nomor 8 sampai kincir angin berhenti, setelah itu melakukan pengujian dengan variasi pitch angle sudu turbin lainnya. 10.Pengolahan data dan pembahasan.

Gambar 3.12 Skema alat pengujian

3.10 Langkah Pengolahan Data

Data yang diperoleh dari hasil pengukuran diolah melalui beberapa tahapan berikut :

1. Untuk mengetahui daya angin (Pin) digunakan data kecepatan angin (v) dan luasan kincir angin (A) dengan menggunakan Persamaan (2).

2. Torsi (T) dapat diperoleh menggunakan data dari beban pegas (gr) dan dari panjang lengan torsi sepanjang 0,2 m dengan memakai Persamaan (5).

Takometer

Mekanisme pengereman

Anemometer

3. Data putaran poros (n) dan hasil perhitungan torsi (T) dapat digunakan untuk mencari daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan menggunakan Persamaan (8).

4. Tip Speed Ratio (tsr) dapat dicari dengan membandingkan kecepatan keliling ujung sudu kincir angin (ω) dan kecepatan angin (v), dengan menggunakan Persamaan (10).

31

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Percobaan

[image:46.595.125.491.275.587.2]

Data yang diperoleh dari hasil pengujian kincir angin meliputi : kecepatan angin (m/s), putaran poros (rpm), dan gaya pengimbang (N). Pengambilan data dilakukan dengan 3 (tiga) variasi pitch angle 10˚,20˚, dan 30˚ yang disajikan pada Tabel 4.1, 4.2, dan 4.3.

Tabel 4.1 Data percobaan dengan pitch angle 100

Pada Tabel 4.1 dapat dilihat bahwa putaran poros maksimal yang dihasilkan oleh model kincir angin American multi-blade sembilan sudu dengan pitch angle 10o _{adalah 348 rpm tanpa dilakukan pembebanan pada kecepatan angin 8.67 m/s,}

dan model kincir angin ini masih mampu berputar pada putaran poros sebesar 19 rpm dengan beban yang diberikan sebesar 3,43 N.

No. Kec. Angin, v (m/s)

Putaran Poros, n (rpm)

Gaya Pengimbang, F (N)

1 8,67 348 0

2 8,50 301 0,49

3 _{8,39 268 0,98}

4 _{8,50 237 1,47}

5 _{8,74 187 1,96}

6 _{8,37 134 2,45}

7 _{8,55 103 2,94}

Tabel 4.2 Data Percobaan dengan pitch angle 200

No. Kec. Angin, v (m/s)

Putaran Poros, n (rpm)

Gaya Pengimbang, F (N)

1 9,02 452 0

2 8,52 416 0,49

3 8,55 394 0,98

4 8,53 379 1,47

5 8,56 346 1,96

6 8,62 328 2,45

7 8,73 297 2,94

8 8,43 267 3,43

9 8,36 253 3,92

10 8,40 219 4,41

11 8,23 192 4,91

12 8,40 153 5,40

13 8,28 135 5,89

14 8,28 101 6,38

15 8,35 70 6,87

[image:47.595.132.496.136.550.2]

16 8,30 34 7,36

Tabel 4.3 Data Percobaan dengan pitch angle 300

No. Kec. Angin, v (m/s)

Putaran Poros, n (rpm)

Gaya Pengimbang, F (N)

1 9,27 451 0

2 8,99 444 0,49

3 8,68 419 0,98

4 8,99 412 1,47

5 8,76 376 1,96

6 8,94 361 2,45

7 9,12 346 2,94

8 8,87 324 3,43

9 8,94 312 3,92

10 8,85 280 4,41

11 8,85 266 4,91

12 8,77 249 5,40

13 8,78 231 5,89

14 8,90 219 6,38

15 8,64 200 6,87

16 8,60 184 7,36

17 8,69 168 7,85

18 8,56 159 8,34

19 8,47 132 8,83

20 8,54 102 9,32

21 8,69 87 9,81

22 8,23 74 10,3

23 8,66 56 10,8

maksimal yang dapat dicapai tanpa pembebanan adalah sebesar 451 rpm pada kecepatan angin 9,27 m/s dan masih dapat berputar pada putaran poros sebesar 56 rpm pada beban sebesar 10,8 N.

4.2 Perhitungan

Langkah-langkah perhitungan diambil dari contoh sampel yang dapat dilihat pada Tabel 4.3 dan pada data ke-14.

4.2.1 Perhitungan Daya Angin

Daya yang dihasilkan angin pada model kincir angin American multi-blade sembilan sudu dengan luas penampang (A) = 0,50265 � dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (4).

Pin = ,5. ⍴ . A .v3

= 0,5 . 1,18 . 0,50265 (8,90 m/s)3

= 209,30 watt

4.2.2 Daya Kincir

Daya yang dihasilkan oleh model kincir angin dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (6), akan tetapi harus diketahui kecepatan sudut dan torsi terlebih dahulu. Nilai torsi dan kecepatan sudut dapat dicari menggunakan Persamaan (5) dan (7).

Kecepatan sudut dan torsi kincir adalah:

ω = π

tik ��/

= π

tik ��/

T = Fr = 6,38 . 0,2 = 1,28 Nm

sehingga daya kincir dapat diketahui dengan : Pout = Tω

= 1,28 Nm. 22,97 rad/s = 29,29 watt

4.2.3 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (tsr) diperoleh dari perbandingan antara kecepatan ujung kincir angin dengan kecepatan angin yang dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (10) :

tsr = πr

= π , . rp

. , / ��/

= 1,03

4.2.4 Koefisien Daya

Koefisien daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan model kincir angin dengan daya angin yang dapat diketahui dengan menggunakan Persamaan (11) :

Cp = �

�� %

= ,

, %

4.3 Data Hasil Perhitungan

[image:51.595.111.516.251.759.2]

Parameter yang diperoleh dari penelitian diolah dengan menggunakan Microsoft Excell untuk mendapatkan nilai torsi (T), daya output (Pout) dan daya input (Pin), kecepatan sudut (ω), koefisien daya (Cp), serta nilai tip speed ratio (tsr). Hasil perhitungan dapat dilihat pada Tabel 4.4 untuk pitch angle 100 , pitch angle 200 pada Tabel 4.5, dan Tabel 4.6 untuk pitch angle 300.

Tabel 4.4 Data perhitungan pitch angle 100

No Putaran Kincir, n (rpm) Gaya, F (N) Torsi, T (Nm) Kec.Sudut,

ω (rad/s)

Daya Input, Pin (watt) Daya Output, Pout (watt)

tsr Cp (%)

1 348 0 0 36,4 193,27 0 1,68 0

2 301 0,49 0,10 31,6 182,13 3,10 1,48 1,7

3 268 0,98 0,20 28,1 175,15 5,51 1,34 3,1

4 237 1,47 0,29 24,9 181,91 7,31 1,17 4,0

5 187 1,96 0,39 19,5 197,77 7,67 0,89 3,9

6 134 2,45 0,49 14,0 173,90 6,87 0,67 3,9

7 103 2,94 0,59 10,8 185,58 6,33 0,50 3,4

8 19 3,43 0,69 2,0 195,96 1,37 0,09 0,7

Tabel 4.5 Data perhitungan pitch angle 200

No Putaran Kincir, n (rpm) Gaya, F (N) Torsi, T (Nm) Kec.Sudut,

ω (rad/s)

Daya Input, Pin (watt) Daya Output, Pout (watt)

tsr Cp (%)

1 452 0 0 47,37 217,64 0 2,10 0

2 416 0,49 0,10 43,56 183,20 4,27 2,05 2,3

3 394 0,98 0,20 41,29 185,58 8,10 1,93 4,4

4 379 1,47 0,29 39,72 184,28 11,69 1,86 6,3

5 346 1,96 0,39 36,23 185,79 14,22 1,69 7,7

6 328 2,45 0,49 34,38 189,95 16,86 1,60 8,9

Tabel 4.5 Data perhitungan pitch angle 200 (lanjutan) No Putaran Kincir, n (rpm) Gaya, F (N) Torsi, T (Nm) Kec.Sudut,

ω (rad/s)

Daya Input, Pin (watt) Daya Output, Pout (watt)

tsr Cp (%)

8 267 3,43 0,69 27,93 177,66 19,18 1,33 10,8

9 253 3,92 0,78 26,49 173,28 20,79 1,27 12

10 219 4,41 0,88 22,93 175,98 20,25 1,09 11,5

11 192 4,91 0,98 20,14 165,52 19,76 0,98 11,9

12 153 5,40 1,08 15,99 175,77 17,25 0,76 9,8

13 135 5,89 1,18 14,17 168.55 16,68 0,68 9,9

14 101 6,38 1,28 10,54 168.15 13,44 0,51 8

15 70 6,87 1,37 7,37 172.86 10,12 0,35 5,9

16 34 7,36 1,47 3,53 169,57 5,19 0,17 3,1

Tabel 4.6 Data perhitungan pitch angle 30o

No Putaran Kincir, n (rpm) Gaya, F (N) Torsi, T (Nm) Kec.Sud-ut, ω (rad/s) Daya Input, Pin (watt) Daya Output, Pout (watt)

tsr Cp (%)

1 451 0 0 47,23 235,99 0 2,04 0

2 444 0,49 0,10 46,46 215,47 4,56 2,07 2,12

3 419 0,98 0,20 43,88 193,94 8,61 2,02 4,44

4 412 1,47 0,29 43,11 215,47 12,69 1,92 5,89

5 376 1,96 0,39 39,41 199,58 15,46 1,80 7,75

6 361 2,45 0,49 37,80 212,14 18,54 1,69 8,74

7 346 2,94 0,59 36,20 224,96 21,31 1,59 9,47

8 324 3,43 0,69 33,96 206,96 23,32 1,53 11,27

9 312 3,92 0,78 32,71 211,90 25,67 1,46 12,11

10 280 4,41 0,88 29,32 205,33 25,89 1,33 12,61

11 266 4,91 0,98 27,82 205,80 27,29 1,26 13,26

12 249 5,40 1,08 26,08 199,81 28,14 1,19 14,08

13 231 5,89 1,18 24,19 200,50 28,48 1,10 14,20

14 219 6,38 1,28 22,97 209,30 29,29 1,03 13,99

15 200 6,87 1,37 20,91 191,50 28,72 0,97 15,00

16 184 7,36 1,47 19,30 188,85 28,40 0,90 15,04

17 168 7,85 1,57 17,56 194,39 27,56 0,81 14,18

[image:53.595.112.514.126.698.2]

Tabel 4.6 Data perhitungan pitch angle 300 (lanjutan) No Putaran Kincir, n (rpm) Gaya, F (N) Torsi, T (Nm) Kec.Sud-ut, ω (rad/s) Daya Input, Pin (watt) Daya Output, Pout (watt)

tsr Cp (%)

19 132 8,83 1,77 13,82 179,99 24,41 0,65 13,56

20 102 9,32 1,86 10,68 184,93 19,91 0,50 10,77

21 87 9,81 1,96 9,15 194,62 17,94 0,42 9,22

22 74 10,30 2,06 7,75 165,52 15,96 0,38 9,65

23 56 10,79 2,16 5,90 192,38 12,73 0,27 6,62

4.4 Grafik Hasil perhitungan dan Pembahasan

Dari data yang telah diperoleh, kemudian diolah kembali ke dalam bentuk grafik untuk mengetahui hubungan antara torsi (T) dengan kecepatan putar kincir (n), daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan torsi (T), dan koefisien daya kincir (Cp) dengan Tip Speed Ratio (tsr). Grafik yang disajikan untuk setiap variasi percobaan dapat dilihat pada Gambar berikut ini :

Gambar 4.1 Grafik hubungan putaran kincir dengan torsi untuk pitch angle 100 pada kecepatan angin rerata 8,55 m/s

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

P utar an Kinc ir , n (r pm)

[image:54.595.122.508.117.640.2]

Gambar 4.2 Grafik hubungan daya output dengan torsi untuk pitch angle 100 pada kecepatan angin rerata 8,55 m/s

Gambar 4.3 Grafik hubungan koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) untuk pitch angle 10˚

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1, dapat dilihat bahwa kecepatan putar kincir berbanding terbalik dengan nilai torsi yang dihasilkan, hal ini dapat

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

Da y a Output, Pout (w att )

Torsi, T (Nm)

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

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Koe fisien Da y a, Cp (%)

tip speed ratio, tsr

diartikan bahwa semakin besar beban (F) yang diberikan nilai torsinya juga akan semakin besar sementara kecepatan putar poros kincir angin (n) akan semakin kecil. Dapat dilihat juga bahwa model kincir angin ini masih dapat berputar pada putaran poros sebesar 19 rpm dan nilai torsi yang dapat dicapai sebesar 0,69 Nm, sementara putaran poros maksimal tanpa pembebanan yang dapat dihasilkan kincir adalah sebesar 348 rpm pada kecepatan angin 8,67 m/s.

Gambar 4.2. memperlihatkan bahwa semakin besar torsi (T) maka semakin besar daya (Pout) yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian daya mengecil. Hubungan daya kincir dengan torsi dapat dilihat pada Persamaan (6), yang menjelaskan bahwa besarnya daya dipengaruhi oleh besarnya torsi (T) dan besar kecepatan sudut (ω). Dapat diketahui bahwa kecepatan sudut (ω) dipengaruhi oleh besarnya kecepatan putar kincir (rpm), sementara kecepatan putar kincir dipengaruhi oleh besarnya torsi (T) yang diberikan. Semakin besar torsi (T) yang diberikan, maka kecepatan putar kincir yang dihasilkan akan semakin kecil (Gambar 4.1) yang akan menyebabkan nilai kecepatan sudut (ω) juga semakin kecil. Daya kincir angin maksimal diperoleh dari perkalian torsi (T) optimal dan kecepatan sudut (ω) optimal. Sementara jika torsi (T) yang diberikan terlalu besar maka akan menyebabkan kecepatan sudut (ω) semakin kecil yang akan membuat daya dari kincir angin turun. Pada kecepatan angin rerata sebesar 8,55 m/s, daya maksimal dicapai pada Torsi 0,39 N.m sebesar 7,67 watt.

[image:55.595.111.513.274.559.2]

[image:56.595.117.510.273.668.2]

untuk mencari titik puncak yang kemudian akan diketahui besar koefisien daya maksimal (Cpmax) dan tip speed ratio (tsr) optimal. Gambar 4.3 menunjukkan bahwa semakin kecil nilai tsr maka semakin besar Cp yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian Cp menurun. Persamaan (9), menjelaskan bahwa besarnya tsr dipengaruhi oleh besarnya kecepatan sudut (ω), semakin besar kecepatan sudut (ω) maka semakin besar pula nilai tsr. Pada Persamaan (11) menjelaskan bahwa Cp adalah hasil perbandingan dari daya output kincir (Pout) dan daya input kincir (Pin). Kondisi puncak pada Gambar 4.3 diperoleh dari perbandingan Pout dan Pin optimal, dan pada tsr optimal yang dapat dicari dari nilai persamaan kuadratnya. Nilai hubungan Cpmax dan tsr optimal yang dapat dicapai kincir adalah pada nilai Cpmax 4,2% dan tsr optimal 0,86.

Gambar 4.4 Grafik hubungan putaran kincir dengan torsi untuk pitch angle 200 pada kecepatan angin rerata 8,47 m/s

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

P utar an Kinc ir , n (r pm)

[image:57.595.120.507.114.675.2]

Gambar 4.5 Grafik hubungan daya output dengan torsi untuk pitch angle 200 pada kecepatan angin rerata 8,47 m/s

Gambar 4.6 Grafik hubungan koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) untuk pitch angle 20˚

0 5 10 15 20 25

0 0,5 1 1,5 2

Da y a Output, Pout (watt )

Torsi, T (Nm)

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Koe fisien Da y a, Cp (%)

tip speed ratio, tsr

Gambar 4.1 menunjukkan bahwa kecepatan putar kincir berbanding terbalik dengan nilai torsi yang dihasilkan. Kecepatan putar kincir angin (n) akan semakin melambat seiring dengan bertambahnya beban torsi (T) yang diberikan. Model kincir angin masih dapat berputar pada putaran poros sebesar 34 rpm dan nilai torsi yang dapat dicapai oleh model kincir angin dengan pitch angle 200 adalah sebesar 1,47 Nm, dan putaran poros maksimal (tanpa pembebanan) yang dapat dihasilkan kincir adalah sebesar 452 rpm pada kecepatan angin 9,02 m/s.

[image:58.595.111.514.265.555.2]

Gambar 4.3 menunjukkan grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr), dari garfik tersebut diperoleh persamaan kuadrat Cp = - 0,1035tsr2 + 0,2252tsr – 0,0071. Persamaan kuadrat tersebut kemudian digunakan untuk mencari titik puncak yang kemudian akan diketahui besar koefisien daya maksimal (Cpmax) dan tip speed ratio (tsr) optimal. Gambar 4.3 menunjukkan bahwa semakin besar tsr maka semakin besar Cp yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian Cp mengecil. Persamaan (9), menjelaskan bahwa besarnya tsr dipengaruhi oleh besarnya kecepatan sudut (ω), semakin besar kecepatan sudut

[image:59.595.115.512.250.698.2]

(ω) maka semakin besar pula nilai tsr. Pada Persamaan (11) menjelaskan bahwa Cp adalah hasil perbandingan dari daya output kincir (Pout) dan daya input kincir (Pin). Kondisi puncak pada Gambar 4.3 diperoleh dari perbandingan Pout dan Pin optimal, dan pada tsr optimal yang dapat dicari dari nilai persamaan kuadratnya. Nilai hubungan Cpmax dan tsr optimal yang dapat dicapai kincir adalah pada nilai Cpmax 11,5 % dan tsr optimal 1,09.

Gambar 4.7 Grafik hubungan Putaran kincir dengan torsi untuk pitch angle 300

pada kecepatan angin rerata 8,77 m/s 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0 0,5 1 1,5 2 2,5

P utar an Kinc ir , n (r pm)

[image:60.595.120.511.115.695.2]

Gambar 4.8 Grafik hubungan daya output dengan torsi untuk pitch angle 300 pada kecepatan angin rerata 8,77 m/s

Gambar 4.9 Grafik hubungan Koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) untuk pitch angle 300

0 5 10 15 20 25 30 35

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Da y a Output, Pout (w att )

Torsi, T (Nm)

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50

Koe fisien Da y a, Cp (%) tsr

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1, dapat dilihat bahwa kecepatan putar kincir berbanding terbalik dengan nilai torsi yang dihasilkan. Hal ini dapat diartikan bahwa semakin besar beban torsi yang diberikan, kecepatan putar poros kincir angin (n) akan semakin kecil. Dilihat dari Gambar 4.1 dapat diketahui bahwa nilai torsi yang dapat dicapai model kincir angin adalah sebesar 2,16 Nm pada putaran poros 56 rpm, sementara putaran poros maksimal yang dapat dihasilkan kincir adalah sebesar 451 rpm pada beban nol dan pada kecepatan angin 9,27 m/s.

Gambar 4.2. memperlihatkan bahwa semakin besar torsi (T) maka semakin besar daya (Pout) yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian daya mengecil. Hubungan daya kincir dengan torsi dapat dilihat pada Persamaan (6), yang menjelaskan bahwa besarnya daya dipengaruhi oleh besarnya torsi (T) dan besar kecepatan sudut (ω). Dapat diketahui bahwa kecepatan sudut (ω) dipengaruhi oleh besarnya kecepatan putar kincir (n), sementara kecepatan putar kincir dipengaruhi oleh besarnya beban torsi (T) yang diberikan. Semakin besar beban torsi (T) yang diberikan, maka kecepatan putar kincir yang dihasilkan akan semakin kecil (Gambar 4.1) yang akan menyebabkan kecepatan sudutnya juga semakin mengecil. Daya kincir angin maksimal diperoleh dari perbandingan torsi (T) dan kecepatan sudut optimal. Sementara jika beban (T) yang diberikan terlalu besar maka akan menyebabkan kecepatan sudut (ω) semakin kecil yang akan membuat daya dari kincir angin turun. Pada kecepatan angin rerata 8,77 m/s, daya maksimal dicapai pada torsi 1,28 N.m sebesar 29,29 watt.

[image:61.595.109.513.259.571.2]

= - 0,1206tsr2 + 0,2489tsr – 0,016. Persamaan kuadrat tersebut kemudian digunakan untuk mencari titik puncak yang akan digunakan untuk mencari besar koefisien daya maksimal (Cpmax) dan tip speed ratio (tsr) optimal. Gambar 4.3 menunjukkan bahwa semakin kecil tsr maka semakin besar Cp yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian Cp mengecil. Persamaan (9), menjelaskan bahwa besarnya tsr dipengaruhi oleh besarnya kecepatan sudut (ω), semakin besar kecepatan sudut (ω) maka semakin besar pula nilai tsr. Pada Persamaan (11) menjelaskan bahwa Cp adalah hasil perbandingan dari daya output kincir (Pout) dan daya input kincir (Pin). Kondisi puncak pada Gambar 4.3 diperoleh dari perbandingan Pout dan Pin optimal, dan pada tsr optimal yang dapat dicari dari nilai persamaan kuadratnya. Nilai hubungan Cpmax dan tsr optimal yang dapat dicapai kincir adalah pada nilai Cpmax 14,5 % dan tsr optimal 1,03.

[image:62.595.114.514.245.572.2]

4.5 Grafik Perbandingan Tiga Variasi Pitch Angle

Gambar 4.10 memperlihatkan grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr) dari tiga variasi pitch angle (100, 200, dan 300). Nilai koefisien daya maksimal (Cpmax) dan nilai tip speed ratio (tsr) optimal diperoleh dengan mencari titik puncak dari persamaan kuadrat yang diperoleh dari perhitungan menggunakan microsoft excel. Unjuk kerja terbaik diperoleh dari model kincir angin dengan pitch angle 300 _{dengan nilai koefisien daya maksimal (C}

[image:63.595.118.494.122.579.2]

Gambar 4.10 Grafik hubungan koefisien daya dan tip speed ratio untuk tiga variasi pitch angle ( β ) 100, 200, dan 300

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Koef

isi

en

Daya,

Cp

(%

)

49

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Setelah dilakukan pengujian model kincir angin poros horisontal jenis American multi-blade sembilan sudu dengan variasi pitch angle 100, 200, 300 dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Telah berhasil dibuat model kincir angin poros horisontal jenis American multi-blade sembilan sudu berbahan aluminium dengan diameter 80 cm dan telah digunakan dalam pengujian.

2. Unjuk kerja optimal yang dapat dicapai model kincir angin dengan pitch angle 100 memliliki koefisien daya maksimal 4,2 % pada tip speed ratio optimal 0,86. Model kincir angin dengan pitch angle 200 _memliliki

koefisien daya maksimal 11,5 % pada tip speed ratio optimal 1,09. Variasi pitch angle 300 _{memliliki koefisien daya maksimal 14,5 % pada tip speed}

ratio optimal 1,03.

5.2 Saran

Setelah dilakukan penelitian ada beberapa hal yang dapat menjadi saran untuk penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut:

1. Memperbanyak variasi pitch angle agar mendapatkan unjuk kerja yang lebih baik lagi.

2. Memastikan alat ukur yang digunakan dalam penelitian dalam keadaan baik dan sudah dilakukan kalibrasi agar mendapatkan data yang akurat dan presisi.

DAFTAR PUSTAKA

Johnson, G.L. 2006. Wind Energy System. Manhattan.

Mathew, S. Wind Energy Fundamentals, Resource Analysis and Economics. Faculty of Engineering, KCAET Tavanur Malapuram, Kerala India. Pakpahan, S. 2003. Pemetaan Energi Angin Untuk Pemanfaatan dan Melengkapi

Peta Potensi SDA Indonesia. Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional, Jakarta.

Pudjanarsa, A., dan Nursuhud, D., 2008. Mesin Konversi Energi. Andi Offset, Yogyakarta.