i
KINCIR ANGIN MODEL AMERICAN MULTI-BLADE
DELAPAN SUDU DARI BAHAN ALUMINIUM
DENGAN TIGA VARIASI PITCH ANGLE
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin
Oleh :
DOMINIKUS DWI WIDARYANTO NIM : 115214039
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
ii
AN EIGHT BLADES AMERICAN MULTI-BLADES
WINDMILL MODEL FROM ALUMINIUM MATERIAL WITH
THREE PITCH ANGLE VARIATIONS
FINAL PROJECT
Presented as partial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
by
DOMINIKUS DWI WIDARYANTO Student Number : 115214039
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA 2015
vii
INTISARI
Sumber energi merupakan salah satu hal yang tidak dapat dipisahkan dari kehidupan manusia karena memegang peranan yang penting untuk memenuhi semua kebutuhan manusia baik secara ekonomi, sosial, dan lingkungan. Pemanfaatan energi terbarukan saat ini sangat dibutuhkan dengan produksi bahan bakar minyak yang semakin terbatas. Salah satu alternatif contoh energi yang dapat diperbarui adalah energy angin. Tujuan dari penelitian ini dan membuat kincir angin yang selanjutnya digunakan dalam penelitian untuk mengetahui koefisien daya maksimal tertinggi untuk tiga variasi pitch angle sudu kincir dan
tip speed ratio optimalnya.
Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin poros horisontal jenis kincir angin American multi-blade berdiameter 80 cm dengan jumlah delapan sudu yang terbuat dari bahan aluminium dengan variasi pitch angle 10˚, 20˚, 30. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin (wind tunnel) dengan menghubungkan poros kincir pada mekanisme pengereman yang berfungsi untuk menambah pembebanan. Besarnya pembebanan diukur menggunakan neraca pegas, putaran diukur menggunakan takometer dan kecepatan angin diukur dengan anemometer. Data yang diambil pada saat penelitian adalah kecepatan angin, putaran poros kincir, daya kincir, daya angin,
tip speed ratio, dan gaya pengimbang torsi.
Dari hasil perolehan data, kincir angin dengan variasi pitch angle 10o menghasilkan daya output maksimal sebesar 7,60 watt pada kecepatan angina 8,34 m/s dengan koefisien daya maksimalnya adalah 4,4 % pada nilai tip speed
ratio optimal 0,74. Kincir angin dengan pitch angle 20o nilai daya output
masimalnya sebesar 10,37 watt pada kecepatan angin 8,66 m/s dengan koefisien daya maksimal adalah 5,4 % pada nilai tip speed ratio optimal 0,97. Kincir angin dengan pitch angle 30o menghasilkan nilai daya output maksimal sebesar 31,72 watt pada kecepatan angin 8,85 m/s dengan koefisien daya adalah 16,3 % pada tip
speed ratio optimal 1,05. Dari semua peroleh data hasil perhitungan untuk semua
variasi pitch angle bila dibandingkan dapat diperoleh kesimpulan bahwa yang merupakan variasi terbaik adalah variasi pitch angle 30o karena menghasilkan koefisien daya dan daya output maksimal yang paling tinggi dari semua variasi.
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yang Maha Esa karena rahmat dan berkat yang diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.
Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Tugas Akhir ini dilaksanakan dalam rangka memenuhi syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Berkat bimbingan, dukungan dan nasihat dari berbagai pihak, akhirnya Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Ibu Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc. Selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Bapak Ir. PK. Purwadi, S.T.,M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Bapak Ir. Rines, S.T, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik dan selaku Dosen Pembimbing TA.
4. Bapak R. Bernardus Wihadi Dwisuseno, MT sebagai Kepala Laboratorium Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
5. Bapak Intan Widanarko selaku Laboran Laboratorium Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
6. Bapak Antonius Sukirno dan (Alm.) Ibu Theresia Jumarni orang tua saya yang telah memberi dukungan baik material maupun spiritual hingga saat ini.
7. Susanna Purwaninastiti selaku saudara kandung saya yang memberikan dorongan semangat serta membantu agar segera terselesaikannya Tugas Akhir ini.
ix
8. Dimas Citra Manggala Yudha, Yoseph Seno T serta Tomas Prasetya Widi. selaku rekan-rekan saya, yang telah membantu dalam perancangan, pembuatan, perbaikkan alat dan pengambilan data.
9. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan teman-teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih atas segala bantuannya.
Penulis menyadari dalam penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Segala kritik dan saran yang membangun akan sangat penulis harapkan demi penyempurnaan dikemudian hari. Akhir kata seperti yang penulis harapkan semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.
Yogyakarta, 05 Juni 2015
x DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
TITLE PAGE ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
DAFTAR DEWAN PENGUJI ... iv
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vi
INTISARI ... vii
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR GAMBAR ... xiii
DAFTAR TABEL ... xv BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 2 1.3 Batasan Masalah ... 3 1.4 Tujuan Penelitian ... 3 1.5 Manfaat penelitian ... 4
BAB II DASAR TEORI ... 5
2.1 Konsep Dasar Angin ... 5
xi
2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal ... 6
2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ... 9
2.3 Rumus Perhitungan ... 12
2.3.1 Daya Angin ... 12
2.3.2 Torsi Kincir Angin ... 13
2.3.3 Daya Kincir Angin ... 14
2.3.4 Tip Speed Ratio ... 15
2.3.5 Koefisien Daya ... 16
BAB III METODE PENELITIAN ... 17
3.1 Bahan-bahan ... 17
3.2 Alat-alat ... 19
3.3 Desain Sudu Kincir ... 21
3.4 Variabel Peneliti ... 24
3.4 Variabel yang Diukur ... 25
3.4 Parameter yang Dihitung ... 25
3.5 Langkah Percobaan ... 25
3.6 Langkah Pengolahan Data ... 28
BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ... 30
4.1 Data Percobaan ... 30
4.2 Perhitungan ... 32
xii
4.2.2 Perhitungan Daya Kincir (Pout) ... 32
4.2.3 Perhitungan Tip Speed Ratio ... 33
4.2.4 Perhitungan Koefisien Daya Kincir (CP) ... 33
4.3 Data Hasil Perhitungan ... 33
4.4 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan ... 37
4.4.1 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan Variasi Picth Angle 10o ... 37
4.4.2 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan Variasi Picth Angle 20o ... 40
4.4.3 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan Variasi Picth Angle 30o ... 43
4.5 Grafik Dari Hasil Perhitungan dan Pembahasan 3 Variasi Pitch Angle ... 46 BAB V PENUTUP ... 49 5.1 Kesimpulan ... 49 5.2 Saran ... 50 DAFTAR PUSTAKA ... 51 LAMPIRAN ... 52
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Kincir Angin American multi-blade ... 7
Gambar 2.2 Kincir Angin Dutch four arm ... 8
Gambar 2.3 Kincir Angin Savonius ... 10
Gambar 2.4 Kincir Angin Darieus ... 11
Gambar 2.5 Grafik HubunganAntara Koefisien Daya (CP) Dengan Tip Speed Ratio (tsr) Dari Beberapa jenis Kincir ... 14
Gambar 3.1 Penyangga sudu ... 17
Gambar 3.2 Dudukan sudu dari tutup pipa ... 18
Gambar 3.3 Mal pembentukan belahan sudu pada permukaan lingkaran ... 21
Gambar 3.4 Pembentukan kemiringan sudut sudu setelah pemotongan sudu ... 22
Gambar 3.5 Mal pembentukan sektor sudut kemiringan sudu ... 23
Gambar 3.6 Model kincir angin yang akan dibuat dalam penelitian ... 24
Gambar 3.7 Skema susunan alat-alat pengujian ... 27
Gambar 4.1 Grafik Hubungan Putaran poros dengan Torsi variasi pitch angle 100 ... 36
Gambar 4.2 Grafik Hubungan torsi dengan daya output pada variasi pitch angle 100 ... 37
Gambar 4.3 Grafik Hubungan Koefisien daya (Cp) dengan Tip speed ratio variasi pitch angle 10˚ ... 37
xiv
Gambar 4.4 Grafik Hubungan Putaran poros dengan Torsi variasi pitch
angle 20o ... 39
Gambar 4.5 Hubungan torsi dengan daya output variasi pitch
angle 20o ... 39
Gambar 4.6 Grafik Hubungan Koefisien daya (Cp) dengan Tip speed ratio
(tsr) variasi pitch angle 20˚ ... 40
Gambar 4.7 Grafik Hubungan Putaran poros dengan Torsi variasi pitch
angle 30o ... 41
Gambar 4.8 Hubungan torsi dengan daya output variasi pitch
angle 30o ... 42
Gambar 4.9 Grafik Hubungan Koefisien daya (Cp) dengan Tip speed ratio
(tsr) variasi pitch angle 30˚ ... 42
Gambar 4.10 Grafik Hubungan Koefisien daya dan Tip speed ratio untuk semua variasi kemiringan sudu ... 44 Gambar 4.11 Grafik hubungan putaran kincir (rpm) dan torsi (T) untuk
semua variasi sudut kincir angina ... 45 Gambar 4.11 Grafik hubungan daya kincir (Pout) dan torsi (T) untuk semua
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Data percobaan dengan variasi pitch angle 100 ... 30
Tabel 4.2. Data percobaan dengan variasi pitch angle 200 ... 31
Tabel 4.3. Data percobaan dengan variasi pitch angle 300 ... 31
Tabel 4.4. Data Perhitungan untuk pitch angle 100 ... 34
Tabel 4.5. Data Perhitungan untuk pitch angle 200 ... 35
1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Angin merupakan sumberdaya alam yang tidak akan habis. Berbeda dengan sumberdaya alam yang berasal dari fosil seperti gas dan minyak. Cadangan energi fosil semakin berkurang sedangkan kebutuhan konsumsi bahan bakar minyak terus meningkat. Perkiraan kandungan minyak bumi di Indonesia dengan tingkat konsumsi bahan bakar minyak seperti saat ini akan habis dalam waktu 10 sampai 15 tahun lagi. Hal ini menjadi tantangan besar bagi Indonesia dan dunia, ketika dihadapkan pada kondisi dimana sebagian besar masih tergantung pada energi bahan bakar fosil.
Pada dasarnya, kebutuhan manusia terhadap energi semakin meningkat, setelah dimulainya revolusi industri, orang mulai menggunakan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui. sumber dayanya yaitu bahan bakar fosil, batubara, gas alam dan minyak bumi. Bahan bakar fosil ini merupakan sumber daya energi konvensional dan tidak terbaharui dan jumlahnya terbatas. Dengan hal ini, maka timbul kecemasan manusia terhadap sumber daya konvensional yang tidak dapat di perbaharui, dan agar mempertahankan eksistensi manusia di bumi ini. harus dicarai energi alternatif untuk menggantikan energi bahan bakar fosil. salah satu contoh energi alternative pengganti fosil yaitu energi angin.
Kebutuhan energi merupakan salah satu hal yang tidak dapat dipisahkan dari kehidupan manusia karena mempunyai peranan yang penting untuk memenuhi semua kebutuhan manusia baik dari segi ekonomi, sosial, dan
lingkungan. Karena perkembangan jaman yang semakin pesat, saat ini sumber energi dikembangkan hingga berbagai macam bentuk dan salah satunya yang belum maksimal di negara Indonesia adalah energi angin karena mengingat negara Indonesia ini merupakan negara agraris yang memiliki sumber energi angin yang bisa dimanfaatkan lebih optimal dan lebih efektif.
Pemanfaatan energi terbarukan saat ini sangat dibutuhkan dengan produksi bahan bakar minyak yang semakin terbatas. Keterbatasan produksi bahan bakar minyak menjadikan harga bahan bakar naik. Salah satu energi terbarukan yang dapat dikembangkan di Indonesia adalah pemanfaatan energi angin. Potensi pemanfaatan energi angin di Indonesia masih terbuka luas karena Indonesia memiliki garis pantai sekitar 95.000 km, demikian juga potensi kecepatan angin yang dimiliki berkisar 5 m/s hingga 11 m/s.
Pemanfaatan energi angin saat – saat ini masih belum optimal dan dalam penggunaannya masih belum efektif. Maka dari itu diperlukan suatu mekanisme yang tepat untuk memanfaatkan energi angin menjadi energi yang tepat guna, salah satunya adalah mengubah energi angin menjadi energi listrik.
1.2 Perumusan Masalah
Masalah yang ingin dipecahkan dalam Tugas Akhir ini adalah :
a. Angin adalah salah satu sumber energi yang berlimpah, gratis, memiliki potensi untuk dikembangkan dan tidak menimbulkan banyak dampak negatif bagi lingkungan dan manusia namun belum dimanfaatkan secara optimal.
b. Untuk menghasilkan efisiensi yang tinggi diperlukan desain kincir angin yang khusus, seperti pitch angle pada sudu kincir.
1.3 Batasan Masalah
Pembuatan kincir angin dengan memperhatikan batasan – batasan sebagai berikut :
a. Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin American
multi-blade dengan jumlah delapan sudu mengunakan bahan
aluminium dengan diameter 80 cm.
b. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin (wind tunnel) di laboratorium konversi energi Universitas Sanata Dharma.
c. Variasi yang diambil adalah kemiringan sudut sudu (pitch angle) dengan sudut 10˚, 20˚ dan 30˚.
d. Data yang diambil pada saat penelitian adalah kecepatan angin, putaran poros kincir, dan gaya pengimbang torsi.
e. Hasil penelitian adalah koefisien daya dan tip speed ratio untuk tiga variasi kincir angin.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
a. Merancang dan membuat kincir angin American multi-blade dengan jumlah delapan sudu yang terbuat dari bahan aluminium.
b. Untuk mengetahui daya output maksimal kincir dan torsi optimal kincir angin American multi-blade dengan variasi pitch angle 10˚, 20˚, 30˚.
c. Mengetahui unjuk kerja kincir angin American multi-blade variasi pitch
angle 10˚, 20˚, 30˚ yaitu koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr).
d. Mengetahui unjuk kerja kincir angin American multi-blade yang terbaik dari tiga variasi yang diteliti dengan membandingkan koefisien daya (Cp)
dan tip speed ratio (tsr).
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari pembuatan kincir angin adalah sebagai berikut :
a. Mengembangkan pengetahuan mengenai energi terbarukan khususnya energi angin.
b. Mencari alternatif pengganti bahan bakar fosil dengan memanfaatkan kincir angin yang bersih dan ramah lingkungan. Memperluas dan menambah pengetahuan tentang pembuatan kincir angin dengan bahan aluminium.
c. Membuat pengembangan energi angin dengan bahan yang murah dan sederhana supaya mudah dalam pembuatannya.
5 BAB II DASAR TEORI
2.1 Konsep Dasar Angin
Sejak dulu energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan oleh manusia sebagai sumber tenaga alam. Contohnya perahu-perahu layar menggunakan energi ini untuk berlayar menyeberangi perairan sudah sejak dari jaman dulu. Sebagaimana diketahui, energi angin merupakan energi yang berasal dari alam. angin ini disebabkan karena adanya perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di daerah panas, udaranya menjadi panas sehingga mudah mengembang dan menjadi ringan, udara tersebut akan naik ke atas dan bergerak ke daerah yang dingin. Udara yang bergerak ke daerah dingin akan menjadi dingin dan turun ke bawah. Dengan demikian terjadi suatu perputaran udara. Perpindahan inilah yang disebut sebagai angin.
Sekarang ini, energi angin hanya memenuhi sebagian kecil saja dari kebutuhan akan energi. Dengan demikian kemajuan teknologi. penggunaan energi angin makin meningkat dan biaya pekamaiannya semakin murah.
Dengan demikian didapatkan analisis bahwa energi angin merupakan energi yang berasal dari perbedaan suhu antar udara panas dan dingin. dengan biaya pemakaiannya yang murah.
2.2 Kincir Angin
Kincir angin adalah sebuah alat yang mampu mengkonversi energi angin menjadi energi mekanik dalam arti lain bisa digunakan untuk menangkap atau memperoleh energi angin yang dipergunakan tidak hanya sebagai penumbuk
biji-bijian dan memompa air untuk mengairi sawah tetapi dapat juga dikonversikan menjadi tenaga listrik yang berasal dari putaran kincir.
Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dibedakan menjadi dua kelompok utama, yaitu: kincir angin poros horizontal dan kincir angin poros vertikal.
2.2.1 Kincir angin poros horisontal
Kincir angin jenis ini ialah jenis kincir angin yang paling banyak digunakan sekarang. Kincir ini terdiri dari sebuah menara yang di puncaknya terdapat sebuah baling-baling yang berfungsi sebagai rotor dan menghadap atau membelakangi arah angin. Kebanyakan turbin angin jenis ini yang dibuat sekarang mempunyai dua atau tiga bilah baling-baling walaupun ada juga turbin bilah baling-balingnya banyak.
Kincir angin ini memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah angin. Kincir ini terdiri dari sebuah menara sedangkan kincir berada pada puncak menara tersebut. Poros kincir dapat berputar 3600 terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin.
Ada beberapa jenis kincir angin horisontal yang sudah umum dikenal dan dikembangkan:
1. Kincir angin American Multi-blade
Kincir angin American Multi-blade adalah salah jenis kincir angin yang mempunyai jumlah sudu yang banyak , biasa kincir angin ini memiliki jumlah sudu lebih dari tiga buah. Gambar kincir angin American Multi-blade dapat dlihat pada Gambar 2.1. Sesuai dengan namanya kincir angin ini banyak
dtemukan di negara Amerika Serikat, biasa digunakan untuk menggerakkan pengaliran air, penggilingan biji-bijian dan sebagai alternatif pengganti energi listrik.
Gambar 2.1 American Multi Blade
(Sumber : http://panzoelgituloh.blogspot.com, diakses 12 Maret 2015 )
2. Kincir angin Dutch four arm
Kincir angin Dutch four arm atau lebih dikenala dengan kincir angin Belanda adalah kincir angin yang memiliki 4 lengan sudu, gambar kincir angin Dutch four arm dapat dilihat pada Gambar 2.2. Kincir angin ini biasanya digunakan oleh negara Belanda untuk menggerakkan pompa dengan memanfaatkan kincir angin untuk mengeringkan lahan, dengan cara air tanah itu di pompa keluar lahan yang dinamakan dengan polder. Adanya angin
secara teratur menjamin pompa itu dapat berfungsi secara teratur menjamin pompa itu dapat berfungsi secara teratur pula. Sejak berabad-abad Belanda secara massive telah menggunakan kincir angin baik untuk menggiling gandum maupun untuk memompa air demi mengeringkan negerinya yang lebih rendah dari laut.
Gambar 2.2 Kincir Angin Dutch four arm
(Sumber: http:// lailyychan.blogspot.com diakses 7 Mei 2015)
Kincir angin poros horisontal memiliki beberpaa dari kelebihan diantaranya adalah:
a. Dasar menara yang tinggi memberikan akses ke angin yang lebih kuat. b. Mampu mengkonversikan energi angin pada kecepatan tinggi.
c. Memberikan kinerja yang lebih baik pada produksi energi dibandingkan dengan turbin angin dengan sumbu vertikal.
Selain memiliki kelebihan, kincir angin poros horisontal juga memiliki kekurangan diantaranya:
a. Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkut. Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan turbin angin.
b. Kincir yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang sangat tinggi dan mahal serta dibutuhkan operator yang terampil.
c. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator.
d. Kincir angin membutuhkan mekanisme kontrol tambahan untuk membelokkan kincir ke arah angin.
2.2.2 Kincir angin poros vertikal
Kincir ini memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah kincir tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. Kincir ini mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah.
Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan.
Ada beberapa jenis kincir angin horisontal yang sudah umum dikenal dan dikembangkan:
1. Kincir Angin Savonius
Kincir angin Savonius adalah salah satu jenis kincir angin dengan axis vertikal yang mampu mengubah energi angin horizontal menjadienergi kinetik rotasi. Kincir ini dikembangkan oleh insinyur asal Finlandia Sigurd Johannes Savonius pada tahun 1922. Kincir angin Savonius dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Kincir Angin Savonius
(Sumber: http://cleangreenenergyzone.com, 12 Maret 2015) 2. Kincir Angin Darrieus
Kincir angin Darrieus merupakan suatu sistem konversi energi angin yang digolongkan dalam jenis kincir angin berporos tegak. Turbin angin ini pertama kali ditemukan oleh GJM Darrieus tahun 1920. Keuntungan dari turbin jenis Darrieus adalah tidak memerlukan mekanisme orientasi pada arah angin (tidak perlu mendeteksi arah angin yang paling tinggi
kecepatannya) seperti pada kincir angin propeller. Kincir angin Darrieus memiliki ukuran dan efisiensi yang berbeda. Kincir angin Darrieus dapat dilihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.4 Kincir Angin Darrieus
(Sumber: http://1.bp.blogspot.com, diakses 12 Maret 2015)
Kincir angin poros vertikal memiliki beberpaa dari kelebihan diantaranya adalah:
a. Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di tempat-tempat yang memiliki geseran angin (perbedaan antara laju dan arah angin) antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfir bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%.
b. Kincir ini tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.
c. Kincir ini bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.
Selain memiliki kelebihan, kincir angin poros vertikal juga memiliki kekurangan diantaranya:
a. Kebanyakan kincir ini memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi kincir angin poros horisontal karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.
b. Kebanyakan kincir ini mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.
c. Sebuah kincir angin poros vertikal yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup.
2.3 Rumus-Rumus Perhitungan
Berikut ini rumus-rumus yang digunakan dalam melakukan perhitungan dan analisa dalam penelitian unjuk kerja kincir angin ini adalah sebagai berikut:
2.3.1 Daya Angin
Energi yang terdapat pada angin adalah energy kinetik, sehingga secara umum disampaikan pada Persamaan (1):
dengan Ek adalah energi kinetik (J),
m adalah massa udara (kg), dan v adalah
kecepatan angin (m/s).
Daya merupakan energi per satuan waktu, maka dari persamaan diatas dapat dituliskan:
Pin = ṁv2 (2)
dengan adalah daya yang dihasilkan angin, J/s (watt), ̇ adalah massa udara yang mengalir per satuan waktu, kg/s, v adalah kecepatan angin, m/s.
Massa udara yang mengalir per satuan waktu adalah:
ṁ = ρ A v (3)
dengan
ρ
adalah massa jenis udara (1,18 kg/ ), A adalah luas penampang yang membentuk sebuah lingkaran (m2).Dengan menggunakan Persamaan (3), maka daya angin (Pin) dapat
dirumuskan menjadi:
Pin = (ρAv)v2
yang dapat disederhanakan menjadi:
Pin = ρ A v
3
(4)
2.3.2 Torsi Kincir Angin
Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya dorong pada sumbu kincir, dimana gaya dorong memiliki jarak terhadap sumbu poros yang berputar. Persamaannya adalah :
Dengan T adalah torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros (Nm), F adalah gaya penyeimbang torsi (N), dan r adalah jarak lengan torsi ke poros (m).
2.3.3 Daya Kincir Angin
Daya kincir angin adalah daya yang dihasilkan oleh poros kincir akibat daya angin yang melintasi sudu-sudu kincir.
Daya efektif yang dapat diambil kincir angin adalah sebesar 59,3%. Angka 59,3% adalah batas Betz ( Betz Limit, diambil dari ilmuan jerman Albert Betz). Gambar 2.5 merupakan karakteristik dari beberapa kincir.
Gambar 2.5 Grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dengan tips speedratio (tsr) dari beberapa jenis kincir.
(Sumber : http://www.intechopen.com, diakses 12 februari 2015)
Umumnya perhitungan daya gerak melingkar dapat dituliskan dengan persamaan:
Pout = T ω (6)
Kecepatan sudut (ω) didapat dari: ω
=
n rpm=
n=
=
(7) Dengan demikian daya yang dihasilkan oleh kincir dinyatakan dengan persamaan :Pout = Tω
Pout = T
W (8)
dengan
p
out adalah daya yang dihasilkan kincir angin (watt),n adalah putaran
poros (rpm).2.3.4 Tip Speed Ratio
Tip Speed Ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu
kincir angin yang berputar dengan kecepatan angin. Rumus kecepatan diujung sudu ( ) adalah:
v
t= ω r
(9)dengan adalah kecepatan ujung sudu, adalah kecepatan sudut (rad/s), dan adalah jari-jari kincir (m).
Tip Speed Ratio (tsr) nya dapat dirumuskan dengan:
dengan r adalah jari-jari kincir angin (m), n adalah putaran poros (rpm), v adalah kecepatan angin (m/s).
2.3.5 Koefisien Daya
Koefisien daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yan dihasilkan oleh kincir ( ) dengan daya yang disediakan oleh angin ( ), sehingga dapat dirumuskan:
Cp =
100% (11)
dengan Cp adalah koefisien daya (%), Pout adalah daya yang dihasilkan oleh kincir
17
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Bahan-bahan
Bahan-bahan yang diperlukan pada penelitian ini dapat adalah sebagai berikut:
a. Bahan untuk sudu-sudu kincir.
Sudu-sudu kicir angin dipilih dari bahan aluminium dengan ketebalan 1 mm.
b. Bahan untuk penyangga sudu kincir.
Penyangga sudu juga menggunakan bahan aluminium berbentuk pipa persegi dengan panjang 400 mmlebar 15 mm dan tinggi 5 mm yang diberi lubang berukuran 5 mm untuk menempelkan sudu pada penyannga,seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Penyangga sudu
5 mm 10 mm 15 mm 15 mm 11 m m 370 mm 70 mm 70 mm 100 mm 80 mm 22,5 mm 5 mm 2,5 mm
c. Dudukan sudu atau Hub
Sedangkan dudukan sudu merupakan bagian komponen yang berfungsi untuk pemasangan sudu. Dudukan sudu ini dari tutup pipa paralon yang memiliki diameter 6 inchi. Untuk memasang sudu pada dudukan, maka dibuat lubang berdiameter 5 mm untuk memasang penyangga sudu yang dapat dilihat pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Dudukan sudu dari tutup pipa
c. Baut dan Mur
Baut dan mur berfungsi untuk merangkai bagian sudu dengan penyangga sudu kemudian dirangkai pada dudukan sudu atau hub ar dapat menjadi rangkaian model kincir angin. Baut yang digunakan memiliki ukuran M 5. 60 mm 170 mm 5 mm 10 mm 4 mm
d. Bahan untuk poros utama kincir.
Poros utama kincir yang dipasang tetap pada lubang poros kincir dan ditahan oleh dua bantalan tiang penahan pada tiang penahan kincir, menggunakan bahan pejal silindris berdiameter ¾ inci.
e. Bahan-bahan untuk tiang penahan kincir.
Tiang penahan kincir dibuat dari pipa baja berdiameter 1 inci. Di tengah-tengah tiang terdapat rumah bantalan untuk tumpuan poros kincir dengan desain dari papan baja dengan ketebalan 6 mm.
3.2 Alat-alat
Alat-alat yang diperlukan dalam penelitian ini dapat dibedakan menjadi dua kelompok, yaitu:
a. Alat-alat kerja atau alat untuk pembuatan kincir, meliputi: 1. Mesin bor beserta Mata Bor
2. Gergaji 3. Mesin Gerinda 4. Mesin tekuk 5. Gunting Seng 6. Obeng 7. Tang 8. Cutter
b. Alat tambahan dan alat bantu pengukuran, meliputi:
1. Terowongan angin yang dilengkapi blower, untuk pengkondisian angin.
2. Anemometer untuk pengukuran kecepatan angin yang dihasilkan blower.
3. Takometer untuk pengukuran putaran kincir.
4. Neraca pegas untuk pengukuran pembebanan yang diberikan pada saat pengeremanan yang diasumsikan sebagai pengimbang torsi dinamis. 5. Mekanisme pengereman alat ukur gaya tangensial berfungsi sebagai
pengerem atau penghambat putaran kincir dalam melakukan pengambilan data torsi dan daya kincir.
c. Tiang penahan kincir di dalam terowongan angin.
Rangka penahan kincir angin yang akan dibuat dalam penelitian ini adalah seperti yang ditunjukan dalam gambar 1. Secara garis besar rangka penahan yang dipasang dalam terowongan angin ini terdiri atas tiga bagian, yakni tumpuas atas, tumpuan bawah dan rumah bantalan tempat kedudukan poros kincir. Terdapat dua bantalan yang akan dipasang di sebelah depan dan sebelah belakang rumahnya. Kedua bantalan ini digunakan untuk menumpu poros utama kincir angin.
d. Poros utama kincir
Poros kincir yang dibuat berbahan dasar baja dengan bentuk dan ukuran yang sudah disesuaikan dengan kincir. Poros ini dipasang pada hup atau pusat kincir dan selanjutnya sebagian ujungnya (ujung belakang) dipasang pada tiang penyangga kincir melalui dua bantalan berdiameter 15 mm.
3.3 Desain Sudu Kincir
Sudu-sudu kincir yang dipilih memiliki penampang flat dari bahan aluminium yang memiliki ketebalan 1 mm. sudu dibuat tiga variasi sudut sudu (α), yakni 10o
,20o,dan 30o. Sudu dibuat dari delapan bagian sebuah lingkaran, seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.3.
Setelah mengalami pemotongan sudu kincir angin kemudian dilubangi sebesar 5 mm menggunakan mesin bor. Lubang pada sudu kincir angin berfungsi untuk merangkai sudu pada penyangga sudu. Setelah pembuatan lubang, sudu kemudian ditekuk menggunakan mesin tekuk. Sudu ditekuk sesuai dengan variasi yang telah ditentukan, yaitu sudu ditekuk dengan kemiringan sudu atau pitch
angle 10 o, 20 o, 30 o. Sketsa pembuatan lubang dan kemiringan sudut sudu setelah
pemotongan sudu dapat dilihat pada Gambar 3. 4, ukuran panjang, lebar dan ketebalan menggunakan satuan mm.
Pembentukan kemiringan sudut pada permukaan sudu menggunakan mesin tekuk dengan cara dijepit kemudian ditekuk sesuai dengan sudut yang telh ditentukan. Dalam proses pembentukan kemiringan sudu supaya mendapatkan bentuk sesuai dengan sektor sudut yang dirancang maka diperlukan sebuah cetakan atau mal. Setelah sudu sudah ditekuk sesuai dengan sektor sudut masi-masing kemudian sudu dimal. Sisi permukaan aluminium yang akan ditekuk diberi garis acuan sesuai dengan ukuran sisi yang akan ditekuk yang sudah ditentukan sesuai rancangan. Kemudian garis disayat dengan menggunakan cutter sesuai garis yang dibuat pada bagian sisi yang akan digunakan untuk pemasangan penyangga sudu. Setelah semua garis tersayat, sudu akan mudah ditekuk. Sehingga permukaan sudu tetap rata setelah mengalami proses menekukan dengan menggunakan mesin tekuk.
Gambar 3.5. Mal pembentukan sektor sudut kemiringan sudu.
Setelah pembuatan kemiringan sudu, kemudian sudu-sudu dirangkai pada penyangga sudu dan hub sehingga membentuk model kincir. Hub kincir yang
dibuat memiliki delapan sudu. Bentuk tipikal dan ukuran garis besar model kincir angin american multi-blade yang akan dibuat adalah seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.6.
Gambar 3.6. Model kincir angin yang akan dibuat dalam penelitian.
3.4 Variabel Penelitian
Beberapa variabel penelitian yang harus ditentukan sebelum melakukan penelitian adalah sebagi berikut :
sampai kincir dalam posisi diam (terhenti). b. Variasi kemiringan sudu yaitu 10˚, 20o, 30o.
3.5 Variabel yang Diukur
Sesuai dengan tujuan, variabel yang akan diukur adalah sebagai berikut: a. Kecepatan angin (v)
b. Gaya pengimbang (F) c. Putaran poros kincir (n)
3.6 Parameter yang Dihitung
Untuk mendapatkan karakteristik yang didapat dalam penelitian menggunakan parameter sebagai berikut:
a. Daya angin ( ) b. Daya kincir ( )
c. Koefisien daya (Cp) d. Tip Speed Ratio(tsr)
3.7 Langkah Percobaan Proses pengambilan bdata :
a. Poros kincir angin di hubungkan dengan mekanisme pengereman. b. Memasang anemometer pada terowongan di depan kincir angin untuk
mengukur kecepatan angin di saluran terowongan angin.
c. Memasang neraca pegas untuk mengukur beban pengereman pada tempat yang telah ditentukan.
lengan pada mekanisme pengereman.
e. Jika sudah siap, fan blower dihidupkan untuk menghembuskan angin pada terowongan angin.
f. Pada percobaan pertama variasi kincir angin berjumlah sudu 12 dengan kemiringan 10o, kedua dengan kemiringan 20o, ketiga dengan kemiringan 30o.
g. Untuk mengatur kecepatan angin dalam terowongan angin dengan cara memundurkan jarak fan blower terhadap terowongan angin agar dapat menetukan variasi kecepatan anginnya. ( dalam percobaan ini kecepatan angin disamakan atau dibuat sama).
h. Pada mekanisme pengereman untuk mendapatkan variasi beban di gunakan 1 karet, 2 karet, 3 karet, 4 karet, dan seterusnya.
i. Jika kecepatan angin dan variasi beban telah sesuai dengan yang diinginkan maka, pengukuran dapat dilakukan dengan cara membaca massa pengimbang yang terukur dalam neraca pegas.
j. Untuk ukur kecepatan kincir angin, suhu dan putaran poros dengan mengunakan takometer dengan secara bersamaan.
k. Mengamati penelitian selama batas waktu yang telah ditentukan.
Pengambilan data kecepatan angin, beban, dan kecepatan putar poros kincir dilakukan secara bersama-sama. Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Konversi Energi Prodi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dengan memakai sebuah terowongan angin yang dilengkapi dengan sebuah blower
berkapasitas 5,5 kW. Skema susunan alat-alat uji dalam proses penelitian ini adalah seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.6.
Gambar 3.7. Skema susunan alat-alat pengujian.
Blower digunakan untuk menarik udara masuk ke dalam terowongan angin. Proses pengukuran bisa dilakukan saat kondisi di dalam terowongan sudah siap. Parameter yang divariasikan(sebagai variabel) adalah beban pengereman yang diberikan pada mekanisme rem yang setiap kali pengujian gaya tangensial akibat aksi pengereman diatur besarnya dengan memakai neraca pegas. Dengan demikian, setiap kali pengujian, beban torsi yang diberikan pada poros kincir dapat dihitung besarnya.
Parameter-parameter yang diukur dalam setiap kali pengujian adalah kecepatan angin, putaran poros kincir dan temperature udara, kecepatan angin diukur dengan menggunakan anemometer yang dipasang sekitar 1 m di depan rotor kincir. Putaran poros atau rotor kincir diukur dengan menggunakan takometer (tachometer). Pada neraca pegas dipasangkan tali pengait yang akan dihubungkan dengan sistem pembebanan.Dalam satu siklus (running) pengujian, pengambilan data pengukuranselalu diawali dari tanpa beban atau tanpa
pengereman, selanjutnya dengan beban yang secara bertahap ditambah sedikit demi sedikit samapai kincir berhenti berputar. Untuk satu model rotor kincir dilakukan tiga kali (tiga siklus) pengujian.
3.8 Langkah Pengolahan Data
Data-data yang diperoleh dari hasil pengukuran diolah melalui beberapa tahapan. Untuk setiap siklus pengujian, dari kecepatan angin (vt) terukur, daya
yang disediakan angin (Pin) dihitung dengan menggunakan Persamaan (1). Gaya
tangensial hasil pengukuran dikalikan dengan panjang lengan torsi (l) yang diatur sepanjang 10 cm untuk menghasilkan torsi yang membebani poros kincir. Torsi terhitung selanjutnya dikalikan dengan kecepatan sudut (ω) yang diperoleh dari hasil pengukuran putaran poros kincir (n) akan menghasilkan outputdaya mekanis
(Pout) yang dihasilkan oleh kincir atau mengikuti Persamaan (2). Berikutnya
koefisien daya (Cp) dapat dihitung dengan membandingkan output daya (Pout) dan
daya yang disediakan angin (Pin) atau seperti yang dinyatakan dalam Persamaan
(3). Kemudian, menghitung nilai tip speed ratio berdasarkan Persamaan (4). Dengan demikian nilai-nilai Cp dan tsr yang dihasilkan dari satu kali pengujian ini
berlaku untuk sebuah kondisi kecepatan angin dan pembebanan tertentu. Cara analisis yang sama dilakukan untuk menghitung nilai-nilai Cp dan tsr untuk
kondisi yang lain.
Bila nilai Cp dan tsr untuk semua kondisi pembebanan telah dihitung, maka
langkah selanjutnya adalah menggambarkan sebuah grafik yang telah menunjukan hubungan Cp dan tsr untuk satu model kincr angin tertentu. Grafik yang dihasilkan
Kurva hubungan Cp dan Tsr umumnya dapat didekati dengan persamaan
kwadratis. Nilai-nilai Cp puncak (Cpmax inilah yang dijadikan sebagai
perbandingan diantara model-model kincir yang diteliti, karena menunjukan efisiensi maksimum dari sebuah kincir dalam mengkonversikan daya kinetic angin menjadi daya mekanis yang dihasilkan kncir. Grafik hubungan Cp dan tsr
ini disajikanserupa seperti yang umum digunakan dalam pustaka-pustaka untuk menunjukan karakteristik dari tipe-tipe kincir yang telah dikenal.
Pengolahan data untuk penelitian ini seluruhnya akan dilakukan dengan menggunakan spreadsheet Microsoft Excel.
30
BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Data Percobaan
Hasil pengujian kincir angin meliputi : kecepatan angin (m/s), putaran poros (rpm), gaya pengimbang (N). Data diambil dengan kemiringan sudut atau
pitch angle 10˚, 20˚ dan 30˚ dengan kecepatan angin yang dibuat menjadi 8,5 m/s.
Hasil dari pengambilan data dengan pitch angle 100 dilihat pada Tabel 4.1. Hasil dari pengambilan data dengan pitch angle 200 dilihat pada Tabel 4.2. Hasil dari pengambilan data dengan pitch angle 300 dilihat pada Tabel 4.3.
Tabel 4.1 Data percobaan dengan variasi pitch angle 100
No Putaran Poros, n (rpm) Gaya, F (N)
1 355 0 2 326 0,49 3 273 0,98 4 234 1,37 5 216 1,66 6 178 1,96 7 148 2,45 8 80 2,94
Tabel 4.2 Data Percobaan dengan variasi pitch angle 200
No Putaran Poros, n (rpm) Gaya, F (N)
1 474 0 2 423 0,98 3 402 1,47 4 388 1,96 5 354 2,84 6 336 3,92 7 273 4,90 8 224 5,88 9 171 7,16 10 138 8,33 11 100 9,22 12 49 10,30
Tabel 4.3 Data Percobaan dengan variasi pitch angle 300
No Putaran Poros, n (rpm) Gaya, F (N)
1 484 0 2 434 0,88 3 425 1,47 4 382 2,45 5 350 3,43 6 313 4,41 7 283 5 8 257 5,88 9 218 6,86 0 192 7,84 11 147 8,82 12 115 9,81 13 78 10,79
4.2. Perhitungan
Langkah-langkah perhitungan dapat dilihat pada contoh sampel yang diambill dari tabel: Tabel 4.1, 4.2, 4.3.
4.2.1 Perhitungan Daya Angin
Daya yang dihasilkan angin pada kincir angin dengan A= 0,503 dan
kecepatan angin 8 m/s, dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (4).
P
in = . A .v
3= 0,5 . 1,18 . 0,503 (8,5 m/s)3
= 182,216 watt
4.2.2 Daya Kincir
Daya yang dihasilkan oleh kincir angin dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (8), untuk mendapatkan daya kincir harus diketahui kecepatan sudut dan torsi. Daya output perlu dicari dahulu menggunakan Persamaan (7) dan (6) . Rumus untuk mencari kecepatan sudut dan torsi kincir adalah:
ω
= = = 34,139 rad/s T = F . r = 0,491 . 0,2 = 0,098 NmPout = T . ω
= 0,098 Nm. 34,139 rad/s = 3,3 watt
4.2.3 Tip Speed Ratio
Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan ujung kincir dengan kecepatan angin atau Tip Speed Ratio dapat dicari dengan menggunakan persamaan 08:
tsr =
= = 1,6 rad/s
4.2.4 Koefisien Daya Kincir
Koefisien daya kincir dapat dicari dengan menggunakan ersamaan (9) :
Cp = = = 1,9 %
4.3 Data Hasil Perhitungan
Parameter yang diperoleh dari penelitian diolah dengan menggunakan
Microsoft Excell untuk menampilkan hubungan besarnya Torsi yang dihasilkan
oleh kincir angin untuk setiap posisi kemiringan sudu (Grafik 4.1; 4.4; 4.7), besarnya Pout untuk setiap posisi kemiringan sudu (Grafik 4.2; 4.5; 4.8), Koefisien
Ta be l 4.4 D ata p erhitun ga n pit ch angle 10 0 N o. K ec . A ngin , v B eban , F P ut aran , n G aya, F T ors i, T K ec . S ud ut , T ω E D aya inp ut, Pin D aya output , Pou t T ip sp ee d rat io , tsr K oe f. D aya , Cp (m /s) ( gra m ) R pm (N ) (N .m ) (rad/ s) (w a tt ) (w a tt ) 1 8 ,46 0 355 0 0 37 ,1 179 0 1 ,75 0 2 8 ,42 50 326 0 ,49 0 ,09 34 ,1 177 3 ,34 1 ,62 1 ,9 3 8 ,42 100 273 0 ,98 0 ,19 28 ,6 177 5 ,61 1 ,35 3 ,2 4 8 ,34 140 234 1 ,37 0 ,27 24 ,5 172 6 ,74 1 ,17 3 ,9 5 8 ,42 170 216 1 ,66 0 ,33 22 ,6 177 7 ,55 1 ,07 4 ,3 6 8 ,35 200 178 1 ,96 0 ,39 18 ,7 173 7 ,34 0 ,89 4 ,2 7 8 ,34 250 148 2 ,45 0 ,49 15 ,4 172 7 ,60 0 ,74 4 ,4 8 8 ,33 300 80 2 ,94 0 ,58 8 ,44 171 4 ,97 0 ,40 2 ,9
Ta be l 4.5 D ata p erhitun ga n pit ch angle 20 0 N o. beban K ec . A ngin , v P ut aran K in ci r, n G aya, F T ors i, T K ec epat an Su du t ( ω ) D aya inp ut, Pin D aya output , Pou t T ip sp ee d rat io , tsr K oe f. D aya, C p ( gra m ) (m /s) R pm (N ) (N .m ) (rad/ s) (w a tt ) (w a tt ) 1 0 8 ,73 379 0 0 39 ,7 197 0 1 ,81 0 2 50 8 ,66 306 0 ,49 0 ,09 32 192 3 ,14 1 ,48 1 ,6 3 100 8 ,35 299 0 ,98 0 ,19 31 ,3 173 6 ,15 1 ,5 3 ,6 4 150 8 ,74 251 1 ,47 0 ,29 26 ,3 198 7 ,74 1 ,2 3 ,9 5 200 8 ,68 221 1 ,96 0 ,39 23 ,2 193 9 ,09 1 ,06 4 ,7 6 250 8 ,66 202 2 ,45 0 ,49 21 ,2 192 10 ,37 0 ,97 5 ,4 7 310 8 ,60 150 3 ,04 0 ,60 15 ,7 188 9 ,57 0 ,73 5 ,1 8 370 8 ,78 109 3 ,63 0 ,72 11 ,4 201 8 ,28 0 ,52 4 ,1 9 430 8 ,02 37 4 ,21 0 ,84 3 ,94 153 3 ,32 0 ,19 2 ,2
Ta be l 4.6 D ata p erhitun ga n pit ch angle 30 o N o. beban K ec . A ngin, v P ut aran K in ci r G aya, F B eban T ors i, T K ec epat an Su du t ( ω ) D aya inp ut, Pin D aya output , Pou t T ip sp ee d rat io , t sr koe f. D Cp ( gra m ) (m /s) R pm (N ) (N .m ) (rad/ s) (w a tt ) (w a tt ) 1 0 8 ,48 484 0 0 50 ,7 181 0 2 ,39 0 2 90 8 ,66 434 0 ,88 0 ,17 45 ,4 192 8 ,02 2 ,09 4 ,2 3 150 8 ,71 425 1 ,47 0 ,29 44 ,5 195 13 ,09 2 ,04 6 ,7 4 250 8 ,7 382 2 ,45 0 ,49 40 195 19 ,62 1 ,83 10 5 350 8 ,9 350 3 ,43 0 ,68 36 ,6 209 25 ,16 1 ,64 12 6 450 8 ,94 313 4 ,41 0 ,88 32 ,7 212 28 ,93 1 ,46 13 ,6 7 510 8 ,94 283 5 1 29 ,6 212 29 ,65 1 ,32 14 8 600 8 ,74 257 5 ,88 1 ,17 26 ,9 197 31 ,72 1 ,23 16 9 700 8 ,66 218 6 ,86 1 ,37 22 ,8 193 31 ,44 1 ,05 16 ,3 1 0 800 8 ,85 192 7 ,84 1 ,57 20 ,1 205 31 ,55 0 ,9 15 ,4 11 900 8 ,55 147 8 ,82 1 ,76 15 ,3 185 27 ,18 0 ,72 14 ,7 12 1000 8 ,78 115 9 ,81 1 ,96 12 200 23 ,62 0 ,54 11 ,8 1 3 1100 8 ,38 78 10 ,79 2 ,15 8 ,2 174 17 ,77 0 ,39 10 ,2
4.4 Grafik Hasil perhitungan dan Pembahasan
Dari data yang telah diperoleh, kemudian diolah kembali ke dalam bentuk grafik untuk mengetahui hubungan antara torsi (N.m) dengan kecepatan putar kincir (rpm), daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan kecepatan putar kincir
(rpm) dan koefisien daya kincir (Cp) dengan tip speed ratio (tsr). Grafik yang disajikan untuk setiap variasi percobaan dapat dilihat pada grafik berikut ini :
4.4.1 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan Variasi Picth Angle 10o Berikut ini merupakan beberapa penyajian grafik untuk variasi percobaan pitch angle 10o : grafik hubungan antara torsi (N.m) dengan kecepatan putar kincir (rpm) yang dapat dilihat pada Gambar 4.1, daya yang dihasilkan kincir (Pout)
dengan torsi (N.m) yang dapat dilihat pada Gambar 4.2 dan koefisien daya kincir (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) yang ditunjukkan pada Gambar 4.3.
Gambar 4.1 Hubungan Putaran poros dengan Torsi variasi pitch angle 100
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 50 100 150 200 250 300 350 400 To rsi , T ( N .m )
Gambar 4.2 Hubungan torsi dengan daya output pada variasi pitch angle 100
Gambar 4.3 Hubungan Koefisien daya (Cp) dengan Tip speed ratio variasi pitch
angle 10˚ Pout = -52,294T2 + 39,969T - 0,0851 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 D ay a Ou tp u t, P out (Watt ) Torsi, T (N.m) cp = -0,0579tsr2 + 0,1056tsr - 0,0041 0 1 2 3 4 5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 K o e fi e si e n d ay a (Cp )
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1, bahwa semakin besar kecepatan putar kincir maka semakin kecil torsi yang dihasilkan. Semakin kecil kecepatan putar kincir maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Untuk kecepatan angin 8,5m/s, torsi maksimal yang dihasilkan 0,58 N.m dan kecepatan putar maksimal yang tercapai adalah 355 rpm.
Gambar 4.2. memperlihatkan bahwa daya (Pout) dengan torsi (T), jika torsi
semakin besar maka daya yang dihasilkan juga akan semakin besar sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian (Pout) mengecil pada torsi (T) yang semakin
besar. Untuk variasi pitch angle 10o, daya maksimal dicapai pada Torsi 0,49 N.m sebesar 7,60 watt. Pada grafik diatas dengan melakukan pendekatan diperoleh persamaan Pout = -52,294T2 + 39,969T – 0,0851 lalu kemudian persamaan
tersebut dideferensialkan sehingga didapat = 2 . -52,294T + 39,969. Dari perhitungan, didapat nilai koefisien daya (Pout) maksimal adalah: 7,55 watt, pada
torsi optimal: 0,45 N.m.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.3. dapat dilihat bahwa semakin besar tsr maka semakin beasr Cp yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian Cp mengecil. Pada grafik variasi pitch angle 10o diatas dengan melakukan pendekatan diperoleh persamaan Cp = - 0,0579tsr2 + 0,1056tsr - 0.0041 lalu kemudian persamaan tersebut dideferensialkan sehingga didapat = 2 . -0,0579tsr + 0,1056. Dari perhitungan, didapat nilai koefisien daya (Cp)
4.4.2 Grafik Hasil perhitungan dan Pembahasan Variasi Pitch Angle 20o Berikut ini merupakan beberapa penyajian grafik untuk variasi percobaan pitch angle 20o : grafik hubungan antara torsi (N.m) dengan kecepatan putar kincir (rpm) yang dapat dilihat pada Gambar 4.4, daya yang dihasilkan kincir (Pout)
dengan torsi (N.m) yang dapat dilihat pada Gambar 4.5 dan koefisien daya kincir (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) yang ditunjukkan pada Gambar 4.6.
Gambar 4.4 Hubungan Putaran poros dengan Torsi variasi pitch angle 20o
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 To rsi , T ( N .m )
Gambar 4.5 Hubungan torsi dengan daya output variasi pitch angle 20o
Gambar 4.6 Hubungan Koefisien daya (Cp) dengan Tip speed ratio (tsr) variasi
pitch angle 20˚ Pout = -44.456 T2 + 43.009T - 0.4668 0 2 4 6 8 10 12 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 D ay a Ou tp u t, Pout (w att ) Torsi, T (N.m) Cp = -0.0579tsr2 + 0.1015tsr + 0.005 0 1 2 3 4 5 6 0 0,5 1 1,5 2 K o e fi si e n d ay a, (CP)
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.4, bahwa semakin besar kecepatan putar kincir maka semakin kecil torsi yang dihasilkan. Semakin kecil kecepatan putar kincir maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Untuk variasi pitch angle 20o, torsi maksimal yang dihasilkan 0,84 N.m dan kecepatan putar maksimal yang tercapai oleh pitch angle 20o adalah 379 rpm.
Gambar 4.5. memperlihatkan bahwa daya (Pout) berbanding lurus dengan
torsi (T), jika torsi semakin besar maka daya yang dihasilkan juga akan semakin besar, dan sebaliknya jika daya torsi semakin kecil maka daya yang dihasilkan juga kecil. Untuk variasi pitch angle 20o, daya maksimal dicapai pada Torsi 0,49 N.m sebesar 10,37 watt. Pada grafik diatas dengan melakukan pendekatan diperoleh persamaan Pout = -44,456 T2 + 43,009T – 0,4668 lalu kemudian
persamaan tersebut dideferensialkan sehingga didapat = 2 . -44,456 T + 43,009. Dari perhitungan, didapat nilai koefisien daya (Pout) maksimal adalah:
9,89 watt pada torsi 0,45 N.m.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.6. dapat dilihat bahwa semakin besar tsr maka semakin beasr Cp yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian Cp mengecil. Pada grafik diatas dengan melakukan pendekatan diperoleh persamaan Cp = - 0,0579tsr2 + 0,1015tsr + 0,005 lalu kemudian persamaan tersebut dideferensialkan sehingga didapat = 2 -0,0579tsr + 0,1015. Dari perhitungan, didapat nilai koefisien daya (Cp) maksimal adalah:
4,94 %, pada tip speed ratio (tsr) optimal: 0,87.
4.4.3 Grafik Hasil perhitungan dan Pembahasan Variasi pitch angle 30o
Berikut ini merupakan beberapa penyajian grafik untuk variasi percobaan pitch angle 10o : grafik hubungan antara torsi (N.m) dengan kecepatan putar kincir (rpm) yang dapat dilihat pada Gambar 4.7, daya yang dihasilkan kincir (Pout)
dengan torsi (N.m) yang dapat dilihat pada Gambar 4.8 dan koefisien daya kincir (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) yang ditunjukkan pada Gambar 4.9.
Gambar 4.7 Hubungan Putaran poros dengan Torsi untuk pitch angle 300
0 100 200 300 400 500 600 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Pu tar an p o ro s ki n ci r, n (r p m ) Torsi, T (N.m)
Gambar 4.8 Hubungan torsi dengan daya output untuk variasi pitch angle 300
Gambar 4.9 Hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio untuk variasi pitch angle 300 Pout = -19,015T2 + 49,267T + 0,0476 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0,5 1 1,5 2 2,5 D ay a o u tp u t, Pout (Watt ) Torsi, T (N.m) Cp = -9,7283tsr2 + 21.289tsr + 3.7039 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 K o e fi si e n d ay a (Cp)
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.7, bahwa semakin besar kecepatan putar kincir maka semakin kecil torsi yang dihasilkan. Semakin kecil kecepatan putar kincir maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Untuk variasi pitch angle 30o, torsi maksimal yang dihasilkan 2,158 N.m dan kecepatan putar maksimal yang tercapai adalah 484rpm.
Gambar 4.8. memperlihatkan bahwa daya (Pout) berbanding lurus dengan
torsi (T), jika torsi semakin besar maka daya yang dihasilkan juga akan semakin besar, dan sebaliknya jika daya torsi semakin kecil maka daya yang dihasilkan juga kecil. Untuk variasi pitch angle 30o, daya maksimal dicapai pada Torsi 1,17 N.m sebesar 31,72 watt. Pada grafik diatas dengan melakukan pendekatan diperoleh persamaan Pout = -19,015T2 + 49,267T + 0,0476 lalu kemudian
persamaan tersebut dideferensialkan sehingga didapat = 2. -19,015T + 49,267. Dari perhitungan, didapat nilai koefisien daya (Pout) maksimal adalah: 31,6 watt
pada torsi 1,23 N.m.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.9. dapat dilihat bahwa semakin besar tsr maka semakin beasr Cp yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian Cp mengecil. Pada grafik diatas dengan melakukan pendekatan diperoleh persamaan Cp = -9,7283tsr2 + 21,289tsr + 3,7039 lalu kemudian persamaan tersebut dideferensialkan sehingga didapat = 2.-9,7283tsr + 21,289. Dari perhitungan, didapat nilai koefisien daya (Cp) maksimal adalah:
15,34 %, pada tip speed ratio (tsr) optimalnya 0,87.
4.5. Grafik Dari Hasil Perhitungan dan Pembahasan 3 Variasi Pitch Angle. Setelah masing-masing variasi ditampilkan dalam bentuk grafik, berikut ini adalah grafik untuk semua variasi percobaan pitch angle 10o, 20o,30o yang ditampilkan pada : grafik hubungan antara torsi (N.m) dengan putaran poros kincir (rpm) yang dapat dilihat pada Gambar 4.10, daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan torsi (N.m) yang ditunjukkan pada Gambar 4.11 dan koefisien daya
kincir (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) yang ditampilkan pada Gambar 4.12.
Gambar 4.10 Grafik Hubungan Koefisien daya dan Tip speed ratio untuk semua variasi kemiringan sudu
Pada Gambar 4.10 memperlihatkan bahwa koefisien daya maksimal diperoleh dengan variasi pitch angle 30o, yaitu 0,102 % pada tip speed ratio
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 K o e fi si e n d ay a (Cp)
Tip speed ratio (tsr)
sudut 10 sudut 20 sudut 30
0,393. atau pitch angle 300 adalah sudut yang memiliki nilai maksimal yang paling tinggi jika dibandingkan dengan variasi pitch angle 100, dan 200.
Gambar 4.11 Grafik hubungan putaran kincir (rpm) dan torsi (T) untuk semua variasi sudut kincir angin.
Gambar 4.11 memperlihatkan bahwa putaran kincir maksimal ditunjukan pada variasi ketiga yaitu: variasi pitch angle atau pitch angle 30o, dengan putaran kincir adalah 484,333 rpm, serta torsi: 2,158 N.m. Sedangkan putaran kincir maksimal ditunjukan pada variasi pitch angle 10o, dengan putaran kincir adalah 355 rpm, serta torsi: 0,589 N.m. . Variasi pitch angle atau kemiringan sudut 30o adalah variasi sudut sudu yang terbaik jika dibandingkan dengan variasi pitch angle yang lain.
0 100 200 300 400 500 600 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Pu tar an p o ro s kin cir , n ( rp m ) Torsi, T (N.m) sudut 30 sudut 10 sudut 20
Gambar 4.12 Grafik hubungan daya kincir (Pout) dan torsi (T) untuk semua
variasi pitch angle kincir angin.
Gambar 4.12 memperlihatkan bahwa daya kincir maksimal ditunjukan pada variasi ketiga yaitu: variasi pitch angle 30o dengan daya kincir adalah 31,723 watt, serta torsi: 1,177 N.m. Sedangkan putaran kincir minimal ditunjukan pada variasi pitch angle 10o, dengan daya kincir adalah 7,602 watt, serta torsi: 0,491 N.m. Variasi pitch angle atau kemiringan sudut 30o adalah variasi pitch
angle yang terbaik jika dibandingkan dengan variasi pitch angle yang lain. 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0,5 1 1,5 2 2,5 D ay a Ou tp u t K in ci r, Pout (Watt ) Torsi, T (N.m) sudut 10 sudut 20 sudut 30
49
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan
Dari percobaan terhadap Kincir Angin American multi-blade dengan jumlah sudu delapan dan perhitungan-perhitungan yang telah dihasilkan, secara singkat dapat diambil beberapa kesimpulan, diantaranya:
1. Telah berhasil dibuat dan telah digunakan dalam penilitian kincir angin
American multi-blade berdiameter 80 cm menggunakan bahan aluminium
dengan tiga variasi pitch angle, yaitu: 10o, 20o, dan 30o.
2. Dari hasil perolehan data, model kincir angin dengan pitch angle 10o menghasilkan daya output maksimal 7,60 watt pada torsi 0,49 N.m dan pada kecepatan angin 8.34 m/s. Kincir angin dengan pitch angle 20o memberikan nilai daya output maksimal sebesar 10,37 watt pada torsi 0,49 N.m dan pada kecepatan angin 8,66 m/s. Kincir angin dengan pitch angle 30o menghasilkan nilai daya output maksimal sebesar 31,72 watt pada torsi 1,17 N.m dan pada kecepatan angin 8,85 m/s.
3. Model kincir angin dengan pitch angle 10o menghasilkan koefisien daya maksimal 4,4 % pada nilai tip speed ratio 0,74. Kincir angin dengan pitch
angle 20o memberikan nilai koefisien daya maksimal sebesar 5,4 % pada
nilai tip speed ratio 0,97. Untuk kincir angin dengan pitch angle 30o memberikan nilai koefisien daya maksimal sebesar 16,3 % pada tip speed
4. Dari semua perbandingan hasil perhitungan untuk semua model kincir
pitch angle dapat diperoleh kesimpulan bahwa yang merupakan variasi
terbaik adalah model dengan pitch angle 30o karena menghasilkan koefisien daya dan daya output maksimal yang paling tinggi dari semua variasi.
5.2 Saran
Setelah melakukan beberapa pengujian dan penelitian terhadap kincir yang telah dibuat maka penulis dapat memberikan beberapa point saran yang perlu diperhatikan untuk bahan refrensi penelitian selanjutnya dibidang kincir angin jenis horizontal diantaranya adalah:
1. Pastikan hasil dari pembuatan desain kincir angin mempunyai ukuran yang presisi sesuai dengan desain yang ditelah di rencanakan untuk mendapatkan hasil pengujian yang akurat.
2. Usahakan dalam pembuatan kincir angin menggunakan alat-alat yang sesuai dan dengan cara pembuatan yang dianjurkan oleh dosen pembimbing.
3. Menggunakan ketelitian dalam mendesain sudu kincir angin dalam menentukan ukuran dan bentuk sudu kincir, agar putaran kincir lebih balance dan beraturan.
4. Disarankan untuk lebih teliti dalam membuat variasi sudu kincir usahakan dalam membuat atau mengubah variasi sesuai dengan variasi yang telah ditentukan. Agar dihasilkan data yang dapat lebih akurat antara variasi yang satu dengan yang lain.
DAFTAR PUSTAKA
Culp, Archie W., 1985, “Prinsip-Prinsip Konversi Energi.”, Terjemahan oleh Darwin Sitompul, Erlangga, Bandung.
Daryanto,Y., 2007, “Kajian Potensi angin UntukPembangkit Listrik Tenaga
Bayu”, Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, 2005.
Pengelolaan Energi Nasional.
Ginting, Soeripno, J., 1993, “Pemasangan dan Uji Coba Pemanfaatan Kincir
Angin Poros Horisontal.”, Lembaga Fisika Nasional LIPI,Bandung
Johnson, G.L., 2006, “Wind Energy System”, Manhattan. Diakses : Tanggal 12 April 2015.
Kadir, A., 1995, “ Energi : Sumber Daya, Inovasi, Tenaga Listrik dan Potensial
Ekonomi.”, Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta.
Sari, Eka. 2012, “Belanda Sang Negeri Kincir Angin”,
LAMPIRAN
Wind tunnel
Anemometer
Neraca pegas
