24
BAB IV
PENGUJIAN DAN ANALISIS
Pada bab ini akan dibahas mengenai pengujian alat serta analisis dari hasil
pengujian. Tujuan dilakukan pengujian adalah mengetahui sejauh mana kinerja hasil
perancangan yang telah dibahas pada Bab III serta mengetahui tingkat keberhasilan
setiap spesifikasi yang telah diajukan. Pengujian yang dilakukan meliputi pengujian
perbagian maupun keseluruhan sistem.
4.1. Pengujian Tip Speed Ratio
Untuk mengetahui kemampuan turbin dalam memanfaatkan tenaga angin dapat diketahui dengan mencari nilai TSR ( Tip Speed Ratio).
Gambar 4.1. Pengujian tip speed ratio
Tip speed ratio
Bila kecepatan kipas 1 ( 2,6 m/s ) maka :
Tip speed ratio (λ) =
=
25
Bila kecepatan kipas 2 (3,4 m/s) maka :
Tip speed ratio (λ) =
=
= 2,079
Bila kecepatan kipas 3 (4 m/s ) maka :
Tip speed ratio (λ) =
=
= 2,815
Gambar 4.2. Grafik hubungan TSR (α) terhadap efisiensi turbin (%) konvensional [8]
26
4.2. Pengujian Turbin dengan Simulasi Kipas Angin
Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui kemampuan bentuk turbin dalam memanfaatkan angin dengan sumber angin yang minim. Maksud minim di sini adalah dengan diameter kipas 0,24 m, apakah turbin mampu memanfaatkan tenaga angin tersebut. Maka dengan kecepatan aliran angin yang kerap berubah – ubah dan luasan tumbukan yang terkadang berubah – ubah karena terhalang oleh pepohonan, gedung yang tinggi ataupun topografi yang rendah, turbin mampu memanfaatkan tenaga angin tersebut.
Tabel 4.1. Hasil simulasi dengan beban resistor 5W1Ω
Konversi kecepatan angin
14,4 km/jam = 4 m/s ; 9,36 km/jam = 2,6 m/s ; 16,3 km/jam = 4,53 m/s ; 12,24 km/jam = 3,4
27
Pengujian daya yang dihasilkan dengan sumber kipas angin menggunakan beban
resistor 5W1Ω :
1. Pada kecepatan kipas 2,6 m/s (dari pembacaan anemometer) :
Jari – jari kipas = 0,24 m
Luas penampang angin yang menumbuk = .( 0,24 m
= .( 0,0576 m) = 0,181
Daya ( ) = .ρ.A.
= .(1,0743 kg/ ).(0,181 ).
= 1,709 W
ω =
. 2 = 0,052 rad/s
Kecepatan poros turbin ( ) = ω.d = 0,052 rad/s . 0,035 m = 0,00183 m/s
Gaya sentripetal ( ) = m.( ) = 8 kg .
= 0,001 N
Torsi (τ) = .d = 0,001 N . 0,035 m = 0,00003 Nm
Daya poros turbin ( ) = = 0,00003 x 0,052 = 0,00000141
Ƞ
=
28
2. Pada kecepatan angin 3,4 m/s (dari pembacaan anemometer)
Luas penampang angin yang menumbuk = .(0,0576 m)= 0,181
Daya ( ) = .ρ.A.
= .(1,0743 kg/ ).(0,181 ).
= 3,821 W
ω =
. 2 = 2,828 rad/s
Kecepatan poros turbin ( ) = ω.d = 2,828 rad/s . 0,035 m = 0,099 m/s
Gaya sentripetal ( ) = m.( ) = 8 kg .
= 2,240 N
Torsi (τ) = .d = 0,078 N . 0,035 m = 0,078 Nm
Daya poros turbin ( ) = = 0,078 x 2,240 = 0,222
Ƞ
=
= 5,804 %
3. Pada kecepatan angin 4 m/s (dari pembacaan anemometer)
Luas penampang angin yang menumbuk = .( 0,0576 m )= 0,181
Daya ( ) = .ρ.A.
29
= 6,223 W
ω =
. 2 = 4,504 rad/s
Kecepatan poros turbin ( ) = ω.d = 4,505 rad/s . 0,035 m = 0,158 m/s
Gaya sentripetal ( ) = m.( ) = 8 kg .
= 5,682 N
Torsi (τ) = .d = 5,682 N . 0,035 m = 0,199 Nm
Daya poros turbin ( ) = = 0,199 x 4,505 = 0,896
Ƞ
=
30
4.3 Pengujian Aktual di Desa Klirong
Pengujian di daerah persawahan pada tanggal 29 September 2015 dengan
menggunakan beban tetap resistor 470 Ω.
31
17.00 2,1 2,013
0,004283 28,8 97,45
18.00 1,8 1,514
0,003221 26,2 97,55
19.00 2,0 1,021
0,002172 24,6 97,68
20.00 0 0
0 24,1 97,73
21.00 0,9 0
0 23,9 97,80
Tabel 4.2. Hasil Pengujian di Daerah Persawahan Setiap Jam
Gambar 4.3. Diagram Pengujian
u
w
v
ACV
32
Gambar 4.4. Grafik Kecepatan Angin Setiap Jam
Berdasarkan grafik di atas kecepatan angin mengalami peningkatan ketika pukul
08.00 yaitu 0,6 m/s dan turbin mulai bisa bergerak dengan kecepatan 1,2 m/s pada pukul
09.00 dan mengalami puncaknya pada pukul 14.00 dengan kecepatan 4,1 m/s.
Gambar 4.5. Grafik Temperatur Setiap Jam
Berdasarkan grafik di atas perubahan suhu tidak terlalu besar terjadi pada pukul
01.00 – 06.00 berkisar antara 19,9 °C – 22,6 °C. Kemudian setelah pukul 06.00
mengalami peningkatan hingga pukul 10.00 berkisar antara 19,9 °C – 34,4 °C. Pada
pukul 10.00 merupakan titik tertinggi suhu yang dialami yaitu pada suhu 34,4 °C. Dan
titik terendahnya terjadi pada pukul 06.00 yaitu pada suhu 19,9 °C.
0
Hubungan Kecepatan Angin Setiap Jam
0
33
Gambar 4.6. Grafik Tekanan Udara Setiap Jam
Berdasarkan grafik di atas titik tertinggi terjadi pada pukul 08.00 dengan
tekanan 97,85 Pa. Dan titik minimum terjadi pada pukul 97,30 Pa pada pukul 15.00.
Gambar 4.7. Grafik Hubungan Temperatur Dengan Kecepatan Angin
Berdasarkan grafik di atas kecepatan angin mengalami peningkatan ketika suhu
mengalami peningkatan yaitu pada suhu 28,4 °C dengan kecepatan angin 0,6 m/s.
97,1
Hubungan Tekanan Udara Setiap Jam
34
Gambar 4.8. Grafik Hubungan Tekanan Udara Dengan Kecepatan Angin
Berdasarkan grafik di atas kecepatan angin mengalami peningkatan ketika
tekanan udara mengalami penurunan pada 97,85 Pa dengan kecepatan angin 0,6 m/s.
Kecepatan angin tertinggi terjadi sebelum mencapai titik terendah tekanan udara yaitu
4,1 m/s dengan tekanan udara 97,44 Pa.
Bila angin menumbuk seluruh badan turbin maka diasumsikan jari-jari turbin sebagai
jari-jari sumber angin yaitu 0,25 m
Luas penampang angin maksimal yang menumbuk
= .( 0,25 m =
. 0,063
= 0,196Misalkan diambil data pada pukul 14.00 yang merupakan kecepatan tertinggi
yang didapatkan saat persatu jam dengan kecepatan angin 4,1 m/s (terbaca anemometer)
memiliki tekanan udara 974,8 hPa pada suhu 33,3 °C. Dan dengan menggunakan beban
470 ohm menghasilkan tegangan 3,3 V dengan arus 0,007021 A.
35
Maka daya angin adalah :
Daya ( ) maksimal = .ρ.A.
= .(1,099 kg/ ).(0,196 ).
= 7,423 W
Kecepatan sudut turbin adalah :
ω =
. 2 = 4,819 rad/s
Kecepatan poros turbin ( ) = ω.d = 4,819 rad/s . 0,035 m = 0,169 m/s
Gaya sentripetal ( ) = m.( ) = 8 kg .
= 6,503 N
Torsi (τ) = .d = 6,503 N . 0,035 m = 0,228 Nm
Daya poros turbin ( ) = = 0,228 x 4,819 = 1,097
Ƞ =
=
36
Kecepatan minimum yang dapat menggerakkan turbin terjadi pada pukul 10.00
dengan kecepatan angin 1,2 m/s (terbaca anemometer) memiliki tekanan udara 977,9
hPa pada suhu 34,4 °C. Dan dengan menggunakan beban 470 ohm menghasilkan
tegangan 0,3 V dengan arus 0,000638 A.
Maka daya angin adalah :
Daya ( ) = .ρ.A.
= .(1,099 kg/ ).(0,196 ).
= 0,186 W
Kecepatan sudut turbin adalah :
ω =
. 2 = 0,026 rad/s
Kecepatan poros turbin ( ) = ω.d = 0,026 rad/s . 0,035 m = 0,001 m/s
Gaya sentripetal ( ) = m.( ) = 8 kg .
= 0,00019 N
Torsi (τ) = .d = 0,00019 N . 0,035 m = 0,000007 Nm
Daya poros turbin ( ) = = 0,228 x 4,819 = 0,00000017
Ƞ =
=
37
Pengujian di desa Klirong pada daerah persawahan tanggal 16 Oktober 2015
dengan menggunakan DC-DC baterai charger.
38
17.00 3,2 2,9 4,833 0,019 30,4 97,67
18.00 4,7 3,6 6,000 0,024 27,8 97,78
19.00 3,4 2,6 4,333 0,017 26,6 97,87
20.00 2,2 1,5 2,000 0,008 25,1 97,99
21.00 4,8 3,5 5,833 0,023 24,7 98,04
Tabel 4.3. Hasil pengujian di Daerah Persawahan Setiap Jam
Gambar 4.9. Diagram Pengujian Menggunakan Baterai Charger
-
+
w
v Battery Baterai
39
Rumus untuk mencari tegangan output penguat :
Vout = Vinput / 0,6
Dan untuk mencari arus output penguat :
Iout = Vout / 250
Misalkan menggunakan data pada pukul 21.00 :
Vout = 3,5 / 0,6 = 5,833 V
Iout = 5,833 / 250 = 0,023 A
Nilai tegangan output generator yang didapat pada pukul 18.00 lebih besar
daripada dengan pukul 21.00. Hal ini terjadi karena sebelum pukul 18.00 tepat sudah
terjadi putaran pada turbin oleh kecepatan angin yang cukup besar yaitu 5 m/s dengan
output tegangan generator sebesar 3,7 V yang kemudian menurun sehingga pada pukul
18.00 tepat tercatat kecepatan angin 4,7 m/s dengan tegangan output generator 3,6 V.
Sedangkan sebelum pukul 21.00 berhembus angin dengan kecepatan 3,3 m/s dengan
output tegangan generator sebesar 2,6 V yang terus naik hingga pada pukul 21.00 tepat
tercatat kecepatan angin 4,8 m/s dengan tegangan output generator sebesar 3,5 V.
Gambar 4.10. Grafik Kecepatan Angin Setiap Jam
0
40
Berdasarkan gambar 4.10 kecepatan angin mengalami peningkatan setelah pukul
05.00 yaitu diatas 0,4 m/s. Dengan menggunakan charger baterai sebagai beban, generator bisa menghasilkan tegangan pada saat kecepatan angin 1,7 m/s pada pukul
01.00 dengan tegangan 0,5 V dan intensitas angin yang berhembus banyak terjadi antara
pukul 17.00 – 18.00 dan tertingginya pada saat pukul 17.57 dengan kecepatan 5 m/s.
Gambar 4.11. Grafik Temperatur Setiap Jam
Berdasarkan grafik di atas perubahan suhu tidak terlalu besar terjadi pada pukul
01.00 – 06.00 berkisar antara 20,4 – 22,4 °C. Kemudian setelah pukul 06.00 mengalami
peningkatan hingga pukul 14.00 berkisar antara 22 – 34,7 °C. Pada pukul 14.00
merupakan titik tertinggi suhu yang dialami yaitu pada suhu 34,7 °C. Dan titik
terendahnya terjadi pada pukul 05.00 yaitu pada suhu 20,4 °C.
0
41
Gambar 4.12. Grafik Tekanan Udara Setiap Jam
Berdasarkan grafik di atas titik tertinggi terjadi pada pukul 07.00 dengan
tekanan 98,13x Pa. Dan titik minimum terjadi pada pukul 97,57x Pa pada pukul
15.00.
Gambar 4.13. Grafik Hubungan Temperatur Dengan Kecepatan Angin
Berdasarkan grafik di atas kecepatan angin terjadi ketika adanya perubahan suhu
peningkatan ketika suhu mengalami peningkatan yaitu dari suhu 22 °C pada pukul
Hubungan Tekanan Udara Setiap Jam
42
kecepatan 1,8 m/s, suhu mengalami penurunan hingga pada pukul 21.00 menjadi 24,7
°C dengan kecepatan angin 4,8 m/s.
Gambar 4.14. Grafik Hubungan Tekanan Udara Dengan Kecepatan Angin
Berdasarkan gambar 4.14 di atas pada tekanan udara maksimal 98,13x Pa
menghasilkan kecepatan angin 2,1 m/s. Dan padatekanan udara minimal 97,57x Pa
menghasilkan kecepatan angin 3 m/s. Kecepatan angin yang meningkat terjadi saat
tekanan udara mengalami perubahan. Semakin besar perubahan tekanan udara semakin
besar juga kecepatan angin yang dihasilkan.
Misalkan diambil data pada pukul 21.00 yang merupakan kecepatan tertinggi yang
dihasilkan dengan kecepatan angin 4,8 m/s (terbaca anemometer) memiliki tekanan
udara 98,04x Pa pada suhu 24,7 °C. Dan dengan menggunakan rangkaian penguat
menghasilkan tegangan 5,833 V dengan arus 0,023 A.
43
Maka daya angin adalah :
Daya ( ) maksimal = .ρ.A.
= .(1,099 kg/ ).(0,196 ).
= 11,911 W
Kecepatan sudut turbin adalah :
ω =
. 2 = 6,495 rad/s
Kecepatan poros turbin ( ) = ω.d = 6,495 rad/s . 0,035 m = 0,227 m/s
Gaya sentripetal ( ) = m.( ) = 8 kg .
= 11,813 N
Torsi (τ) = .d = 11,813 N . 0,035 m = 0,413 Nm
Daya poros turbin ( ) = = 0,413 x 6,495 = 2,685
Ƞ =
=
44
Kecepatan minimum yang dapat menggerakkan turbin terjadi pada pukul 08.00 dengan
kecepatan angin 1,7 m/s (terbaca anemometer) memiliki tekanan udara 97,85x Pa
pada suhu 28,4 °C. Dan dengan menggunakan rangkaian penguat menghasilkan
tegangan 2 V dengan arus 0,008 A.
Maka daya angin adalah :
Daya ( ) = .ρ.A.
= .(1,099 kg/ ).(0,196 ).
= 0,529 W
Kecepatan sudut turbin adalah :
ω =
. 2 = 0,943 rad/s
Kecepatan poros turbin ( ) = ω.d = 0,943 rad/s . 0,035 m = 0,033 m/s
Gaya sentripetal ( ) = m.( ) = 8 kg .
= 0,249 N
Torsi (τ) = .d = 0,00019 N . 0,035 m = 0,009 Nm
Daya poros turbin ( ) = = 0,228 x 4,819 = 0,008
Ƞ =
=
45
Gambar 4.15. Grafik Pengujian di Daerah Persawahan
Dengan melihat gambar 4.15 terlihat bahwa tegangan output dari generator bergantung pada kecepatan angin, semakin tinggi kecepatan angin yang menumbuk turbin maka semakin tinggi pula tegangan yang dihasilkan. Dan tegangan output generator tergantung pada kemampuan turbin dalam memanfaatkan daya angin sehingga dapat memutar generator. Kemampuan bentuk turbin ini memiliki efisiensi 22,546 % pada kecepatan angin 4,8 m/s yang kemungkinan masih bisa meningkat bila ditumbuk dengan angin yang lebih besar.
