i
UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN PROPELERTIGA
SUDU DARI BELAHAN KERUCUT BERBAHAN KAYU
BERLAPISSENG DENGAN SUDUT KERUCUT 12
o SKRIPSIDiajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Mesin
Oleh:
DEKY MARTANTO NIM : 125214098
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
ii
PERFORMANCE OF THREE WOODENZINC COATED
BLADES WINDMILLPROPELLER MODEL MADE
FROMPART OF CONE WALL WITH ANGLE OF 12
oAs partial fulfillment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree Mechanical Engineering Study Program
by
DEKY MARTANTO Student Number:125214098
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
viii ABSTRACT
Energy demand increases as human population increases. Nonrenewable energy sources such as fossil fuel will run out in 25 years if we keep exploiting them. Therefore, we need to find another energy source that is renewable and environmentally friendly. Indonesia have lots of wind that can be converted into energy by windmill. The purpose of this research is to know the best performance of horizontal-axis windmill models made of zinc-coated wood.
Models used in this research were propeller-type windmill; each had three blades made from parts of cone wall, which d=15 cm, D=22,5 cm, and l=37 cm. Variation between the models was the angle of cut made in the cone wall, which were 70o, 80o and 90o. Data taken in the research were wind speed, blade’s rotation per minute, and balancing force. The tests were performed inside a wind tunnel in Energy Conversion Laboratory of Universitas Sanata Dharma.
Results show that windmill with 80o cut blades have more coefficient of power (CP) than other windmill tested. Maximum coefficient of power (CPmax) of
the 80ocut windmillare26,41 % at tip speed ratio (λ) 2,45. Meanwhile, windmill with 90o cut yield have CPmax of 25,72 % at λ 2,48 and windmill with 70o cut have
CPmax of 24,22 % at λ 2,62.
Keywords: Coefficient of power, tip speed ratio, zinc-coated wooden propeller
ix
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur senantiasa ditunjukkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat yang diberikan dalam penyusunan skripsi ini sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat yang wajib ditempuh untuk setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Skripsi 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 skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah memberikan kesempatan untuk berkreasi bagi penulis.
2. Bapak Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan selaku Dosen Pembimbing Akademik yang telah banyak memberikan saran dan ilmu bagi penulis.
3. Bapak Ir. Rines, M.T., selaku Dosen Pembimbing yang telah membantu dan membimbing penulis dalam penulisan skripsi.
x
4. Bapak Doddy Purwadianto, S.T., M.T., selaku Kepala Laboratorium Mekanika Teknik, yang telah memberkan ijin pemakaian laboratorium dan peralatan untuk pembuatan kincir angin.
5. Seluruh dosen, staff program studi Teknik Mesin yang telah mendidik dan memberikan ilmu pengetahuan kepada penulis.
6. Rekan sekelompok saya, Heribertus Fembriarto, Julius Pramono, dan Agustinus Kurniawan yang telah memberikan bantuan, kerjasama dalam pembuatan alat dan diskusi.
7. Orang tua penulis, yang selalu menjadi inspirasi dan motivasi dalam pembuatan skripsi.
8. 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 skripsi 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 skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.
Yogyakarta, 2 Januari 2016
xi DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
TITLE PAGE . ... ii
HALAMAN PENGESAHAN... iii
DAFTAR DEWAN PENGUJI ... iv
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI... v
LEMBAR PRNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vi
INTISARI ... vii
ABSTRACT ... viii
KATA PENGANTAR... ix
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR GAMBAR... xiv
DAFTAR TABEL ... xvi
DAFTAR SIMBOL ... xvii
BAB IPENDAHULUAN 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 IITINJAUAN PUSTAKA 2.1 Dasar Teori ... 5
xii
2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal ... 6
2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ... 8
2.3 Kincir Angin Propeler ... 9
2.4 Alasan Pemilihan Kincir Angin Propeler……….…… ... 10
2.5 Rumus Perhitungan……… ... 10
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Diagram Alur Penelitian ... 14
3.2 Objek Penelitian ... 15
3.3 Bahan-Bahan ... 15
3.3.1 Bahan untuk Sudu Kincir ... 16
3.3.2 Bahan untuk Pengikat Pangkal Sudu Kincir ... 16
3.3.3 Bahan untuk Poros Utama Kincir ... 16
3.3.4 Bahan untuk Pelapis Sudu ... 16
3.3.5 Bahan untuk Perakat Sudu ... 16
3.3.6 Bahan untuk Rotor ... 17
3.3.7 Bahan Penyambung dan Pengikat... 17
3.4 Alat Permesinan ... 18 3.5Alat Pendukung... 18 3.5.1 Terowongan Angin ... 18 3.5.2 Blower ... 19 3.5.3 Takometer ... 20 3.5.4 Anemometer... 20 3.5.5 Neraca Pegas ... 21
xiii
3.5.6 Mekanisme Pengereman ... 21
3.6 Pembuatan Sudu Kincir ... 22
3.7 Variabel Penelitian ... 25
3.8 Parameter yang Diukur ... 26
3.9 Parameter yang Dihitung……… ... 26
3.10 Langkah Percobaan……… ... 26
3.11 Langkah Pengolahan Data……… ... 28
BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Percobaan ... 29
4.2 Pengolahan Data Perhitungan ... 32
4.3 Data Hasil Perhitungan ... 34
4.4 Grafik Hasil Perhitungan... 34
4.4.1 Grafik kincir angin dengan sudut potong 70o ... 34
4.4.2 Grafik kincir angin dengan sudut potong 80o ... 40
4.4.3 Grafik kincir angin dengan sudut potong 90o ... 43
4.5 Grafik Perbandingan Kincir ... 46
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 48
5.2 Saran ... 49
DAFTAR PUSTAKA ... 50
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Kincir Angin Poros Horisontal ...7
Gambar 2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ...9
Gambar 2.3 Grafik Perbandingan antara Koefisien Daya (CP) dengan Tip SpeedRatio (λ) dari Beberapa Jenis Kincir Angin…...13
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian………...14
Gambar 3.2 Rotor Kincir Angin……...17
Gambar 3.3 Terowongan Angin………...19
Gambar 3.4 Blower ………...19
Gambar 3.5 Takometer ...20
Gambar 3.6 Anemometer …………...20
Gambar 3.7 Neraca Pegas………...21
Gambar 3.8 Mekanisme Pengereman………...21
Gambar 3.9 Pemotongan Dinding Kerucut untuk Sudu ...22
Gambar 3.10 Sudu dengan Sudut Potong 70o...23
Gambar 3.11 Sudu dengan Sudut Potong 80o...23
Gambar 3.12 Sudu dengan Sudut Potong 90o...23
Gambar 3.13 Mal Pembentuk Kelengkungan Sudu ...24
Gambar 3.14 Model Kincir Angin…...25
Gambar 3.15 Skema Pengujian Kincir ………..………...28 Gambar 4.1 Grafik Hubungan antara Putaran Poros Kincir dan Torsi pada
xv
Kincir Angin Sudut Potong 70o…..………..………...38 Gambar 4.2 Grafik Hubungan antara Daya Kincir Angin (Pout) dan Torsi pada
Kincir Angin Sudut 70o…………..……….……….…..38 Gambar4.3 Grafik Hubungan antara CP dan λ pada Kincir Angin Sudut
Potong70o………...………...39 Gambar4.4 Grafik Hubungan antara Putaran Poros Kincir dan Torsi pada
Kincir Angin Sudut Potong 80o………….………...40 Gambar 4.5 Grafik Hubungan antara Daya Kincir Angin (Pout) dan Torsi
pada Kincir Angin Sudut 80o…..…...….………41 Gambar4.6 Grafik Hubungan antara CP dan tsr pada Kincir Angin Sudut
Potong 80o…….………...42 Gambar4.7 Grafik Hubungan antara Putaran Poros Kincir dan Torsi pada
Kincir Angin Sudut Potong 90o……….….……..………...43 Gambar 4.8 Grafik Hubungan antara Daya Kincir Angin (Pout) dan Torsi
pada Kincir Angin Sudut 90o………..……...44 Gambar4.9 Grafik Hubungan antara CP dan tsr pada Kincir Angin Sudut
Potong 90o………..…………...45 Gambar 4.10 Grafik Hubungan antaraKoefisien Daya dan tip speed ratio
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data Percobaan Kincir dengan Sudut Potong 70°…...29 Tabel 4.2 Data Percobaan Kincir dengan Sudut Potong 80°………30 Tabel 4.3 Data Percobaan Kincir dengan Sudut Potong 90°…...……..….…... 31 Tabel 4.4 Data Perhitungan Kincir Angin dengan Sudut Potong 70°…..……... .35 Tabel 4.6 Data Perhitungan Kincir Angin dengan Sudut Potong 80°....……….. 36 Tabel 4.7 Data Perhitungan Kincir Angin dengan Sudut Potong 90°…...……... 37
xvii
ISTILAH PENTING
Simbol Keterangan
v Kecepatan angin (m/s)
n Kecepatan putar kincir (rpm)
F Gaya pengimbang (N)
A Luas penampang (m2)
T Torsi (Nm)
ω Kecepatan sudut (rad/sec)
Pin Daya angin yang tersedia (Watt) Pout Daya yang dihasilkan kincir (Watt)
λ tip speed ratio
CP Koefisien daya
r Jarak lengan torsi (m)
d Diameter kincir (m)
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Tidak bisa dipungkiri bahwa populasi manusia di dunia saat ini terus mengalami peningkatan. Seiring dengan hal tersebut, manusia melakukan banyak cara untuk memenuhi kebutuhannya, termasuk kegiatan eksplorasi dan eksploitasi sumber daya alam. Namun, beberapa jenis sumber daya alam merupakan jenis yang tak dapat diperbarui dan menimbulkan polusi, oleh sebab itu perlu adanya alternatif sumber daya alam yang bersih dan dapat diperbarui. Sumber daya yang bersih bermakna ramah lingkungan, tidak banyak menimbulkan polusi serta tidak menimbulkan efek kerusakan bagi lingkungan sekitarnya. Makna dapat diperbarui berarti energi tersebut dapat terus menerus dapat diperoleh selama kondisinya memenuhi. Salah satu contoh sumber daya alam baru dan terbarukan yang dapat digunakan sebagai sumber energi tersebut adalah energi angin.
Angin termasuk energi yang bisa diperoleh gratis dan diperoleh dimanapun dan kapanpun. Salah satu tempat yang memiliki potensi energi angin yang besar adalah di pinggir pantai karena adanya angin darat dan angin laut. Didukung kenyataan bahwa Indonesia memiliki garis pantai terpanjang ke dua di dunia setelah negara Kanada (Sumber:http://www.dw.com/id/10-negara-dengan-garis-pantai-terpanjang-di-dunia/g-18951508, 15 Febuari 2016.), namun kurang dari 5% yang baru dimanfaatkan tenaga anginnya sebagai alternatif sumber energi nasional (http://ebtke.esdm.go.id/presiden.janjikan.insetif.pengembangan.energi.baru.terbar
ukan, 15 Febuari 2016). Saat ini sudah dibangun beberapa PLTB (Pembangkit Listrik Tenaga Bayu) di Indonesia, salah satunya ada di Bantul, Yogyakarta yang diharapkan kedepannya akan lebih banyak penelitian dan inovasi yang mendukung adanya sumber daya yang bersih dan terbarukan.
Ada banyak jenis kincir angin yang telah dikembangkan. Secara umum, kincir angin diklasifikasikan menjadi dua jenis berdasarkan arah porosnya yaitu kincir angin dengan poros vertikal dan kincir angin dengan poros horisontal, yang masing-masing jenis mempunyai berbagai macam bentuk kincir angin.
Dari latar belakang tersebut penulis membuat penelitian dengan model kincir angin poros horisontal dengan tiga sudu. Sudu yang digunakan menggunakan ukuran dan bentuk yang sama tetapi variasi sudut potongnya berbeda. Hal ini bertujuan untuk mengetahui sudu mana yang lebih baik digunakan.
1.2 Perumusan Masalah
Dari uraian latar belakang tersebut maka dapat diperoleh rumusan masalah dalam penelitian ini berupa:
1. Bagaimana membuat sudu-sudu kincir angin dari belahan kerucut berbahan dasar kayu berlapis seng?
2. Bagaimana pengaruh sudut potong sudu terhadap unjuk kerja kincir angin?
3. Seberapa besar koefisien daya yang dapat dihasilkan oleh ketiga varisasi sudut potong sudu kincir angin?
1.3 Batasan Masalah
Karena luasnya cakupan permasalahan di atas, maka penulis membatasi bahasan permasalahan sebagai berikut:
1. Penelitian menggunakan model kincir angin jenis propeler berbahan dasar kayu berlapis seng dengan diameter kecil kerucut 15 cm dan diameter besar kerucut 22,5 cm sepanjang 37 cm.
2. Kincir angin dibuat dari belahan dinding kerucut dengan variasi sudut potong 70o, 80o, dan 90o.
3. Kincir angin diuji pada terowongan angin dengan tiga kali pengulangan kemudian diambil nilai terbaik.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Membuat model kincir angin propeler tiga sudu berbahan dasar kayu berlapis seng dengan tipe belahan kerucut.
2. Mengetahui koefisien daya dan tip speed ratio yang dihasilkan kincir angin.
3. Membandingkan koefisien daya yang dihasilkan kincir angin untuk tiga variasi sudut potongkincir dengan bentuk dan ukuran yang sama.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini diataranya adalah:
1. Menjadi salah satu sumber informasi mengenai unjuk kerja model kincir angin propeler tiga sudu berbahan kayu dengan variasi sudut potong yang berbeda.
2. Memberi manfaat bagi pengembangan teknologi energi terbarukan di Indonesia, khususnya energi angin.
3. Menjadi salah satu sumber referensi bagi masyarakat di daerah yang memiliki potensi energi angin yang besar untuk memberdayakan energi tepat guna.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
Angin adalah udara bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Pada daerah yang memiliki temperatur tinggi, udara akan memuai dan massa jenis udara akan turun, sehingga tekanan udara di daerah tersebut akan rendah. Tekanan rendah ini akan diisi oleh udara yang datang dari tekanan yang lebih tinggi.
Indonesia memiliki potensi angin yang cukup baik, karena sebagian pulau memiliki potensi angin yang bisa dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik tenaga angin, tentunya dengan bantuan alat yang disebut dengan kincir angin. Kepulauan yang memiliki potensi tersebut diantaranya kepulauan Sumbawa, Sumba, Lombok, dan Bali yaitu sebesar 4,5 sampai 5,8 m/s. ( Mulyani, 2008 ).
2.2 Kincir Angin
Kincir angin adalah sebuah alat yang digerakkan oleh tenaga angin sehingga menghasilkan energi mekanik atau gerak. Kincir angin dulunya banyak dipakai di Belanda, Denmark, dan negara-negara Eropa lainya yang pada waktu itu banyak digunakan untuk irigasi, menumbuk hasil pertanian, dan penggilingan gandum. Istilah yang dipakai untuk menamai kincir pada waktu itu adalah windmill. (Sumber : http://wikipedia.org/Kincir_angin, 22 Januari 2016). Mengacu pada kebijakan energi nasional, maka pembangkit listrik tenaga bayu (PLTB)
ditargetkan mencapai 250 Mega watt (MW) pada tahun 2025
Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dibedakan menjadi dua kelompok utama, yaitu kincir angin poros horizontal dan kincir angin poros vertikal. Penelitian ini akan mengembangkan jenis kincir angin poros horizontal.
2.2.1 Kincir Angin Poros Horizontal
Kincir angin poros horisontal atau horizontal axis wind turbin (hawt) adalah kincir angin yang memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah angin. Kincir ini terdiri dari sebuah menara dan kincir yang berada pada puncak menara tersebut.
Poros kincir dapat berputar 360⁰ terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin.(Sumber:http://wikipedia.org/Kincir_angin, 22 Januari 2016). Beberapa jenis kincir angin poros horizontal yang telah banyak dikenal diantaranya ditunjukkan pada Gambar 2.1.
1) Kincir angin cretan sail windmill [Gambar2.1 (a)] 2) Kincir angin Dutch four-arm [Gambar2.1 (b)] 3) Kincir angin American windmill [Gambar2.1 (c)] 4) Kincir angin Rival calzoni [Gambar2.1 (d)]
(a) (b)
(c) (d) Gambar 2.1 Kincir Angin Poros Horisontal:
(a) Cretan-sail windmill, (b) Dutch four-arm, (c) American windmill, (d) Rival
calzoni (Sumber:www.Fineartamerica.com, diunduh 23 Januari 2016).
Beberapa kelebihan kincir angin poros horisontal diantaranya adalah: 1) Mampu mengonversi energi angin pada kecepatan angin yang tinggi. 2) Banyak digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan skala besar. 3) Memiliki faktor keamanan yang lebih baik karena posisi sudu yang berada
di atas menara. .
Adapun beberapa kelemahan yang dimiliki kincir angin poros horisontal adalah:
1) Konstruksi yang tinggi dapat menyulitkan dalam pemasangan kincir. 2) Perlu adanya mekanisme tambahan untuk menyesuaikkan dengan arah
angin.
3) Biaya pemasangannya relatif lebih mahal dibanding kincir angin sumbu vertikal.
2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal
Kincir angin poros vertikal adalah salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan arah angin atau dengan kata lain kincir jenis ini dapat mengonversi tenaga angin dari segala arah kecuali arah angin dari atas atau bawah. Kincir jenis ini menghasilkan torsi yang besar daripada kincir angin poros horisontal.
Beberapa kelebihan kincir angin poros vertikal adalah: 1) Dapat menerima arah angin dari segala arah.
2) Memiliki torsi yang besar pada putaran kincir rendah. 3) Dapat bekerja pada kecepatan angin rendah.
4) Tidak memerlukan mekanisme yaw.
5) Biaya pemasangan relatif lebih murah dibanding kincir angin horisontal.
Sedangkan beberapa kelemahan dari kincir angin poros vertikal adalah sebagai berikut:
1) Memiliki torsi awal yang rendah, diperlukan energi untuk mulai berputar.
2) Bekerja pada putaran rendah, sehingga energi angin yang dihasilkan kecil.
3) Dari konstruksinya, berat poros dan sudu yang bertumpu pada bantalan merupakan beban tambahan.
Beberapa jenis kincir angin poros vertikal diantaranya seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2.
(a) (b)
Gambar 2.2 Kincir Angin Poros Vertikal (a) Kincir Angin Savonius, (b) Kincir Angin Darrieus (Sumber : http://wikipedia.org/Kincir_angin, diunduh 23 Januari 2016).
2.3 Kincir Angin Propeler
Penelitian ini akan membahas kincir angin poros horisontal tiga sudu dengan jenis propeler. Kincir angin jenis propeler merupakan salah satu jenis kincir angin poros horisontal yang biasanya bersudu tiga, empat, atau banyak. Kincir jenis ini dapat bekerja pada putaran yang tinggi sehingga dapat menghasilkan daya listrik yang besar.
2.4 Alasan Pemilihan Kincir Angin Propeler
Penentuan jenis kincir angin dalam penelitian ini berupa kincir angin propeler memiliki beberapa alasan, diantaranya:
1. Jenis kincir angin propeler dipilih karena pada umumnya memiliki kecepatan putar dan tip speed ratio (λ) yang lebih tinggi dibandingkan dengan jenis-jenis kincir lainnya, sehingga cocok digunakan sebagai penggerak generator listrik.
2. Kincir propeler dengan jumlah sudu sebanyak tiga buah dipilih karena memiliki sifat giroskopik yang lebih baik dibandingkan dengan kincir dua sudu dan lebih efisien dibandingkan dengan kincir empat sudu. 3. Bahan dasar sudu dipilih dari pelat kayu triplek (plywood), karena kayu
dipandang cukup kuat, mudah didapat, harganya terjangkau, dan mudah dikerjakan dengan tangan. Sedangkan plat seng sebagai pelapis luar sudu kincir dipilih karena seng dipandang tahan terhadap cuaca, tahan korosi, mudah didapat, dan cukup murah.
4. Pada umumnya kincir angin jenis propeler memiliki koefisien daya puncak (CPmax) yang lebih tinggi dibandingkan dengan jenis-jenis kincir
lainnya, yakni diatas harga 0,35.
2.5 Rumus Perhitungan
Nilai karakteristik kincir angin dapat ditelusuri dengan menggunakan persamaan-persamaan berikut:
1. Energi potensial yang terdapat pada angin dapat memutarkan sudu-sudu yang terdapat pada kincir angin tersebut.
2. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat gerakan benda tersebut, yang dapat dirumuskan:
(1)
dengan:
m adalah massa (kg)
v adalah kecepatan dari benda yang bergerak (m/s)
3. Daya angin ( ) adalah daya yang dibangkitkan oleh angin pada tiap luasan sudu, yang dapat dirumuskan:
(2)
dengan :
ρ adalah massa jenis udara (kg/m3 )
A adalah luas penampang sudu (m2)
v adalah kecepatan aliran angin (m/s)
4. Tip speed ratio (λ) adalah perbandingan kecepatan pada ujung-ujung sudu yang berputar terhadap kecepatan angin, λ dapat dirumuskan:
(3)
dengan:
r adalah jari-jari lingkaran/penampang sudu kincir (m) n adalah putaran kincir (rpm)
5. Daya yang dihasilkan kincir (Pout) adalah daya yang dihasilkan kincir
akibat adanya angin yang melintasi sudu kincir. Daya kincir yang dihasilkan oleh gerakan melingkar kincir dapat dirumuskan:
(4) dengan:
T adalah torsi (Nm)
ω adalah kecepatan sudut (rad/detik)
6. Torsi (T) adalah gaya yang bekerja pada poros dihasilkan oleh gaya dorong pada sudu kincir yang dikurangi dengan gaya hambat (gaya yang berlawanan arah). Gaya dorong ini memiliki jarak terhadap sumbu poros kincir yang berputar. Untuk perhitungan torsi dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
(5) dengan:
F adalah gaya (N)
r adalah panjang lengan torsi (m)
7. Kecepatan sudut kincir (ω) adalah kecepatan putar kincir dalam satuan radian per detik. Kecepatan sudut dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
(6)
8. Koefisien daya (CP) adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukkan
perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir dengan daya yang dihasilkan oleh angin. Nilai dari CP dapat dirumuskan:
(7)
CP dari suatu kincir angin juga dapat ditentukan dengan grafik
perbandingan antara CP dan λ dari beberapa jenis kincir seperti ditunjukkan
Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Grafik Perbandingan CP dan λ dari Beberapa Jenis Kincir.
(Sumber: Jhonson, 2006, halaman 18)
2.6 Tinjauan Pustaka
Beberapa hasil penelitian dalam satu kelompok dapat dijadikan perbandingan untuk penelitian ini. Dengan menentukan karakteristik yang sama dalam penelitian berupa persamaan sudut potong, panjang kincir dan lebar ujung sudu namun berbeda dalam besar diameter kerucut, hasil yang dilakukan oleh Fembri dalam penelitian model kincir angin propeler tiga sudu berbahan kayu berlapis seng dengan sudu-sudu dari belahan dinding kerucut dengan diameter
kecil 15 cm diameter besar 45 cm sepanjang 36,5 cm, memberikan hasil Cpmax sebesar 24,9% pada λ optimal 3,25 dengan diketahui nilai dari sudut kerucut 44o. (Fembri, 2015). Dengan karakteristik yang serupa, penelitian Agus dalam model kincir angin propeler berbahan kayu berlapis seng dari potongan selimut kerucut dengan diameter kecil 15 cm diameter besar 30 cm sepanjang 36,5 cm, diperoleh
Cpmax sebesar 31,72% pada λ optimal 3,59 dengan diketahui nilai dari sudut kerucut 23o (Agus, 2015). Sudut kerucut dalam penelitian merupakan sudut yang diperoleh dari pangkal belahan selimut kerucut. Besar sudut 12o dalam penelitian ini diperoleh dari perbandingan diameter kecil kerucut yakni 15 cm, diameter besar kerucut yakni 22,5 cm dan panjang kerucut yakni 37 cm.
Model kincir angin dengan belahan lain yaitu belahan silinder yang telah diteliti oleh Yulius dengan judul unjuk kerja kincir angin propeler tiga sudu berbahan kayu berlapis seng dengan sudu-sudu dari belahan dinding silinder
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Diagram Alur Penelitian
Diagram alur penelitian merupakan urutan proses yang dilakukan dalam penelitian ini. Diagram alur penelitian disajikan sebagai berikut:
Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian Mulai
Perancangan kincir angin poros horisontal
Pembuatan kincir angin poros horisontal dengan bahan kayu ketebalan 3 mm dilapisi seng. Variasi berupa sudut potong kincir 70o, 80o, 90o dengan bentuk dan ukuran yang sama.
Pengambilan data dengan cara mencari nilai kecepatan angin, putaran poros kincir dan gaya pengimbang kincir.
Pengolahan data berupa besar daya kincir angin, Koefisien Daya (CP) dan tip speed ratio (λ)
masing–masing variasi kincir angin.
Analisis, pembahasan data serta pembuatan laporan.
Selesai
3.2 Objek Penelitian
Objek dalam penelitian ini berupa kincir angin jenis propeler dengan jumlah sudu 3 buah dan memiliki diameter 80 cm. Bahan yang digunakan berupa kayu, tepatnya triplek dengan ketebalan 3 mm dan dilapisi seng dengan ketebalan plat 0,25 inci. Kincir angin terbuat dari belahan kerucut dan memiliki variasi sudut potong kincir angin sebesar 70o, 80o, 90o. Penelitian dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Perbedaan sudu-sudu yang terbuat dari belahan dinding silinder dan dari belahan dinding kerucut adalah sudu belahan dinding kerucut menampilkan sudu dengan puntiran (twist), sedangkan sudu belahan dinding silinder akan menampilkan sudu tanpa puntiran. Berdasarkan teori aerodinamika, sudu dengan puntiran memberikan performa yang lebih baik dari pada sudu tanpa puntiran, karena akan memberikan sudut serang (attack angle) angin yang lebih seragam sepanjang sudu sebagai penyeimbang (counter balance) dari kecepatan yang bervariasi sepanjang sudu.
Kesamaan pada ketiga variasi sudu ini adalah: 1. Diameter kerucut kecil 15 cm.
2. Diameter kerucut besar 22,5 cm. 3. Panjang sudu sebesar 37 cm. 4. Lebar ujung sudu 5 cm.
5. Menggunakan cetakan mal yang sama. 3.3 Bahan–Bahan
Bahan–bahan merupakan alat–alat yang digunakan sebagai penyusun dan pendukung terbentuknya sebuah kincir angin dalam penelitian ini, berupa:
3.3.1 Bahan untuk Sudu Kincir
Sudu kincir adalah bagian dari kincir yang digunakan untuk menangkap angin yang datang. Sudu kincir angin terbuat dari bahan kayu dengan ketebalan 3 mm. Banyak sudu yang digunakan berjumlah tiga buah. Ada tiga macam variasi sudut potong yaitu sudut potong 70o, 80o, dan 90o.
3.3.2 Bahan untuk Pengikat Pangkal Sudu Kincir
Pengikat pangkal sudu dibuat dari bahan triplek dengan ketebalan 10 mm kemudian diisi dengan cetakan berbahan resin agar lebih padat dan keras.
3.3.3 Bahan untuk Poros Utama Kincir
Poros utama kincir yang dipasang tetap pada rotor kincir dan ditahan oleh dua bantalan pengunci. Poros utama kincir berbahan pejal silindris dari alumunium berdiameter ¾ inci.
3.3.4 Bahan untuk Pelapis Sudu
Sudu dari kayu triplek dilapisi menggunakan seng tipis dengan ketebalan 0.25 inci di seluruh bagian sudu. Pelapisan digunakan dengan tujuan selain untuk menutupi kelemahan kayu triplek yang mudah lapuk, juga sebagai pelindung dari cuaca panas dan dingin serta sebagai penahan lengkungan pada triplek agar lebih kokoh.
3.3.5 Bahan untuk Perekat
Penyambungan bilah triplek menggunakan serbuk kayu halus sebagai pengisi di setiap celahnya kemudian diberi lem agar penyambungan lebih cepat kering dan lebih kuat.
3.3.6 Bahan untuk Rotor
Rotor adalah tempat dari dudukan sudu. Rotor dibentuk sedemikian rupa dari bahan triplek berlapis seng tipis untuk menguatkan performa dalam menopang sudu saat dirakit pada rotor. Rotor dalam penelitian ditunjukkan pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Rotor Kincir Angin 3.3.7 Bahan Penyambung, Pengikat dan Lain-Lain
1) Baut–baut berdiameter 4 mm dan 6 mm dengan pasangan mur yang sesuai serta ring.
2) Pipa alumunium berdiameter ½ inci sebagai poros penghubung rotor dan mekanisme pengereman.
3) Paku ½ inci dan 1 inci. 4) Lem dan serbuk kayu.
3.4 Alat Permesinan
Pembuatan kincir angin memerlukan mesin untuk mempermudah dan meningkatkan kualitas dari kincir angin yang akan dibuat. Beberapa mesin dan alat yang dipakai antara lain:
1. Mesin bubut 2. Mesin bor 3. Gergaji 3.5 Alat Pendukung
Alat pendukung dalam penelitian ini digunakan sebagai alat bantu dalam pengujian. Beberapa alat pendukung dalam penelitian adalah sebagai berikut: 3.5.1 Terowongan Angin (wind tunnel)
Terowongan angin (wind tunnel) adalah sebuah lorong berukuran persegi 1,2 m x 1,2 m sepanjang 2,5 m yang digunakan sebagai tempat masuknya angin buatan dengan kecepatan yang bisa diatur untuk tempat pengujian kincir angin. Angin buatan ini diperoleh dari blower yang menurunkan tekanan di terowongan, akibatnya udara di sekitar blower terhisap masuk menggantikan udara di terowongan tadi. Pengaturan kecepatan angin dalam terowongan angin dilakukan dengan mengatur jarak terowongan angin dengan blower. Semakin jauh jaraknya, maka kecepatan angin yang terukur semakin kecil. Terowongan angin yang dipakai dalam penelitian ditunjukkan pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Terowongan Angin 3.5.2 Blower
Blower adalah alat yang digunakan untuk menurunkan tekanan di dalam terowongan angin sehingga angin dapat berhembus dengan kecepatan tertentu. Blower dalam penelitian ini menggunakan transmisi berupa sabuk dan puli. Blower digerakkan oleh motor listrik berdaya 5,5 kW. Blower yang dipakai dalam penelitian ditunjukkan pada Gambar 3.4.
3.5.3 Takometer (Tachometer)
Takometer (Tachometer) adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putaran (rpm), dalam penelitian ini berupa kecepatan putar poros kincir angin. Takometer yang dipakai dalam penelitian ini berjenis Digital Light
Tachometer. Cara kerjanya yakni takometer diarahkan pada piringan pengereman
yang telah diberi titik hologram sehingga dapat dibaca oleh takometer. Takometer yang dipakai dalam penelitian ditunjukkan pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Takometer 3.5.4 Anemometer
Anemometer adalah alat yang digunakan sebagai pengukur kecepatan angin. Anemometer diletakkan setelah melewati kincir angin. Anemometer yang dipakai dalam penelitian ditunjukkan pada Gambar 3.6.
3.5.5 Neraca Pegas
Neraca pegas merupakan alat untuk mengukur beban, dalam penelitian ini berupa beban pengereman. Neraca pegas yang dipakai dalam penelitian ditunjukkan pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Neraca Pegas 3.5.6 Mekanisme Pengereman
Mekanisme pengereman dipakai sebagai respon terhadap pemberian beban pada tuas. Pemberian beban berupa pita karet akan meningkatkan beban pada neraca karena neraca tertarik sehingga nilai beban yang ditunjukkan semakin besar. Mekanisme pengereman dalam penelitian ditunjukkan pada Gambar 3.8.
3.6 Pembuatan Sudu Kincir
1. Sudu-sudu kincir yang dipilih merupakan bagian dari dinding sebuah kerucut yang dipotong seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Pemotongan Dinding Kerucut untuk Sudu
2. Pangkal sudu (root) berupa tiga variasi sudut busur lengkung (α), yakni 70o, 80o dan 90o pada bagian dari belahan dinding sebuah kerucut seperti ditunjukkan pada Gambar 3.10, 3.11, dan 3.12.
3. Dari hasil potongan tersebut maka akan diperoleh lengkungan sudu yang berupa puntiran.
4. Pelapisan pada permukaan triplek menggunakan pelat seng tipis dengan cara dilem secara rapat.
5. Pemberian garis acuan sesuai dengan segmen yang sudah ditentukan sesuai rancangan pada permukaan triplek.
Gambar 3.10 Sudu dengan Sudut Potong 70o
Gambar 3.11 Sudu dengan Sudut Potong 80o
6. Penyayatan dengan menggunakan paku/scriber marking sesuai garis yang dibuat pada permukaan triplek sehingga menjadi lengkung.
7. Setelah sudu sudah terpotong sesuai dengan sektor sudut masing-masing kemudian sudu dimal agar mendapatkan bentuk sesuai dengan sektor sudut yang dirancang. Mal dalam penelitian ditunjukkan pada gambar 3.13.
Gambar 3.13 Mal Pembentuk Sudut Potong Sudu
8. Pemberian serbuk kayu dan lem pada celah garis irisan sisi cembung supaya kelengkungan dapat permanen dan menghasilkan kelengkungan yang keras.
9. Perakitan sudu-sudu membentuk rotor kincir. Rotor kincir yang dibuat memiliki tiga sudu. Bentuk tipikal dan ukuran garis besar model rotor kincir yang akan dibuat adalah seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.14.
Gambar 3.14 Model Kincir Angin
3.7 Variabel Penelitian
Variabel penelitian adalah hal yang dapat mempengaruhi unjuk kerja kincir angin, sehingga beberapa variabel penelitian harus ditentukan sebelum melakukan penelitian berupa:
1. Kecepatan angin rata-rata sebesar 8,5 m/s.
2. Sudu dalam penelitian ini merupakan potongan dari belahan kerucut sehingga menampilkan sudu dengan puntiran.
3.8 Parameter yang Diukur
Parameter adalah hal-hal yang perlu dicatat dalam penelitian ini untuk memperlancar dalam pengolahan data. Parameter yang diukur dalam penelitian ini berupa:
1. Kecepatan angin, v (m/s) 2. Gaya pengimbang, F (N)
3. Putaran poros kincir angin, n (rpm)
3.9 Parameter yang Dihitung
Untuk mendapatkan karakteristik yang didapat dalam penelitian, menggunakan parameter sebagai berikut:
1. Daya angin (Pin)
2. Daya kincir (Pout)
3. Koefisien daya (CP)
4. Tip speed ratio (λ)
3.10 Langkah Percobaan
Pengambilan data untuk penelitian berupa nilai dari kecepatan angin, beban, dan kecepatan putar kincir angin yang dilakukan secara bersama–sama. Langkah percobaan seperti ditunjukkan pada Gambar 3.15. Yang perlu dilakukan pertama kali adalah memasang kincir angin pada terowongan angin. Langkah selanjutnya dalam pengambilan data ditunjukkan sebagai berikut:
1. Mengatur sudu kincir dengan sudut potong 70o yang dipasangkan dengan rotor kemudian digabungkan dengan poros utama kincir.
2. Menghubungkan poros utama kincir dengan mekanisme pengereman. 3. Menempatkan anemometer di depan kincir angin untuk mengetahui nilai
kecepatan angin.
4. Memasang neraca pegas pada tempat yang sudah ditentukan.
5. Memasang tali antara neraca pegas dengan mekanisme pengereman. 6. Menghidupkan blower untuk menghembuskan angin dalam terowongan
angin.
7. Mengatur jarak celah antara blower dengan terowongan angin agar sesuai dengan nilai kecepatan angin yang diinginkan.
8. Variasi pembebanan pada mekanisme pengereman berupa penambahan karet, dimulai dari tanpa karet, satu karet, dua karet hingga kincir angin berhenti berputar.
9. Melakukan pembacaan dan mencatat besarnya kecepatan angin pada anemometer, nilai putaran poros kincir dengan alat ukur takometer serta besarnya pembebanan dengan neraca pegas.
10. Dalam setiap pengujian dilakukan 3 kali pengulangan untuk mendapatkan nilai terbaik.
11. Mengulangi langkah 1 sampai 10 untuk variasi sudut potong sudu 80o dan 90o.
Gambar 3.15 Skema Pengujian Kincir Angin
3.11 Langkah Pengolahan Data
Dari data yang telah diperoleh, maka data tersebut dapat diolah dengan langkah-langkah sebagai berikut:
1. Setelah diketahui nilai dari kecepatan angin (v) dan luasan kincir (A), maka dapat dicari daya angin (Pin).
2. Dari besar pembebanan yang diketahui, maka bisa diperoleh gaya pengimbang (F) yang dapat digunakan untuk mencari torsi (T).
3. Data putaran poros kincir (n) dan torsi (T) dapat digunakan untuk mencari daya kincir (Pout).
4. Dengan membandingkan kecepatan keliling di ujung sudu dan kecepatan angin, maka tip speed ratio (λ) dapat dicari.
5. Dari data daya kincir angin (Pout) dan daya angin (Pin) maka nilai dari
BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Percobaan
Hasil percobaan berupa nilai dari kecepatan angin (m/s), putaran kincir (rpm), dan gaya pengimbang (gram). Data hasil percobaan kincir angin untuk variasi sudut potong dapat dilihat pada Tabel 4.1, Tabel 4.2, dan Tabel 4.3.
Tabel 4.1 Data Percobaan Kincir Angin dengan Sudut Potong 70o
Nomer Pengujian Kec. angin rata-rata, v (m/s) Gaya pengimbang, F (gram) Putaran kincir, n (rpm) 1 Pertama 8,5 0 848 2 190 714 3 250 673 4 280 630 5 340 565 6 400 532 7 440 447 1 Kedua 8,5 0 857 2 150 754 3 200 691 4 310 585 5 350 553 6 390 543 7 420 460 8 450 436 1 Ketiga 8,5 0 872 2 130 740 3 200 700 4 250 665 5 290 641 6 340 586 7 370 546 8 410 492 9 440 467 30
Tabel 4.2 Data Percobaan Kincir Angin dengan Sudut Potong 80o. Nomer Pengujian Kec. angin rata-rata, v (m/s) Gaya pengimbang, F (gram) Putaran kincir, n (rpm) 1 Pertama 8,5 0 848 2 160 794 3 220 689 4 250 669 5 290 619 6 350 572 7 370 532 8 450 515 9 480 438 1 Kedua 8,5 0 867 2 130 707 3 210 693 4 270 665 5 320 628 6 380 484 7 420 472 8 450 456 9 470 404 1 Ketiga 8,5 0 870 2 130 768 3 200 685 4 230 661 5 290 654 6 360 604 7 430 519 8 450 502 9 490 434 10 500 388
Tabel 4.3 Data Percobaan Kincir Angin dengan Sudut Potong 90o. Nomer Pengujian Kec. Angin rata-rata, v (m/s) Gaya pengimbang, F (gram) Putaran kincir, n (rpm) 1 Pertama 8,5 0 803 2 160 725 3 220 673 4 260 633 5 340 593 6 380 553 7 420 525 8 470 480 9 540 374 1 Kedua 8,5 0 820 2 140 714 3 210 908 4 250 663 5 290 644 6 340 580 7 380 528 8 410 520 9 450 502 10 510 392 1 Ketiga 8,5 0 814 2 130 714 3 200 652 4 240 638 5 310 583 6 370 546 7 410 512 8 450 489 9 500 365
4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan
Pengolahan data dilakukan untuk memperoleh nilai unjuk kerja kincir dari hasil pengujian, kemudian data hasil pengujian dimasukkan ke dalam persamaan-persamaan yang sudah ditentukan. Sampel data dalam contoh perhitungan menggunakan data kincir angin sudut potong 80o percobaan pertama urutan delapan sebagai berikut:
1. Besarnya daya angin (Pin) yang diterima oleh kincir berdiameter 0,8 m
dengan kecepatan angin rata-rata 8,5 m/s dapat dicari dengan Persamaan 2: Dengan diketahui:
maka,
Jadi daya yang tersedia pada angin adalah 179,63 watt
2. Besarnya daya kincir angin (Pout) dapat dicari dengan persamaan 4 dengan
terlebih dahulu mencari kecepatan sudut dan torsi, yang dicari dengan Persamaan 5 dan 6:
Maka kecepatan sudut (ω) yang didapatkan adalah 53,93 rad/s. Dengan diketahui:
Sehingga torsi yang didapatkan adalah 0,88 Nm. Maka daya yang dihasilkan kincir:
Sehingga daya yang dihasilkan oleh kincir adalah 47,45 watt.
3. Besarnya tip speed ratio (λ) dapat dicari dengan Persamaan 3. Besar λ adalah:
Sehingga λ yang didapatkan 2,54.
4. Besarnya Koefisien daya (CP) dapat dicari dengan Persamaan 7, besarnya CP adalah:
Maka CP yang dihasilkan adalah 26,41%.
4.3 Data Hasil Perhitungan
Dari percobaan yang telah dilakukan dengan memberikan variasi sudut potong pada kincir angin, kemudian data diolah menggunakan Microsoft Excel, maka diperoleh data perhitungan sesuai Tabel 4.4, 4.5, dan 4.6.
4.4 Grafik Hasil Perhitungan
Dari data perhitungan yang diperoleh, kemudian diolah kembali dalam bentuk grafik untuk mengetahui hubungan antara putaran kincir (n) dengan torsi (T), daya kincir (Pout) dengan torsi (T), serta grafik hubungan antara koefisien
daya (CP) dengan tip speed ratio (λ).
4.4.1 Grafik Kincir Angin dengan Sudut Potong 70°
1) Grafik hubungan antara putaran poros (n) dengan torsi (T) pada kincir angin sudut 70o ditunjukkan pada Gambar 4.1.
Tabel 4.4 Data Perhitungan Kincir Angin dengan Sudut Potong 70°. No. Putaran kincir angin, n Gaya pengimbang, F Torsi, T Kecepatan sudut, ω Daya kincir, Pout CP (%) Λ (λ) Rpm N Nm rad/s watt 1 848 0 0 88,84 0 0 4,18 2 715 1,86 0,37 74,86 27,91 15,45 3,52 3 674 2,45 0,49 70,57 34,61 19,16 3,32 4 630 2,75 0,55 66,04 36,28 20,08 3,11 5 565 3,34 0,67 59,19 39,48 21,86 2,79 6 532 3,92 0,78 55,75 43,76 24,22 2,62 7 447 4,32 0,86 46,87 40,46 22,40 2,21 1 858 0 0 89,86 0 0 4,23 2 755 1,47 0,29 79,08 23,27 12,88 3,72 3 691 1,96 0,39 72,43 28,42 15,73 3,41 4 638 2,55 0,51 66,82 34,08 18,87 3,14 5 585 3,04 0,61 61,32 37,29 20,64 2,89 6 554 3,43 0,69 58,02 39,84 22,05 2,73 7 544 3,83 0,77 56,95 43,58 24,12 2,68 8 461 4,12 0,82 48,27 39,78 22,02 2,27 9 436 4,41 0,88 45,69 40,34 22,33 2,15 1 873 0 0 91,44 0 0 4,30 2 740 1,28 0,26 77,57 19,78 10,95 3,65 3 701 1,96 0,39 73,42 28,81 15,95 3,45 4 665 2,45 0,49 69,70 34,19 18,92 3,28 5 641 2,84 0,57 67,18 38,23 21,16 3,16 6 586 3,34 0,67 61,38 40,95 22,67 2,89 7 547 3,63 0,73 57,26 41,57 23,01 2,69 8 492 4,02 0,80 51,55 41,57 22,96 2,43 9 467 4,32 0,86 48,96 42,26 23,39 2,30
Tabel 4.5 Data Perhitungan Kincir Angin dengan Sudut Potong 80°. No. Putaran kincir angin,n Gaya pengimbang, F Torsi, T Kecepatan Sudut, ω Daya kincir, Pout CP (%) Λ (λ) rpm N Nm rad/s watt 1 849 0 0 88,9 0 0 4,18 2 795 1,57 0,31 83,2 26,13 14,46 3,92 3 689 2,16 0,43 72,2 31,16 17,25 3,40 4 669 2,45 0,49 70,1 34,39 19,03 3,30 5 620 2,84 0,57 64,9 36,93 20,44 3,05 6 572 3,43 0,69 60,0 41,18 22,79 2,82 7 533 3,63 0,73 55,8 40,50 22,42 2,63 8 516 4,41 0,88 54,0 47,72 26,41 2,54 9 438 4,71 0,94 45,9 43,24 23,94 2,16 1 868 0 0 90,9 0 0 4,28 2 707 1,28 0,26 74,1 18,89 10,46 3,49 3 693 2,06 0,41 72,6 29,92 16,56 3,42 4 665 2,65 0,53 69,7 36,92 20,44 3,28 5 629 3,14 0,63 65,9 41,35 22,89 3,10 6 485 3,73 0,75 50,8 37,87 20,96 2,39 7 472 4,12 0,82 49,5 40,76 22,56 2,33 8 457 4,41 0,88 47,8 42,23 23,38 2,25 9 405 4,61 0,92 42,4 39,10 21,64 2,00 1 870 0 0 91,1 0 0 4,29 2 769 1,28 0,26 80,5 20,54 11,37 3,79 3 686 1,96 0,39 71,9 28,20 15,61 3,38 4 662 2,26 0,45 69,3 31,27 17,31 3,26 5 654 2,84 0,57 68,5 38,98 21,58 3,22 6 605 3,53 0,71 63,3 44,73 24,76 2,98 7 520 4,22 0,84 54,5 45,94 25,43 2,56 8 502 4,41 0,88 52,6 46,43 25,70 2,47 9 435 4,81 0,96 45,6 43,79 24,24 2,14 10 388 4,91 0,98 40,6 39,88 22,07 1,91
Tabel 4.6 Data Perhitungan Kincir Angin dengan Sudut Potong 90°. No. Putaran kincir angin,n Gaya pengimbang, F Torsi, T Kecepatan sudut, ω Daya kincir, Pout CP (%) Λ (λ) rpm N Nm rad/s watt 1 804 0 0 84,2 0 0 3,96 2 725 1,57 0,31 76,0 23,84 13,20 3,57 3 674 2,16 0,43 70,6 30,47 16,87 3,32 4 633 2,55 0,51 66,3 33,84 18,73 3,12 5 594 3,34 0,67 62,2 41,48 22,96 2,93 6 553 3,73 0,75 58,0 43,21 23,92 2,73 7 525 4,12 0,82 55,0 45,33 25,09 2,59 8 480 4,61 0,92 50,3 46,41 25,69 2,37 9 375 5,30 1,06 39,2 41,58 23,01 1,85 1 820 0 0 85,9 0 0 4,04 2 714 1,37 0,27 74,8 20,55 11,37 3,52 3 909 2,06 0,41 95,2 30,59 16,93 4,48 4 664 2,45 0,49 69,5 34,09 18,87 3,27 5 645 2,84 0,57 67,5 38,43 21,27 3,18 6 580 3,34 0,67 60,8 40,54 22,44 2,86 7 528 3,73 0,75 55,4 41,27 22,58 2,60 8 520 4,02 0,80 54,5 43,85 24,27 2,57 9 502 4,41 0,88 52,6 46,46 25,72 2,48 10 393 5,00 1,00 41,1 41,16 22,78 1,94 1 814 0 0 85,3 0 0 4,01 2 715 1,28 0,26 74,9 19,10 10,57 3,52 3 652 1,96 0,39 68,3 26,81 14,84 3,21 4 638 2,35 0,47 66,8 31,47 17,42 3,15 5 583 3,04 0,61 61,1 31,17 20,57 2,88 6 547 3,63 0,73 57,3 41,56 23,01 2,69 7 513 4,02 0,80 53,7 43,21 23,92 2,53 8 489 4,41 0,88 51,2 45,23 25,04 2,41 9 366 4,91 0,98 38,3 37,58 20,80 1,80
Gambar 4.1 Grafik Hubungan antara Putaran Poros Kincir (n) dan Torsi (T) pada Kincir Angin Sudut Potong 70o
Gambar 4.1 menunjukkan kecepatan putaran poros maksimal pada 848 rpm dengan torsi 0 Nm saat kecepatan angin rata-rata sebesar 8,5 m/s. Nilai torsi maksimal sebesar 0,86 Nm dicapai ketika nilai putaran poros sebesar 447,4 rpm. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar putaran kincir, nilai torsi yang dihasilkan justru semakin kecil.
2) Grafik hubungan antara daya kincir angin (Pout) dan torsi (T) pada kincir
angin sudut 70o seperti ditunjukkan pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2 Grafik Hubungan antara Daya Kincir (Pout) dan Torsi (T)
Gambar 4.2 menunjukkan bahwa nilai dari torsi berbanding lurus dengan nilai daya kincir sampai pada kondisi tertentu, yakni kondisi optimal. Ketika kondisi optimal telah tercapai maka daya kincir yang dihasilkan akan semakin menurun. Dari Gambar 4.2 diketahui bahwa nilai daya kincir optimal pada 43,76 watt ketika torsi sebesar 0,78 Nm dan kecepatan angin rata-rata sebesar 8,5 m/s.
3) Grafik hubungan antara koefisien daya (CP) dengan tip speed ratio (λ)
kincir angin sudut potong 70o ditunjukkan pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3 Grafik Hubungan antara Koefisien Daya (CP) dan tip
speed ratio (λ) pada Kincir Angin Sudut Potong 70o Gambar 4.3 menunjukkan hubungan antara koefisien daya (CP) dan tip speed ratio (λ) menunjukkan nilai maksimal CP 24,22 % pada λ 2,62.
Besarnya CP dan λ dipengaruhi oleh unjuk kerja kincir angin. Unjuk kerja
tinggi akan menghasilkan CP sekaligus λ yang tinggi, sampai titik tertentu
hingga akhirnya menunjukkan grafik penurunan.
CP= -8.835λ2+ 45.20λ - 34.38 0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 Ko ef is ie n d ay a, Cp ( % )
Untuk mendapatkan λ optimal dalam penelitian bisa menggunakan persamaan yang didapatkan dari Gambar 4.3 kemudian persamaan tersebut dideferensialkan menjadi:
λ optimal yang didapat kemudian disubtitusikan kedalam persamaan
sebelumnya untuk mendapakan nilai CPmax yaitu:
4.4.2 Grafik Kincir Angin dengan Sudut Potong 80°
1) Grafik hubungan antara putaran poros kincir (n) dengan torsi (T) pada kincir angin sudut 80o ditunjukkan pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4 Grafik Hubungan antara Putaran Poros Kincir (n) dan Torsi (T) Kincir Angin Sudut Potong 80o
Gambar 4.4 menunjukkan putaran kincir maksimal 848,8 rpm dengan torsi 0 Nm dengan kecepatan angin rata-rata sebesar 8,5 m/s. Nilai torsi maksimal sebesar 0,94 Nm dicapai ketika nilai putaran poros sebesar 438,3 rpm. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar putaran kincir, nilai torsi yang dihasilkan justru semakin kecil.
2) Grafik hubungan antara daya kincir (Pout) dan torsi (T) kincir angin sudut
potong 80o ditunjukkan pada Gambar 4.5.
Gambar 4.5 Grafik Hubungan antara Daya Kincir (Pout) dan Torsi (T)
Kincir Angin Sudut Potong 80o
Gambar 4.5 menunjukkan bahwa nilai dari torsi berbanding lurus dengan nilai daya kincir sampai pada kondisi tertentu, yakni kondisi optimal. Ketika kondisi optimal telah tercapai maka daya kincir yang dihasilkan akan semakin menurun. Dari gambar 4.5 diketahui bahwa nilai daya kincir optimal pada 40,5 watt ketika torsi sebesar 0,73 Nm saat kecepatan angin rata-rata sebesar 8,5 m/s.
3) Grafik hubungan koefisien daya (CP) dan tip speed ratio (λ) kincir angin
sudut potong 80o ditunjukkan pada Gambar 4.6.
Gambar 4.6 Grafik Hubungan antara CP dan λ Kincir Angin Sudut
Potong 80o
Gambar 4.6 menunjukkan CP maksimal 26,41 % pada λ 2,54.
Besarnya CP dan λ dipengaruhi oleh unjuk kerja kincir angin. Unjuk kerja
tinggi akan menghasilkan CP sekaligus λ yang tinggi sampai titik tertentu
hingga akhirnya menunjukkan grafik penurunan, begitu juga sebaliknya jika unjuk kerja kincir angin rendah maka CP dan λ yang diperoleh rendah.
Untuk mendapatkan λ optimal dalam penelitian bisa menggunakan persamaan yang didapatkan dari Gambar 4.6 kemudian persamaan tersebut dideferensialkan menjadi: CP= -6.933λ2+ 33.89λ - 17.14 0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 Ko efis ie n d ay a, C p ( % )
λ optimal yang didapat kemudian disubtitusikan kedalam persamaan
sebelumnya untuk mendapakan nilai CPmax yaitu:
+33,89(2,45)-17,14
4.4.3 Grafik Kincir Angin dengan Sudut Potong 90°
1) Grafik hubungan antara putaran poros (n) dengan torsi (T) pada kincir angin sudut 90o ditunjukkan pada Gambar 4.7.
Gambar 4.7 Grafik Hubungan antara Putaran Poros Kincir dan Torsi pada Kincir Sudut Potong 90o
Gambar 4.7 menunjukkan putaran maksimal 820 rpm dengan torsi 0 Nm. Nilai torsi maksimal sebesar 1,00 Nm dicapai ketika nilai putaran poros sebesar 392,6 rpm saat kecepatan angin rata-rata sebesar 8,5 m/s. Semakin rendah kecepatan angin maka akan menurunkan putaran kincir sehingga torsi yang dihasilkan semakin besar.
2) Grafik hubungan antara daya kincir (Pout) dan torsi (T) kincir angin sudut
potong 90o
Gambar 4.8 Grafik Hubungan antara Daya Kincir (Pout) dan Torsi (T)
Kincir Angin Sudut Potong 90o
Dalam Gambar 4.8 ditunjukkan bahwa nilai dari torsi berbanding lurus dengan nilai daya kincir sampai pada kondisi tertentu, yakni kondisi optimal. Ketika kondisi optimal telah tercapai maka daya kincir yang dihasilkan akan semakin menurun. Dari Gambar 4.8 diketahui bahwa nilai daya kincir optimal pada 46,46 watt ketika torsi sebesar 0,88 Nm dan kecepatan angin rata-rata sebesar 8,5 m/s.
3) Grafik hubungan koefisien daya (CP) dan tip speed ratio (λ) kincir angin
Gambar 4.9 Grafik Hubungan antara CP dan λ Kincir Angin Sudut
Potong 90o
Gambar 4.9 menunjukkan CP maksimal 25,72 % pada λ 2,48. Besarnya CP
dan λ sama-sama dipengaruhi oleh unjuk kerja kincir angin. Unjuk kerja tinggi akan menghasilkan CP sekaligus λ yang tinggi sampai titik tertentu hingga
akhirnya menunjukkan grafik penurunan, begitu juga sebaliknya jika unjuk kerja kincir angin rendah maka CP dan λ yang diperoleh rendah.
Untuk mendapatkan λ optimal dalam penelitian bisa menggunakan persamaan yang didapatkan dari Gambar 4.6 kemudian persamaan tersebut dideferensialkan menjadi: CP= -9.652λ2+ 47.32λ - 33.14 0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 Ko efis ie n d ay a, CP (% )
λ optimal yang didapat kemudian disubtitusikan kedalam persamaan
sebelumnya untuk mendapakan nilai CPmax yaitu:
+47,32(2,45)-33,14
4.5 Grafik Perbandingan Kincir
Nilai koefisien daya (CP) dan tip speed ratio (λ) kincir angin dengan masing-masing sudut potong sudah diketahui. Gambar 4.10 akan menunjukkan perbandingan nilai masing-masing sudut potong seperti berikut:
Gambar 4.10 Garfik Hubungan Koefisien Daya dan tip speed ratio untuk Tiga Variasi Sudu dari Sudut Potong 70o, 80o dan 90o.
Gambar 4.10 menjelaskan perbandingan antara nilai koefisien daya Cp dengan tip speed ratio untuk tiga variasi sudut yakni sudut potong 70o, 80o, dan 90o. Dalam penelitian ini, nilai koefisien daya Cp dan tip speed ratio λ menggunakan nilai hasil pengujian yang telah dilakukan dan ditunjukkan berupa
0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 Ko ef is ie n D ay a, CP (% )
tip speed ratio, λ
Hasil Pengujian Kincir 70 Hasil Pengujian Kincir 80 Hasil Pengujian Kincir 90 Poly. (Hasil Pengujian Kincir 70) Poly. (Hasil Pengujian Kincir 80) Poly. (Hasil Pengujian Kincir 90)
pola titik pada Gambar 4.10, sedangkan pola garis pada Gambar 4.10 hanya menunjukan nilai perhitungan menggunakan rumus empirik. Kincir angin dengan sudu 80o memiliki nilai koefisien daya maksimal (CPmax) paling tinggi yaitu
26,41 % pada nilai λ 2,54 kemudian nilai (CPmax) selanjutnya sebesar 25,72 %
pada λ 2,48 yang dihasilkan oleh kincir dengan sudut potong 90o. Sedangkan nilai (CPmax) dari kincir angin 70o adalah 24,22 % pada λ 2,62.
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Dari pengujian model kincir angin poros horisontal tiga sudu dari bahan kayu berlapis seng dari belahan kerucut dengan diameter kecil kerucut 15 cm dan diameter besar kerucut 22,5 cm sepanjang 37 cm dengan tiga variasi sudut potong yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Telah berhasil dibuat model kincir angin poros horisontal tiga sudu dari bahan kayu berlapis seng terbuat dari belahan kerucut dengan diameter kecil kerucut 15 cm dan diameter besar kerucut 22,5 cm sepanjang 37 cm dengan tiga variasi sudut potong (70o,80o dan 90o) dengan nilai sudut kerucut sebesar 12o dalam bentuk dan ukuran yang sama.
2. Kincir angin dengan sudut potong 70o dapat menghasilkan daya kincir (Pout) maksimal sebesar 43,76 watt pada torsi optimal sebesar 0,86 Nm.
Kincir angin dengan sudut potong 80o dapat menghasilkan daya kincir (Pout) maksimal sebesar 47,72 Watt pada torsi optimal sebesar 0,88 Nm.
Kincir angin dengan sudut potong 90o dapat menghasilkan daya kincir (Pout) maksimal sebesar 46,46 watt pada torsi optimal sebesar 0,88 Nm.
3. Kincir angin dengan sudut potong 70° memiliki koefisien daya (CPmax)
24,22 % pada λ 2,62. Kincir dengan sudut potong 80° memiliki koefisien
daya (CPmax) 26,41 % pada λ 2,54. Kincir dengan sudut potong 90°
memiliki koefisien daya (CPmax) 25,72 % pada λ 2,48.
4. Dari tiga variasi sudut potong dalam penelitian, variasi kincir angin dengan sudut potong 80º menghasilkan koefisien daya yang paling tinggi yaitu sebesar 26,41 % pada tip speed ratio(λ) 2,54.
5.2 Saran
Setelah dilakukan penelitian terdapat beberapa kekurangan yang perlu diperhatikan, untuk itu perlu adanya saran untuk pengembangan lebih lanjut tentang kincir angin antara lain:
1. Untuk lebih meningkatkan unjuk kerja kincir angin perlu dilakukan penelitian lebih lanjut tentang variasi sudut potong yang lebih bedekatan dengan nilai sudut potong yang sudah ada, sehingga diharapkan dapat ditemukan sudut potong yang dapat menghasilkan koefisien daya (CP)
dan tip speed ratio( λ) yang lebih baik.
2. Lebih teliti dalam proses pembuatan kincir agar memperoleh bentuk dan ukuran yang lebih presisi dan seragam sesuai desain kincir.
3. Mengatur blower dan terowongan angin yang digunakan agar mendapatkan kecepatan angin yang lebih stabil.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim, http://www.dw.com/id/10-negara-dengan-garis-pantai-terpanjang-di-dunia/g-18951508, diunduh 15 Febuari 2016.
Johnson, G.L., 2006, Wind Energy System, Manhattan. Diakses : Tanggal 1 April 2015.
Kementrian Energi dan Sumberdaya Mineral. 2010, Rencana Strategis
Kementrian ESDM 2010-2014, http://www.esdm.go.id., Diakses 16
Febuari 2016.
Maulana, Koko, 2014, Pemanfaatan Energi Angin, Alamat web:
http://kokomaulana-st.blogspot.co.id/search/label/energi%20alternatif. Diakses 16 Febuari 2016.
Rines, 2012, Bahan Ajar Rekayasa Energi Angin, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
Saefullah, Asep. 2015, Setrum Ramah dari Hembusan Angin. Alamat web: http://www.sindoweekly.com/planet/magz/no-38-tahun-iv/setrum-ramah-dari-embusan-angin. Diakses 17 Febuari 2016.
Tri, H. 2014, Pemanfaatan Angin Sebagai Sumber Energi Alternative. Alamat web : https://www.bersosial.com, Diakses pada 11 Febuari 2016.
Wibowo, A, S. 2012 : Makalah Energi Angin Menjadi Energi Listrik, Alamat web: http://anangsetiyowibowo.blogspot.com., Diakses pada 30 Januari 2016.
LAMPIRAN GAMBAR KERJA
Gambar L.1 Kincir Angin dengan Sudut Potong 70o
Gambar L.3 Kincir Angin dengan Sudut Potong 90o
Gambar L.5 Kincir Angin Terpasang di Terowongan Angin
