Pengaruh penambahan magnet pada poros kincir terhadap karakteristik dan efisiensi kincir angin propeler untuk tiga variasi kecepatan angin

(1)

i

PENGARUH PENAMBAHAN MAGNET PADA POROS KINCIR

TERHADAP KARAKTERISTIK DAN EFISIENSI KINCIR ANGIN

PROPELER UNTUK TIGA VARIASI KECEPATAN ANGIN

SKRIPSI

Untuk memenuhi salah satu persyaratan Memperoleh gelar Sarjana Teknik

Di Jurusan Teknik Mesin

Oleh

Adhi Brahmantya Herdhani

135214067

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

(2)

i

ADDITIONAL MAGNETS ON SHAFT EFFECT FOR

CHARACTERISTIC AND EFFICIENCY OF PROPELLER WIND

TURBINE IN THREE VARIATIONS OF WIND SPEED

FINAL PROJECT

To fulfill one of the requirements to obtain The Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering Study Program

By

Adhi Brahmantya Herdhani

135214067

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

FACULTY OF SCIENCE AND TECNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

vi

ABSTRAK

Energi angin merupakan salah satu energi terbarukan yang menjanjikan. Kenyataannya fakta menunjukkan bahwa penerapan energi ini sebagai alternatif penghasil listrik di dunia masih belum dimaksimalkan. Sebagai salah satu negara yang berpotensi untuk memanfaatkan energi ini, Indonesia cukup berpeluang besar untuk menerapkan penginstalan alat rekayasa angin di masa mendatang. Penginstalan yang dilakukan di Indonesia sendiri pada tahun 2013 baru mencapai kapasitas 1,6 MW diikuti dengan proyek penginstalan lainnya. Namun faktanya dengan keadaan geografis yang dimiliki Indonesia, tidak setiap tempat di Indonesia memiliki margin potensi kecepatan angin yang sama.

Penelitian tentang penambahan magnet dilakukan untuk melihat pengaruhnya dalam mengoptimalkan efisiensi kincir dengan beberapa variasi angin. Kincir yang dibuat sendiri menggunakan bahan pipa PVC dengan sudut sudu 73,35°. Penelitian ini menggunakan piringan magnet neodymium pada poros kincir dan magnet neodymium kubus sebagai magnet stator yang akan memberikan gaya tolak mengikuti arah perputaran kincir. Dengan variasi kecepatan angin 5 m/s, 6 m/s, dan 7 m/s yang diatur dari blower, masing-masing kincir A (tanpa magnet) dan kincir B (dengan magnet) akan diambil datanya untuk kemudian dibandingkan.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan piringan magnet membantu mengoptimalkan Cp kincir pada kecepatan angin 5 m/s dan 6 m/s. Pada variasi kecepatan 5 m/s, Cp yang dihasilkan kincir dengan piringan magnet memiliki selisih 0,83 % lebih baik dibanding kincir konvensional pada nilai tsr 3,5. Sedangkan pada kecepatan angin 6 m/s sendiri hasil pengamatan menunjukkan perbedaan yang signifikan, dimana kincir dengan piringan magnet dan tanpa piringan magnet mampu menghasilkan Cp maksimal 13,18 % dan 9,43 %. Namun pada variasi kecepatan angin 7 m/s magnet yang digunakan tidak mampu mengoptimalkan Cp kincir.

Kata kunci: kincir propeler, piringan magnet, magnet neodymium, pengotimalan

(8)

vii

ABSTRACT

Wind energy is one of promising renewable energy. The facts show that the application of this energy as an alternative electric power in the world still not maximized. As one of the potential countries to utilize this energy, Indonesia have an opportunity to implement the installation of wind turbine system in the future. Some of installation that already done in Indonesia on 2013 only reached 1.6 MW capacity followed by other installation projects. However with the geographical situation that Indonesia has, not every place in Indonesia has the same potential of wind speed.

Research on magnetic addition carry out to see its effect in optimizing the efficiency of the wind turbine with several variations of the wind. The blade made by using a PVC pipe material with angle of 73.35°. The experiment using neodymium magnet disks on the shaft of wind turbine and square neodymium magnet as stator magnet to give repulsive force following the rotation of the wind turbine. With wind speed variations of 5 m/s, 6 m/s, and 7 m/s set from the blower, each of the wind turbine A (without magnet) and wind turbine B (with magnet) data going to compared.

The results showed that the addition of magnetic disk helps optimize the Cpof wind turbine at wind speed 5 m/s and 6 m/s. On wind speed 5 m/s, Cp from the wind turbine with magnetic disk has a difference of 0.83% better than the conventional wind turbine at 3.5 tsr. However at wind speed 6 m/s result of observation showed significant difference, where with magnetic disk and without magnetic disk are able to produce maximum Cp 13,18% and 9,43%. But magnet that used on experiment is not capable to optimize Cp of wind turbine at wind speed of 7 m/s.

Keywords: propeller wind turbine, magnetic disk, neodymium magnet, optimizing

(9)

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat karunia dan kebaikan yang dilimpahkanNya kepada penulis, sehingga penulis senantiasa diberi pengharapan dalam menyelesaikan penyusunan naskah karya ilmiah ini di Universitas Sanata Dharma.

Penulisan skripsi ini merupakan salah satu persyaratan yang harus ditempuh untuk memperoleh gelar S-1 di Universitas Sanata Dharma. Adapun penyusunannya mengikuti pedoman akademik yang telah dipersiapkan sebelumnya oleh Fakultas Sains dan Teknologi.

Berkat bimbingan, support dan nasihat dari berbagai pihak, akhirnya karya ilmiah ini dapat diselesaikan dengan baik sebagaimana mestinya. Dengan segenap kerendahan hati, penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar – besarnya kepada :

1. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Ir. Rines, M.T. sebagai Dosen Pembimbing skripsi penulis, yang senantiasa memberikan masukan, membimbing, dan saran selama penelitian.

4. Doddy Purwadianto, S.T.,M.T. selaku Kepala Laboratorium Konversi Energi dan Dosen Pembimbing Akademik yang telah memfasilitasi dan memberi dukungan selama pengerjaan skripsi.

(10)

ix

6. Heru Gendroyono dan Kuswardhani Ariyati selaku orang tua kandung tercinta yang terus mendukung dan membiayai anggaran selama kuliah hingga pembuatan skripsi.

7. Daniel Adisaptra, Ekapoetra Wahab, dan Yohanes Wahyu, selaku kerabat dekat penulis yang selalu menemani selama pengerjaan skripsi.

8. Keluarga Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma baik dosen dan kariawan, dan teman – teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satu persatu, penulis berterimakasih atas segala bantuan dan motifasinya.

Penulis menyadari bahwa dalam penulisan karya ilmiah yang dibuat ini belumlah sempurna. Oleh karena itu saran dan kritikan sangat diharapkan penulis kepada pembaca demi perbaikan karya ini dan sumbangan pengetahuan kedepannya.

Yogyakarta, 13 Juli 2017 Penulis

(11)

x

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL ... i

LEMBAR PENGESAHAN I ... ii

LEMBAR PENGESAHAN II ... iii

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... iv

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... v

ABSTRAK ... vi

ABSTRACT ... vii

KATA PENGANTAR ... viii

DAFTAR ISI ... x

DAFTAR GAMBAR ... xii

DAFTAR TABEL ... xiv

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang Masalah ... 1

1.2. Rumusan Masalah ... 3

1.3. Tujuan Penelitian ... 4

1.4. Batasan Masalah ... 4

1.5. Manfaat Penelitian ... 5

BAB II DASAR TEORI ... 6

2.1. Energi Angin dan Potensi Angin di Indonesia ... 6

2.2. Kincir Angin ... 8

2.2.1. Kincir Angin Poros Horizontal ... 8

2.2.2. Kincir Angin Poros Vertikal ... 9

2.2.3. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kincir Angin ... 11

2.3. Magnet ... 14

2.3.1. Magnet Neodymium ... 15

2.3.2. Karakterisitik Magnet Neodymium ... 16

2.3.3. Magnet Neodymium Sebagai Penggerak dan Unit Penghasil Akselerasi ... 17

BAB III METODE PENELITIAN ... 21

(12)

xi

3.2. Alat dan Bahan ... 23

3.2.1. Sudu Kincir ... 23

3.2.2. Naf Kincir ... 24

3.2.3. Shaft/poros ... 24

3.2.4. Piringan Magnetik ... 25

3.2.5. Blower ... 26

3.2.6. Takometer ... 26

3.2.7. Neraca pegas ... 27

3.2.8. Anemometer ... 27

3.2.9. Alat Pengereman ... 28

3.3. Set Up Eksperimen ... 29

BAB IV PENGOLAHAN DATA DAN PEMBAHASAN ... 34

4.1. Data Hasil Pengamatan ... 34

4.1.1. Data Pengamatan Variasi Kecepatan Angin 5 m/s ... 34

4.2. Pengolahan Data ... 40

4.3. Hasil Perhitungan ... 41

4.4. Pengaruh Penambahan Magnet ... 46

4.4.1. Pengaruh Penambahan Magnet Terhadap Karakteristik Kincir ... 46

dengan Variasi Kecepatan Angin 5 m/s 4.4.2. Pengaruh Penambahan Magnet Terhadap Karakteristik Kincir ... 49

dengan Variasi Kecepatan Angin 6 m/s 4.4.3. Pengaruh Penambahan Magnet Terhadap Karakteristik Kincir ... 51

dengan Variasi Kecepatan Angin 7 m/s BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 53

5.1. Kesimpulan ... 53

5.2. Saran ... 54

DAFTAR PUSTAKA ... 55

(13)

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Grafik kapasitas kincir angin yang terpasang di seluruh dunia ... 2

hingga tahun 2015 menurut world wind energy association dalam MW Gambar 2.1 Potensi angin di Indonesia ... 7

Gambar 2.2 Contoh kincir angin poros horizontal (kincir propeler) ... 9

Gambar 2.3 Kincir vertikal tipe Darrieus ... 10

Gambar 2.4 Kincir vertikal tipe Savonius ... 10

Gambar 2.5 Hubungan antara koefisien daya (��) dengan tip speed ratio ... 14

(tsr) dari berbagai jenis kincir angin Gambar 2.6 Magnet neodymium bentuk kubus ... 15

Gambar 2.7 Desain permanent magnet motor Robert Tracy ... 18

Gambar 2.8 Piringan magnetik dan alternator [Ranalkar et all., 2013] ... 19

Gambar 2.9 Susunan turbin angin uji [Ranalkar et all., 2013] ... 20

Gambar 3.1 Diagram alur penelitian ... 22

Gambar 3.2 Konstruksi kincir angin ... 23

Gambar 3.3 Desain sudu kincir ... 24

Gambar 3.4 Naf kincir ... 24

Gambar 3.5 Poros kincir ... 25

Gambar 3.6 Piringan magnetik ... 26

Gambar 3.7 Blower ... 27

Gambar 3.8 Tachometer ... 27

Gambar 3.9 Neraca pegas ... 28

Gambar 3.10 Penempatan anemometer ... 28

Gambar 3.11 Alat pengereman ... 29

Gambar 3.12 Setting eksperimen ... 30

Gambar 3.13 Skema set up piringan magnet ... 30

Gambar 3.14 Ilustrasi gaya dorong picu dari magnet stator ... 31

Gambar 3.15 Resultan gaya dorong pada piringan ... 32

(14)

xiii kecepatan angin 5 m/s

Gambar 4.2 Grafik hubungan rpm dan torsi untuk variasi kecepatan ... 48 angin 5 m/s

Gambar 4.3 Grafik hubungan koefisien daya, ��, dan tsr untuk variasi ... 50 kecepatan angin 6 m/s

Gambar 4.4 Grafik hubungan rpm dan torsi untuk variasi kecepatan ... 50 angin 6 m/s

Gambar 4.5 Grafik hubungan koefisien daya, ��, dan tsr untuk variasi ... 51 kecepatan angin 7 m/s

(15)

xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Potensi angin di beberapa titik Indonesia ... 7

Tabel 2.2 Karakteristik Magnet Neodymium... 17

Tabel 4.1 Data pengamatan kincir A dengan kecepatan angin 5 m/s, dan... 34

frekuensi blower 21,0 Hz Tabel 4.2 Data pengamatan kincir B dengan kecepatan angin 5 m/s, dan ... 35

frekuensi blower 21,0 Hz Tabel 4.3 Data pengamatan kincir A dengan kecepatan angin 6 m/s, dan... 36

frekuensi blower 27,4 Hz Tabel 4.5 Data pengamatan kincir A dengan kecepatan angin 7 m/s, dan... 38

frekuensi blower 40,0 Hz Tabel 4.7 Perhitungan data kincir A variasi kecepatan angin 5 m/s ... 41

Tabel 4.8 Perhitungan data kincir B variasi kecepatan angin 5 m/s ... 42

Tabel 4.9 Perhitungan data kincir A variasi kecepatan angin 6 m/s ... 43

Tabel 4.10 Perhitungan data kincir B variasi kecepatan angin 6 m/s ... 44

Tabel 4.11 Perhitungan data kincir A variasi kecepatan angin 7 m/s ... 45

(16)

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.Latar Belakang Masalah

Energi merupakan salah satu kebutuhan yang teramat penting di dunia. Salah satu bentuk energi yang tingkat konsumsinya tinggi adalah listrik. Kenyataannya jumlah penduduk suatu negara yang meningkat dari hari ke hari berbanding lurus dengan tingkat konsumsi energi di negara tersebut. Proyeksi masa depan menunjukkan bahwa Total Primary Energy Supply (TPES) dunia diperkirakan akan mencapai 17010 Mtoe di tahun 2030 [International Energy Agency, 2008]. Jelas bahwa segala aspek dalam kehidupan manusia bertumpu kepada pasokan energi untuk mengakomodasi dan menunjang aktivitas mereka sehari-hari. Hingga sekarang pemakaian bahan bakar fosil masih mendominasi pemenuhan kebutuhan energi dunia. Sumber energi ini berasal dari sumber daya fosil di alam yang jumlahnya terbatas dan terancam akan habis di masa mendatang. Pengolahan energi ini sendiri terhitung tidak ramah lingkungan mengingat pembangkit-pembangkit daya berbasis bahan bakar fosil terbukti menghasilkan polusi berupa gas-gas maupun partikel-partikel yang menyebabkan global warming. Bila hal ini terus ditingkatkan, maka polusi di atmosfir akan semakin parah di masa-masa mendatang.

(17)

angin merupakan energi terbarukan yang mulai banyak digunakan diseluruh dunia. Menurut data dari World Wind Energy Association (WWEA), sampai pada 10 Februari 2016 tercatat bahwa rekor pengaplikasian kincir angin di dunia bertambah 63,690 MW terhitung sejak 2015 lalu. Total kapasitas energi angin yang telah diinstal mencapai 435 GW [

http://www.wwindea.org/the-world-sets-new-wind-installations-record-637-gw-new-capacity-in-2015/, diakses pada 28

November 2016]

Gambar 1.1 Grafik kapasitas kincir angin yang terpasang di seluruh dunia hingga tahun 2015 menurut world wind energy association dalam MW

(sumber : http://www.wwindea.org/the-world-sets-new-wind-installations-record-637-gw-new-capacity-in-2015/)

(18)

Penida-Bali dan 540 kW di Sulawesi [Soeripno Martosaputro, 2013]. Dilihat dari letak geografisnya, Indonesia juga mempunyai potensi untuk menerapkan penginstalan energi angin sebagai pemecahan masalah energi di waktu mendatang. Hal ini menunjukkan bahwa masih banyak daerah di Indonesia yang memiliki potensi untuk mengembangkan teknologi turbin angin sehingga dibutuhkan suatu kincir yang mampu mengolahnya menjadi energi secara efisien.

Salah satu tipe kincir bersumbu horizontal modern yang telah dikenal luas yaitu kincir propeller. Kincir ini sendiri dirancang untuk menghasilkan performa yang baik dan efisiensi yang tinggi dibanding tipe kincir bersumbu vertikal. Pada dasarnya performa kincir/turbin angin sangat dipengaruhi oleh gaya yang dihasilkan oleh angin. Tentu kenyataannya angin memiliki kecepatan yang tidak konstan sehingga energi listrik yang dihasilkan kincir terus berubah-ubah. Hal ini menunjukkan bahwa diperlukan pengembangkan lebih lanjut terhadap turbin angin guna mendapatkan daya output yang maksimal dan efisiensi yang lebik baik. Untuk itu, penulis merancang sebuah turbin angin propeler yang diberi magnet pada rotor kincir dengan harapan rpm kincir lebih besar dan membuat efisiensi kincir lebih tinggi serta konstan dibanding kincir konvensional

1.2.Rumusan Masalah

Masalah yang dirumuskan dalam penelitian ini adalah :

(19)

2. Dalam rangka mengembangkan kincir (turbin) angin yang ideal dengan efisiensi yang tinggi, tentunya diperlukan proses penelitian.

3. Untuk memaksimalkan pemanfaatan energi angin, diperlukan alat rekayasa energi angin yang cocok dan efisien. Alat ini nantinya akan mengubah energi angin menjadi energi listrik dan dapat diaplikasikan sebagai suatu sistem pembangkit listrik.

1.3.Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Membuat kincir tipe propeler yang mampu menghasilkan efisiensi yang lebih besar dibanding kincir konvensional. Dalam hal ini kincir diberikan tambahan magnet permanen pada poros untuk meningkatkan akleserasi. 2. Mengetahui dan membandingkan karakteristik kincir angin tipe propeler

bermagnet dan kincir propeler konvensional dengan variasi kecepatan angin (5 m/s, 6 m/s, dan 7 m/s).

3. Membandingkan efisiensi dari kincir angin tipe propeler bermagnet yang didesain dengan kincir propeler konvensional

1.4.Batasan Masalah

Batasan masalah yang ada dalam penelitian ini adalah :

1. Model kincir angin yang dibuat adalah kincir angin tipe propeler dengan tiga sudu berbahan PVC.

(20)

3. Kemiringan sudut sudu yang digunakan adalah 73,35°

4. Variasi yang digunakan adalah kecepatan angin yang diatur dari blower yaitu 5 m/s, 6 m/s, dan 7 m/s.

5. Diameter kincir yang dibuat tidak melebihi daerah tangkapan angin dari blower, yaitu 1,15 m.

6. Magnet yang digunakan pada piringan magnet berupa magnet berbentuk logam berdimensi 22 mm × 5 mm.

7. Magnet stator yang digunakan untuk memicu gaya tolakan berupa magnet berbentuk persegi berdimensi 50 mm × 40 mm × 15 mm.

1.5.Manfaat Penelitian

Manfaat yang diharapkan dari pengadaan penelitian ini adalah :

1. Sebagai wadah bagi penulis untuk mengaplikasikan ilmu yang didapat selama perkuliahan.

(21)

6

BAB II

DASAR TEORI

2.1.Energi Angin dan Potensi Angin di Indonesia

Energi angin merupakan sumber energi terbarukan yang berarti tidak dapat habis seperti bahan bakar fosil. Energi angin yang tersedia di atmosfer dalam jumlah yang besar dan berlimpah. Energi ini banyak digunakan untuk menghasilkan listrik karena angin memiliki energi kinetik yang dapat diubah menjadi energi listrik dan merupakan salah satu sektor energi terbarukan paling maju dengan potensi di tahun-tahun mendatang.

Kecepatan angin dipengaruhi oleh tiga hal, yaitu topografi, letak geografis, dan faktor penghambat. Berdasarkan letak tempat atau topografinya, jika angin berada pada topografi berupa gunung, angin akan cenderung naik. Sebaliknya, angin akan cenderung lurus jika topografinya berupa daratan. Selain itu jika dikaitkan dengan letak geografisnya, setiap tempat dipenjuru dunia memiliki potensi kecepatan angin yang berbeda-beda (Gambar 2.1). Dalam hal ini tentunya daerah tropis, sub tropis, dan kutub mempunyai perbedaan potensi angin. Pepohonan dan bangunan merupakan contoh faktor penghambat laju angin. Ketika terdapat pepohonan atau bangunan, aliran angin yang melewati objek-objek tersebut cenderung mengalami turbulensi.

(22)

dengan proyek-proyek lainnya yang menyusul [

http://www.wwindea.org/the-world-sets-new-wind-installations-record-637-gw-new-capacity-in-2015/, diakses

pada 28 November 2016]. Berdasarkan pengamatan yang dilakukan di 166 titik, didapati potensi angin di Indonesia seperti pada Tabel 2.1

Gambar 2.1 Potensi angin di Indonesia (Sumber : www.energy-indonesia.com)

(23)

2.2.Kincir Angin

Kincir angin merupakan sebuah alat atau mesin yang digerkan oleh tenaga angin sehingga menghasilkan energi mekanik atau gerak. Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dikelompokan menjadi kincir angin poros horizontal dan kincir angin poros vertikal. Pada penelitian ini yang akan dikembangkan adalah kincir tipe poros horizontal.

2.2.1. Kincir Angin Poros Horizontal

Kincir angin sumbu horizontal merupakan kincir angin yang memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah datangnya angin. Kincir ini terdiri dari sebuah menara dan sebuah kincir yang dipasang dipuncak menaranya.Poros kincir dapat berputar 360° terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angina seperti pada Gambar 2.2

Kelebihan kincir angin sumbu horizontal adalah :

1. Dasar menara yang tinggi membuat 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.

2. Mampu menkonversi energi angin pada kecepatan tinggi. 3. Material yang digunakan lebih sedikit.

(24)

Gambar 2.2 Contoh kincir angin poros horizontal (kincir propeler) (Sumber : www.poweredbymothernature.com)

Selain itu, kekurangan kincir angin sumbu horizontal adalah :

1. Konstruksi yang tinggi menyulitkan dalam proses pembuatan dan pemasangan kincir bersumbu horizontal.

2. Perlu adanya mekanisme tambahan agar poros dapat menyesuaikan dengan arah datangnya angin.

3. Biaya pemasangannya lebih mahal bila dibandingkan dengan kincir angin bersumbu vertikal.

2.2.2. Kincir Angin Poros Vertikal

(25)

Angin Sumbu Vertikal (TASV). Turbin ini memiliki efisiensi yang lebih kecil dibandingkan dengan turbin angin sumbu horizontal. Ada berbagai type TASV yang sering digunakan diantaranya adalah tipe Savonius, dan tipe Darrieus seperti pada Gambar 2.3 dan 2.4.

Gambar 2.3 Kincir vertikal tipe Darrieus (Sumber : www.getsttpln.net)

(26)

Kelebihan kincir angin sumbu vertikal adalah sebagai berikut : 1. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.

2. Sebuah kincir angin berporos vertikal bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.

3. Memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi.

4. Kincir angin bersumbu vertikal tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.

Selain itu, kekurangan kincir angin sumbu vertikal adalah sebagai berikut : 1. Kebanyakan TASV memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi

TASH karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar. 2. TASV tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih

kencang di elevasi yang lebih tinggi.

3. Kebanyakan TASV mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.

2.2.3. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kincir Angin

Faktor-faktor yang mempengaruhi kerja dari suatu kincir angin adalah : 1. Energi Kinetik

(27)

pergerakan benda tersebut yang dapat dirumuskan :

� = . � (1)

dengan m adalah massa udara (kg), dengan v adalah kecepatan angin (m/s).

2. Daya Angin

Daya angin adalah daya yang tersedia oleh angin dimana daya ini berbanding lurus dengan pangkat tiga kecepatannya dan dapat dirumuskan sebagai berikut :

�� = . . � (2)

dengan Pin adalah daya yang tersedia pada angin (watt), A adalah luas penampang sudu (m ), ρ adalah massa jenis udara (kg/m ), v adalah kecepatan angin (m/s).

3. Torsi

Torsi (T) adalah hasil perkalian besarnya gaya pembebanan dengan panjang lengan torsinya sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :

� = . ℓ (3)

(28)

4. Daya Kincir

Daya kincir adalah daya yang dihasilkan oleh kicir sebagai akibat adanya angin yang menghantam sudu kincir sehingga sudu kincir bergerak melingkar. Daya yang dihasilkan oleh sudu kincir yang berputar adalah :

� = � . . / (4)

dengan � adalah daya yang dihasilkan kincir (watt), T adalah torsi (N.m), n adalah putaran poros kincir (rpm).

5. Koefisien Daya

Koefisien daya adalah perbandingan antara daya yang dihsilkan oleh kincir angin dengan daya yang tersedia oleh angin sehingga bisa dirumuskan sebagai berikut :

= �_�

� (5)

dengan adalah koefisien daya, � adalah daya yang dihasilkan oleh kincir angin (watt), �_� adalah daya yang tersedia oleh angin (watt).

6. Tip Speed Ratio

(29)

= ��_� (6)

dengan tsr adalah tip speed ratio, n adalah kecepatan putar poros kincir angin (rpm), � adalah kecepatan sudut sudu kincir angin (rad/s), � adalah jari-jari kincir (m), dan v adalah kecepatan angin (m/s).

Menurut ilmuwan asal Jerman, Albert Betz, efisiensi atau koefisien daya maksimal sebuah kincir angin adalah sebsar 59 % .Teorinya tersebut kemudian dinamakan dengan Betz limit yang grafiknya dapat dilihat pada Gambar 2.5

Gambar 2.5 Hubungan antara koefisien daya ( ) dengan tip speed ratio (tsr) dari berbagai jenis kincir angin

2.3.Magnet

Magnet merupakan suatu material yang mempu memberikan gaya dorong maupun gaya tarik terhadap benda konduktor/magnet lain disekitar medan magnetiknya. Umumnya magnet yang dapat dijumpai digolongkan menjadi dua yaitu magnet permanen dan magnet belitan/lilitan yang terdiri dari suatu kumparan.

American

Multi blade Cp

(30)

Dalam pengembangan aplikasi magnet sendiri, ditemukan bahwa magnet dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan suatu gerakan linier, rotasi, hingga menghasilkan akselerasi. Hal inilah yang kemudian dimanfaatkan pada generator maupun suatu motor untuk mengkonversi energi kinetik dari gerakan yang dihasilkan magnet tersebut, dalam hal ini magnet yang digunakan berupa magnet lilitan.

2.3.1. Magnet Neodymium

Ada beberapa macam magnet permanent yang telah dijual secara komersial dipasaran, salah satunya yaitu magnet neodymium seperti pada Gambar 2.6. Magnet neodymium merupakan salah satu magnet permanen terkuat di dunia. Magnet ini terbuat dari Neodymium (Nd), besi (Fe), dan Boron (B). Magnet neodymium memiliki induksi magnet yang besar sekitar 1,3 tesla. Adapun yang tersedia di pasaran dalam bentuk kubus, cincin, dan trapesium dalam berbagai ukuran dan dimensi.

Gambar 2.6 Magnet neodymium bentuk kubus

(31)

Magnet neodymium dijual di pasaran dengan berbagai tingkatan/grade. Magnet ini digolongkan kedalam beberapa tingkatan berdasarkan energi maksimumnya yang berkaitan erat dengan flux magnetiknya per satuan volume. Semakin besar tingkatannya, semakin kuat kekuatan magnetnya. Beberapa grade magnet yang dijual dan dapat dijumpai diantaranya N35, N38, N40, N42, N45, N48, N50, dan N52.

2.3.2. Karakterisitik Magnet Neodymium

Penting untuk diketahui, beberapa karakteristik penting magnet permanen yang dapat digunakan untuk membandingkan 1 magnet dengan magnet lainnya diantaranya :

1. Remanence ( _�)

Satuan ukur untuk kekuatan medan magnet. 2. Coercivity (�_��)

Tolak ukur suatu magnet sifat kemagnetannya. 3. Energy Product ( � _��)

Densitas dari energi magnet. 4. Curie Temperature (�_�)

Batas temperature magnet kehilangan sifat kemagnetannya.

(32)

yang menambahkan pelapis polimer maupun pelapis logam lain. Tidak hanya itu, dalam pengaplikasian magnet ini juga dianjurkan untuk sangat berhati-hati.

Tabel 2.2 Karakteristik Magnet Neodymium

Properti nilai

Remanence (T) 1-1.3

Coercivity (MA/m) 0.875-1.99 Relative Permeability 1.05 Curie Temperature (°C) 320

Density (�/� ) 7.3-7.5

Tensile Strength (�/ ) 75

Magnet neodymium berukuran kecil bahkan mampu membuat luka pada tubuh, menghancurkan material yang rapuh, hingga menyebabkan tulang patah jika digunakan pada jarak antar kutub yang cukup dekat.

(33)

kekuatan homogenitas medan magnet pada magnet neodymium yang dianggap mampu meng-scan tubuh manusia dengan lebih baik.

Selain dikembangkan sebagai rotor dan stator pada motor listrik dan generator, magnet mempunyai banyak aplikasi dibidang keteknikan. Salah satu contoh paten yang pernah dibuat yaitu Robert Tracy Magnet Motor (U.S patent No.3703653, 1972) seperti pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7 Desain permanent magnet motor Robert Tracy (Sumber : www.free-energy-info.co.uk)

(34)

penghubung ke poros generatornya. Hal inilah yang kemudian digunakan Robert Tracy untuk menggunakan magnet sebagai penggerak poros generator.

Dilain kasus, magnet juga sudah diuji sekelompok peneliti untuk meningkatkan akselerasi poros turbin angin. Dalam kajian teori yang digunakan [Ranalkar et all., 2013] telah disebutkan bahwa “terdapat gaya tolak (dorong) dari

magnet dengan permukaan (kutub) yang sama. Gaya dorong ini dihasilkan dari energi ikatan (atom) mereka. Banyak energi magnet dari sini yang bisa menghasilkan energi kinetik untuk menambah akselerasi pada rotor turbin angin”.

Dalam hal ini, ranalkar S dan kawan-kawan membuktikan dengan desain turbin angin mereka (Gambar 2.8 dan 2.9) bahwa energi kinetik merupakan penjumlahan potensi gaya gravitasi terdistribusi dengan gaya magnetk yang terdistribusi.

Gambar 2.8 Piringan magnetik dan alternator [Ranalkar et all., 2013] Magnet neodymium

alternator Piringan

(35)

Gambar 2.9 Susunan turbin angin uji [Ranalkar et all., 2013]

(36)

21

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1.Diagram Penelitian

Langkah kerja dalam penelitian ini meliputi perancangan kincir hingga analisis data dengan diagram penelitian terstruktur sebagai berikut

Mulai

Perancangan kincir angin propeller dan piringan magnetik

Pembuatan kincir menggunakan material PVC dan piringan magnetik

A = kincir tanpa piringan magnet B = kincir dengan piringan magnet

(37)

Gambar 3.1 Diagram alur penelitian ya

Pengambilan data kincir A dan B untuk nilai putaran poros, kecepatan angin, gaya pengimbang pada kincir, dan daya aktual

pada beban yang terhubung generator.

Pengolahan data kincir A dan B untuk mencari daya angin, daya kincir, dan tsr,

kemudian membandingkan antara daya kincir, Cp, dan tsr pada masing-masing

pasangan variasi kecepatan angin. A

Data pengamatan sesuai dan valid?

Analisis dan kesimpulan

Selesai tidak

Kincir A :

Pin, Pout, Tsr, Cp

Kincir B :

(38)

3.2.Alat dan Bahan

Model kincir angin dibuat menggunakan pipa PVC berdiameter 8 inchi dengan kosntruksi rangka yang telah disediakan di Labrotarium Konversi Energi seperti pada Gambar 3.2

Gambar 3.2 Konstruksi kincir angin

Kincir angin yang didesain memiliki beberapa bagian penting yaitu : 3.2.1. Sudu Kincir

(39)

Gambar 3.3 Desain sudu kincir

3.2.2. Naf Kincir

Naf berfungsi sebagai dudukan sudu. Elemen ini dibuat dari piringan triplek yang dibor dengan ukuran baut untuk mengencangkan sudu dan berdiameter 15 cm seperti pada Gambar 3.4

Gambar 3.4 Naf kincir

3.2.3. Shaft/poros

(40)

Gambar 3.5 Poros kincir

3.2.4. Piringan Magnetik

Piringan magnetik pada pengujian ini merupakan wadah yang digunakan untuk magnet yang akan diletakan pada poros kincir. Untuk menginvestigasi pengaruh flux magnetik, diperlukan konfigurasi menyerupai rotor dan stator, sehingga wadah yang dibuat berbentuk lingkaran [Kasim et all., 2015]. Piringan ini sendiri terbuat dari kayu sengon yang dipotong berbentuk lingkaran berdiameter 20 cm yang kemudian ditanam magnet pada sekelilingnya dan dikeraskan dengan resin seperti pada Gambar 3.6.

(41)

Gambar 3.6 Piringan magnetik

Dalam pengujian yang dilakukan juga menggunakan beberapa alat-alat penunjang, diantaranya :

3.2.5. Blower

Blower merupakan alat yang digunakan untuk menghembuskan angin secara konstan dengan kecepatan tertentu. Blower tersebut digerakan oleh motor listrik berdaya 5,5 kW seperti pada Gambar 3.7

3.2.6. Takometer

(42)

Gambar 3.7 Blower

Gambar 3.8 Tachometer

3.2.7. Neraca pegas

Neraca pegas pada Gambar 3.9 digunakan untuk mengukur gaya pengimbang torsi kincir angin saat kincir berputar. Neraca pegas akan dihubungkan pada kopling dengan jarak yang telah ditentukan.

3.2.8. Anemometer

(43)

langsung ke blower seperti pada Gambar 3.10

Gambar 3.9 Neraca pegas

Gambar 3.10 Penempatan anemometer

3.2.9. Alat Pengereman

(44)

Gambar 3.11 Alat pengereman

Alat ini dihubungkan dengan neraca pegas menggunakan benang untuk memperoleh bacaan pembebanan dalam newton.

3.3.Set Up Eksperimen

(45)

Gambar 3.12 Setting eksperimen

Magnet dalam pengujian ini ditempatkan ditengah poros kincir dengan posisi seperti pada Gambar 3.13.

Gambar 3.13 Skema set up piringan magnet 10cm

1 cm

(46)

Piringan magnet berisi magnet dengan pola utara (semua magnet pada sisi kutub utara menghadap keluar) dengan sisi/kutub utara magnet stator ( magnet N35 persegi berdimensi 50 mm × 40 mm × 15 mm) menghadap piringan magnet pada posisi ketinggian 10 cm dari pusat center piringan magnet dan berjarak 1 cm dari piringan magnet. Adapun penempatan jarak magnet stator disetting sesuai dengan kalkulasi untuk mendapatkan range gaya dorong terbaik terhadap piringan magnet (Lampiran C).

Dengan konsep bahwa gaya dorong magnet juga merupakan energi kinetik, maka magnet stator ditempatkan pada posisi tersebut untuk menjadi pemicu gaya dorong/tolak pada piringan magnetik dengan kutub yang sama seperti pada Gambar 3.14 dan Gambar 3.15.

Gaya dorong pada set up penelitian akan searah dengan arah perputaran kincir yang didesain agar mampu meningkatkan rpm yang dihasilkan kincir. Sedangkan magnet statornya sendiri dipilih dengan ukuran yang lebih besar dari magnet pada piringan agar mampu memberi gaya dorong/tolak yang lebih besar.

(47)

Gambar 3.15 Resultan gaya dorong pada piringan

Kincir nantinya akan diuji dengan pembebanan gaya pengimbang pada kopling yang terletak diujung poros hingga benar-benar berhenti. Adapun langkah-langkah pengolahan data yang akan dilakukan sebagai berikut :

1. Setelah diketahui kecepatan angin (V) dan luasan kincir (A), maka akan diperoleh daya anginnya (Pin).

2. Dengan pembebanan didapat gaya pengimbang (F) yang dapat digunakan untuk mencari torsi (T).

3. Daya putaran poros kincir (n) dan torsi (T) dapat digunakan untuk mencari daya output kincir (Pout).

4. Dengan membandingkan kecepatan keliling diujung sudu dan kecepatan angin, maka tip speed ratio dapat dicari.

(48)

masing-masing kincir diperoleh dari nilai Cp untuk kemudian dibandingkan dan

(49)

34

BAB IV

PENGOLAHAN DATA DAN PEMBAHASAN

4.1.Data Hasil Pengamatan

Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik masing-masing kincir menggunakan variasi kecepatan angin 5 m/s, 6 m/s, dan 7 m/s yang diatur dari blower penghasil angin. Dalam hal ini kecepatan blower diatur dengan mengubah frekuensi listrik dari inverter agar mendapatkan kecepatan angin yang diinginkan dengan frekuensi listrik sebagai patokan. Setelah pengambilan data dilakukan, kemudian data kincir A (tanpa magnet) dan kincir B (dengan magnet) akan dibandingkan untuk mengetahui kincir mana yang mempunyai karakteristik dan efisiensi yang lebih baik.

4.1.1. Data Pengamatan Variasi Kecepatan Angin 5 m/s

Berdasarkan hasil pengamatan yang dilakukan, diperoleh data untuk masing-masing kincir A dan kincir B seperti pada Tabel 4.1 dan Tabel 4.2.

Tabel 4.1 Data pengamatan kincir A dengan kecepatan angin 5 m/s, dan frekuensi blower 21,0 Hz.

Gaya pengimbang,

F

Kecepatan putar poros, n

Torsi

T

(N) (rpm) (N.m)

0,00 334 0,00

0,40 292 0,08

0,60 280 0,12

0,80 270 0,16

1,20 255 0,24

1,50 216 0,30

(50)

Tabel 4.1 lanjutan Gaya pengimbang,

F

Torsi

T

(N) (rpm) (N.m)

0,30 306 0,06

0,50 289 0,10

0,80 266 0,16

1,00 259 0,20

1,20 250 0,24

1,40 227 0,28

0,00 334 0,00

0,30 302 0,06

0,50 293 0,10

0,80 270 0,16

1,10 261 0,22

1,30 233 0,26

1,50 215 0,30

Tabel 4.2 Data pengamatan kincir B dengan kecepatan angin 5 m/s, dan frekuensi blower 21,0 Hz.

Gaya pengimbang,

F

Torsi

T

(N) (rpm) (N.m)

0,00 344 0,00

0,30 322 0,06

0,50 294 0,10

0,80 283 0,16

1,00 253 0,20

1,30 241 0,26

1,50 225 0,30

1,70 199 0,34

0,00 343 0,00

0,30 317 0,06

0,50 303 0,10

0,70 287 0,14

1,00 255 0,20

1,30 243 0,26

1,60 212 0,32

1,70 193 0,34

(51)

F

Torsi

T

(N) (rpm) (N.m)

0,20 325 0,04

0,50 297 0,10

0,80 278 0,16

1,10 250 0,22

1,40 234 0,28

1,60 192 0,32

1,80 160 0,36

Berdasarkan hasil pengamatan yang dilakukan, diperoleh data untuk masing-masing kincir A dan kincir B seperti pada Tabel 4.3 dan Tabel 4.4.

Tabel 4.3 Data pengamatan kincir A dengan kecepatan angin 6 m/s, dan frekuensi blower 27,4 Hz.

Gaya pengimbang,

F

Torsi

T

(N) (rpm) (N.m)

0,00 430 0,00

1,30 340 0,26

1,50 334 0,30

1,60 331 0,32

1,80 304 0,36

2,00 276 0,40

2,20 264 0,44

2,50 238 0,50

0,00 433 0,00

1,10 365 0,22

1,50 338 0,30

1,80 323 0,36

2,00 286 0,40

2,20 264 0,44

2,40 257 0,48

(52)

F

Torsi

T

(N) (rpm) (N.m)

0,00 429 0,00

0,90 379 0,18

1,30 348 0,26

1,60 328 0,32

1,90 305 0,38

2,00 292 0,40

2,30 254 0,46

2,50 238 0,50

Tabel 4.4 Data pengamatan kincir B dengan kecepatan angin 6 m/s, dan frekuensi blower 27,4 Hz

Gaya pengimbang,

F

Torsi

T

(N) (rpm) (N.m)

0,00 444 0,00

0,40 430 0,08

0,60 422 0,12

0,90 399 0,18

1,30 383 0,26

1,60 370 0,32

2,00 341 0,40

2,50 316 0,50

3,00 286 0,60

0,00 448 0,00

0,40 438 0,08

0,70 425 0,14

1,70 361 0,34

1,20 383 0,24

2,00 345 0,40

2,50 315 0,50

3,00 278 0,60

0,00 448 0,00

0,50 429 0,10

1,00 402 0,20

1,50 382 0,30

(53)

F

Torsi

T

(N) (rpm) (N.m)

2,50 311 0,50

3,00 275 0,60

Berdasarkan hasil pengamatan yang dilakukan, diperoleh data untuk masing-masing kincir A dan kincir B seperti pada Tabel 4.5 dan Tabel 4.6

Tabel 4.5 Data pengamatan kincir A dengan kecepatan angin 7 m/s, dan frekuensi blower 40,0 Hz

Gaya pengimbang,

F

Torsi

T

(N) (rpm) (N.m)

0,00 737 0,00

1,00 708 0,20

2,00 661 0,40

3,00 646 0,60

4,00 596 0,80

4,50 589 0,90

5,00 573 1,00

6,00 534 1,20

0,00 729 0,00

1,00 708 0,20

2,00 664 0,40

3,00 639 0,60

4,00 594 0,80

5,00 578 1,00

6,00 539 1,20

7,00 499 1,40

0,00 732 0,00

1,50 671 0,30

2,50 656 0,50

3,50 597 0,70

(54)

F

Torsi

T

(N) (rpm) (N.m)

5,50 571 1,10

7,00 505 1,40

8,00 435 1,60

Tabel 4.6 Data pengamatan kincir B dengan kecepatan angin 7 m/s, dan frekuensi blower 40,0 Hz

Gaya pengimbang,

F

Torsi

T

(N) (rpm) (N.m)

0,00 722 0,00

1,00 703 0,20

2,00 664 0,40

3,00 618 0,60

4,00 606 0,80

5,00 561 1,00

6,00 517 1,20

7,00 483 1,40

0,00 721 0,00

1,20 687 0,24

2,00 662 0,40

3,00 629 0,60

4,00 590 0,80

5,00 568 1,00

6,50 503 1,30

7,50 445 1,50

0,00 723 0,00

1,50 675 0,30

2,50 654 0,50

3,50 624 0,70

4,50 572 0,90

5,50 545 1,10

6,50 508 1,30

(55)

4.2.Pengolahan Data

Dalam penelitian yang dilakukan, data yang diperoleh akan diolah untuk mengetahui besarnya daya angin (�_� , daya kincir (� , tip speed ratio (tsr), dan koefisien daya ( masing-masing kincir A dan kincir B.

Besarnya daya angin, �_� , yang diterima kincir dihitung dengan Pers. (2) seperti contoh berikut :

�� = . . �

= × , × , ×

= 153,2 watt

dengan densitas udara ( 1,18 kg/m , luas permukaan kincir yang didesain ( ) 1,038 m , dan kecepatan angin dari blower (�) 5 m/s.

Daya kincir, � , dapat dicari dengan Pers. (4) dengan terlebih dahulu mencari torsi menggunakan Pers. (3) seperti contoh perhitungan berikut :

� = . ℓ = , × , = , N. m

maka didapat nilai �

� = � . . /

= , . . /

= , watt

Sehingga didapatkan daya yang dihasilkan oleh kincir adalah 5,44 watt.

Besarnya nilai tsr kincir dapat dicari dengan Pers. (6) seperti contoh perhitungan berikut :

(56)

= , × ,

= ,

Sehingga didapatkan nilai tsr kincirnya 4,14

Koefisien daya, Cp, dapat dihitung dengan Pers. (5) seperti contoh perhitungan berikut :

= �_�

� � %

= , _,

= , %

dengan demikian, karakteristik masing-masing kincir dapat diketahui dan dapat dibandingkan.

4.3.Hasil Perhitungan

Dari pengolahan data pengamatan kincir angin yang dilakukan pada masing-masing variasi kecepatan angin untuk kincir A dan kincir B, diperoleh hasil perhitungan seperti pada Tabel 4.7 – 4.12

Tabel 4.7 Perhitungan data kincir A variasi kecepatan angin 5 m/s

Gaya pengimbang, F Kecepatan putar poros, n Kecepatan

sudut,  Torsi, T

Daya angin,

Pin

Daya output,

Pout tsr

Koef.daya, Cp

(N) (rpm) (rad/s) (N.m) (watt) (watt) _ (%)

0,00 334 34,98 0,00 76,60 0,00 4,02 0,00

0,40 292 30,58 0,08 76,60 2,45 3,52 3,20

0,60 280 29,32 0,12 76,60 3,52 3,37 4,60

0,80 270 28,27 0,16 76,60 4,52 3,25 5,91

1,20 255 26,70 0,24 76,60 6,41 3,07 8,37

1,50 216 22,62 0,30 76,60 6,79 2,60 8,86

(57)

Tabel 4.7 lanjutan Gaya pengimbang, F Kecepatan putar poros, n Kecepatan

sudut,  Torsi, T

Daya angin,

Pin

Daya output,

Pout tsr

Koef.daya, Cp

0,30 306 32,04 0,06 76,60 1,92 3,69 2,51

0,50 289 30,26 0,10 76,60 3,03 3,48 3,95

0,80 266 27,86 0,16 76,60 4,46 3,20 5,82

1,00 259 27,12 0,20 76,60 5,42 3,12 7,08

1,20 250 26,18 0,24 76,60 6,28 3,01 8,21

1,40 227 23,77 0,28 76,60 6,66 2,73 8,69

0,00 334 34,98 0,00 76,60 0,00 4,02 0,00

0,30 302 31,63 0,06 76,60 1,90 3,64 2,48

0,50 293 30,68 0,10 76,60 3,07 3,53 4,01

0,80 270 28,27 0,16 76,60 4,52 3,25 5,91

1,10 261 27,33 0,22 76,60 6,01 3,14 7,85

1,30 233 24,40 0,26 76,60 6,34 2,81 8,29

1,50 215 22,51 0,30 76,60 6,75 2,59 8,82

Tabel 4.8 Perhitungan data kincir B variasi kecepatan angin 5 m/s

Gaya pengimbang,

F

Kecepatan

sudut,  Torsi, T

Daya angin,

Pin

Daya output,

Pout tsr

Koef.daya, Cp

0,00 344 36,02 0,00 76,60 0,00 4,14 0,00

0,30 322 33,72 0,06 76,60 2,02 3,88 2,64

0,50 294 30,79 0,10 76,60 3,08 3,54 4,02

0,80 283 29,64 0,16 76,60 4,74 3,41 6,19

1,00 253 26,49 0,20 76,60 5,30 3,05 6,92

1,30 241 25,24 0,26 76,60 6,56 2,90 8,57

1,50 225 23,56 0,30 76,60 7,07 2,71 9,23

1,70 199 20,84 0,34 76,60 7,09 2,40 9,25

0,00 343 35,92 0,00 76,60 0,00 4,13 0,00

0,30 317 33,20 0,06 76,60 1,99 3,82 2,60

0,50 303 31,73 0,10 76,60 3,17 3,65 4,14

0,70 287 30,05 0,14 76,60 4,21 3,46 5,50

1,00 255 26,70 0,20 76,60 5,34 3,07 6,98

1,30 243 25,45 0,26 76,60 6,62 2,93 8,64

1,60 212 22,20 0,32 76,60 7,10 2,55 9,28

1,70 193 20,21 0,34 76,60 6,87 2,32 8,98

(58)

sudut,  Torsi, T

Daya angin,

Pin

Daya output,

Pout tsr

Koef.daya, Cp

0,20 325 34,03 0,04 76,60 1,36 3,91 1,78

0,50 297 31,10 0,10 76,60 3,11 3,58 4,06

0,80 278 29,11 0,16 76,60 4,66 3,35 6,08

1,10 250 26,18 0,22 76,60 5,76 3,01 7,52

1,40 234 24,50 0,28 76,60 6,86 2,82 8,96

1,60 192 20,11 0,32 76,60 6,43 2,31 8,40

1,80 160 16,76 0,36 76,60 6,03 1,93 7,88

Tabel 4.9 Perhitungan data kincir A variasi kecepatan angin 6 m/s

sudut,  Torsi, T

Daya angin,

Pin

Daya output,

Pout tsr

Koef.daya, Cp

0,00 430 45,03 0,00 132,30 0,00 4,32 0,00

1,30 340 35,60 0,26 132,30 9,26 3,41 7,00

1,50 334 34,98 0,30 132,30 10,49 3,35 7,93

1,60 331 34,66 0,32 132,30 11,09 3,32 8,38

1,80 304 31,83 0,36 132,30 11,46 3,05 8,66

2,00 276 28,90 0,40 132,30 11,56 2,77 8,74

2,20 264 27,65 0,44 132,30 12,16 2,65 9,19

2,50 238 24,92 0,50 132,30 12,46 2,39 9,42

0,00 433 45,34 0,00 132,30 0,00 4,35 0,00

1,10 365 38,22 0,22 132,30 8,41 3,66 6,36

1,50 338 35,40 0,30 132,30 10,62 3,39 8,03

1,80 323 33,82 0,36 132,30 12,18 3,24 9,20

2,00 286 29,95 0,40 132,30 11,98 2,87 9,05

2,20 264 27,65 0,44 132,30 12,16 2,65 9,19

2,40 257 26,91 0,48 132,30 12,92 2,58 9,76

2,50 229 23,98 0,50 132,30 11,99 2,30 9,06

0,00 429 44,92 0,00 132,30 0,00 4,31 0,00

0,90 379 39,69 0,18 132,30 7,14 3,80 5,40

1,30 348 36,44 0,26 132,30 9,48 3,49 7,16

(59)

sudut,  Torsi, T

Daya angin,

Pin

Daya output,

Pout tsr

Koef.daya, Cp

1,90 305 31,94 0,38 132,3 12,14 3,06 9,17

2,00 292 30,58 0,40 132,3 12,23 2,93 9,24

2,30 254 26,60 0,46 132,3 12,24 2,55 9,25

2,50 238 24,92 0,50 132,3 12,46 2,39 9,42

sudut,  Torsi, T

Daya angin,

Pin

Daya output,

Pout tsr

Koef.daya, Cp

0,00 444 46,50 0,00 132,30 0,00 4,46 0,00

0,40 430 45,03 0,08 132,30 3,60 4,32 2,72

0,60 422 44,19 0,12 132,30 5,30 4,24 4,01

0,90 399 41,78 0,18 132,30 7,52 4,00 5,68

1,30 383 40,11 0,26 132,30 10,43 3,84 7,88

1,60 370 38,75 0,32 132,30 12,40 3,71 9,37

2,00 341 35,71 0,40 132,30 14,28 3,42 10,80

2,50 316 33,09 0,50 132,30 16,55 3,17 12,51

3,00 286 29,95 0,60 132,30 17,97 2,87 13,58

0,00 448 46,91 0,0 132,30 0,00 4,50 0,00

0,40 438 45,87 0,08 132,30 3,67 4,40 2,77

0,70 425 44,51 0,14 132,30 6,23 4,27 4,71

1,70 361 37,80 0,34 132,30 12,85 3,62 9,72

1,20 383 40,11 0,24 132,30 9,63 3,84 7,28

2,00 345 36,13 0,40 132,30 14,45 3,46 10,92

2,50 315 32,99 0,50 132,30 16,49 3,16 12,47

3,00 278 29,11 0,60 132,30 17,47 2,79 13,20

0,00 448 46,91 0,00 132,30 0,00 4,50 0,00

0,50 429 44,92 0,10 132,30 4,49 4,31 3,40

1,00 402 42,10 0,20 132,30 8,42 4,03 6,36

1,50 382 40,00 0,30 132,30 12,00 3,83 9,07

2,00 340 35,60 0,40 132,30 14,24 3,41 10,76

2,50 311 32,57 0,50 132,30 16,28 3,12 12,31

(60)

Tabel 4.11 Perhitungan data kincir A variasi kecepatan angin 7 m/s Gaya pengimbang, F Kecepatan putar poros, n Kecepatan

sudut,  Torsi, T

Daya angin,

Pin

Daya output,

Pout tsr

Koef.daya, Cp

0,00 737 77,18 0,00 210,10 0,00 6,34 0,00

1,00 708 74,14 0,20 210,10 14,83 6,09 7,06

2,00 661 69,22 0,40 210,10 27,69 5,69 13,18

3,00 646 67,65 0,60 210,10 40,59 5,56 19,32

4,00 596 62,41 0,80 210,10 49,93 5,13 23,77

4,50 589 61,68 0,90 210,10 55,51 5,07 26,42

5,00 573 60,00 1,00 210,10 60,00 4,93 28,56

6,00 534 55,92 1,20 210,10 67,10 4,59 31,94

0,00 729 76,34 0,00 210,10 0,00 6,27 0,00

1,00 708 74,14 0,20 210,10 14,83 6,09 7,06

2,00 664 69,53 0,40 210,10 27,81 5,71 13,24

3,00 639 66,92 0,60 210,10 40,15 5,50 19,11

4,00 594 62,20 0,80 210,10 49,76 5,11 23,69

5,00 578 60,53 1,00 210,10 60,53 4,97 28,81

6,00 539 56,44 1,20 210,10 67,73 4,64 32,24

7,00 499 52,26 1,40 210,10 73,16 4,29 34,82

0,00 732 76,65 0,00 210,10 0,00 6,30 0,00

1,50 671 70,27 0,30 210,10 21,08 5,77 10,03

2,50 656 68,70 0,50 210,10 34,35 5,64 16,35

3,50 597 62,52 0,70 210,10 43,76 5,14 20,83

4,50 587 61,47 0,90 210,10 55,32 5,05 26,33

5,50 571 59,79 1,10 210,10 65,77 4,91 31,31

7,00 505 52,88 1,40 210,10 74,04 4,34 35,24

8,00 435 45,55 1,60 210,10 72,88 3,74 34,69

sudut,  Torsi, T

Daya angin,

Pin

Daya output,

Pout tsr

Koef.daya, Cp

0,00 722 75,61 0,00 210,10 0,00 6,21 0,00

1,00 703 73,62 0,20 210,10 14,72 6,05 7,01

2,00 664 69,53 0,40 210,10 27,81 5,71 13,24

3,00 618 64,72 0,60 210,10 38,83 5,32 18,48

4,00 606 63,46 0,80 210,10 50,77 5,21 24,16

(61)

sudut,  Torsi, T

Daya angin,

Pin

Daya output,

Pout tsr

Koef.daya, Cp

6,00 517 54,14 1,20 210,10 64,97 4,45 30,92

7,00 483 50,58 1,40 210,10 70,81 4,15 33,70

0,00 721 75,50 0,00 210,10 0,00 6,20 0,00

1,20 687 71,94 0,24 210,10 17,27 5,91 8,22

2,00 662 69,32 0,40 210,10 27,73 5,69 13,20

3,00 629 65,87 0,60 210,10 39,52 5,41 18,81

4,00 590 61,78 0,80 210,10 49,43 5,08 23,53

5,00 568 59,48 1,00 210,10 59,48 4,89 28,31

6,50 503 52,67 1,30 210,10 68,48 4,33 32,59

7,50 445 46,60 1,50 210,10 69,90 3,83 33,27

0,00 723 75,71 0,00 210,10 0,00 6,22 0,00

1,50 675 70,69 0,30 210,10 21,21 5,81 10,09

2,50 654 68,49 0,50 210,10 34,24 5,63 16,30

3,50 624 65,35 0,70 210,10 45,74 5,37 21,77

4,50 572 59,90 0,90 210,10 53,91 4,92 25,66

5,50 545 57,07 1,10 210,10 62,78 4,69 29,88

6,50 508 53,20 1,30 210,10 69,16 4,37 32,92

7,50 440 46,08 1,50 210,10 69,12 3,78 32,90

4.4.Pengaruh Penambahan Magnet

Pengaruh penambahan magnet dalam penelitian yang dilakukan dilihat dari perbandingan karakteristik yang dihasilkan antara kincir konvensional dengan kincir yang diberi tambahan magnet pada rotornya. Indikasi yang baik akan tampak dari perbedaan torsi yang dihasilkan [Kasim et all., 2015]. Dalam hal ini kincir A dan kincir B yang telah diolah datanya akan dibandingkan karakteristiknya.

4.4.1. Pengaruh Penambahan Magnet Terhadap Karakteristik Kincir dengan Variasi Kecepatan Angin 5 m/s

(62)

(tanpa magnet) dan kincir B (dengan magnet). Perbandingan nilai yang tampak pada grafik cenderung tidak terlalu signifikan. Hal ini terlihat dari hasil persamaan pendekatan yang tampak pada grafik untuk masing-masing kincir.

Jika diambil sample pada nilai tsr yang sama (3,5), didapati bahwa koefisien daya, Cp masing-masing kincir yaitu :

Cp = -2,2897tsr2 + 8,3945tsr + 2,8984

Cp = -2,2897(3,5)2 + 8,3945(3,5) + 2,8984

Cp = 4,23 % (kincir A)

Cp = -2,9869tsr2 + 14,24tsr - 8,0348

Cp = -2,9869(3,5)2 + 14,24(3,5) - 8,0348

Cp = 5,21 % (kincir B)

didapati hasil sampling hanya selisih 0,98 %. Artinya bahwa kincir dengan magnet pada variasi ini memiliki efisiensi lebih baik dibanding kincir tanpa magnet, namun tidak terlalu signifikan.

Gambar 4.1 Grafik hubungan koefisien daya, , dan tsr untuk variasi kecepatan angin 5 m/s

Cp= -2,2897tsr2_{+ 8,3945tsr}_{+ 2,8984}

Cp= -2,9869tsr2_{+ 14,24}_tsr_{- 8,0348}

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

Ko ef isien d ay a, Cp (% )

Tip speed ratio

(63)

Pengamatan juga menunjukkan hasil yang berbeda pada rpm kincir. Gambar 4.2 menunjukkan hubungan rpm dan torsi kedua kincir. Dalam hal ini, kincir dengan magnet mampu menghasilkan pengawalan dengan rpm yang lebih baik dibanding kincir tanpa magnet. Namun kincir tanpa magnet mampu menghasilkan rpm yang cenderung sedikit lebih baik dibanding kincir dengan magnet setelah torsinya diatas 0,25 N.m. Hal ini terlihat dari kecenderungan linear kincir dengan magnet yang ditunjukan pada grafik dimana linearitas fungsinya tampak cenderung lebih menurun dibanding kincir tanpa magnet setelah melewati nilai torsi 0,20 N.m

Gambar 4.2 Grafik hubungan rpm dan torsi untuk variasi kecepatan angin 5 m/s

rpm = -359,34torsi + 328,82

rpm = -438,23torsi + 345,26

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Ke ce p atan p u tar p o ro s k in cir, n (rp m ) Torsi (N.m)

tanpa magnet dengan magnet

(64)

Gambar 4.3 menunjukkan hubungan koefisien daya, Cp, dan tip speed ratio

kincir setelah pengolahan data. Dapat dilihat bahwa pengujian pada variasi ini menunjukkan perbedaan yang lebih signifikan dibanding variasi sebelumnya. Jika dilakukan sampling pada nilai tsr yang sama (3,5), didapati bahwa koefisien daya,

Cp, tiap kincir yaitu :

Cp = -3,5422tsr2 + 19,089tsr - 16,242

Cp = -3,5422(3,5)2 + 19,089(3,5) - 16,242

Cp = 7,17 % (kincir A)

Cp = -3,9626tsr2_{+ 21,38}_tsr–_15,611 Cp = -3,9626(3,5)2_{+ 21,38(3,5)}–_15,611 Cp = 10,67 % (kincir B)

tampak jelas bahwa kincir dengan magnet pada variasi ini menunjukkan keunggulan karakteristik yang signifikan. Tidak hanya itu, bahkan pada pembebanan 2,8 N.m pada data pengamatan tetap menunjukkan karakteristik kincir dengan magnet lebih unggul dibanding tanpa magnet.

(65)

Pada variasi penelitian ini ditemukan kecocokan bahwa magnet mampu mengoptimalkan efisiensi kincir pada kecepatan angin 6 m/s, dimana gaya dorong

Cp= -3,5422tsr2_{+ 19,089tsr}_{- 16,242}

Cp= -3,9626tsr2_{+ 21,38}_tsr_{- 15,611}

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Tip speed ratio

tanpa magnet dengan magnet Poly. (tanpa magnet) Poly. (dengan magnet)

rpm = -389,02torsi + 442,15

rpm = -282,44torsi + 454,52

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

Ke ce p atan p u tar p o ro s k in cir, n (rp m ) Torsi (N.m)

(66)

magnet memberikan kontribusi pada kecepatan angin rendah [Ranalkar et all., 2013].

Gambar 4.5 menunjukkan grafik hubungan koefisien daya, Cp, dan tip speed ratio kincir setelah dilakukan pengolahan data. Hasil pengamatan menunjukkan jelas bahwa pada variasi kecepatan angin 7 m/s, gaya tolak magnet tidak mampu membantu kincir mengoptimalkan efisiensinya. Kincir A menunjukkan karakteristik yang cenderung lebih baik dibandingkan kincir B

Sampling koefisien daya menunjukkan untuk nilai tsr 6,0 masing-masing kincir A dan kincir B didapati hasil sebagai berikut :

Cp= -5,169tsr2_{+ 37,694tsr}_{- 32,301}

Cp= -6,1582tsr2_{+ 47,971}_tsr_{- 59,979}

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0

Tip speed ratio

(67)

Cp = -5,169tsr2 + 37,694tsr– 32,301

Cp = -5,169(6,0)2 + 37,694(6,0) – 32,301

Cp = 7,78 % (kincir A)

Cp = -6,1582tsr2_{+ 47,971}_tsr – 59,979

Cp = -6,1582(6,0)2 + 47,971(6,0) – 59,979

Cp = 6,15 % (kincir B)

didapati kedua kincir memiliki selisih koefisien daya yang tidak terlalu besar. Penambahan magnet pada variasi ini tidak menambahkan efisiensi pada kincir, namun sebaliknya.

Perbandingan pada hubungan rpm dan torsi kedua kincir menunjukkan hasil yang menyerupai. Gambar 4.6 menunjukkan hubungan rpm dan torsi kedua kincir yang cenderung hampir sama yang terlihat dari linearitas grafiknya. Namun kincir tanpa magnet tetap menunjukkan penurunan yang lebih landai dibanding kincir dengan magnet meskipun tidak signifikan.

rpm = -168,71torsi + 735,41

rpm = -178,46torsi + 732,75

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80

k ec ep atan p u tar p o ro s k in cir, n (rp m ) torsi (n.m)

(68)

53

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1.Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian mengenai pengaruh penambahan magnet terhadap karakteristik dan efisiensi kincir dari pipa PVC yang dibuat, dapat diambil beberapa kesimpulan sesuai dengan tujuan penelitian sebagai berikut:

1. Telah berhasil dibuat kincir dengan tambahan magnet yang memiliki efisiensi yang berbeda dibanding kincir konvensional

2. Karakteristik kincir dengan magnet didapati mempunyai karakteristik yang lebih baik dibanding kincir konvensional pada variasi kecepatan angin 5 m/s dan 6 m/s, namun tidak pada variasi kecepatan angin 7 m/s. Hasil juga menunjukkan pada variasi kecepatan angin 5 m/s, kincir dengan piringan magnet mampu menghasilkan pengawalan dengan rpm 345,26 sedangkan kincir konvensional 328,82 rpm. Pada variasi kecepatan angin 6 m/s, kincir dengan piringan magnet mampu menghasilkan pengawalan rpm 454,52 dan 442,15 rpm untuk kincir tanpa magnet. Namun pada variasi kecepatan angin 7 m/s kincir dengan piringan magnet menghasilkan pengawalan dengan rpm 732,75 dan kincir tanpa magnet menghasilkan pengawalan rpm 735,41. 3. Efisiensi kincir dengan magnet didapati lebih baik dibanding kincir

(69)

piringan magnet hanya berselisih 0,83 % lebih baik dibanding kincir konvensional pada nilai tsr 3,5. Namun pada nilai tsr 2,8 kincir tanpa magnet mampu menghasilkan Cp 9,57 %, dimana kincir dengan magnet telah mencapai

Cp maksimal 8,89 % untuk nilai tsr yang sama. Pada variasi kecepatan angin 6 m/s, Cp yang dihasilkan signifikan dimana kincir dengan piringan magnet menghasilkan Cp maksimal 13,18 % sedangkan kincir tanpa magnet menghasilkan Cp maksimal 9,43 %. Pada variasi kecepatan angin 7 m/s sendiri, hasil pengamatan menunjukkan nilai Cp kincir tanpa magnet lebih baik dibanding kincir dengan magnet. Hasil pengamatan menunjukkan hingga nilai tsr yang sama (6,0), kincir dengan piringan magnet hanya mampu menghasilkan Cp 6,15 % sedangkan kincir tanpa magnet mampu menghasilkan Cp 7,78 %.

5.2.Saran

(70)

DAFTAR PUSTAKA

Brady., Mike. (2006). Permananent Magnet Machine. (patent), International Publication Number WO 2006/045333.

Chriras, D. (2010). Wind Power Basics. Canada. New Source Publishers.

Giancoli, D.C. (2001). Fisika Jilid 2. Edisi kelima. (Terjemahan: Dra Yuhilza Hanum, M.Eng., Ir. Irwan Arifin, M.Eng; Editor: Hilarius Wibi Hardani, S.T., Sylvester L. Simarta, S.T). Jakarta. Penerbit Erlangga.

https://energypedia.info/wiki/Wind_Energy_Country_Analyses_Indonesia,

diakses pada tanggal 28 November 2016.

http://www.wwindea.org/the-world-sets-new-wind-installations-record-637-gw-new-capacity-in-2015/, diakses pada tanggal 28 November 2016.

International Energy Agency. (2008). World Outlook Energy 2008. Paris. International Energy Agency.

Jain, P. (2011). Wind Power Basics. United States of America. McGraw Hill. Kasim, N.I., Musa, M.A., Ngah, H., Razali, A.R., Ishak, M. (2015): Effect of

Magnetic Flux on Rotor-Stator Arrangement of Neodymium Permanent Magnet, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 10, 7749-7752.

(71)

Purcell, E.M. (1965). Electricity and Magnetism. United States of America. McGraw Hill.

Pamungkas, W.C. (2013). Unjuk Kerja Kincir Angin Tipe Propeler Tiga Sudu Dari Bahan Pipa PVC Berdiameter 6 inchi. Skripsi, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.

Ranalkar, S., Subhedar, N., Sawale, D. (2013): Enhancement of Wind Turbine Using Magnetic Acceleration Unit, International Journal of Mechanical and Production Engineering, 1, 17-21.

Sitorus, J.A. (2015). Unjuk Kerja Kincir Angin Poros Horizontal Bersudu Tiga Bahan Komposit Diameter 1 m Lebar Maksimum 13 cm dengan Jarak 12,5

(72)

57