Kincir angin poros vertikal dengan dua sudu datar dua ruang yang dapat membentang dan mengatup secara otomatis - USD Repository

(1)

i

DUA RUANG YANG DAPAT MEMBENTANG DAN MENGATUP SECARA OTOMATIS

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Mesin

Diajukan Oleh :

BERNADUS BILLI ANGGARA NIM : 065214027

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

(2)

ii

SPACE VERTICAL AXIS WIND TURBINE

FINAL PROJECT

Presented as partial fulfillment of the Requirements To obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering Study Programme

by

BERNADUS BILLI ANGGARA Student Number : 065214027

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA

2010

(3)

(4)

(5)

v

Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karya yang diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan sayajuga tidak terdapat karya atau pendapat yangpernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali secara tertuilis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta 14 Juni 2010

(6)

vi

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui dan mencari torsi statis, torsi dinamis, daya dan koefisien daya kincir angin poros vertikal dengan dua sudu datar serta dua ruang yang dapat membentang dan mengatup secara otomatis.

Sudu-sudu kincir angin yang dapat membentang dan mengatup secara otomatis ini dibuat dari bahan tripleks dengan ketebalan 4 mm. Pengujiannya dilakukan untuk tiga variasi ukuran sudu dan lima variasi kecepatan angin. Pengujian poros kincir dilakukan dengan cara memasang kincir angin pada wind tunnel dan dihubungkan dengan generator sebagai pembangkit listrik melalui transmisi sabuk.

(7)

vii

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma

Nama : Bernadus Billi Anggara Nomor Mahasiswa : 065214027

Demi mengembangkan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

Kincir Angin Poros Vertikal dengan Dua Sudu Datar Dua Ruang yang dapat Membentang dan Mengatup Secara Otomatis

beserta perangkat yang diperluakan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan Kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti Kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal : 10 Juni 2010

Yang menyatakan,

(8)

viii

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karuniaNya, sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Tugas akhir ini adalah sebagian persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

Tugas akhir ini mengambil judul “Kincir Angin Poros Vertikal dengan Dua Sudu Datar Dengan Dua Ruang yang Dapat Membentang dan Mengatup Secara Otomatis“.

Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini karena adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini perkenankan penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

2. Bapak Budi Sugiarto, S.T, M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin dan dosen Pembimbing Akademik.

3. Bapak Ir. Rines, M.T., Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

4. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing penulis selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.

5. Kepala Laboratorium dan Laboran Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.

6. Semua rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin, angkatan 2006 khususnya. 7. Serta semua pihak yang telah membantu atas terselesainya Tugas Akhir ini

(9)

ix

sempurna, maka penulis terbuka untuk menerima kritik dan saran yang membangun.

Semoga naskah ini berguna bagi mahasiswa Teknik Mesin dan pembaca lainnya. Jika ada kesalahan dalam penulisan naskah ini penulis minta maaf yang sebesar-besarnya, terima kasih.

Yogyakarta, 31 Mei 2010

(10)

x

Halaman Judul ... i

Title Page ... ii

Halaman Pengesahan ... iii

Halaman Persetujuan ... iv

(11)

xi

3.4. Variabel Penelitian ... 23

3.5. Analisa Data ... 24

3.6. Langkah Penelitian ... 25

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ... 27

4.1. Data Penelitian ... 27

4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan ... 36

4.3. Grafik hasil Perhitungan ... 44

4.4. Pembahasan ... 57

BAB V PENUTUP ... 65

5.1. Kesimpulan ... 66

5.2. Saran ... 67

(12)

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Jenis kincir angin ... 6

Gambar 2.2 Grafik hubungan koefisien daya dan tip speed ratio maksimal untuk berbagai model kincir ... 9

Gambar 3.1 Skema kincir angin ... 15

Gambar 3.2 Dudukan poros sudu ... 16

Gambar 3.3 Poros sudu ... 16

Gambar 3.4 Rumah bearing ... 17

Gambar 3.5 Bentuk penampang sudu ... 17

Gambar 3.6 Variasi sudu ... 18

Gambar 3.7 Pembatas sudu ... 18

Gambar 3.8 Motor listrik ... 19

Gambar 3.9 Tachometer ... 19

Gambar 3.10 Wind tunnel ... 20

Gambar 3.11 Fan blower ... 20

Gambar 3.12 Multimeter ... 21

Gambar 3.13 Beban lampu ... 21

Gambar 3.14 Anemometer ... 22

Gambar 3.15 Timbangan ... 22

Gambar 3.16 Motor listrik ... 23

(13)

xiii

Variasi lebar Sudu 20 cm ... 44 Gambar 4.3 Grafik Hubungan Torsi Statis dan Kecepatan Angin Pada

Variasi lebar Sudu 25 cm ... 44 Gambar 4.4 Grafik Hubungan Torsi Statis dan Kecepatan Angin Pada

Variasi lebar Sudu 30 cm ... 45 Gambar 4.5 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output Pada

Variasi lebar Sudu 20 cm dengan Beban 3 Watt ... 45 Gambar 4.6 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output Pada

Variasi Lebar Sudu 25 cm dengan Beban 6 Watt ... 47 Gambar 4.9 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output Pada

Variasi Lebar Sudu 30 cm dengan Beban 6 Watt ... 48 Gambar 4.11 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output Pada

Ketiga Variasi Lebar Sudu dengan Beban 3 Watt ... 48 Gambar 4.12 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output Pada

(14)

xiv

20 cm dengan Beban 3 Watt ... 49 Gambar 4.14 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Variasi Lebar Sudu

30 cm dengan Beban 6 watt ... 52 Gambar 4.19 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Ketiga Variasi Lebar

Sudu dengan Beban 3 Watt ... 52 Gambar 4.20 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Ketiga Variasi Lebar

Sudu dengan Beban 6 Watt ... 53 Gambar 4.21 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Total Sisem Pada Variasi

Lebar Sudu 20 cm dengan Beban 3 watt ... 53 Gambar 4.22 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Total Sisem Pada Variasi

(15)

xv

(16)

xvi

Tabel 4.1 Data hasil penelitian gaya statis untuk ukuran sudu 20 x 23 cm ... 27 Tabel 4.2 Data hasil penelitian gaya statis untuk ukuran sudu 25 x 23 cm ... 28 Tabel 4.3 Data hasil penelitian gaya statis untuk ukuran sudu 30 x 23 cm ... 29 Tabel 4.4 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban

3 watt ... 30 Tabel 4.5 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban

6 watt ... 35 Tabel 4.10 Data hasil perhitungan gaya statis dengan ukuran sudu 20 x 23

cm ... 35

Tabel 4.11 Data hasil perhitungan gaya statis dengan ukuran sudu 25 x 23 cm ... 44 Tabel 4.12 Data hasil perhitungan gaya statis dengan ukuran sudu 30 x 23

(17)

xvii

Tabel 4.13 Data hasil perhitungan dengan ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban 3 watt ... 46 Tabel 4,14 Data hasil perhitungan dengan ukuran sudu 20 x 23 cm dengan

beban 6 watt ... 47 Tabel 4,15 Data hasil perhitungan dengan ukuran sudu 25 x 23 cm dengan

(18)

1

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Tingginya kebutuhan energi di Indonesia khususnya dan di dunia pada

umumnya terus meningkat karena pertambahan penduduk, pertumbuhan

ekonomi dan pola konsumsi energi yang senantiasa meningkat. Hal ini tidak

sebanding dengan energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi

utama ketersediaannya sangat terbatas dan terus mengalami penipisan

sehingga menyebabkan terjadinya kelangkaan bahan bakar migas dan terjadi

kenaikan harga secara terus menerus.

Penggunaan energi terbarukan diperlukan sekali oleh masyarakat untuk

menanggulangi krisis energi, namun diusahakan dengan biaya serendah

mungkin. Salah satu energi yang dapat dimanfaatkan adalah energi angin.

Pemanfaatan energi angin diminati disebabkankan pula karena bebas polusi

dan tersedia di mana pun, sehingga dapat menjawab masalah lingkungan

hidup dan ketersediaan sumber energi. Untuk memanfaatkan angin diperlukan

sebuah alat untuk mengubahnya dengan menggunakan prinsip konversi energi

menjadi energi listrik. Oleh karena itu perlu diteliti dengan sebuah alat tentang

karakteristik kincir angin. Alat ini menekankan tentang besar daya yang

dikeluarkan dan efektif atau tidaknya alat tersebut. Berawal dari hal tersebut

(19)

Kincir angin poros vertikal dengan dua sudu datar yang membentang dan

mengatup otomatis dengan dua ruang ini memilikai kelebihan yaitu kedua

sudunya dapat membentang dan mengatup secara otomatis dan diharapkan

kincir ini dapat menambah gaya dorong (drag force) sehingga dapat

menambah daya yang dihasilkan kincir.

1.2. Perumusan Masalah

1) Indonesia mempunyai potensi energi angin yang besar.

2) Perlunya dibuat desain alat yang baru untuk pembangkit energi angin,

yaitu kincir angin poros vertikal dengan dua sudu datar yang

membentang dan mengatup otomatis dengan dua ruang.

1.3. Batasan masalah

Agar permasalahan yang ada tidak berkembang menjadi luas, maka

perlu adanya batasan terhadap permasalahan yang akan dibuat yaitu:

1) Bentuk sudu yang digunakan yaitu dengan dua ruang.

2) Pengendalian kecepatan angin menggunakan Wind Tunnel.

3) Sudu yang digunakan dengan 3 variasi ukuran dan variasi kecepatan

angin.

4) Pengukuran yang dilakukan pada saat penelitian kincir adalah massa

beban statis, kecepatan angin, tegangan, arus, putaran poros, dan massa

(20)

1.4. Tujuan penelitian

1. Membuat sebuah model kincir angin yang sudunya dapat membuka

dan mengatup secara otomatis.

2. Mengetahui torsi statis yang dihasilkan model kincir angin untuk tiga

variasi ukuran sudu dan lima variasi kecepatan angin.

3. Mengetahui torsi dinamis untuk tiga variasi ukuran sudu dan lima

variasi kecepatan angin.

4. Mengetahui koefisien daya model kincir angin untuk tiga variasi

ukuran sudu dengan lima variasi kecepatan angin yang dipilih.

5. Mengetahui efisiensi total sistem.

1.5.Manfaat Penelitian

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah :

1. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit tenaga listrik.

2. Ikut serta dalam upaya memasyarakatkan pemanfaatan energi alternatif.

1.6. Langkah Perancangan

Sebelum memulai perancangan, terlebih dahulu harus diketahui

kecepatan angin yang diperlukan dan daya yang dihasilkan generator. Dalam

perhitungan daya perlu diketahui luas sudu kincir terlebih dahulu.

Selanjutnya poros kincir angin disambungkan ke generator sehingga

(21)

BAB II DASAR TEORI

2.1. Energi yang terdapat dalam angin

Sistem angin di bumi dikarenakan adanya perpindahan massa udara

pada atmosfer sebagai hasil dari variasi tekanan di atmosfer, dimana

perubahannya merupakan hasil dari perbedaan pemanasan dari sinar

matahari karena perbedaan permukaan bumi.

Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik.

Energi kinetik = 0,5 mV2 (1)

dimana m dalam kilogram dan V dalam m/s

Dengan m adalah massa udara yang mengalir per satuan waktu. Yaitu:

m =ρAV (2)

Energi kinetik angin per satuan waktu = 0,5 (ρAV )V2

P = 0,5 ρAV3 (3)

dengan :

ρ = massa jenis udara, kg / m3

A = luas penampang melintang arus angin yang ditangkap kincir, m2

V = kecepatan angin, m / s

P = daya angin, Watt

(22)

Apabila massa jenis udara adalah ρ = 1,23 kg/m3 maka persamaan (3) di atas

dapat disederhanakan menjadi :

P = 0,6 AV 3 (4)

Pembangkitan energi angin terjadi berdasarkan prinsip perubahan

energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati kincir angin. Ketika

melewati kincir angin, angin mengalami pengurangan energi kinetik (yang

ditandai dengan berkurangnya kecepatan angin). Energi kinetik yang

“hilang” ini dikonversikan menjadi energi mekanik yang memutar kincir

angin yang terhubung dengan rotor dari generator. Generator akan

mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.

2.2. Dasar Kincir Angin

Energi angin pada awalnya disebut windmill yang digunakan secara

tradisional untuk menumbuk biji-bijian, membuat kertas dan memotong

kayu, memompa air dan akhirnya pada saat ini energi angin digunakan

untuk membangkitkan tenaga listrik.

Meskipun masih terdapat susunan dan perencanaan yang beragam,

namun secara umum kincir digolongkan ke dalam dua macam tipe

(horisontal dan vertikal). Turbin angin poros Vertikal atau VAWT (Vertical

Axis Wind Turbine) adalah turbin dengan poros vertikal sepanjang menara

dan mempunyai generator pembangkit listrik dibawah poros. Sedangkan

(23)

adalah turbin dengan poros utama horizontal dan generator pembangkit

listrik pada puncak menara.

Gambar 2.1 Jenis kincir angin

(Sumber:http://www.scribd.com/document_downloads/24511217?extension

=pdf&skip)

Keuntungan dari turbin angin poros vetikal:

1. Kincir angin poros horizontal dapat menerima angin dari berbagai

macam arah tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah

(mengurangi kebutuhan untuk penyesuaian kedudukan).

2. Tidak memperhitungkan hembusan angin (memiliki keuntungan

dalam berbagai tingkat hembusan angin)

3. Nilai torsi yang besar pada angkatan awal.

4. Kemampuannya ini menghasilkan torsi pelan tetapi cukup bertenaga

untuk memutar generator.

(24)

6. Desain kincir angin poros vertikal berbilah lurus dengan potongan

melintang berbentuk kotak atau empat persegi panjang memiliki

wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu daripada

wilayah tiupan berbentuk lingkarannya kincir angin poros horisontal.

7. Kincir angin poros vertikal biasanya memiliki tip speed ratio

(perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah

dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil

kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat kencang.

Tetapi kincir ini juga memiliki beberapa kekurangan, terutama dibanding

dengan kincir angin sumbu horisontal.

Kekurangan tersebut diantaranya adalah :

1. Kebanyakan kincir angin poros vertikal memproduksi energi hanya

50% dari efisiensi kincir angin poros horisontal karena gaya drag

tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.

2. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga

yang tersedia adalah energi angin yang sedikit

3. Kebanyakan kincir angin poros vertikal mempunyai torsi awal yang

rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.

4. Sudu yang mengambil energi angin disebut downwind sedangkan

sudu yang melawan angin disebut upwind. Sudu upwind ini dapat

mengurangi kecepatan rotor. Besarnya torsi pada rotor dan

kecepatan rotor (rpm) tergantung pada selisih drag force sudu upwind

dengan drag force sudu downwind.

(25)

2.3. Daya Kincir Angin

Daya turbin angin adalah daya yang dibangkitkan oleh rotor turbin angin

akibat mendapatkan daya dari hembusan angin. Daya turbin angin tidak

sama dengan daya angin dikarenakan daya turbin angin terpengaruh oleh

koefisien daya.

Koefisien daya adalah presentase daya yang terdapat pada angin yang

diubah ke dalam bentuk energi mekanik.

P = Cp . ½ . ρ . A . V3 (5)

Umumnya daya efektif yang dapat diambil oleh sebuah kincir angin hanya

sebesar 20% - 30%.

Angka 20 % - 30 % ini disebut batas Betz (Betz limit, diambil dari

ilmuwan Jerman Albert Betz). Angka ini secara teori menunjukkan

efisiensi maksimum yang dapat dicapai oleh rotor turbin angin tipe sumbu

vertikal.

Di dalam rangkaian kincir angin yang berputar selain dipengaruhi Cp,

terdapat pula koefisien Cd yang mempengaruhi sudu dalam menghasilkan

daya. Coeffisient of drag (Cd) adalah koefisien dari gaya tarik (drag). Cd

pada dasarnya adalah kecenderungan suatu benda untuk mempertahankan

diri pada kondisi yang ada dari gaya geser atau gaya tekan yang timbul.

Bila semakin halus permukaan suatu benda, maka nilai Cd akan semakin

(26)

Gambar 2.2 Grafik hubungan koefisien daya dan tip speed ratio

maksimal untuk berbagai model kincir yang dapat dihasilkan

(Sumber: http://www.physicsforums.com/showthread.php?t=229058)

2.4. Perhitungan Torsi dan Daya

a. Torsi statis

Torsi statis dihitung dengan menggunakan rumus :

(6)

dengan :

= Torsi statis, N.m

= Gaya pada poros akibat puntiran, N

(27)

b. Daya output

Perhitungan daya pada gerak melingkar secara umum dirumuskan

sebagai:

(7)

dengan :

= torsi dinamis, N.m

= kecepatan sudut, rad/detik

Untuk perhitungan daya output yang dihasilkan kincir dapat dinyatakan

sebagai:

2 60

(8)

dengan :

= daya putar poros (watt)

= banyaknya putaran poros tiap menit

c. Torsi

Torsi dinamis dihitung dengan menggunakan rumus :

(9)

dengan :

= Torsi yang dihasilkan akibat putaran poros (N.m)

(28)

= Jarak lengan ke poros (m)

d. Tip Speed Ratio

Tip-speed ratio adalah perbandingan dari kecepatan ujung sudu –sudu

yang berputar dengan kecepatan dari aliran udara.

(10)

dimana,

= Tip speed ratio

= jari-jari kincir

= kecepatan aliran angin

= putaran poros (rpm)

Tip speed ratio mempengaruhi besaran koefisien daya. Hubungan ini

digambarkan sebagai berikut :

a. Koefisien daya bergantung pada perbandingan ujung sudu.

b. Ditandai dengan kurva Cp berbanding dengan perbandingan

kecepatan ujung sudu - Tip Speed Ratio Curve.

2.5. Koefisien daya

Perhitungan Koefisien daya (Cp) kincir dapat dihitung berdasarkan

perbandingan daya yang dihasilkan oleh kincir (P) dengan daya teoritis (Pth)

(29)

100% (11)

Dengan :

Cp= Koefisien Daya Kincir (%)

P= Daya Yang dihasilkan oleh Kincir (Watt)

Pth = Daya Teoritis (Watt)

2.6. Daya Generator

Perhitungan Daya Generator (Pgen) kincir dapat diperoleh dari perkalian

antara tegangan listrik (V) yang dihasilkan oleh motor dengan arus listrik (I)

yang dihasilkan, dapat dituliskan menurut persamaan berikut :

Pgen = V x I (12)

Dengan :

Pgen = Daya generator (Watt)

(30)

2.7. Efisiensi Total Sistem.

Perhitungan Efisiensi Total Sistem (

η

Tot) kincir dapat dihitung berdasarkan

perbandingan daya generator yang dihasilkan oleh kincir (Pgen) dengan daya

teoritis (Pth) yang disediakan oleh angin dapat dituliskan menurut persamaan

berikut :

η

Tot 100% (13)

Dengan :

η

Tot = Efisiensi Total Sistem (%)

P gen = Daya generator (Watt)

(31)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Sarana Penelitian

Sarana yang digunakan untuk penelitian adalah Kincir angin poros vertikal

dengan dua sudu datar yang membentang dan mengatup secara otomatis

dengan memvariasikan ukuran sudu yang akan menghasilkan daya masukan

yang berbeda.

3.2. Perancangan Kincir Angin

Dalam perancangan ini, parameter yang sudah diketahui adalah :

a. Panjang poros = 120 cm

b. Lebar kincir = 60 cm

c. Tinggi kincir = 120 cm

(32)

1. Poros utama

2. Sudu

3. Rumah sudu

4. Pembatas sudu

5. Poros sudu

6. Pengait sudu

Dalam pembuatannya melewati proses pembuatan komponen-komponen

(33)

1. Dudukan Poros Sudu

Dudukan Poros Sudu dibuat dari pipa persegi dengan ukuran 5 x 5 cm

dan panjang pipa 15 cm. Pada kedua sisi pipa dibuat lubang untuk poros

sudu.

Gambar 3.2 Dudukan poros sudu

2. Poros Sudu

Poros Sudu terbuat dari besi pejal dengan diameter 16mm.

(34)

3. Rumah bearing

Rumah bearing terbat dari plat besi dengan tebal 5 mm, dan dibuat

lubang 2 dengan diameter 28mm sesuai dengan ukuran bearing.

Gambar 3.4 Rumah bearing

4. Poros Utama

Poros dibuat dari pipa besi lubang dengan panjang 1,20 m dan diameter

0,04 m.

5. Sudu

Sudu dibuat dari bahan tripleks dengan tebal 4 mm.

Penampang sudu beebentk persegi empat dengan lebar 23 cm

menyesuaikan panjang pembatas sudu. Sedangkan panjang sudu

(35)

Gambar 3.6 Variasi sudu

6. Pembatas Sudu

Berfungsi untuk membatasi gerak sudu agar sudu hanya bergerak

sebesar ± 70o.

Gambar 3.7 Pembatas sudu.

3.3. Peralatan Penelitian

Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian adalah:

1. Generator

Alat ini berfungsi sebagai alat yang mengubah gaya gerak menjadi

listrik. Generator menghasilkan arus listrik dan tegangan listrik yang

(36)

Gambar 3.8 Motor listrik

2. Tachometer

Alat ini digunakan untuk mengukur putaran poros motor DC.

Tachometer yang digunakan tachometer jenis digital light tachometer,

yang prinsip kerjanya dengan memancarkan sinar untuk membaca sensor

yang berupa pemantul cahaya (contoh alumunium foil) yang dipasang

pada poros.

(37)

3. Wind Tunnel

Alat dengan ukuran 1,2 m x 1,2 m x 2,4 m ini berfungsi sebagai lorong

yang menangkap dan mengumpulkan angin dan menghembuskannya

pada kincir yang juga diletakkan didalam Wind Tunnel tersebut,

pengaturan kecepatan angin dilakukan dialat ini.

Gambar 3.10 Wind tunnel

4. Fan Blower

Alat ini menghembuskan angin yang akan disalurkan ke Wind Tunnel.

(38)

5. Multimeter

Alat ukur untuk mengukur kelistrikan pada beban yang diberikan.

Gambar 3.12 Multimeter

6. Lampu/beban

Berfungsi sebagai beban dalam percobaan ini dan beban ini yang akan

diukur.

(39)

7. Anemometer

Berfungsi sebagai alat pengukur kecepatan angin.

Gambar 3.14 Anemometer

8. Timbangan

Berfungsi untuk mengukur massa beban yang bekerja pada kincir.

(40)

(41)

3.5. Analisa Data

Data yang diambil dari percobaan ini adalah sebagai berikut :

a. Torsi statis kincir angin

b. Putaran poros kincir dan generator yang dihasilkan ( n ).

c. Tegangan (V) dan Arus (I) listrik pada lampu, dan gaya yang

dihasilkan karena beban.

d. Kecepatan angin (v) yang digunakan didapat dari pengukuran

Anemometer yang diletakan didepan Wind Tunnel.

e. Untuk mendapatkan P_in maka haruslah mendapatkan S yang

didapat dari luasan (A) seluruh kincir dan dikalikan dengan besar

sudu dan jumlah sudu.

f. Pout diperoleh dari pengkalian torsi dan putaran poros yang

dihasilkan dari kincir.

g. Dari hasil Pout diperoleh FGen yang merupakan gaya generator.

h. Gaya generator tersebut bila dikalikan dengan (r) yang merupakan

jari-jari maka didapatkan torsi generator tersebut.

i. Selanjutnya ditentukan efisiensi turbin dan efisiensi kincir dengan

(42)

3.6. Langkah Penelitian

1. Pengambilan Data Torsi Statis

a. Pada Kincir angin dipasang pengukur torsi.

b. Setelah pengukur terpasang, kincir angin dipasang didalam Wind

Tunnel dan pengunci dibaut supaya tidak bergerak sedikitpun.

c. Didepan kincir angin dipasang anemometer untuk mengetahui

besar angin yang ada dalam Wind Tunnel.

d. Setelah semua siap, blower dihidupkan untuk menghembuskan

angin masuk kedalam Wind Tunnel.

e. Setelah angin berhembus maka dapat diukur berapa massa

penahan yang dapat menahan gerak kincir.

f. Jalannya percobaan a-e dilakukan berulang dengan variasi

ukuran sudu 23 x 20 cm, 23 x 25cm, 23x 30 cm.

2. Pengambilan Data Daya yang dihasilkan Kincir

a. Kincir angin dipasang didalam Wind Tunnel dan pengunci dibaut

supaya tidak bergerak sedikitpun.

b. Puli besar kincir angin yang terletak di bawah wind tunnel

dihubungkan dengan generator.

c. Amperemeter dipasang secara paralel dengan lampu, dan

Voltmeter dipasang secara seri seperti pada gambar.

d. Didepan kincir angin dipasang anemometer untuk mengetahui

(43)

e. Setelah semua siap, blower dihidupkan untuk menghembuskan

angin masuk kedalam Wind Tunnel.

f. Setelah lampu menyala maka dapat diukur tegangan dan arus

pada lampu, diukur juga perputaran poros pada puli generator.

g. Jalannya percobaan a-f dilakukan berulang dengan variasi ukuran

(44)

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Data Penelitian

4.1.1. Data Gaya Statis yang diperoleh pada saat percobaan dengan menggunakan sudu yang berbeda

Kecepatan angin dengan variasi mulai dari kecepatan tertinggi

kurang lebih 8,0m/s dengan penurunan 1 m/s hingga kincir tidak

berputar.

Dari hasil penelitian didapatkan data sebagai berikut :

Tabel 4.1 Data Hasil Pengukuran Gaya Statis dengan ukuran sudu

20 x 23 cm.

No Kecepatan Angin (m/s) Gaya (Newton)

(45)

Tabel 4.1 Data Hasil Pengukuran Gaya Statis dengan ukuran

sudu 20 x 23 cm (lanjutan).

16 5.6 3.53

sudu 25 x 23 cm

(46)

sudu 25 x 23 cm (lanjutan).

18 5.5 5.69

19 5 4.12

20 5 4.41

21 5 4.02

sudu 30 x 23 cm

(47)

4.1.2. Data yang diperoleh pada saat percobaan dengan menggunakan sudu yang berbeda

Kecepatan angin dengan variasi mulai dari kecepatan tertinggi

kurang lebih 8,0m/s dengan penurunan 0,5 m/s hingga kincir tidak

berputar.Dari hasil penelitian didapatkan data sebagai berikut :

Tabel 4.4 Data Hasil Pengukuran dengan ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban

(48)

Tabel 4.5 Data Hasil Pengukuran dengan ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban

6 watt.

No Tegangan Arus Gaya Putaran

Kecepatan Angin

(Volt) (Ampere) (Newton) (rpm) (m/s)

1 1 0,14 1.13 44.08 8,1

2 1 0,14 1.03 43.04 8,1

3 1 0,15 1.13 45.07 8,1

4 1 0,14 1.08 43.14 8,1

5 1 0,15 1.13 45.60 8,1

(49)

(50)

(51)

(52)

(53)

4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan

1. Luas penampang kincir

Kincir ini memiliki penampang persegi panjang sehingga :

A = p x l

P = 60 cm

Kemiringan 12o dan panjang sudu =20 cm

Gambar 4.1 kemiringan sudu

Panjang sisi tegak: cos 12o x 20 cm = 19.5629cm

Jadi L= (19.5629 x 2) + 5 cm =44.1258 cm ≈ 44cm

A = 0,6 m x 0,4 m

A = 0,264 m2

Dengan cara yang sama didapatkan:

Panjang sudu 25 cm = L = 53,90738 ≈ 54 cm

A = p x l

A = 0,6 m x 0,55 m

(54)

Panjang sudu 30 cm = L = 63,68885 ≈ 64 cm

A = p x l

A = 0,6 m x 0,55 m

A = 0,384 m2

2. Daya yang tersedia dari angin

p

in

=

0 ,

6 ⋅

A

⋅

v

3

Dengan :

in

P = daya angin, (watt)

A= luas penampang kincir (m)

3

v = kecepatan angin (m/s)

Daya pada kecepatan angin pada ukuran penampang sudu 20 x 23:

1. 8,1 m/ s = 0,6 x 0,264 x 8,13

= 84.180watt

2. 7,5m/s = 0,6 x 0,264 x 7,53

= 66,825 watt

3. 7 m/s = 0,6 x 0,264 x 73

= 54,3312 watt

1. 8 m/ s = 0,6 x 0,324 x 83

(55)

2. 7,5m/s = 0,6 x 0,324 x 7,53

= 82,0125 watt

3. 7,1 m/s = 0,6 x 0,324 x 7,13

= 69,578 watt

4. 6,5 m/s = 0,6 x 0,324 x 6,53

= 53,3871 watt

5. 6 m/s = 0,6 x 0,324 x 63

= 41,9904 watt

1. 8,2 m/ s = 0,6 x 0,324 x 8,23

= 126,374 watt

2. 7,5m/s = 0,6 x 0,324 x 7,53

= 82,0125 watt

3. 7,1 m/s = 0,6 x 0,324 x 7,13

= 82,033 watt

4. 6,5 m/s = 0,6 x 0,324 x 6,53

= 53,3871 watt

5. 6,1 m/s = 0,6 x 0,324 x 6,13

(56)

3. Menghitung torsi :

1. Torsi Statis

T = F.r

F = diperoleh dari pembacaan pada timbangan r = 0,1 meter

Sebagai contoh perhitungan torsi pada Tabel 4.10 no. 1.

T = F.r

= 8,5347 . 0,1

= 0,85347 N.m

Untuk perhitungan lainnya dapat dilihat pada Tabel 4.10 sampai 4.12

2. Torsi

dengan

= diperoleh dari pembacaan pada timbangan

= 0,25 meter

Sebagai contoh perhitungan torsi pada Tabel 4.13 no. 1.

1,12815 x 0,25

(57)

4. Daya keluaran poros kincir (Pout)

2

dengan :

= putaran poros (rpm)

T = torsi pada poros (N.m)

Sebagai contoh perhitungan daya keluaran poros kincir pada Tabel

4.13 pada pengujian no. 1.

2 60

2 44,08_{60 0,282}

1,30

Untuk perhitungan lainnya dapat dilihat pada Tabel 4.13 sampai

4.18 pada lampiran.

(58)

Sebagai contoh perhitungan daya keluaran poros kincir pada tabel 4.13

pada pengujian no. 1

∞

Untuk perhitungan lainnya dapat dilihat pada tabel 4.13 sampai 4.18

6. Menghitung Coeffisien of Power

Sebagai contoh perhitungan daya keluaran poros kincir pada tabel

4.13 no 1

(59)

7. Menghitung Daya Generator.

Pgen = V x I

Dengan :

Pgen = Daya generator

V = Tegangan yang dihasilkan oleh motor I = Arus yang dihasilkan oleh motor

Sebagai contoh perhitungan daya generator kincir pada tabel 4.13 no

1

Pgen = V x I

Pgen =1,4 x 0,1

Pgen =0,14

Untuk perhitungan lainnya dapat dilihat pada Tabel 4.13 sampai 4.18.

8. Menghitung Efisiensi Total Sistem.

η

Tot 100%

Dengan :

η

Tot = Efisiensi Total Sistem

P gen= Daya generator

Pth = Daya Teoritis

Sebagai contoh perhitungan efisiensi total sistem pada tabel 4.13 no 1

ηTot

100%

η

Tot 0,14

(60)

ηTot

0,17 %

Untuk perhitungan lainnya dapat dilihat pada Tabel 4.13 sampai 4.18.

Tabel 4.10 Data hasil perhitungan Gaya Statis dengan ukuran sudu 20 x 23 cm

(61)

(62)

(63)

(64)

(65)

(66)

(67)

(68)

(69)

4.3. Grafik Hasil Perhitungan

Dari perhitungan di atas maka didapatkan grafik sebagai berikut :

a. Grafik perbandingan Torsi Statis Dengan Kecepatan Angin

Gambar 4.2 Grafik Hubungan Torsi Statis dan Kecepatan Angin Pada

Variasi lebar Sudu 20 cm

kecepatan angin (m/s)

0

(70)

b. Grafik Perbandingan Kecepatan Angin dan Daya Output

Gambar 4.5 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Output Pada

Variasi lebar Sudu 20 cm dengan Beban 3 Watt

0

(71)

0

(72)

Variasi Lebar Sudu 25 cm dengan Beban 6 Watt

0

(73)

Variasi Lebar Sudu 30 cm dengan Beban 6 Watt.

Ketiga Variasi Lebar Sudu dengan Beban 3 Watt.

0

(74)

Ketiga Variasi Lebar Sudu dengan Beban 6 Watt.

c. Grafik Perbandingan TSR dan Efisiensi Kincir

Gambar 4.13 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Variasi Lebar Sudu

20 cm dengan Beban 3 Watt

variasi 1

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

CP

(%)

(75)

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

CP

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

CP

(%)

(76)

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

CP

(%

)

(77)

30 cm dengan Beban 6 watt

Gambar 4.19 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Ketiga Variasi

Lebar Sudu dengan Beban 3 Watt

0

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

(78)

Gambar 4.20 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Pada Ketiga Variasi

Lebar Sudu dengan Beban 6 Watt

Gambar 4.21 Grafik Hubungan TSR dan Efisiensi Total Sisem Pada Variasi

Lebar Sudu 20 cm dengan Beban 3 watt

0

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Et

ot

(%

)

(79)

0

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Eto

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

E

tot

(%)

(80)

0

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

E

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Et

ot

(%)

(81)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

CP

(%)

(82)

4. PEMBAHASAN

Dari data-data hasil pengujian, dapat dilihat bahwa semakin

bertambahnya beban yang diberikan maka akan mengurangi putaran pada

poros kincir. Saat penambahan beban, tegangan yang dihasilkan oleh

generator akan semakin turun sedangkan arus yang dihasilkan akan semakin

besar seiring dengan bertambahnya beban. Hal ini terjadi karena semakin

besar beban maka semakin besar arus yang dibutuhkan untuk menyalakan

beban.

Dari perhitungan didapatkan bahwa daya keluaran terbesar yang

didapatkan oleh kincir dicapai pada kecepatan angin 8,2 m/s dengan variasi

lebar sudu 30 cm. Hal ini membuktikan bahwa semakin tinggi kecepatan

angin maka semakin besar daya keluaran yang dihasilkan, karena kecepatan

angin akan mempengaruhi putaran pada poros kincir. Demikian pula lebar

sudu akan mempengaruhi aliran angin yang akan memberikan dorongan awal

pada sudu sehingga mempengaruhi putaran pada poros kincir.

Pada perhitungan TSR-Efisiensi didapatkan efesiensi tertinggi pada

variasi lebar sudu 30 cm yaitu 3,42 % pada TSR 0,269. Sehingga dapat

disimpulkan semakin besar TSR maka semakin besar pula daya yang

(83)

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah :

1. Semakin besar kecepatan angin maka torsi statis dan daya yang

dihasilkan kincir angin semakin besar.

2. Semakin besar ukuran sudu maka torsi statis dan daya yang

dihasilkan kincir semakin besar

3.. Hasil Daya dan Efisiensi pada kincir diperoleh :

I. Kincir angin dengan ukuran sudu 20 x 23 cm diperoleh

torsi dinamis maksimal 0,85 Nm, daya maksimal 1,30 watt

yang terjadi pada kecepatan angin 8,1 m/s dan koefisien

daya 1,55 % pada TSR 0,17.

II. Kincir angin dengan ukuran sudu 25 x 23 cm diperoleh

yang terjadi pada kecepatan angin 8 m/s dan koefisien daya

(84)

III. Kincir angin dengan ukuran sudu 30 x 23 cm diperoleh

yang terjadi pada kecepatan angin 8,1 m/s dan koefisien

daya 1,92 % pada TSR 0,27.

IV. Koefisien daya tertinggi yang diperoleh adalah sebesar

2,06 %, pada kincir angi dengan sudu 30 cm dengan

kecepatan angin 8,2 m/s.

5.2 Saran

Beberapa saran yang penting untuk penelitian selanjutnya adalah :

1. Kincir sebaiknya dibuat lebih ringan namun kuat, agar mampu

berputar pada kecepatan yang lebih rendah.

2. Saat akan melakukan pengujian periksa setiap komponen kincir

terutama baut-baut pengikat, karena kemungkinan baut kendur

setelah kincir berputar lama.

3. Pada saat pengujian pastikan alat-alat pengujian berfungsi dengan

baik dengan cara mengkalibrasi dan mengganti baterai.

4. Transmisi pada kincir sebaiknya dibuat lebih ringan agar

(85)

DAFTAR PUSTAKA

Arismunandar, W., Penggerak Mula Turbin, ITB Press : Bandung, 2004

Boyle, G., Renewable Energy, Oxford Universiy Press : New York, 2004

Nugraha,E.S.,Kincir Angin Poros Vertikal Dengan Dua Sudu Datar Satu Ruang

Yang Dapat Membentang Dan Mengatup Secara Otomatis, FST-

Universitas Sanata Dharma :Yogyakarta, 2010

a) “http://home.gna.org/huribatash/tutorials/introduction/tjaerborgIntro.htm l”

b) “http://www.physicsforums.com/showthread.php?t=229058”

c) “http://www.scribd.com/document_downloads/24511217?extension=pdf& skip”

d) “http://www.scribd.com/document_downloads/7450830?secret_password =&e”

(86)

(87)

(88)

(89)

(90)

(91)

(92)