UNJUK KERJA EMPAT VARIASI ROTOR KINCIR ANGIN TIPE GIROMILL DENGAN PROFIL SUDU NACA 0021
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Sebagai Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Mesin
i Oleh
LEONHARD CHRISTI SETYAWAN NIM : 135214091
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2020
UNJUK KERJA EMPAT VARIASI ROTOR KINCIR ANGIN TIPE GIROMILL DENGAN PROFIL SUDU NACA 0021
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Sebagai Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Mesin
ii Oleh
LEONHARD CHRISTI SETYAWAN NIM : 135214091
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2020
THE PERFORMANCE OF FOUR GIROMILL TYPE WINDMILL ROTOR VARIATION WITH BLADE PROFILE NACA 0021
SKRIPSI
iii
submitted to fulfill as a requirement of obtaining an enginering degree in mechanical engineering study program
BY :
LEONHARD CHRISTI SETYAWAN STUDENT NUMBER : 135214091
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MAJORING IN MECHANICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY UNIVERSITY OF SANATA DHARMA
YOGYAKARTA 2020
viii INTI SARI
Energi merupakan kebutuhan pokok manusia. Angin merupakan salah satu sumber energi yang ramah lingkungan dan jumlahnya tidak terbatas. Cara memanfaatkannya adalah dengan menggunakan kincir angin. Maksimal atau tidaknya pemanfaatan energi angin tergantung pada desain sudu pada kincir angin. Penelitian ini dilakukan terhadap empat variasi kincir angin yaitu dua tingkat dua sudu, dua tingkat tiga sudu, satu tingkat dua sudu, dan satu tingkat tiga sudu. Kincir angin yang dibuat adalah tipe giromill menggunakan airfoil NACA 0021. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan menggunakan NACA 0021 menghasilkan koefisien daya puncak maksimum setiap variasi kincir angin tipe Giromill adalah: (1) variasi dua tingkat dua sudu menghasilkan koefisien daya maksimum sebesar 15.9%, (2) variasi dua tingkat tiga sudu menghasilkan koefisien daya maksimum sebesar 22.8 %, (3) variasi satu tingkat dua sudu menghasilkan koefisien daya maksimum sebesar 8.92%, (4) variasi satu tingkat tiga sudu menghasilkan koefisien daya maksimum sebesar 9.38%. Koefisien daya maksimum diantara empat variasi kincir angin yang diteliti adalah sebesar 22,8%
untuk kincir angin dua tingkat tiga sudu.
Kata kunci : koefisien daya, tip speed ratio, airfoil NACA 0021
ix ABSTRACT
Energy is a basic human need. Wind is an environmentally friendly energy source and the amount is unlimited. How to use it is with create a windmill. The maximum utilization of wind energy depends on the design of the blade on the windmill. In this study, there are 4 variations of windmills, namely two levels of two blades, two levels of three blades, one level of two blades, and one level of three blades. The windmill made is Giromill type using NACA 0021 airfoil. The results of the research show that by using NACA 0021, the maximum power coefficient for every variations of Giromill type windmill are: (1) two levels of two blades produces a maximum power coefficient of 15.9%, ( 2) two levels of three blades produces a maximum power coefficient of 22.8%, (3) one level two blades produces a maximum power coefficient of 8.92%, (4) one level of three blades produces a maximum power coefficient of 9.38%. The maximum power coefficient among the four windmill variations was 22.8% for two levels three blade windmills.
Keywords: coefficient of power, tip speed ratio, NACA 0021 airfoil
xii DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
TITLE PAGE ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
DAFTAR DEWAN PENGUJI ... v
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... vi
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vii
INTISARI ... viii
ABSTRACT ... ix
KATA PENGANTAR ... x
DAFTAR ISI ... xii
DAFTAR GAMBAR ... xvii
DAFTAR TABEL... xix
DAFTAR SIMBOL ... xx
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Pendahuan ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 3
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Batasan Masalah ... 3
1.5 Manfaat Penelitian ... 4
BAB II DASAR TEORI... 5
2.1 Definisi Kincir Angin ... 5
xiii
2.2.1 Kincir Angin Sumbu Horizontal ... 6
1. Tipe Ducth Four Arm ... …………..6
2. Tipe American Multi Blade ... 7
3. Tipe Propeler ... 7
4. Up – Wind Turbine ... 8
5. Down – Wind Turbine ... 9
2.2.2 Kincir Angin Sumbu Vertikal ... 9
1. Kincir Angin Tipe Darius ... 10
2. Kincir Angin Tipe Savonius ... 10
3. Kincir Agin Tipe Giromill ... 11
2.3 Metode Aerodinamika ... 12
2.4 Airfoil NACA... 12
2.4.1 Rumusan Energi Kinetik Pada Angin ... 13
2.4.2 Torsi Kincir Angin ... 15
2.4.3 Daya Kincir Angin ... 15
2.4.4 Tip Speed Ratio ... 16
2.4.5 Koefisien Daya ... 17
2.4.6 Betz Limit ... 18
BAB III METODE PENELITIAN ... 19
3.1 Diagram Penelitian ... 19
3.1.1 Bahan dan Alat ... 20
3.2 Desain Kincir Angin ... 22
xiv
3.3 Proses Pembuatan Kincir Angin ... 24
3.4 Cara Kerja dan Desain Pengereman Kincir Angin ... 28
3.5 Rangkain Keseluruhan Kincir Angin ... 28
3.6 Langkah Pengambilan Data ... 28
3.7 Pengolahan Data... 29
BAB IV HASIL DATA DAN PEMBAHASAN ... 30
4.1 Data Hasil Penelitian ... 30
4.2 Hasil Perhitungan dan Pengolahan Data ... 36
4.2.1 Penghitungan Torsi ... 36
4.2.2 Penghitungan Daya Kincir Angin... 36
4.2.3 Penghitungan Tip Speed Ratio ... 36
4.2.4 Penghitungan Koefisien Daya ... 37
4.3 Hasil Perhitungan ... 37
4.4 Grafik Perhitungan. ... 42
4.4.1 Grafik Hubungan Putaran Atau Keceaptan Rotor Kincir Angin Dengan Torsi Kincir Angin Giromill Dua Tingkat Dua Sudu. ... 42
4.4.2 Grafik Hubungan Putaran Atau Keceaptan Rotor Kincir Angin Dengan Torsi Kincir Angin Giromill Dua Tingkat Tiga Sudu. ... 43
4.4.3 Grafik Hubungan Putaran Atau Keceaptan Rotor Kincir Angin Dengan Torsi Kincir Angin Giromill Satu Tingkat Dua Sudu. ... 43
4.4.4 Grafik Hubungan Putaran Atau Keceaptan Rotor Kincir Angin Dengan Torsi Kincir Angin Giromill Satu Tingkat Tiga Sudu Dengan Profil Sudu NACA 0021 ... 44
4.4.5 Grafik Hubungan Daya Dan Torsi Kincir Angin Tipe Giromill Dua Tingkat Dua Sudu Menggunakan Profil Sudu NACA 0021 ... 44
xv
Tingkat Tiga Sudu Menggunakan Profil Sudu NACA 0021 ... 45
4.4.7 Grafik Hubungan Daya Dan Torsi Kincir Angin Tipe Giromill Satu Tingkat Dua Sudu Menggunakan Profil Sudu NACA 0021 ... 45
4.4.8 Grafik Hubungan Daya Dan Torsi Kincir Angin Tipe Giromill Satu Tingkat Tiga Sudu Menggunakan Profil Sudu NACA 0021 ... 46
4.4.9. Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya Dengan Tip Speed Ratio Kincir Angin Tipe Giromill Dua Tingkat Dua Sudu. ... 46
4.4.10 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya Dengan Tip Speed Ratio Kincir Angin Tipe Giromill Dua Tingkat Tiga Sudu. ... 47
4.4.11 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya Dengan Tip Speed Ratio Kincir Angin Tipe Giromill Satu Tingkat Dua Sudu. ... 48
4.4.12 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya Dengan Tip Speed Ratio Kincir Angin Tipe Giromill Satu Tingkat Tiga Sudu. ... 49
4.4.13 Grafik Perbandingan Kecepatan Putaran Rotor ( Rpm ) Dengan Torsi Kincir Angin ( Nm ) ... 50
4.4.14 Grafik Perbandingan Koefisien Daya ( % ) Dengan Tip Speed Ratio ( TSR ) ... 51
4.4.15 Grafik Perbandingan Empat Model Kincir Angin Tipe Giromill, Perbandingan Daya Yang Di Hasilkan ( Pout ) Dengan Torsi ( Nm ). 51 4.5 Pembahasan ... 52
BAB V PENUTUP ... 53
5.1 Kesimpulan ... 53
5.2 Saran ... 54
DAFTAR PUSTAKA ... 55
xvii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Tipe ducth four arm ... 6
Gambar 2.2 Tipe American multi blade ... 7
Gambar 2.3 Tipe propeler ... 8
Gambar 2.4 Up wind turbineI ... 8
Gambar 2.5 Down wind turbine ... 9
Gambar 2.6 Kincir angin Darius ... 10
Gambar 2.7 berikut ini adalah kincir angin tipe Savonius ... 11
Gambar 2.8 berikut ini adalah tipe kincir angin Giromill ... 11
Gambar 2.9 Penampang Airfoil ... 12
Gambar 2.10 Grafik koefisien daya pada berbagai macam tipe kincir angin ... 18
Gambar 3.1 diagram pembuatan kincir angin ... 19
Gambar. 3.2 blower... 20
Gambar. 3.3 anemometer ... 21
Gambar. 3.4 pengereman kincir angin ... 21
Gambar. 3.5 neraca pegas ... 22
Gambar. 3.6 tacho meter ... 22
Gambar. 3.7 kincir angin satu tingkat tiga sudu ... 23
Gambar. 3.8 kincir angin satu tingkat dau sudu ... 23
Gambar. 3.9 kincir angi dua tingkat tida sudu. ... 24
Gambar. 3.10 kincir angin dua tingkat dua sudu. ... 24
Gambar 3.11. Profil sudu NACA 0021 yang sudah di bentuk. ... 25
Gambar 3.12. Kayu penyambung NACA 0021 ... 25
xviii
Gambar 3.13. Penyambungan profil moel sudu NACA 0021 ... 26
Gambar 3.14. Proses pembuatan blade NACA 0021 ... 26
Gambar. 3.15. hub penghubung blade kincir angin. ... 27
Gambar. 3.16. blade kincir angin berbentuk airfoil ... 27
Gambar. 4.1. Hubungan antara kecepatan putaran rotor dengan torsi ... 42
Gambar. 4.2. Hubungan antara kecepatan putaran rotor dan torsi ... 43
Gambar.4.3. Hubungan antara kecepatan putaran rotor dan torsi ... 43
Gambar. 4.4. Hubungan antar kecepatan putaran rotor dan torsi ... 44
Gambar. 4.5. Hubungan antara daya yang di hasilkan dan torsi ... 44
Gambar. 4.6. Hubungan antara daya yang di hasilkan dan torsi ... 45
Gambar.4.7 Hubungan antara daya yang di hasilkan dan torsi ... 45
Gambar. 4.8 Hubungan antara daya yang di hasilkan dan torsi ... 46
Gambar. 4.9. Hubungan antara koefisien daya dan tip speed ... 47
Gambar. 4.10 Hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio ... 48
Gambar. 4.11. Hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio ... 49
Gambar. 4.12. Hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio ... 50
Gambar. 4.13 Perbandingan kecepatan rotor dan torsi ... 50
Gambar. 4.14 Perbandingan koefisien power dan tip speed ratio ... 51
Gambar. 4.15 Perbandingan daya yang di hasilkan dan torsi ... 51
xix
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Data hasil penelitian pada kincir angin dua tingakt dua sudu. ... 30
Tabel 4.2. Data hasil penelitian pada kincir angin dua tingakt dua sudu. ... 32
Tabel 4.3. Data hasil penelitian pada kincir angin satu tingakt dua sudu. ... 33
Tabel 4.4. Data hasil penelitian pada kincir angin satu tingakt tiga sudu ... 35
Tabel 4.5. Data hasil penelitian pada kincir angin dua tingakt dua sudu. ... 37
Tabel 4.6 data hasil penelitian pada kincir angin dua tingkat tiga sudu. ... 38
Tabel 4.7 data hasil penelitian pada kincir angin satu tingkat dua sudu. ... 40
Tabel 4.8 data hasil penelitian pada kincir angin satu tingkat tiga sudu ... 41
xx
Symbol Keterangan Satuan
Ek energy kinetik Joule
M massa kg
V kecepatan angin m/s
Pa daya yang dihasilkan angin J/s, watt
T torsi Nm
F gaya N
L jarak lengan torsi m
Pout daya yang di hasilkan kuncur angun watt Pin
A
daya yang di hasilkan kincir angina luas penampang kincir angin
watt m²
H Tinggi kincir angin m
D diameter kincir angin cm
N putaran poros rpm
vt kecepatan ujung sudu m/s
kecepatan sudut rad/s
Cp coefisien daya %
TSR Tip speed ratio
ṁ masa aliran udara persatuan waktu kg/s
1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Pendahuluan
Energi merupakan bagian kebutuhan yang paling utama pada perkembangan jaman saat ini. Kebutuhan energi ini semakin bertambah tentunya karena semakin pesatnya jumlah populasi manusia yang mungkin menjadi penyebab utama kebutuhan akan penggunaan energi menjadi meningkat, serta aktivitas – aktivitas industri yang kebutuhan energinya semakin meningkat karena besarnya permintaan pasar global, serta berbagai tawaran barang – barang elektronik yang meningkat sehingga kebutuhan energi pastinya akan menjadi peningkatan yang begitu meningkat pesat.
Kebutuhan manusia terhadap energi semakin lama semakin meningkat.
Energi yang digunakan saat ini berasal dari minyak bumi. Namun, eksploitasi yang berlebihan terhadap minyak bumi mengakibatkan persediaan semakin menipis. Kemajuan teknologi dapat digunakan untuk menciptakan energi alternatif sebagai pengganti sumber utama yang semakin menipis jumlahnya.
Menipisnya sumber daya minyak di satu sisi dan peningkatan kebutuhan energi disisi lain, maka harus ada upaya pengembangan pemanfaatan sumber energi terbarukan. Energi terbarukan adalah energi yang jumlahnya tidak terbatas.
Energi terbarukan merupakan energi yang sangat ramah lingkungan dan tidak menyebabkan polusi udara, ada berbagai macam energi terbarukan yang sedang dikembangkan pada saat ini dan beberapa negara berlomba – lomba untuk mengembangkan pembangunan energi terbarukan untuk mengurangi kebisingan dan polusi udara. Ada berbagai macam energi terbarukan yang sudah dikembangkan di berbagai macam negara di dunia seperti, pembangkit listrik tenaga air ( PLTA ), pembangkit listrik tenaga nuklir ( PLTN ), pembangkit listrik tenaga uap ( PLTU ), pembangkit listrik tenaga surya atau solar energi ( PLTS ), pembangit listrik tenaga angin ( PLTA ), pembangkit listrik tenaga bio gas ( PLTBG ), dan energi terbarukan yang lainnya. Dari sumber daya energi alam yang di atas penulis lebih memfokuskan diri untuk meningkatkan sumber energi
alam angin atau yang biasa disebutkan dengan pembangkit listrik tenaga angin (PLTA), angin merupakan bagian dari sumber daya alam yang dapat dimanfaatkan sebagai penggerak utama untuk menjadikan angin sebagai sumber energi listrik yang lebih ekonomis dan juga sangat efisien apabila dibandingkan dengan sumber daya yang menggunakan bahan bakar sebagai penggerak utama untuk sumber energi listrik, maka dari itu penulis melakukan penelitian dengan menggunakan peralatan yang sudah tersedia di kampus, untuk membuktikan bahwa sumber energi angin merupakan salah satu sumber energi yang dapat memberikan energi listrik yang sangat efisien, tentunya tidak menimbulkan polusi udara yang dapat menyebabkan global warming.
Penggunaan sumber daya angin sebagai pembangkit listrik di Indonesia tentunya masih tidak terlalu banyak digunakan, kemungkinan karena pembuatannya cukup rumit dan biaya agak mahal, apabila dibandingkan dengan penggunaan listrik menggunakan bahan bakar lebih mahal karena biaya minyak bumi pada saat ini tentunya tidaklah murah apabila dibandingkan dengan biaya pembuatan pembangkit listrik menggunakan energi angin. Kincir angin sebagai salah satu energi terbarukan yang tidak menghasilkan polusi atau emisi selama operasi yang dapat membahayakan lingkungan. Pengumpulan angin dapat dibuat untuk perangkap energi angin dengan menempatkan beberapa turbin angin di lokasi yang sama untuk menghasilkan sejumlah besar tenaga listrik. Potensi kecepatan angin di Indonesia sangatlah besar ada beberapa daerah yang kecepatan anginnya sekitar 6 m/s dan pada beberapa daerah tertentu kecepatan anginnya di atas 6 m/s.
Penulis mengharapkan apabila penelitian yang dilakukan penulis ini dapat menginspirasi dan dapat meningkatkan lagi sumber daya angin dengan cara yang mungkin akan sama melainkan dengan teknologi yang sangat canggih dan juga berbeda serta mempunyai nilai efisiensi yang lebih bagus lagi. Penelitian ini hanya sekedar membantu untuk menopang pemikiran – pemikiran yang lebih baik lagi untuk meningkatkan pemafaatan sumber energi alam dengan baik. Namun, penelitian ini tidak akan ada tanpa campur tangan teman – teman yang mungkin
3
mau akan melanjutkan penelitian ini dengan tingkat yang berbeda atau mungkin dengan teknologi – teknologi yang baru.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah mencari seberapa besar hasil koefisien daya yang dihasilkan oleh setiap model – model rotor kincir angin Giromill satu tingkat dan dua tingkat menggunakan airfoil dengan nomor NACA 0021.
1.3 Tujuan Penelitian.
Dalam melakukan penelitian tugas akhir ini penulis mempunyai tujuan sebagai berikut :
1. Membuat kincir angin dengan tipe vertikal tiga sudu menggunakan profil sudu NACA 0021 dengan variasi satu dan dua tingkat.
2. Mengetahui koefisien daya puncak setiap model kincir angin tipe Giromill menggunakan profil airfoil sudu NACA 0021.
3. Mengetahui koefisien daya puncak tertinggi di antara berbagai macam variasi kincir angin Giromill yang diteliti.
1.4 Batasan Masalah.
Batasan masalah yang terdapat pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Kincir angin yang diteliti berporos vertikal dengan airfoil NACA 0021 2. Penelitian dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata
Dharma.
3. Terdapat empat variasi pengambilan data dengan ketentuan sebagai berikut:
a. Kincir angin Giromill dengan NACA 0021 dengan dua sudu dua tingkat
b. Kincir angin Giromill dengan NACA 0021 dengan tiga sudu dua tingkat.
c. Kincir angin Giromill dengan NACA 0021 dengan dua sudu satu tingkat.
d. Kincir angin Giromill dengan NACA 0021 dengan tiga sudu satu tingkat.
1.5 Manfaat penelitian.
1. Memberikan pengetahuan baru tentang unjuk kerja kincir angin tipe Giromill dengan profil sudu NACA 0021 satu tingkat dengan dua tingkat.
2. Hasil penelitian ini dapat dipakai oleh kalangan masyarakat untuk menutupi kekurangan yang berkaitan dengan sistem penerangan terutama di bidang kelistrikan untuk penerangan di rumah – rumah warga masyarakat yang belum terjangkau listrik.
BAB II DASAR TEORI
2.1 Definisi Kincir Angin
Kincir angin adalah sebuah alat yang mampu memanfaatkan kekuatan angin untuk diubah menjadi kekuatan mekanik. Kincir angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dan lain sebagainya. Kincir angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill.
Kini kincir angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin.
Pembangunan kincir angin sekarang ini masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (contoh: PLTD,PLTU, dan lain sebagainya).
Kincir angin masih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui (contoh : batubara, minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik.
2.2 Klasifikasi Kincir Angin
Secara umum kincir angin terdiri dari dua macam yaitu kincir angin horisontal dan kincir angin vertikal. Kincir angin horisontal biasa disebut dengan Horizontal Axis Win Turbine (HAWT). Sedangkan kincir angin vertikal biasa disebut dengan Vertical Axis Win Turbine (VAWT). Kincir angin sumbu horisontal sistem sirkuit kelistrikannya pada bagian atas menara, sedangkan pada kincir angin sumbu vertikal juga kurang lebih sama untuk sistem sirkuit listriknya sama pada kincir angin tipe Giromill dan Darius. Kincir angin vertikal savonius sistem kelistrikanya berada pada permukaan tanah atau berada pada dasar kincir angin.
5
2.2.1 Kincir Angin Sumbu Horisontal
Kincir angin sumbu horisontal atau biasa di sebut dengan Horizontal Axis Win Turbine (HAWT) adalah turbin yang rotornya menghadap langsung ke sumber arah angin yang berada di depan menara sebuah turbin. Kincir angin sumbu horisontal ini sendiri terdiri dari berbagai macam model, yaitu :
1) Tipe Ducth Four Arm
Kincir angin tipe dutch four arm merupakan kincir angin yang dibangun di negeri Belanda dan mempunyai fungsi yang berbeda dengan tipe atau model kincir angin pada umumnya. Seperti pada Gambar 2.1, kincir angin ini berfungsi untuk memompa air yang terdapat pada struktur tanah yang kemudian dialih fungsikan, karena permukaan air laut lebih tinggi dari pada permukaan tanah.
Selain memompa air kincir angin tipe ini juga dapat berfungsi untuk menggiling atau menghancurkan gandum.
Gambar 2.1 Tipe Ducth Four Arm
Sumber : https://satujam.com/bagaimana-cara-kerja-kincir-angin/
7
2) Tipe American Multi Blade
Kincir angin tipe American multi blade seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2 mempuyai sudu yang paling banyak daripada tipe kincir angin lainnya. Pada prinsipnya sistem kerja kincir angin ini berfungsi untuk memompa air untuk kegiatan pertanian. Kincir angin tipe ini mempunyai fungsi yang lebih fleksibel seperti menggiling biji gandum dan yang lainya. Semakin berkembangnya teknologi kincir angin American multi blade dapat di kembangkan untuk menghasilkan energi listrik rumah walaupun mempunyai hasil yang tidak sebanding dengan tipe kincir angin yang lainya seperti tipe kincir angin propeler dan Darius.
Gambar 2.2 Tipe American multi blade Sumber : http://renewegy.com/category/blog/
3) Tipe Propeler
Kincir angin propeler, merupakan tipe kincir angin yang digunakan untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi listrik. Desain yang seperti pada Gambar 2.3 merupakan tipe kincir angin yang sering digunakan saat ini untuk mengubah energi kinetik angin menjadi energi listrik. Kincir angin tipe propeler
seperi pada gambar adalah kincir angin yang paling modern saat ini bila dibandingkan dengan kincir angin yang lainya.
Gambar 2.3 Tipe propeler
Sumber : https://icare-indonesia.org/indonesia-lirik-energi-listrik-tenaga-angin- ini-tantangan-solusinya/
4) Up – wind turbine
Up – wind turbine seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4 adalah model kincir angin yang rotornya menghadap ke arah atau sumber arah angin yang berada di depan menara.
Gambar 2.4 Up Wind Turbine
Sumber : http://www.power-talk.net/upwind-turbine.html
9
5) Down – wind turbine
Down- wind turbine seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5 adalah kincir angin yang rotornya berada di belakang menara menurut arah angin, namun hanya tersedia komersial dan berukuran kecil.
Gambar 2.5 Down wind turbine
Sumber : http://www.power-talk.net/upwind-turbine.html
Dalam suatu kincir angin tentunya ada pitch control. Pitch control yang dimaksudkan adalah agar turbin angin tidak mengalami over speed dan agar terhindar dari kerusakan ketika kecepatan angin terlalu besar.
Kincir angin yang dikembangkan sekarang ada yang menggunakan acctive pitch control. Acctive pitch cotrol banyak digunakan turbin besar saat ini mempunyai pitch control aktif yang akan membelokan sudu ke arah stall bila kecepatan angin terlalu besar.
2.2.2 Kincir Angin Sumbu Vertikal
Kincir angin sumbu vertikal yang biasa di sebut dengan Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) mempunyai rotor yang dirancang vertikal. Kelebihan utama susunan ini adalah mempuyai gerakan arah angin yang fleksibel dan
generator dan gear box-nya di letakan dekat dengan tanah, kincir angin sumbu vertikal terdiri dari tiga model yaitu:
1) Kincir Angin Tipe Darius
Kincir angin tipe darius kebanyakan yang digunakan adalah berupa lengkungan 90 ° pada suatu profil kincir anginnya, seperti yang ada pada Gambar 2.6 di bawah ini.
Gambar 2.6 Kincir Angin Darius
Sumber : http://canadiandesignresource.ca/miscellaneous/darrius-vertical-axis- wind-turbine/
2) Kincir Angin Tipe Savonius
Kincir angin tipe savonius yang ditunjukkan seperti Gambar 2.7 merupakan bentuk kincir yang hampir sama dengan giromil karena menggunakan airfoil yang sangat pipih pada profil kincir anginnya, pada kincir angin tipe savonius ini membutuhkan gerakan awal untuk memutarkan kincir.
11
Gambar 2.7 Kincir Angin Tipe Savonius
Sumber: http://www.researchgate.net/figure/A-Savonius-rotor-and-its- geometric-parameters_fig2_281034536
3) Kincir Angin Tipe Giromill
Kincir angin giromill yang ditunjukkan seperti Gambar 2.8 merupakan tipe kincir angin vertikal yang menggunakan airfoil yang digunakan oleh sayap pesawat, pada turbin angin tipe girmoil menggunakan airfoil yang symmetrical airfoil.
Gambar 2.8 Kincir Angin Giromill.
Sumber : https://www.green-mechanical.com/2013/04/advantages-and- disadvantages-of.html?m=1
2.3 Metode Aoerodinamika
Dalam perancangan suatu kincir angin tentunya membutuhkan yang dinamakan aerodinamis yang dapat kincir angin lebih mudah beroperasi atau lebih efisien tentunya dapat ditopang dengan desain yang begitu baik pula, perancangan yang baik itu merupakan suatu hal yang paling penting dalam suatu rancangan.
2.4 Airfoil NACA
Airfoil NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9 adalah salah satu bentuk bodi aerodinamika sederhana yang berguna untuk dapat memberikan gaya angkat tertentu terhadap suatu bodi lainnya dan dengan bantuan penyelesaian matematis sangat memungkinkan untuk memprediksi berapa besarnya gaya angkat yang dihasilkan oleh suatu bodi airfoil.
Gambar 2.9 Penampang Airfoil
Sumber : https://aero-dyne.net/why-does-airfoil-design-make-for-a-better-turning- vane/
• Leading edge
Leading edge merupakan bagian paling depan yang merupakan sebagai gaya angkat pada airfoil pesawat .
• Upper camber
Bagian lengkungan pada bagian atas pada airfoil disebut sebagai upper camber.
13
• Mean camber
Mean camber merupakan lengkungan bagian tengah pada airfoil.
• Lower camber
Lower camber merupakan lengkungan bagian bawah pada airfoil
• Chord”C”
Garis tengah atau titik pada airfoil disebut sebagai chord “C”
• Trailing edge
Bagian yang paling belakang pada airfoil disebut sebagai trailing edge.
Pada NACA terdapat seri angka, dalam penelitian ini peneliti mengambil NACA dengan seri empat digit angka. Pada airfoil NACA seri empat,digit pertama menyatakan persen maksimum camber terhadap chord. Digit kedua menyatakan persepuluh posisi maksimum camber pada chord dari leading edge, sedangkan dua digit terakhir menyatakan persen ketebalan airfoil terhadap chord.
2.4.1 Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik dapat dirumuskan sebagai berikut :
(1)
dengan :
EK : energi kinetik (joule) m : massa (Kg)
v : kecepatan (m/s)
𝐸𝐾 =1 2𝑚. 𝑣2
maka persamaannya dapat ditulis :
Pa =1
2𝑚. 𝑣2 (2)
dengan :
Pa : daya yang dihasilkan (J/s Watt)
m : massa aliran udara persatuan waktu (kg/s) v : kecepatan angin (m/s)
kemudian menggunakan rumus sebagai berikut:
m = 𝜌. 𝐴. 𝑣 (3)
dengan :
: massa jenis udara (1,18 kg/m3) A : luas kincir (m2)
Dengan mensubstitusi persamaan 1 dan 2, daya angin (Pa) dapat di rumuskan : Pa =1
2(𝜌. 𝐴. 𝑣). 𝑣2 Dapat disederhanakan :
Pa=1
2𝜌. 𝐴. 𝑣3 (4)
Luas tangkap angin (swept area ):
𝐴 = 𝐻 ∗ 𝐷
dengan :
H : tinggi kincir angin (m) D : diameter kincir angin (m)
Luas lingkaran yang dibuat rotor saat berputar ( m² ).
15
2.4.2 Torsi kincir angin
Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya dorong pada kincir, dimana gaya dorong ini memilki jarak terhadap sumbu poros yang berputar. Torsi dapat dihitung :
𝑇 = 𝐹. 𝑙 (5)
dimana :
T : adalah torsi yang dihasilkan dari putaran poros ( Nm )
F : adalah gaya penyeimbang gaya pada poros akibat dari puntiran ( N ) l : adalah jarak lengan torsi ke poros kincir angin ( m ).
2.4.3 Daya kincir angin
Daya kincir angin adalah daya yang di hasilkan oleh poros kincir akibat energi angin yang melintasi sudu – sudu berdasarkan penemuan ilmuwan Jerman berdasarkan efisiensi maksimum kincir angin sebesar 59.3% ini merupakan bezt limit. Rumus daya kincir angin yang dihasilkan gerak melingkar pada poros kincir angin adalah:
Pout = T. (6)
Dengsn p out adalah daya yang dihasilkan kincir angin (watt), T adalah torsi dinamis (Nm), dan kecepatan sudu (rad/s).
𝜔 = 𝑛putaran
menit = 𝑛2𝜋 rad
60 s = 𝑛. 𝜋
30 detik rad/s
Dengan demikian daya yang dihasilkan oleh kincir angin dinyatakan dengan : Pout=T.𝜔
Pout =T 𝑛.𝜋
30 watt (7)
dengan :
Pout : daya yang dihasilkan kincir angin n : putaran poros (rpm)
2.4.4 Tip Speed Ratio (𝝀)
Merupakan perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir yang berputar dengan kecepatan angin arus bebas yang melewati kincir angin.
Rumus kecepatan ujung sudu (vt) adalah : vt = 𝜔. l
dengan :
vt : kecepatan ujung sudu
: kecepatan sudu (rad/s)
l : jarak lengan torsi ke poros (m)
Dengan demikian tip speed ratio (𝜆 ) dapat dirumuskan dengan:
𝜆 = 2.𝜋.𝑟.𝑛
60.𝑣
Dapat disederhanakan dengan:
𝜆 = 𝜋.𝑙.𝑛
30.𝑣 (8)
keterangan :
l : jarak lengan torsi ke poros
17
n : putaran poros (rpm) v : kecepatan angin (m/s) 2.4.5 Koefisien Daya
Koefisien daya atau power cofisien (Cp) perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir angin (Pout) dengan daya yang dihasilkan oleh angin (Pin).
Sehingga dapat dirumuskan:
Cp = 𝑃𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑖𝑛 𝑥100% (9)
dengan :
Pout : daya yang dihasilkan kincir (watt) Pin : daya yang dihasilkan angin (watt)
Lift force dan drag force Lift force
Lift force adalah gaya yang tegak lurus terhadap arah gerakan untuk HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) gaya ini diharapakan besar.
Drag force
Drag force adalah daya yang sejajar dengan arah gerakan untuk HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) gaya ini diharapkan kecil.
2.4.6 Betz Limit
Daya angin tidak dapat seluruhnya di tangkap oleh rotor. Udara tetap masih ada di belakang rotor sehingga memungkinkan lebih banyak angin yang melintasinya. Betz Limit ditemukan oleh fisikawan Jerman, Albert Betz pada tahun 1919. Betz mengatakan bahwa tidak ada kincir angin dapat menangkap kincir angin lebih dari (59%) menyerap energi secara total.
Gambar 2.10 Grafik koefisien daya pada berbagai macam tipe kincir angin Sumber: https://www.quora.com/what-is-the-most-efficient-design-for-a-wind- turbine-blade
Mulai
Merancang Air Foil NACA0018 untuk pembuatan blade kincir angin
perancangan dan pembuatan kincir angin
pengujian atau pengambilan data kincir angin
pengolahan data kincir angin
selesai BAB III
METODE PENELITIAN 3.1 Diagram Penelitian
Berikut ini merupakan langkah kerja dalam melakukan penelitian yang dimulai dengan melakukan perancangan, menganalisis data sesuai dengan bagan-bagan berikut :
Gambar 3.1 Diagram pembuatan kincir angin
19
Untuk melakukan penelitian tentunya dibutuhkan bahan dan alat berikut ini adalah beberapa alat dan bahan yang digunakan.
3.1.1.1 Bahan
Bahan-bahan yang digunakan adalah : 1. Kayu
Kayu ini berfungsi untuk membuat NACA 0021 untuk pembuatan blade kincir angin.
2. Kayu penyambung blade
Fungsi kayu ini adalah untuk menyambungkan NACA 0021 model seperti sayap pesawat.
3. Pipa galvanis
Pipa galvanis berfungsi sebagai poros kincir angin.
4. Seng plat
Seng plat berfungsi untuk menyelimuti NACA 0021 yang sudah dirangkai, yang kemudian nanitnya akan menjadi blade kincir angin.
3.1.1.2 Alat 1. Blower
Blower berfungsi sebagai sumber angin buatan yang menggunakan tenaga listrik.
Gambar. 3.2 Blower
21
2. Anemometer
Alat ini berfungsi untuk mengukur kecepatan angin.
Gambar. 3.3 Anemometer 3. Alat pengereman
Berfungsi untuk mengukur torsi mekanis yang dihasilkan kincir angin yang diuji. Alat ini dilengkapi dengan piringan cakram untuk sistem pengereman.
Gambar. 3.4 Pengereman kincir angin 4. Neraca pegas
Berfungsi untuk menghitung beban yang diberikan pada sistem pengereman yang diberikan pada piring cakram.
Gambar. 3.5 Neraca pegas 5. Tachometer .
Berfungsi untuk mengukur atau menghitung rpm poros kincir angin.
Gambar. 3.6 Tachometer
3.2 Desain Kincir Angin
Penampang sudu kincir angin yang digunakan sama – sama menggunakan NACA 0021 dan mempunyai empat model variasi penggunaan yaitu, satu tingkat dengan menggunakan dua blade, satu tingkat menggunakan tiga blade, dua tingkat menggunakan tiga blade, dua tingkat menggunakan dua blade.
1. Satu tingkat dengan menggunakan tiga sudu airfoil dengan nomor NACA 0021.
Kincir angin tipe Giromill dengan diameter 80 cm dan panjang blade 1 m.
23
Gambar. 3.7 Kincir angin satu tingkat tiga sudu
2. Satu tingkat dengan dua sudu airfoil NACA 0021.
Kincir angin tipe Giromill dengan diameter 80 cm dan panjang blade 1 m.
Gambar. 3.8 Kincir angin satu tingkat dau sudu 3. Dua tingkat menggunakan tiga sudu airfoil NACA0021.
Kincir angin tipe Giromill dengan diameter 80 cm dan panjang blade 50 cm.
Gambar. 3.9 Kincir angin dua tingkat tiga sudu.
4. Dua tingkat menggunakan dua sudu airfoil NACA 0021.
Kincir angin tipe Giromill dengan diameter 80 cm dan panjang blade 50 cm.
Gambar. 3.10 Kincir angin dua tingkat dua sudu.
3.3 Proses Pembuatan Kincir Angin
Berikut ini adalah beberapa proses pembuatan sudu kincir angin untuk empat variasi penggunaan sudu dengan menggunakan NACA 0021 serta variasinya.
25
3.3.1 Memotong NACA 0021.
Memotong NACA 0021 menggunakan gergaji besi yang berfungsi untuk menyambungkan NACA 0021 dengan kayu penyambung, kemudian setelah dipotong melakukan pengukuran sesuai dengan kayu penyambungnya. Seperti yang ada pada gambar di bawah ini.
Gambar 3.11. Profil sudu NACA 0021 yang sudah dibentuk.
3.3.2 Kayu penyambung NACA 0021
Kayu ini berfungsi untuk menyambungkan NACA 0021. Seperti pada gambar di bawah ini.
Gambar 3.12. Kayu penyambung NACA 0021.
dengan menggunakan kayu penyambungan seperti yang ada pada gambar di bawah ini.
Gambar 3.13. Penyambungan profil model sudu NACA 0021
3.3.4 Menyatukan dengan menggunakan seng plat galvanis. Dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 3.14. Proses pembuatan blade NACA 0021
27
3.3.5 Pembuatan hub
Hub merupakan bagian yang disambungkan dengan blade pada kincir angin.
Gambar. 3.15. Hub penghubung blade kincir angin 3.3.6 Sudu NACA 0021 satu meter dan lima puluh centi meter.
Berikut ini adalah proses pembuatan NACA 0021 menggunakan bahan kayu.
a) Membuat skets untuk NACA 0021 menggunakan komputer yang kemudian dicetak.
b) Tempelkan NACA 0021 yang sudah jadi kemudian skets manual,
kemudian melakukan pemotongan dengan menggunakan pemotong kayu.
Gambar. 3.16. Blade kincir angin berbentuk airfoil
Sistem pengereman pada kincir angin merupakan bagian yang paling utama untuk proses pengambilan data kincir angin, pengereman pada kincir angin bekerja apabila semua sistem kincir angin sudah lengkap. Kemudian dilakukan pengujian atau pengambilan data pada kincir angin dan pada saat itulah sistem pengereman pada kincir angin bekerja dengan maksimal. Pengujiannya yang dilakukan pada pengereman kincir angin ini adalah dengan cara memberikan pembebanan pada sistem pengereman untuk mengetahui bahwa kincir angin sudah bekerja maksimal. Pada sistem pengereman itu sendiri katakan maksimal apabila kincir angin yang diberikan sistem pengereman tidak berputar lagi yang artinya bahwa pada pembebanan tertentu kincir angin akan berhenti dengan beban yang telah diberikan pada sistem pengereman. Penghitungan beban yang kemudian akan menjadikan torsi pada rancangan kincir angin yang sudah dibuat.
3.5 Rangkain Keseluruhan
Setelah semua peralatan kincir angin disiapkan kemudian kincir angin disiapkan dengan merangkai semua yang sudah disiapkan kemudian dilakukan pengambilan data serta di lakukan beberapa perbandingan data dengan empat model atau variasi kincir angin yang sudah dirangkai.
3.6 Langkah Pengambilan Data
Proses pengambilan data pada kincir angin dilakukan di Laboratorium Konfersi Energi, pengambilan data menggunakan angin yang dibantu oleh blower yang mengeluarkan angin buatan yang dapat melakukan pengambilan data secara langsung dengan cara menguji kincir angin apakah berfungsi atau tidak. Dalam melakukan pengambilan data tentunya dibutuhkan peralatan yang berupa tachometer, anemometer, manometer. Beberapa alat sangat dibutuhkan dalam pengambilan data karena dari peralatan ini dapat mengetahui susunan – susunan angka atau hasil pengambilan data, contohnya tachometer. Tachometer berfungsi untuk mengukur kecepatan putaran poros kincir ( rpm ). Manometer merupakan hasil pembebanan dari pengereman yang kemudian dapat menunjukan angka yang
30
sesuai dengan pembebananya yang telah diberikan, setiap ada pembebanan, pastinya akan diukur pula kecepaatan kincir putaran poros kincir angin.
anemometer merupakan alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin yang dihasilkan oleh blower.
Pengambilan data yang pertama dilakukan adalah data kincir angin tipe giromill dengan dua tingkat dua sudu. Pengambilan data ini sesuai dengan standar yang sudah ada, pada proses pengambilan data dimana kincir angin sampai tidak berputar lagi dan itu merupkan hasil data yang sesuai yang diinginkan oleh peneliti. Berikutnya dilakukan pengambilan data yang sama yaitu dua tingkat tiga sudu. Pada pengambilan data jenis ini sama dengan pengambilan data kincir angin yang lainnya. Ada beberapa perbedaan antara ke empatnya yaitu jumlah sudu, tingkatnya, dan panjang blade kincir angin yang digunakan dalam pengambilan data.
3.7 Pengolahan Data
Setelah mempunyai data hasil penelitian kemudian dilakukan pengolahan data yang bertujuan untuk mencari data yang paling baik untuk digunakan sebagai acuan untuk mendapatkan tingkat efisiensi yang baik, dari hasil pengolahan data yang telah diuji pada ke empat model atau variasi kincir angin yang telah dibuat.
Pengolahan data tentunya yang harus mengacu pada standar pengolahan perhitungan data, pastinya sesuai dengan standar yang telah didapatkan dari materi perkuliahan tentang rekayasa tenaga angin tentunya. Pengolahan data yang dibutuhkan tentunya penghitungan – penghitungan angka akan menjadi acuan juga. Hasil penghitungan angka penelitian inilah yang menjadikan bagian yang paling penting karena dari angka hasil penghitungan dapat mengetahui hasil kinerja kincir atau efisiensi. Tujuan dari peneilitian ini tentunya berbicara mengenai angka – angka yang menjadikan acuan untuk penelitan selanjutnya yang mungkin akan melakukan penelitian yang sama dan lebih efisien.
HASIL DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Hasil Penelitian.
Data merupakan bagian terpenting dalam melakukan penelitian, berikut ini adalah empat hasil pengambilan data kincir angin profil sudu NACA 0021 tipe Giromill, dua tingkat dua sudu, dua tingkat tiga sudu, satu tingkat dua sudu, satu sudu tiga tingkat. Tabel di bawah ini merupakan hasil pengambilan data kincir angin yang sudah dilakukan pengujian sesuai dengan standar yang sudah ditentukan.
Berikut ini adalah empat variasi data hasil penelitian kincir angin VAWT ( vertical axis win turbine ) tipe giromill dengan profil sudu NACA 0021. Data hasil penelitian ini dapat dilihat pada tabel – tabel berikut.
Tabel 4.1. Data hasil penelitian pada kincir angin dua tingkat dua sudu untuk kecepatan angin 8 m/s.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir
(gram) (N) (rpm)
0 0 747,1
0 0 983,4
0 0 749,4
0 0 746,8
300 2,94 661,7
300 2,94 679,6
300 2,94 663,5
300 2,94 604,4
350 3,43 523,6
30
31
Tabel 4.1. Data hasil penelitian pada kincir angin dua tingkat dua sudu untuk kecepatan angin 8 m/s (lanjutan).
Gaya pengimbang, F Putaran kincir
(gram) (N) (rpm)
350 3,43 573,6
350 3,43 579,4
350 3,43 547,9
450 4,41 439,3
450 4,41 454,4
450 4,41 461
520 5,10 303,3
520 5,10 306,8
520 5,10 314,3
520 5,10 311,7
540 5,30 250,5
540 5,30 222,2
540 5,30 242,7
540 5,30 293,7
570 5,59 137,7
570 5,59 140,1
570 5,59 124,4
570 5,59 141,9
600 5,89 101,3
600 5,89 144,8
600 5,89 171
600 5,89 137,2
730 7,16 0
Tabel 4.2. Data hasil penelitian pada kincir angin dua tingkat tiga sudu untuk kecepatan angin 8 m/s
Gaya pengimbang, F Putaran kincir
(gram) (N) (rpm)
0 0 996,7
0 0 965,6
0 0 924,3
0 0 908,8
200 1,96 817,8
200 1,96 834,8
200 1,96 897
200 1,96 853,9
280 2,75 750,6
280 2,75 783,5
280 2,75 725
280 2,75 795,3
380 3,73 699,3
380 3,73 632,1
380 3,73 628,8
380 3,73 619,1
500 4,91 534,6
500 4,91 534,6
500 4,91 534,1
500 4,91 555,1
650 6,38 310,9
650 6,38 356,9
650 6,38 319
650 6,38 333,3
720 7,06 221,6
720 7,06 267,2
720 7,06 279,7
720 7,06 265,8
850 8,34 191,2
850 8,34 171,2
850 8,34 190,9
33
Tabel 4.2. Data hasil penelitian pada kincir angin dua tingkat tiga sudu untuk kecepatan angin 8 m/s (lanjutan).
Gaya penyeimbang, F Putaran kincir
(gram) (N) (rpm)
850 8,34 152,8
950 9,32 182
950 9,32 171
950 9,32 169
950 9,32 170
1000 9,81 88
1000 9,81 0
Tabel 4.3. Data hasil penelitian pada kincir angin satu tingkat dua sudu untuk kecepatan angin 8 m/s
Gaya pengimbang, F Putaran kincir
(gram) (N) (rpm)
0 0 849,4
0 0 840,9
0 0 878,3
0 0 803,8
100 0,98 732,8
100 0,98 725,3
100 0,98 723,4
100 0,98 745,5
160 1,57 638
160 1,57 626,1
160 1,57 618,5
160 1,57 630,2
170 1,67 500,6
Tabel 4.3. Data hasil penelitian pada kincir angin satu tingkat dua sudu untuk kecepatan angin 8 m/s (lanjutan).
Gaya pengimbang, F Putaran kincir
(gram) (N) (rpm)
170 1,67 551,7
170 1,67 500
170 1,67 549,3
170 1,67 531,3
200 1,96 467,2
200 1,96 468,3
200 1,96 428,2
200 1,96 454,9
270 2,65 376,4
270 2,65 394,3
270 2,65 372,2
270 2,65 345,2
400 3,92 210,5
400 3,92 273,5
400 3,92 227,8
400 3,92 206,5
490 4,81 191,5
490 4,81 128,2
490 4,81 176,3
490 4,81 181,2
500 4,91 0
35
Tabel 4.4. Data hasil penelitian pada kincir angin satu tingkat tiga sudu untuk kecepatan angin 8 m/s.
Gaya pengimbang, F Putaran kincir
(gram) (N) (rpm)
0 0 769,7
0 0 718,4
0 0 784,1
0 0 717,2
120 1,1772 601,7
120 1,1772 624,2
120 1,1772 636,6
120 1,1772 695,7
190 1,8639 587,2
190 1,8639 535
190 1,8639 591,9
190 1,8639 562,7
220 2,1582 487,1
220 2,1582 440,6
220 2,1582 493,5
220 2,1582 470,7
300 2,943 341,9
300 2,943 343,7
300 2,943 345,3
300 2,943 319,2
350 3,4335 231,6
350 3,4335 205,1
350 3,4335 272,1
350 3,4335 214,4
410 4,0221 159,4
410 4,0221 152
410 4,0221 182,5
Tabel 4.4. Data hasil penelitian pada kincir angin satu tingkat tiga sudu untuk kecepatan angin 8 m/s (lanjutan).
Gaya pengimbang, F Putaran kincir
(gram) (N) (rpm)
410 4,0221 179,6
500 4,905 75,25
500 4,905 58,29
500 4,905 51,62
500 4,905 89,32
560 5,4936 75
4.2 Hasil Perhitungan dan Pengolahan Data
Kecepatan sudut kincir angin , torsi kincir angin ( T ),daya masukan ( Pin ), daya yang dihasilkan ( Pout ), tip speed ratio ( TSR ), koefisien daya ( Cp
). Contoh data yang di ambil pada tabel 4.1
4.2.1 penghitungan torsi
T = F. l
= 2,94 N . 0,2 m
= 0.59 Nm 4.2.2 Penghitungan daya kincir angin
Pout = T.ω
= 0,59 Nm . 69,29 rad/s
= 40,79 watt 4.2.3 Penghitungan tip speed ratio
𝜆 = 𝑟. 𝜔 𝑣
= 69,29 𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄ . 0,4 𝑚 8 𝑚/𝑠
= 3,46
37
4.2.4 penghitungan koefisien daya Cp = 𝑝 𝑜𝑢𝑡
𝑝 𝑖𝑛 𝑥 100%
= 40,79 𝑤𝑎𝑡𝑡
241,66 𝑤𝑎𝑡𝑡 x 100
= 16,88 %
4.3 Hasil Perhitungan
Tabel 4.5. Data hasil penelitian pada kincir angin dua tingkat dua sudu dengan kecepatan angin 8 m/s.
Gaya pengimbang,
F
Putaran kincir
Kecepatan sudut, w
Beban torsi,
T
Daya angin,
Pin
Daya output,
P out
TSR ()
Koef.Daya, Cp
(gram) (N) (rpm) (rad/s) (N.m) (watt) (watt) (%)
0 0 747,1 78,24 0 241,66 0 3,91 0
0 0 983,4 102,98 0 241.66 0 5,15 0
0 0 749,4 78,48 0 241.66 0 3,92 0
0 0 746,8 78,20 0 241.66 0 3,91 0
300 2,94 661,7 69,29 0,59 241.66 40,79 3,46 21,10 300 2,94 679,6 71,17 0,59 241.66 41,89 3,56 21,67 300 2,94 663,5 69,48 0,59 241.66 40,90 3,47 21,15 300 2,94 604,4 63,29 0,59 241.66 37,25 3,16 19,27 350 3,43 523,6 54,83 0,69 241.66 37,65 2,74 19,48 350 3,43 573,6 60,07 0,69 241.66 41,25 3,00 21,34 350 3,43 579,4 60,67 0,69 241.66 41,67 3,03 21,55 350 3,43 547,9 57,38 0,69 241.66 39,40 2,87 20,38 450 4,41 439,3 46,00 0,88 241.66 40,62 2,30 21,01 450 4,41 454,4 47,58 0,88 241.66 42,01 2,38 21,73 450 4,41 461 48,28 0,88 241.66 42,62 2,41 22,05 520 5,10 303,3 31,76 1,02 241.66 32,40 1,59 16,76 520 5,10 306,8 32,13 1,02 241.66 32,78 1,61 16,95 520 5,10 314,3 32,91 1,02 241.66 33,58 1,65 17,37
Tabel 4.5. Data hasil penelitian pada kincir angin dua tingkat dua sudu dengan kecepatan angin 8 m/s (lanjutan).
Gaya pengimbang,
F
Putaran kincir
Kecepatan sudut, w
Beban torsi,
T
Daya angin,
Pin
Daya Output,
Pout
TSR ()
Koef Daya,
Cp
(gram) (N) (rpm) (rad/s) (N.m) (watt) (watt) (%) 520 5,10 311,7 32,64 1,02 241.66 33,30 1,63 17,23 540 5,30 250,5 26,23 1,06 241.66 27,79 1,31 14,38 540 5,30 222,2 23,27 1,06 241.66 24,65 1,16 12,75 540 5,30 242,7 25,42 1,06 241.66 26,93 1,27 13,93 540 5,30 293,7 30,76 1,06 241.66 32,59 1,54 16,85 570 5,59 137,7 14,42 1,12 241.66 16,13 0,72 8,34 570 5,59 140,1 14,67 1,12 241.66 16,41 0,73 8,49 570 5,59 124,4 13,03 1,12 241.66 14,57 0,65 7,54 570 5,59 141,9 14,86 1,12 241.66 16,62 0,74 8,60 600 5,89 101,3 10,61 1,18 241.66 12,49 0,53 6,46 600 5,89 144,8 15,16 1,18 241.66 17,85 0,76 9,23 600 5,89 171 17,91 1,18 241.66 21,08 0,90 10,90 600 5,89 137,2 14,37 1,18 241.66 16,91 0,72 8,75
Tabel 4.6 data hasil penelitian pada kincir angin dua tingkat tiga sudu dengan kecepatan angin 8 m/s.
Gaya pengimbang,
F
Putaran
kincir Kecepatan sudut, w
Beba n torsi,
T
Daya angin,
Pin
Daya output
, Pout TSR ()
Koef.
Daya , Cp
(gram )
(N) (rpm) (rad/s) (N.m) (watt) (watt) (%)
0 0 996,7 104,37 0 241,66 0 5,22 0
0 0 965,6 101,12 0 241,66 0 5,06 0
0 0 924,3 96,79 0 241,66 0 4,84 0
0 0 908,8 95,17 0 241,66 0 4,76 0
200 1,96 817,8 85,64 0,39 241,66 33,61 4,28 17,38 200 1,96 834,8 87,42 0,39 241,66 34,30 4,37 17,74
39
200 1,96
897 93,93 0,39 241,66
36,86 4,70 19,07 200 1,96
853,9 89,42 0,39 241,66
35,09 4,47 18,15 280 2,75
750,6 78,60 0,55 241,66
43,18 3,93 22,34 280 2,75
783,5 82,05 0,55 241,66
45,07 4,10 23,31 280 2,75
725 75,92 0,55 241,66
41,71 3,80 21,57 Tabel 4.6 data hasil penelitian pada kincir angin dua tingkat tiga sudu dengan kecepatan angin 8 m/s (lanjutan).
Gaya pengimbang,
F
Putaran kincir
Kecepatan sudut, w
Beban torsi,
T
Daya angin,
Pin
Daya output,
Pout
TSR ()
Koef.
Daya, Cp
(gram) (N) (rpm) (rad/s) (N.m) (watt) (watt) (%) 280 2,75 795,3 83,28 0,55 241,66 45,75 4,16 23,67 380 3,73 699,3 73,23 0,75 241,66 54,60 3,66 28,24 380 3,73 632,1 66,19 0,75 241,66 49,35 3,31 25,53 380 3,73 628,8 65,85 0,75 241,66 49,09 3,29 25,39 380 3,73 619,1 64,83 0,75 241,66 48,34 3,24 25,00 500 4,91 534,6 55,98 0,98 241,66 54,92 2,80 28,41 500 4,91 534,6 55,98 0,98 241,66 54,92 2,80 28,41 500 4,91 534,1 55,93 0,98 241,66 54,87 2,80 28,38 500 4,91 555,1 58,13 0,98 241,66 57,03 2,91 29,50 650 6,38 310,9 32,56 1,28 241,66 41,52 1,63 21,48 650 6,38 356,9 37,37 1,28 241,66 47,66 1,87 24,65 650 6,38 319 33,41 1,28 241,66 42,60 1,67 22,04 650 6,38 333,3 34,90 1,28 241,66 44,51 1,75 23,02 720 7,06 221,6 23,21 1,41 241,66 32,78 1,16 16,96 720 7,06 267,2 27,98 1,41 241,66 39,53 1,40 20,45 720 7,06 279,7 29,29 1,41 241,66 41,38 1,46 21,40 720 7,06 265,8 27,83 1,41 241,66 39,32 1,39 20,34 850 8,34 191,2 20,02 1,67 241,66 33,39 1,00 17,27 850 8,34 171,2 17,93 1,67 241,66 29,90 0,90 15,46 850 8,34 190,9 19,99 1,67 241,66 33,34 1,00 17,24 850 8,34 152,8 16,00 1,67 241,66 26,69 0,80 13,80 950 9,32 182 19,06 1,86 241,66 35,52 0,95 18,37 950 9,32 171 17,91 1,86 241,66 33,38 0,90 17,26 950 9,32 169 17,70 1,86 241,66 32,99 0,88 17,06 950 9,32 170 17,80 1,86 241,66 33,18 0,89 17,16 1000 9,81 88 9,22 1,96 241,66 18,08 0,46 9,35
Tabel 4.7 data hasil penelitian pada kincir angin satu tingkat dua sudu dengan kecepatan angin 8 m/s.
Gaya pengimbang,
F
Putaran kincir
Kecepatan sudut, w
Beban torsi,
T
Daya angin,
Pin
Daya Output,
Pout TSR()
Koef.Daya, Cp
(gram) (N) (rpm) (rad/s) (N.m) (watt) (watt) (%)
0 0 849,4 88,95 0 241,66 0 4,45 0
0 0 840,9 88,06 0 241,66 0 4,40 0
0 0 878,3 91,98 0 241,66 0 4,60 0
0 0 803,8 84,17 0 241,66 0 4,21 0
100 0,98 732,8 76,74 0,20 241,66 15,06 3,84 6,23 100 0,98 725,3 75,95 0,20 241,66 14,90 3,80 6,17 100 0,98 723,4 75,75 0,20 241,66 14,86 3,79 6,15 100 0,98 745,5 78,07 0,20 241,66 15,32 3,90 6,34 160 1,57 638 66,81 0,31 241,66 20,97 3,34 8,68 160 1,57 626,1 65,57 0,31 241,66 20,58 3,28 8,52 160 1,57 618,5 64,77 0,31 241,66 20,33 3,24 8,41 160 1,57 630,2 65,99 0,31 241,66 20,72 3,30 8,57 170 1,67 500,6 52,42 0,33 241,66 17,49 2,62 7,24 170 1,67 551,7 57,77 0,33 241,66 19,27 2,89 7,97 170 1,67 500 52,36 0,33 241,66 17,46 2,62 7,23 170 1,67 549,3 57,52 0,33 241,66 19,19 2,88 7,94 170 1,67 531,3 55,64 0,33 241,66 18,56 2,78 7,68 200 1,96 467,2 48,93 0,39 241,66 19,20 2,45 7,94 200 1,96 468,3 49,04 0,39 241,66 19,24 2,45 7,96 200 1,96 428,2 44,84 0,39 241,66 17,60 2,24 7,28 200 1,96 454,9 47,64 0,39 241,66 18,69 2,38 7,74 270 2,65 376,4 39,42 0,53 241,66 20,88 1,97 8,64 270 2,65 394,3 41,29 0,53 241,66 21,87 2,06 9,05 270 2,65 372,2 38,98 0,53 241,66 20,65 1,95 8,54 270 2,65 345,2 36,15 0,53 241,66 19,15 1,81 7,92 400 3,92 210,5 22,04 0,78 241,66 17,30 1,10 7,16 400 3,92 273,5 28,64 0,78 241,66 22,48 1,43 9,30 400 3,92 227,8 23,86 0,78 241,66 18,72 1,19 7,75 400 3,92 206,5 21,62 0,78 241,66 16,97 1,08 7,02 490 4,81 191,5 20,05 0,96 241,66 19,28 1,00 7,98 490 4,81 128,2 13,43 0,96 241,66 12,91 0,67 5,34 490 4,81 176,3 18,46 0,96 241,66 17,75 0,92 7,34 490 4,81 181,2 18,98 0,96 241,66 18,24 0,95 7,55
41
Tabel 4.8 data hasil penelitian pada kincir angin satu tingkat tiga sudu dengan kecepatan angin 8 m/s.
Gaya pengimbang, F
Putaran kincir
Kecepatan sudut, w
Beban torsi, T
Daya angin,
Pin
Daya Output,
Pout TSR()
Koef.Daya, Cp
(gram) (N) (rpm) (rad/s) (N.m) (watt) (watt) (%)
0 0 769,7 80,60 0 241,66 0 4,03 0
0 0 718,4 75,23 0 241,66 0 3,76 0
0 0 784,1 82,11 0 241,66 0 4,11 0
0 0 717,2 75,11 0 241,66 0 3,76 0
120 1,18 601,7 63,01 0,24 241,66 14,84 3,15 6,14
120 1,18 624,2 65,37 0,24 241,66 15,39 3,27 6,37
120 1,18 636,6 66,66 0,24 241,66 15,70 3,33 6,49
120 1,18 695,7 72,85 0,24 241,66 17,15 3,64 7,10
190 1,86 587,2 61,49 0,37 241,66 22,92 3,07 9,49
190 1,86 535 56,03 0,37 241,66 20,89 2,80 8,64
190 1,86 591,9 61,98 0,37 241,66 23,11 3,10 9,56
190 1,86 562,7 58,93 0,37 241,66 21,97 2,95 9,09
220 2,16 487,1 51,01 0,43 241,66 22,02 2,55 9,11
220 2,16 440,6 46,14 0,43 241,66 19,92 2,31 8,24
220 2,16 493,5 51,68 0,43 241,66 22,31 2,58 9,23
220 2,16 470,7 49,29 0,43 241,66 21,28 2,46 8,80
300 2,94 341,9 35,80 0,59 241,66 21,07 1,79 8,72
300 2,94 343,7 35,99 0,59 241,66 21,18 1,80 8,77
300 2,94 345,3 36,16 0,59 241,66 21,28 1,81 8,81
300 2,94 319,2 33,43 0,59 241,66 19,67 1,67 8,14
350 3,43 231,6 24,25 0,69 241,66 16,65 1,21 6,89
350 3,43 205,1 21,48 0,69 241,66 14,75 1,07 6,10
350 3,43 272,1 28,49 0,69 241,66 19,57 1,42 8,10
350 3,43 214,4 22,45 0,69 241,66 15,42 1,12 6,38
410 4,02 159,4 16,69 0,80 241,66 13,43 0,83 5,56
410 4,02 152 15,92 0,80 241,66 12,80 0,80 5,30
410 4,02 182,5 19,11 0,80 241,66 15,37 0,96 6,36
410 4,02 179,6 18,81 0,80 241,66 15,13 0,94 6,26
500 4,91 75,25 7,88 0,98 241,66 7,73 0,39 3,20
500 4,91 58,29 6,10 0,98 241,66 5,99 0,31 2,48
500 4,91 51,62 5,41 0,98 241,66 5,30 0,27 2,19
500 4,91 89,32 9,35 0,98 241,66 9,18 0,47 3,80
560 5,49 75 7,85 1,10 241,66 8,63 0,39 3,57
4.4 Grafik Perhitungan.
Pengolahan data pada sub bab di atas mendapatkan grafik hasil peneltian dan penghitungan data. Grafik-grafik tersebut antara lain grafik antara daya dan torsi, grafik hubungan antara poros dan torsi, dan grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio λ. Di bawah ini merupakan grafik – grafik yang sesuai dengan hasil penelitian :
4.4.1 Grafik hubungan putaran atau kecepatan rotor kincir angin dengan torsi kincir angin giromill dua tingkat dua sudu dengan profil sudu NACA 0021.
Gambar. 4.1. Hubungan antara kecepatan putaran rotor dengan torsi
1200 1000 800 600 400 200
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
Torsi ( Nm)
Kecepatan putaran rotor ( rpm )
43
4.4.2 Grafik hubungan putaran atau kecepatan rotor kincir angin dengan torsi kincir angin giromill dua tingkat tiga sudu dengan profil sudu NACA 0021.
Gambar. 4.2. Hubungan antara kecepatan putaran rotor dan torsi
4.4.3 Grafik hubungan putaran atau keceaptan rotor kincir angin dengan torsi kincir angin giromill satu tingkat dua sudu dengan profil sudu NACA 0021.
Gambar.4.3. Hubungan antara kecepatan putaran rotor dan torsi
1200 1000 800 600 400 200
0
0 0.5 1 1.5
Trosi ( Nm )
2 2.5
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
0 0.2 0.4 0.6
Torsi ( Nm )
0.8 1 1.2
Kecepatan putaran rotor ( rpm ) Kecepatan putaran rotor ( rpm )
Gambar. 4.5. Hubungan antara daya yang di hasilkan dan torsi 4.4.4 Grafik hubungan putaran atau kecepatan rotor kincir angin dengan torsi kincir angin giromill satu tingkat tiga sudu dengan profil sudu NACA 0021.
Gambar. 4.4. Hubungan antar kecepatan putaran rotor dan torsi
4.4.5 Grafik hubungan daya dan torsi kincir angin tipe giromill dua tingkat dua sudu menggunakan profil sudu NACA 0021.
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
0 0.2 0.4 0.6
Torsi ( Nm )
0.8 1 1.2
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
Torsi ( Nm) Daya out put Pout ( watt) Kecepatan putaran rotor ( rpm )
45
Gambar.4.7 Hubungan antara daya yang di hasilkan dan torsi 4.4.6 Grafik hubungan daya dan torsi kincir angin tipe giromill dua tingkat tiga sudu menggunakan profil sudu NACA 0021.
Gambar. 4.6. Hubungan antara daya yang di hasilkan dan torsi
4.4.7 Grafik hubungan daya dan torsi kincir angin tipe giromill satu tingkat dua sudu menggunakan profil sudu NACA 0021.
60 50 40 30 20 10
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Torsi (Nm)
25 20 15 10 5
0
0 0.2 0.4 0.6
Torsi ( Nm )
0.8 1 1.2
Daya output (watt)Daya out put Pout ( Watt )
4.4.8 Grafik hubungan daya dan torsi kincir angin tipe giromill satu tingkat tiga sudu menggunakan profil sudu NACA 0021
Gambar. 4.8 Hubungan antara daya yang di hasilkan dan torsi
4.4.9 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio kincir angin tipe giromill dua tingkat dua sudu.
Cp = -3.0391λ2 + 14.783λ – 2.086
𝑑𝐶𝑝 𝑑 = 0
0 = 2 (-3.0391λ ) + 14.783 0 = -6.0782 + 14.783
6.0782 λ = 14.783 λ = 14.783
6.0782
λ = 2.43
Cp = -3.0391 (2.43 )2 + 14.783 ( 2.43 ) – 2.086
= 15.9%
25
20
15
10
5
0
0 0.2 0.4 0.6
Torsi ( Nm )
0.8 1 1.2
Daya out put Pout ( Watt )
