i
UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT DENGAN POSISI LEBAR MAKSIMAL SUDU 10
SENTIMETER DARI PUSAT POROS
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Mesin
Diajukan Oleh:
BERNARDUS MORGAN WIJAYANTO NIM : 125214094
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
ii
THE PERFORMANCE OF THREE BLADED PROPELLER COMPOSITE WIND TURBINE WITH THE MAXIMUM WIDTH POSITION IS 10
CENTIMETER FROM THE MAIN SHAFT
FINAL PROJECT
Presented as partitial fullfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
By :
BERNARDUS MORGAN WIJAYANTO Student Number : 125214094
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA 2016
iii
UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT DENGAN POSISI LEBAR MAKSIMAL SUDU 10
SENTIMETER DARI PUSAT POROS
Disusun Oleh :
BERNARDUS MORGAN WIJAYANTO NIM : 125214094
Telah Disetujui Oleh :
Dosen Pembimbing :
iv
UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT DENGAN POSISI LEBAR MAKSIMAL SUDU 10
SENTIMETER DARI PUSAT POROS
Yang dipersiapkan dan disusun oleh :
NAMA : BERNARDUS MORGAN WIJAYANTO N.I.M : 125214094
Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji pada tanggal 21 Juli 2016
Susunan Dewan Penguji
Nama Lengkap Tanda Tangan
Ketua : Budi Setyahandana, S.T., M.T. ………
Sekretaris : Ir. Rines, M.T. ……….
Anggota : Doddy Purwadianto, S.T., M.T. ……….
Tugas Akhir ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Yogyakarta, 21 Juli 2016 Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma
Yogyakarta
v
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir yang telah dipersiapkan sebagai syarat untuk memperoleh gelar sarjana, tidak terdapat karya yang pernah diajukan dan dibuat dengan judul yang sama oleh perguruan tinggi manapun kecuali saya mengambil atau mengutip data dari buku yang tertera pada daftar pustaka. Sehingga yang saya buat ini adalah asli karya penulis.
Yogyakarta, 21 Juli 2016
vi
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma: Nama : BERNARDUS MORGAN WIJAYANTO
Nomor Mahasiswa : 125214094
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah dengan judul :
UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT DENGAN POSISI LEBAR MAKSIMAL SUDU 10
SENTIMETER DARI PUSAT POROS
Dengan demikian saya memberikan kepsa Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalty kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.
.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta
Pada tanggal, 21 Juli 2016 Yang menyatakan
vii INTISARI
Energi sudah menjadi kebutuhan sehari-hari bagi manusia pada zaman modern ini. Kincir angin dapat menjadi alternatif energi terbarukan sebagai pembangkit listrik. Umumnya kincir angin menggunakan bahan komposit. Tujuan tugas akhir ini adalah mengetahui koefisien daya kincir angin propeler 3 sudu dengan bahan komposit. Tugas akhir ini menggunakan model kincir angin berbahan komposit dengan posisi lebar maksimal 10 cm dari pusat poros. Penelitian dimulai dari pembuatan cetakan kincir, pembuatan sudu komposit, uji coba dan pengambilan data performa kincir angin. Kincir angin ini memiliki diameter 100 cm dan diuji di depan blower dengan 3 variasi kecepatan angin untuk mengetahui daya kincir, torsi, koefisien daya dan tip speed ratio.
Hasil penelitian kincir angin ini menunjukkan bahwa dengan kecepatan angin 7 m/s didapatkan koefisien daya yang lebih besar daripada ketika kecepatan angin 8 dan 9,5 m/s. Koefisien daya tertinggi yang didapat yaitu sebesar 19,6% pada tsr 3,6 dengan kecepatan angin 7 m/s. Pada kecepatan angin 9,5 m/s, torsi terbesar yang dihasilkan oleh kincir angin yaitu 0,9 Nm dengan kecepatan putar kincir 465 rpm. Pada kecepatan angin 9,5 m/s, daya terbesar yang dapat dihasilkan dari kincir angin yaitu 44,88 watt dengan torsi 0,77 Nm.
viii ABSTRACT
Energy is the main necessity for people in this modern era. Wind turbine could be an alternative of renewable source to generate electricity. Wind turbine commonly made from a composite material. The main objective of this final project was knowing power coefficient of three bladed propeller composite wind turbine. In this final project used a composite wind turbine model with the maximum width position is 10 centimeter from the main shaft. This research were started from making wind turbine mold, making composite blade, running test and taking the wind turbine performance data. This wind turbine had 100 cm in diameter and this experiment were done in front of axial blower with 3 variation of wind speed to knowing the wind turbine power, torque, power coefficient and tip speed ratio.
The results of this study showed that wind turbine with wind speed of 7 m/s obtained power coefficient greater than when the wind speed 8 m/s and 9,5 m/s . The highest power coefficient obtained in the amount of 19.6 % in TSR 3.6 with wind speed of 7 m/s. At a wind speed of 9,5 m/s , the largest torque generated by the wind turbine is 0,9 Nm at 465 rpm. At a wind speed of 9,5 m/s , the greatest power that can be generated from a wind turbine is 44,88 watts with a torque of 0,77 Nm .
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan berkat-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi. Skripsi ini berjudul “UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT DENGAN POSISI LEBAR MAKSIMAL SUDU 10 SENTIMETER DARI PUSAT POROS“.
Penulisan skripsi ini merupakan syarat demi kelulusan mata kuliah praskripsi di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Melalui mata kuliah praskripsi ini, mahasiswa diharapkan dapat mempersiapkan tugas akhir yang akan ditindaklanjuti untuk diteliti dan menjadi acuan untuk skripsi.
Dalam penyusunan skripsi ini penulis tidak lepas dari bimbingan, batuan, dukungan dan kerjasama dari semua pihak. Maka dengan kerendahan hati, penulis mengucapkan terima kasih. Khususnya pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Sudi Mungkasi,Ph.D. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.
2. Ir. P.K. Purwadi, M.T. selaku Ketua Prodi Teknik Mesin dan sebagai dosen pembimbing akademik, Universitas Sanata Dharma.
3. Doddy Purwadianto,S.T.,M.T. selaku dosen pembimbing tugas akhir dan sebagai Kepala Laboratorium Konversi Energi.
4. Stephanus Yeriko dan Kukuh Wahyu Aji sebagai rekan seperjuangan dalam penelitian yang dilakukan beserta rekan-rekan lain yang juga meneliti pada bidang konversi energi khususnya energi angin.
5. Bapak dan Ibu dosen, serta seluruh staf karyawan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma atas semua bantuan dan pelayanan yang telah diberikan selama masa perkuliahan di Universitas Sanata Dharma.
6. Orangtua penulis yaitu FL. Amin Widodo dan Lydia Yuliati dan kakak penulis Blessia Elmena Illyastuti yang selalu memberi kasih sayang, mendukung,
x
memberi semangat, membiayai serta doa restu sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
7. Keluarga besar dan rekan-rekan Teknik Mesin atas kasih sayang, perhatian, doa yang dipanjatkan, dan dukungan yang selalu diberikan.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini jauh dari sempurna karena keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang mendukung dan membangun demi perbaikan dari skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap agar skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.
Yogyakarta, 21 Juli 2016 Penulis
xi
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
ρ Massa jenis kg/m3
r Jari-jari kincir m
A Luas penampang m2
𝑣 Kecepatan angin m/s
𝜔 Kecepatan sudut rad/s
n Kecepatan putar rotor rpm
F Gaya pengimbang N
T Torsi Nm
Pin Daya angin watt
Po Daya listrik watt
Pout Daya kincir watt
TSR Tip Speed Ratio -
Cp Koefisien daya % 𝑚 massa udara kg Ek Energi kinetik J 𝑉𝑜𝑙 Volume m3 V Tegangan Volt I Arus Ampere 𝑆 Panjang m 𝑡 Waktu s
xii DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL... i
TITLE PAGE ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
DAFTAR DEWAN PENGUJI ... iv
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA IL- MIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vi
INTISARI... vii
ABSTRACT ... viii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR SIMBOL ... xi
DAFTAR ISI ... xii
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR TABEL ... xvi
BAB I PENDAHULUAN ... 1 Latar Belakang ... 1 Rumusan Masalah ... 2 Tujuan Penelitian ... 2 Batasan Masalah ... 3 Manfaat Penelitian ... 3
BAB II DASAR TEORI ... 5
2.1 Tipe Kincir Angin ... 5
2.1.1 Kincir Angin Poros Horisontal ... 5
2.1.2 Kincir Angin Poros Vertikal ... 8
2.2 Daya Angin ... 10
2.3 Daya Kincir ... 11
2.4 Bet’z Limit ... 12
2.5 Tip Speed Ratio ... 13
xiii
2.7 Komposit ... 14
2.7.1 Fiberglass ... 15
2.7.2 Matriks ... 17
BAB III METODE PENELITIAN... 20
3.1 Diagram Alir ... 20
3.2 Alat dan Bahan ... 21
3.2.1 Alat ... 21
3.2.2 Bahan ... 26
3.3 Desain Kincir ... 26
3.4 Variabel Penelitian ... 31
3.5 Variabel yang Diukur ... 32
3.6 Parameter yang Dihitung ... 32
3.7 Langkah Pengambilan Data ... 32
3.8 Pengolahan Data ... 34
BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ... 35
4.1. Data Hasil Penelitian... 35
4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan ... 37
4.3 Data Hasil Perhitungan ... 38
4.4 Pembahasan... 46
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 47
5.1 Kesimpulan ... 48 5.2 Saran ... 48 DAFTAR PUSTAKA ... 49
xiv DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Kincir angin jenis American Multiblade ... 6
Gambar 2.2. Kincir angin jenis Dutch Four Arm ... 7
Gambar 2.3. Kincir angin jenis propeller 3 sudu ... 7
Gambar 2.4. Kincir angin jenis Savonius... 8
Gambar 2.5. Kincir angin jenis Darrieus... 9
Gambar 2.6. Kincir angin jenis H-rotor ... 10
Gambar 2.7. Grafik hubungan antara koefisien daya (CP) dengan Tip Spe- ed Ratio (TSR) dari jenis-jenis kincir angin... 13
Gambar 2.8. Grafik perbandingan tegangan-regangan matriks, reinforce- ent dan komposit... 15
Gambar 2.9. Ragam bentukan fiberglass (National Research Council 199- 1)………... 16
Gambar 3.1. Sudu berbahan komposit yang diteliti ... 21
Gambar 3.2. Hub kincir angin (konfigurasi saat akan digunakan 4 sudu)... 22
Gambar 3.3. Generator Brushess DC permanent magnet ... 23
Gambar 3.4 Lampu pijar sebagai beban ... 23
Gambar 3.5 Anemometer ... 24
Gambar 3.6 Multitester ... 24
Gambar 3.7 Takometer ... 25
Gambar 3.8 Timbangan ... 25
Gambar 3.9 Blower. ... 25
Gambar 3.10 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu... 27
Gambar 3.11 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu diba- gi menjadi 18 bagian... 27
Gambar 3.12 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu dis- ketsa dengan ukuran spesifik. ... 28
Gambar 3.13 Skema penampang silindris 8 inchi setelah dipotong sesuai ukuran spesifik………..………. 28
xv
Gambar 3.15 Dimensi kincir angin dalam penelitian, ukuran dalam satuan
vvvvvvvvvvvsentimeter (b)………. 28
Gambar 3.16 Posisi lebar maksimal sudu pada saat pengaplikasian dan pe- nelitian ... 29
Gambar 3.17 Skematik dimensi kincir angin ... 29
Gambar 3.18 Proses pembuatan cetakan kincir angin. ... 30
Gambar 3.19 Proses pelapisan cetakan sudu kincir angin dengan alumin- ium foil... 30
Gambar 3.20 Proses pembuatan sudu kincir angin komposit... 31
Gambar 3.21 Skematik susunan alat penelitian ... 32
Gambar 3.22 Skematik pembebanan kincir angin ... 33
Gambar 4.1. Grafik hubungan antara putaran poros dan torsi kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter pada variasi kecepatan angin 9,5 m/s, 8 m/s, dan 7 m/s... 42
Gambar 4.2. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ra- tio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepat- an angin 9,5 m/s………... 42
Gambar 4.3. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ra- tio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi le- bar maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 8 m/s.. ... 43
Gambar 4.4. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar vvvv maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 9,5 m/s... 43
Gambar 4.5. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada ke- cepatan angin 9,5 m/s... 44
Gambar 4.6. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada ke- cepatan angin 8 m/s. ... 44 Gambar 4.7. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada ke-
xvi
cepatan angin 7 m/s... 45 Gambar 4.8. Grafik hubungan antara Cp mekanis dan TSR kincir angin
poros horisontal tiga sudu diameter 1 meter berbahan kom- posit dengan posisi lebar maksimal 10 cm di atas pusat po-
xvii DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Mechanical properties for reinforcement composite ... 16
Tabel 2.2 Mechanical properties of matrix composite ... 19
Tabel 4.1 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 9,5 m/s ... 35
Tabel 4.2 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 8 m/s... 36
Tabel 4.3 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 7 m/s. ... 36
Tabel 4.4 Data perhitungan data kincir angin poros horisontal 3 sudu pa- da kecepatan angin 9,5 m/s... 39
Tabel 4.5 Data perhitungan data kincir angin poros horisontal 3 sudu pa- da kecepatan angin 8 m/s ... 40
Tabel 4.6 Data perhitungan data kincir angin poros horisontal 3 sudu pa- da kecepatan angin 7 m/s... 41
1 BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah
Energi sudah menjadi kebutuhan sehari-hari bagi manusia pada zaman modern ini. Semakin tinggi taraf kehidupan manusia, maka kebutuhan energi akan meningkat. Perkembangan alat elektronika yang begitu pesat pun menuntut adanya peningkatan suplai energi listrik yang berkesinambungan. Berbagai jenis pembangkit listrik telah dibangun untuk memenuhi kebutuhan masyarakat, namun sejauh ini listrik hanya dapat dinikmati di daerah yang mudah diakses jaringan listrik Perusahaan Listrik Negara (PLN).
Indonesia memiliki garis pantai yang membentang dari Sabang sampai Merauke, tentunya sangat mungkin bahwa Indonesia memiliki potensi angin untuk dijadikan sumber energi terbarukan. Hal itu sudah dibuktikan dengan terselenggarakannya Kompetisi Kincir Angin Indonesia (KKAI) selama 3 tahun terakhir dengan berbagai kincir angin karya anak bangsa yang dapat menghasilkan energi alternatif. Oleh karena itu, apabila dilakukan peninjauan potensi angin yang berhembus sepanjang tahun, maka akan ada sumber energi pembangkit listrik tenaga angin yang dapat terapkan di negeri ini.
Tingkat kesadaran masyarakat akan green energy dirasa masih kurang. Disaat negara-negara maju seperti di Eropa dan Amerika sudah jauh-jauh hari menyadari akan pentingnya menjaga kelestarian lingkungan, di Indonesia masih tetap acuh akan hal tersebut. Masyarakat Indonesia tinggal di daerah tropis
dimana tumbuh-tumbuhan dan pohon dapat tumbuh dengan rindangnya. Daun-daun hijaunya dapat menyerap karbon yang dihasilkan emisi bahan bakar fosil, berbeda dengan masyarakat Eropa dan Amerika yang tinggal di daerah dengan 4 musim. Hal itulah yang menyebabkan masyarakat Indonesia masih cenderung acuh tak acuh akan pentingnya menjaga bumi ini dari pemanasan global.
Pembangkit listrik pada umumnya menggunakan bahan bakar minyak sebagai sumber energi, walaupun beberapa pembangkit listrik telah menggunakan tenaga air, panas bumi dan gas. Untuk membangun suatu pembangkit listrik dibutuhkan investasi yang cukup besar. Isu pemanasan global juga menuntut adanya pengolahan energi yang dihasilkan oleh alam sehingga pembangkit listrik tidak lagi bergantung pada minyak sebagai bahan bakar utama.
1.2. Perumusan Masalah
Dari latar belakang di atas maka didapat suatu rumusan masalah yaitu bagaimana cara memperoleh kincir angin yang dapat digunakan sebagai pembangkit listrik dengan efisiensi yang cukup tinggi.
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan dilaksanakannya penelitian ini adalah sebagai berikut. 1. Membuat kincir angin poros horisontal tiga sudu.
2. Mengetahui koefisien daya kincir angin poros horisontal. 3. Mengetahui torsi yang dihasilkan oleh kincir angin. 4. Mengetahui daya yang dihasilkan kincir angin.
1.4. Batasan Masalah
Batasan-batasan yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Kincir angin menggunakan bahan komposit.
2. Kincir angin menggunakan desain bilah dari penampang silindris berdiameter 8 inch dengan lebar sudu maksimal 10 cm dari pusat poros.
3. Diameter kincir yang dirancang hanya skala laboratorium yaitu berdiameter 100cm.
3. Dilakukan 3 variasi kecepatan angin yaitu pada kecepatan angin 9,5 m/s , 8 m/s, dan 7 m/s.
4. Mekanisme pembebanan (dump load) pada sistem kincir angin pada penelitian ini yaitu menggunakan beban lampu pijar sebanyak 12 buah. 5. Digunakan generator DC magnet permanen dengan efisiensi 70% sebagai
alat penunjang penelitian.
6. Penelitian dilaksanakan dengan cara meletakkan sistem kincir di depan blower 15 HP 1450 rpm dan volume 2250 m3/m.
7. Penelitian dilaksanakan di laboratorium konversi energi Universitas Sanata Dharma.
1.5. Manfaat Penelitian
Kegunaan yang diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut.
a. Menghasilkan kincir angin yang dapat digunakan sebagai pembangkit listrik.
b. Memberikan informasi bagi masyarakat mengenai unjuk kerja kincir angin dengan desain bilah dari penampang silindris berdiameter 8 inch.
c. Turut peran serta dalam pengembangan teknologi energi baru terbarukan demi masa depan yang lebih baik.
5 BAB II DASAR TEORI
Kincir angin mengkonversi energi angin tersebut menjadi energi mekanik yang dapat dimanfaatkan kembali untuk memutar generator sebagai pembangkit listrik ataupun pompa air. Kincir angin dibedakan menjadi 2 jenis yaitu HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) yaitu kincir angin dengan poros horizontal dan VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) yaitu kincir angin dengan poros vertikal. Dibandingkan dengan sistem pembangkit listrik lainnya, kincir angin unggul dari segi ketersediaan energi pendukung karena berasal dari energi angin yang benar-benar melimpah. Namun, perlu untuk memahami karakter cuaca di Indonesia (distribusi potensi angin) agar sistem yang akan dibuat dapat tepat sasaran.
2.1. Tipe Kincir Angin
2.1.1. Kincir Angin Poros Horisontal
Ada beberapa kincir angin tipe HAWT yang biasa diterapkan, yaitu : 1. Tipe American Multiblade
Kincir angin American multiblade adalah salah satu jenis kincir angin yang mempunyai jumlah sudu yang banyak, biasanya kincir angin ini memiliki jumlah sudu lebih dari tiga buah. Gambar kincir angin American multiblade dapat dilihat pada Gambar 2.1. Sesuai dengan namanya, kincir angin ini banyak ditemukan di negara Amerika Serikat dan biasa digunakan untuk memompa air, menggiling biji-bijian dan sebagai pembangkit listrik.
\
Gambar 2.1. Kincir angin jenis American Multiblade (sumber : www.kanoroutes.nl)
2. Tipe Dutch Four Arm
Kincir angin Dutch four arm memiliki jumlah sudu 4 buah. Gambar kincir angin Dutch four arm dapat dilihat pada Gambar 2.2. Kincir angin ini biasanya digunakan oleh negara Belanda untuk menggerakan pompa agar dapat mengeringkan lahan dengan cara memompa air tanah keluar lahan yang biasa disebut polder. Adanya angin secara teratur, dapat menjamin pompa tersebut untuk berfungsi secara terus menerus sehingga pompa pun dapat terus beroperasi. Sudah berabad-abad kincir jenis ini digunakan oleh negara Belanda untuk menggiling gandum dan untuk memompa air demi mengeringkan negerinya yang lebih rendah daripada laut.
Gambar 2.2 . Kincir angin jenis Dutch four arm (sumber : www.dreamstime.com)
3. Tipe Propeler
Kincir angin jenis propeler ini biasanya memiliki jumlah sudu 2 atau 3 bilah. Kincir angin jenis propeler memiliki efisiensi yang cukup baik. Pada umumnya, untuk sistem pembangkit listrik tenaga angin digunakan jenis ini karena karakteristiknya yang unggul. Kincir angin jenis propeler dapat dilihat pada Gambar 2.3.
2.1.2. Kincir Angin Poros Vertikal
Ada beberapa kincir angin tipe VAWT yang biasa diterapkan, yaitu : 1. Tipe Savonius
Kincir angin tipe Savonius ini diciptakan oleh seorang insinyur Finlandia SJ Savonius pada tahun 1929, dan diaplikasikan pada tahun 1931. Kincir VAWT ini merupakan jenis yang paling sederhana dan menjadi versi besar dari anemometer. Kincir Savonius dapat berputar karena adanya gaya dorong dari angin, sehingga putaran rotorpun tidak akan melebihi kecepatan angin. Koefisien daya untuk jenis Savonius biasanya tidak lebih dari 25%. Jenuis kincir ini cocok untuk aplikasi daya yang rendah. Kincir angin jenis Savonius dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Kincir angin jenis Savonius (sumber : www.pinterest.com) 2. Tipe Darrieus
Kincir angin tipe Darrieus ditemukan oleh seorang insinyur Perancis George Jeaans Maria Darrieus yang dipatenkan pada tahun 1931. Ia memiliki 2 bentuk turbin yang digunakan diantaranya adalah “Eggbeater/Curved Bladed” dan “Straight-bladed” VAWT. Kincir angin Darrieus mempunyai sudu yang disusun dalam posisi simetri dengan poros. Pengaturan ini cukup efektif untuk
menangkap berbagai arah angin. Berbeda dengan Savonius, kincir angin Darrieus bergerak dengan memanfaatkan gaya angkat yang terjadi ketika angin bertiup. Bilah sudu turbin Darrieus bergerak berputar mengelilingi sumbu. Kincir angin jenis Savonius dapat dilihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5. Kincir angin jenis Darrieus (sumber: www.commons.wikimedia.org) 3. Tipe H-rotor
Kincir angin jenis ini dikembangkan di Inggris melalui penelitian yang dilakukan selama 1970-1980an, diuraikan bahwa mekanisme yang digunakan pada sudu berbilah lurus (straight-bladed) Darrieus VAWT tidak diperlukan,
ternyata ditemukan bahwa efek hambatan yang diciptakan oleh sebuah sudu akan membatasi kecepatan aliran angin. Oleh karena itu, H-rotor akan mengatur setiap variasi kecepatan angin untuk dapat mencapai kecepatan putaran optimalnya. Kincir angin jenis H-rotor dapat dilihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6. Kincir angin jenis H-rotor (sumber : www.archiexpo.com) 2.2. Daya Angin
Energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan , maka energi itu kekal. Udara yang bergerak, mempunyai energi kinetik. Angin merupakan salah satu jenis energi. Udara bergerak akibat perbedaan tekanan. Udara mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan yang rendah dan biasa kita kenal sebagai angin
Energi kinetik dirumuskan sebagai :
𝐸𝑘 =12𝑚𝑣2 , (2.1) dengan keterangan Ek sebagai energi kinetik , 𝑚 sebagai massa udara, dan 𝑣 sebagai kecepatan angin. Mengingat 𝑚 = 𝜌 𝑉𝑜𝑙 , maka persamaan (2.1) menjadi :
𝐸𝑘 =12𝜌 𝑉𝑜𝑙 𝑣2 , (2.2) dengan keterangan 𝜌 sebagai massa jenis udara, 𝑉𝑜𝑙 sebagai volume.
𝑣 Dari gambar disamping, dapat dirumuskan : 𝑉𝑜𝑙 = 𝐴𝑆
𝑆 = 𝑣𝑡 , maka
𝑉𝑜𝑙 = 𝐴𝑣𝑡. (2.3) Lalu persamaan (2.2) dan (2.3) dapat dibentuk menjadi :
𝐸𝑘 =12𝜌𝐴𝑣3𝑡 , (2.4) dengan keterangan A sebagai luas penampang dan 𝑡 sebagai waktu. Karena daya merupakan energy per satuan waktu, maka persamaan (2.4) dapat dirumuskan menjadi :
𝑃𝑖𝑛 = 𝐸𝑘𝑡 =12𝜌𝐴𝑣3 , (2.4) dengan keterangan 𝑃𝑖𝑛 sebagai daya yang tersedia dari energi angin per satuan waktu, 𝜌 sebagai massa jenis udara, 𝐴 sebagai luas sapuan kincir angin dan 𝑣 sebagai kecepatan angin.
2.3. Daya Kincir
Pada penelitian ini, penulis menggunakan generator sebagai alat untuk mengetahui prestasi kincir angin yang dibuat. Dengan menggunakan generator, penulis dapat menentukan daya output kincir secara mekanis dan elektris.
A
Umumnya perhitungan daya mekanis dapat dituliskan dengan persamaan :
𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇𝜔 , dengan keterangan T sebagai torsi dinamis (Nm), 𝜔 sebagai kecepatan sudut (rad/s). Untuk menentukan kecepatan sudut, digunakan persamaan :
𝜔 = 𝑛 2 𝜋60 𝑟𝑎𝑑𝑠 , = 𝜋 𝑛30 𝑟𝑎𝑑/𝑠 , dengan demikian daya yang dihasilkan oleh kincir angin dinyatakan dengan persamaan :
𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇 𝜔 , 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇𝜋 𝑛30 𝑤𝑎𝑡𝑡 , Pout sebagai daya yang dihasilkan kincir angin (watt), n sebagai putaran poros (rpm).
Untuk menentukan daya output elektris digunakan persamaan :
𝑃𝑜 = 𝑉 𝐼 ,
dengan keterangan V sebagai tegangan output generator, I sebagai arus output generator.
2.4. Bet’z Limit
Bet’s limit diterbitkan pada tahun 1919 oleh fisikawan Jerman Albert Betz. Bet’z limit merupakan perhitungan daya maksimum dari energi angin yang dapat dikonversi menjadi energi mekanik pada kincir angin. Hukum tersebut berasal dari prinsip-prinsip konservasi massa dan momentum aliran udara yang mengalir
melalui "aktuator disk" ideal yang mengkonversi energi dari aliran angin. Menurut hukum Betz, tidak ada turbin dapat menangkap lebih dari 16/27 (59,3%) dari energi kinetik angin. Faktor 16/27 (0,593) dikenal sebagai koefisien Betz.
Gambar 2.7. Grafik hubungan antara koefisien daya (CP) dengan Tip Speed Ratio (TSR) dari jenis-jenis kincir angin.
(sumber : www.mcensustainableenergy.pbworks.com) 2.5. Tip Speed Ratio
Tip Speed Ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin dengan kecepatan angin. Untuk mencari nilai kecepatan di ujung sudu kincir angin digunakan persamaan :
𝑣𝑡= 𝜔𝑟 ,
dengan keterangan 𝑣𝑡 sebagai kecepatan ujung sudu, 𝜔 sebagai kecepatan sudut (rad/s), dan r sebagai jari-jari kincir (m). Maka TSR dirumuskan menjadi :
𝑇𝑆𝑅 =𝑣𝑡
𝑣 , 𝑇𝑆𝑅 =𝜔 𝑟𝑣 , 𝑇𝑆𝑅 =𝜋 𝑟 𝑛30 𝑣 , dengan keterangan 𝜔 sebagai kecepatan sudut (rad/s), dan r sebagai jari-jari kincir (m) dan 𝑣 sebagai kecepatan angin (m/s).
2.6. Koefisien Daya
Koefisien daya (CP) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir angin (Pout) dengan daya yang disediakan oleh angin (Pin), maka koefisien daya dapat dirumuskan sebagai :
𝐶𝑝 =𝑃𝑜𝑢𝑡
𝑃𝑖𝑛 100% ,
dengan keterangan CP sebagai koefisien daya (%), 𝑃𝑜𝑢𝑡 sebagai daya yang dihasilkan oleh kincir (watt), 𝑃𝑖𝑛 sebagai daya yang tersedia dari angin (watt).
2.7. Komposit
Komposit merupakan material yang terdiri dari paling sedikit 2 material yang berbeda jenis dan pada umumnya seperti serat fiber (reinforcement) yang diikat oleh matriks. Bahan reinforcement yang biasa diaplikasikan pada kincir angin terbuat dari bahan fiberglass, serat karbon, dan kayu. Matriks pengikat yang digunakan yaitu polyester, epoxy, dan vinyl ester. Komposit yang paling umum diterapkan yaitu jenis GRP (fiberglass reinforced plastic).
Pada sistem kincir angin, komposit biasanya digunakan sebagai bahan pembuat sudu, tetapi pada bagian lain pun dapat digunakan seperti misalnya pada nacelle cover. Keunggulan utama menggunakan material komposit yaitu : (1) pabrikasi yang mudah walaupun berbentuk aerodinamika, (2) memiliki kekuatan yang tinggi,(3) memiliki perbandingan tingkat kekakuan yang tinggi terhadap beratnya. Bahan ini pun lebih tahan terhadap korosi, merupakan isolator listrik, tahan terhadap degradasi lingkungan dan fleksibel dalam variasi metode pembuatan.
Gambar 2.8 Grafik perbandingan tegangan-regangan matriks, reinforcement dan komposit
(sumber : www.mse.mtu.edu) 2.7.1. Fiberglass
Fiberglass dibentuk dengan cara memilin kaca menjadi benang yang panjang. Jenis fiberglass yang paling umum yaitu E-glass yang terbuat dari calcium aluminosilicate glass. Material ini memiliki kekuatan tarik yang baik dan ekonomis. Jenis lain fiberglass yang umum digunakan yaitu S-glass yang terbuat dari calcium-free aluminosilicate glass. Serat jenis ini memiliki kekuatan Tarik
25-30% lebih tinggi dibanding jenis E-glass, akan tetapi tidak seekonomis jenis E-glass karena harganya >200% harga E-glass.
Tabel 2.1 Mechanical properties for reinforcement composite
(sumber : www.advtechconsultants.com)
Fiberglass terkadang langsung digunakan untuk proses produksi, akan tetapi lebih umum dikombinasikan terlebih dahulu menjadi bentuk yang lain. Biasanya fiberglass dianyam atau dirajut menjadi helai kain, dibentuk menjadi lembaran yang kontinyu atau lembaran yang acak(kusut) atau dipersiapkan sebagai bentuk yang tercacah. Apabila diinginkan material dengan kekuatan tarik tinggi, maka jenis yang dipilih yaitu unidirectional atau jenis lembaran yang acak.
2.7.2. Matriks
Resin epoksi akan cenderung dibahas dalam tulisan ini. Resin epoksi mempunyai kegunaan luas dalam industry teknik kimia, listrik, mekanik dan sipil sebagai perekat, cat pelapis, pencetakan cor dan benda-benda cetakan.
1. Proses produksi bahan
Pada saat ini produknya adalah kebanyakan merupakan kondensat dari bisfenol A (4-4’ dihidroksidifenil 2,2-propanon) dan epiklorhidrin. Bisfenol A diganti dengan novolak,atau senyawa tak jenuh, siklopentadien, dsb. Resin epoksi bereaksi dengan pengeras dan menjadi unggul dalam kekuatan mekanik dan ketahanan kimia. Sifatnya bervariasi bergantung pada jenis, kondisi dan pencampuran dengan pengerasnya. Banyaknya campuran dihitung dari ekivalen epoksi (banyaknya resin yang mengandung 1 mol gugus epoksi dalam gram).
2. Sifat-sifat bahan a) Resin bisfenol A
Kelekatannya terhadap bahan lan banyak sekali. Bahan ini banyak digunakan dalam cat untuk logam, perekat, pelapis dengan serat gelas, dsb. Pada pengawetan tak dihasilkan produk tambahan seperti air, dan penyusutan volume kurang. Kestabilan dimensinya baik. Sangat tahan terhadap zat kimia dan stabil terhadap banyak asam kecuali asam pengoksid yang kuat, dan asam alifatik rendah, alkali dan garam. Karena
tak diserang oleh hamper semua pelarut, bahan ini baik digunakan sebagai yangnon-korosif.
b) Resin sikloalifatik
Bahan ini viskositsanya rendah dan ekivalensi epoksinya kecil. Bahan berguna sebagai pengencer bisfenol karena mudah penanganannya. Karena kaku dan rapuh, bahan terutama digunakan untuk alat isolasi listrik yang diperkuat dengan serat gelas. Ketahanan busur dan sifat anti alurnya baik.
3. Pencetakan bahan a) Pengecoran
Digunakan untuk produksi perkakas dan pembenam komponen listrik. b) Pencetakan lapisan
Digunakan untuk produksi pelapis resin epoksi-serat gelas. Adametoda laminasi basah(pengeras diletakkan dalam resin cair dan ditambah pengecer atau pembasah, viskositasnya menurun), metoda laminasi kering (resin padat dilarutkan dalam pelarut seperti aseton, dan pengeras yang tak bereaksi pada suhu rendah, ditambahkan kemudian, dalam masa serat gelas dijenuhkan dan dikeringkan), dan metoda penggulungan filamen (serat gelas yang jenuh digulung pada inti dan diawetkan dengan pemanasan).
4. Penggunaan bahan a) Perekat
Hampir semua plastik dapat melekat cukup kuat kecuali resin silicon, fluoresin, polietilen dan polipropilen. Jenis yang lain adalah jenis yang paling sering dipakai. Paling luas digunakan dalam industry penerbangan, konstruksi dan listrik.
b) Cat
Bahan cat dapat dipakai terhadap berbagai bahan, dan secara luas digunakan karena pelapisannya kuat, unggul dalam ketahanan air dan ketahanan kimia.
c) Pencetakan coran
Pada umumnya digunakan dalam industri elektronika.
Tabel 2.2 Mechanical properties of matrix composite
(sumber : www.advtechconsultants.com) Young Modulus
20 BAB III
METODE PENELITIAN 3.1 Diagram Alir
Langkah kerja dalam penelitian yang dilaksanakan tersaji dalam diagram alir sebagai berikut :
Mulai
Perancangan sudu kincir angin
Persiapan alat dan bahan
Pembuatan sudu kincir angin
Perakitan kincir angin
Uji coba kincir angin dengan pembebanan
Pengambilan data ( 𝑣, n, F, V, I)
Pengolahan data
Analisis serta pembahasan
Selesai
Kincir dapat bekerja sesuai kriteria
3.2 Alat dan Bahan
Untuk melakukan penelitian ini, diperlukan sejumlah alat dan bahan. 3.2.1 Alat
Alat-alat yang dibutuhkan untuk menunjang penelitian yaitu : 1. Sudu Kincir Angin
Sudu kincir angin yang akan dipakai untuk penelitian, akan berjumlah 3 sudu, berjenis propeller, memakai bahan komposit dari epoxy dan serat kaca sebagai serat penguatnya. Dimensi dari kincir angin yang dipakai yaitu memiliki radius 50 cm, lebar pangkal 15 cm dan lebar ujung sudu 3 cm. Dengan dimensi tersebut, diharapkan kincir angin yang diteliti menghasilkan TSR 6 sehingga berada pada effisiensi terbaik untuk jenis propeller.
Gambar 3.1 Sudu berbahan komposit yang diteliti
Untuk bagian hub kincir angin, akan digunakan piringan besi pejal dengan tebal 4 cm berbentuk bulat, yang dibentuk menjadi segi 12 kemudian dilubangi agar kincir angin dapat dipasang dengan konfigurasi 2 sudu, 3 sudu dan 4 sudu. Kemudian, penulis juga akan menggunakan besi siku sebagai pemegang antara sudu dan hub. Penulis berharap agar dengan digunakan model hub yang seperti ini dapat dilakukan variasi jumlah sudu pada penelitian pembanding.
Gambar 3.2 Hub kincir angin (konfigurasi saat akan digunakan 4 sudu) 3. Poros
Poros kincir angin yang akan digunakan, terbuat dari besi dengan ukuran 1 inch, dan akan dihubungkan dengan DC permanent magnet generator tanpa transmisi (tanpa inkrisi maupun decrease putaran output kincir) sehingga daya keluaran kincir dapat langsung didefinisikan sebagai daya listrik.
4. Generator
Pada penelitian ini akan digunakan generator DC Permanent Magnet dengan tegangan kerja 48 volt, dan arus 18 ampere. Generator yang digunakan
merupakan motor listrik magnet permanen yang biasa digunakan pada sepeda listrik.
Gambar 3.3 Generator Brushess DC permanent magnet 5. Lampu pijar
Lampu pijar digunakan apabila sistem pembangkit mengalami kekurangan load atau beban, sehingga sistem pembangkit dapat bekerja secara optimal.
Gambar 3.4 Lampu pijar sebagai beban
6. Anemometer
Anemometer digunakan untuk mengetahui data kecepatan angin, sehingga data putaran pada kincir dapat diolah menjadi data Tip Speed Ratio.
Gambar 3.5 Anemometer 7. Multitester
Multitester pada penelitian ini digunakan untuk melakukan pengururan terhadap tegangan dan arus keluaran dari generator.
Gambar 3.6 Multitester 8. Tachometer
Tachometer digunakan untuk mengetahui putaran/rotasi sudu yang dihasilkan, sehingga data putaran pada kincir dapat diolah menjadi data tip Speed Ratio dan daya kincir.
Gambar 3.7 Takometer 9. Timbangan
Timbangan yang digunakan yaitu timbangan digital untuk mengetahui gaya pengimbang yang dihasilkan.
Gambar 3.8 Takometer 10. Blower
Blower digunakan untuk merekayasa sumber angin yang dibutuhkan kincir angin agar dapat bekerja sebagaimana mestinya.
3.2.2 Bahan
Bahan-bahan yang dibutuhkan untuk menunjang penelitian yaitu: 1. Pipa PVC 8 inch
Pipa pvc 8 inch dipotong sesuai penampang kincir angin yang diinginkan, dan pipa hasil potongan ini dijadikan cetakan (dies) untuk mencetak komposit. 2. Fiberglass
Fiberglass merupakan serat kaca sebagai reinforcement atau penguat bahan komposit.
3. Resin Epoksi
Resin Epoksi merupakan matriks pengisi komposit. 4. Baut metric
Baut metric digunakan untuk pemegang besi beton dibagian sudu dan juga bagian hub.
5. Plat besi
Plat besi digunakan sebagai rangka penguat konstruksi komposit pada sudu kincir angin yang akan diteliti. Plat besi diletakan pada pangkal sudu kincir angin sebagai penampang yang akan dilubangi untuk baut pemegang sudu dengan hub. Plat besi yang digunakan memiliki ketebalan 4cm.
3.3 Desain Kincir
Proses pembuatan blade 1. Desain cetakan
Desain sudu yang akan diteliti didapat dari website
http://www.warlock.com.au/ dan merupakan pendekatan ukuran airfoil
NACA 2412. Terdapat ukuran-ukuran spesifik pada setiap jarak dari pangkal hingga ujung sudu. Lebar maksimal sudu yaitu 15 cm dan lebar ujung sudu 3 cm. Desain yang didapat kemudian disketsa pada pipa pvc 8 inci untuk mempermudah proses pembuatan sudu mengingat penelitian ini menggunakan penampang silindris 8 inci.
Gambar 3.10 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu.
Gambar 3.11 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu dibagi menjadi 18 bagian.
Gambar 3.12 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu disketsa dengan ukuran spesifik.
Gambar 3.13 Skema penampang silindris 8 inchi setelah dipotong sesuai ukuran spesifik.
Gambar 3.15 Dimensi kincir angin dalam penelitian, ukuran dalam satuan sentimeter (b)
Gambar 3.16 Posisi lebar maksimal sudu pada saat pengaplikasian dan penelitian.
2. Pemotongan cetakan
Setelah sketsa dibuat pada pipa, maka proses pemotongan pipa dapat dilakukan sesuai dengan ukuran spesifiknya.
Gambar 3.18 Proses pembuatan cetakan kincir angin. 3. Pembuatan sudu komposit
Pembuatan sudu komposit dimulai dengan menempelkan aluminium foil pada cetakan diseluruh permukaannya lalu diberikan oli atau minyak pelumas agar mempermudah proses pelepasan sudu komposit yang sudah terbentuk. Kemudian komposit dicetak dengan komposisi resin 1 liter dan katalis 10 ml lalu dilapis dengan serat fiber sebanyak 4 lapis. Apabila sudah merata, campuran resin dan serat tersebut dijemur dan ditunggu hingga kering.
Gambar 3.19 Proses pelapisan cetakan sudu kincir angin dengan aluminium foil
Gambar 3.20 Proses pembuatan sudu kincir angin komposit 4. Finishing sudu
Sudu yang sudah kering kemudian dilepas dari cetakannya. Bagian-bagian yang tidak diperlukan dibuang sehingga bentuk sudu sesuai dengan bentuk cetakan. Kemudian dilakukan pengecekan ukuran panjang, lebar dan juga berat sudu. Semua sudu yang akan diteliti harus memiliki ukuran, bentuk dan sudut yang sama. Apabila sudah sesuai, maka selanjutnya sudu dilubangi sesuai dengan ukuran pemegang sudu yang akan dipasang pada hub kincir angin.
5. Uji coba
Sudu yang telah berhasil dibuat diuji coba di depan blower untuk melihat performanya apakah sudah ridig, balance, dan sudah memungkinkan untuk diambil data performanya.
3.4. Variabel Penelitian
1. Variasi kecepatan angin dilakukan dengan cara penempatan rangkaian kincir angin pada 3 posisi yang berbeda di depan blower.
3.5. Variabel yang Diukur 1. Kecepatan angin
2. Kecepatan putar rotor kincir angin 3. Gaya pengimbang
4. Tegangan dan Arus output generator
3.6. Parameter yang Dihitung 1. Daya angin
2. Daya kincir 3. Daya listrik 4. Kecepatan sudut 5. Torsi
6. Koefisien daya (CP) mekanis
7. Tip Speed Ratio (TSR)
3.7. Langkah Pengambilan Data
Prosedur pengambilan data yang akan dilakukan yaitu dengan memasangkan sistem kincir angin yang dapat beroperasi sebagai pembangkit listrik di depan blower yang sudah ditentukan range kecepatan anginnya. Pada penelitian ini akan dilakukan variasi kecepatan angin untuk mendapatkan karakteristik kincir angin propeller tiga sudu yang akan diteliti. Sebagai langkah penelitian untuk pengambilan data, dilakukan dengan cara sebagai berikut
1. Langkah awal dari percobaan yaitu mempersiapkan alat-alat penunjang pengambilan data seperti timbangan, takometer, multitester, anemometer, beban lampu, obeng, terminal, dan sudu kincir angin
2. Memasang anemometer di depan blower lalu menentukan jarak antara kincir angin dan blower yang arahnya tegak lurus agar berada pada range kecepatan angin yang diinginkan untuk pengambilan data.
3. Memasang timbangan yang dihubungkan dengan lengan generator yang posisinya tegak lurus.
4. Memasang sudu kincir angin, kemudian memasang multitester untuk mengukur tegangan dan arus keluaran generator, kemudian dihubungkan dengan beban lampu.
Gambar 3.19 Skematik pembebanan kincir angin A
V
Beban lampu Generator
5. Setelah semua terpasang dan sudah siap, maka blower dinyalakan.
6. Posisi kincir dikalibrasi kembali dan apabila telah memenuhi range kecepatan angin yang ditentukan, maka pengambilan data dapat dilakukan.
7. Awal pengambilan data dilakukan dari beban lampu nol atau tanpa beban. Dilakukan 12 variasi beban lampu dan dimulai dengan pencatatan data kecepatan angin, putaran rotor yaitu dengan mengarahkan takometer tegak lurus dengan casing generator, gaya pengimbang, tegangan keluaran generator, dan arus keluaran generator.
8. Langkah tersebut diulangi sampai mendapatkan beban maksimum pada setiap variasi kecepatan angin dan pengambilan data dilakukan pada 3 variasi kecepatan angin yang berbeda.
3.8. Pengolahan Data
Setelah dilakukan pengambilan data, akan diolah lebih lanjut mengenai daya kincir, daya listrik, koefisien performansi / Coeficient of Performance (CP) dan juga pengolahan data putaran kincir yang akan dikalkulasi menjadi data Tip Speed Ratio( TSR) sehingga didapat grafik perbandingan antara CP dan TSR. Penulis akan membandingkan grafik-grafik yang dihasilkan dari penelitian dan akan diperoleh karakteristik kincir angin yang telah didesain dan penulis mengetahui unjuk kerja yang paling optimal apabila kincir ini akan diterapkan menjadi sistem pembangkit skala lapangan.
35 BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Hasil Penelitian
Data penelitian diambil dalam 3 variasi kecepatan angin. Data yang diperoleh meliputi : kecepatan angin (m/s), gaya pengimbang (N), kecepatan putar rotor (rpm), Tegangan output generator (Volt), Arus output generator (Ampere).
Tabel 4.1 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 9,5 m/s.
putaran
gaya
rotor pengimbang
(rpm)
(gram)
(Volt) (Ampere) (m/s)
1
0
720
70
48,4
0
9,5
2
1
716
90
47
0,08
9,5
3
2
680
130
46,3
0,19
9,5
4
3
672
150
44,2
0,3
9,5
5
4
646
170
40,8
0,4
9,5
6
5
641
180
41,4
0,46
9,5
7
6
624
210
48,9
0,56
9,5
8
7
594
230
38
0,65
9,5
9
8
577
250
36,6
0,76
9,5
10
9
558
290
35,7
0,84
9,5
11
10
530
300
33,4
0,94
9,5
12
11
481
320
31,1
1,02
9,5
13
12
465
340
29,8
1,06
9,5
No beban
V
I
v
Tabel 4.2 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 8 m/s.
No beban
putaran gaya
V I v
rotor pengimbang
(rpm) (gram) (Volt) (Ampere) (m/s)
1 0 721 80 44,4 0 8 2 1 704 110 44,6 0,11 8 3 2 689 120 43,5 0,22 8 4 3 623 150 41,5 0,31 8 5 4 615 170 38,6 0,42 8 6 5 600 210 39,2 0,52 8 7 6 583 230 35,5 0,58 8 8 7 533 240 33,4 0,67 8 9 8 514 260 32 0,81 8 10 9 491 280 31,1 0,88 8 11 10 427 290 25,5 0,91 8 12 11 406 310 28,1 0,93 8 13 12 338 310 19 0,93 8
Tabel 4.3 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 7 m/s.
No beban
putaran gaya
V I v
rotor pengimbang
(rpm) (gram) (Volt) (Ampere) (m/s)
1 0 686 80 44,7 0 7 2 1 633 90 41,3 0,07 7 3 2 617 100 40,4 0,14 7 4 3 607 120 38,2 0,25 7 5 4 569 150 32,2 0,33 7 6 5 551 180 34,8 0,46 7 7 6 546 200 32,9 0,54 7 8 7 508 210 33,2 0,55 7 9 8 505 220 30,1 0,57 7 10 9 489 230 27,1 0,62 7 11 10 478 240 29,5 0,68 7 12 11 402 250 26,5 0,72 7 13 12 365 260 20,9 0,76 7
4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan
Langkah-langkah perhitungan dapat dilihat pada sampel data yang diambil dari table dan akan dirinci sebagai berikut :
a. Perhitungan Daya Angin
Sample data untuk contoh perhitungan diambil dari tabel 4.3 pada baris nomor 9. 𝑃𝑖𝑛 = 1 2𝜌𝐴𝑣3 𝑃𝑖𝑛 =1 2𝑥 1,2 𝑥 𝜋 𝑥 0,52 𝑥 73 𝑃𝑖𝑛 = 161,7 𝑤𝑎𝑡𝑡
b. Perhitungan Daya Kincir 𝜔 = 𝜋 𝑛 30 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝑇 = 𝐹 𝑥 𝑟 𝜔 = 𝜋 505 30 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝑇 = 𝑚. 𝑔 𝑥 𝑟 𝜔 = 52,90 𝑟𝑎𝑑/𝑠 𝑇 = 220 10009,81 𝑥 0,27 𝑁𝑚 𝑇 = 0,58 𝑁𝑚 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇 𝜔 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 0,58 𝑥 52,88 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 30,82 𝑤𝑎𝑡𝑡 c. Perhitungan CP
𝐶𝑝 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛 100% 𝑃𝑜= 𝑉 𝐼 𝐶𝑝 = 30,82 161,7 100% 𝑃𝑜 = 30,1 𝑥 0,57 𝑤𝑎𝑡𝑡 𝐶𝑝 = 19,06(mekanis) 𝑃𝑜= 17,16 𝑤𝑎𝑡𝑡 𝐶𝑝 = 𝑃𝑜 𝑃𝑖𝑛 100% 𝐶𝑝 = 17,16 162,33 100% 𝐶𝑝 = 10,57 % (elektris)
d. Perhitungan Tip Speed Ratio 𝑇𝑆𝑅 =𝜋 𝑟 𝑛
30 𝑣
𝑇𝑆𝑅 =𝜋 𝑥 0,5 𝑥 505 30 𝑥 7,1 𝑇𝑆𝑅 = 3,72
4.3 Data Hasil Perhitungan
Parameter yang telah didapat dari penelitian diolah dengan software Microsoft Excel untuk menampilkan grafik hubungan antara putaran rotor dengan torsi yang dihasilkan, grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio, dan grafik hubungan antara daya dengan torsi yang dihasilkan untuk tiga variasi kecepatan angin.
Ta be l 4.3 Da ta p erhitun g an d ata kinc ir a n g in por os horisont al 3 su du pa da ke ce p atan a n g in 9,5 m /s pu ta ra n ga ya CP CP ro to r pe ng im ba ng m ek an is el ek tr is (r pm ) (g ra m ) (V ol t) (A m pe re ) (m /s) (r ad /s) (N m ) (w at t) (w at t) (w at t) (m /s) 1 0 720 70 48 ,4 0 9, 5 75 ,3 98 0, 19 3, 96 40 7, 87 13 ,9 8 0, 00 3, 43 37 ,7 0 0, 00 2 1 716 90 47 0, 08 9, 5 74 ,9 79 0, 24 3, 93 40 7, 87 17 ,8 7 3, 76 4, 38 37 ,4 9 0, 92 3 2 680 130 46 ,3 0, 19 9, 5 71 ,2 09 0, 34 3, 74 40 7, 87 24 ,5 2 8, 80 6, 01 35 ,6 0 2, 16 4 3 672 150 44 ,2 0, 3 9, 5 70 ,3 72 0, 40 3, 69 40 7, 87 27 ,9 6 13 ,2 6 6, 85 35 ,1 9 3, 25 5 4 646 170 40 ,8 0, 4 9, 5 67 ,6 49 0, 45 3, 55 40 7, 87 30 ,4 6 16 ,3 2 7, 47 33 ,8 2 4, 00 6 5 641 180 41 ,4 0, 46 9, 5 67 ,1 25 0, 48 3, 52 40 7, 87 32 ,0 0 19 ,0 4 7, 85 33 ,5 6 4, 67 7 6 624 210 48 ,9 0, 56 9, 5 65 ,3 45 0, 56 3, 43 40 7, 87 36 ,3 5 27 ,3 8 8, 91 32 ,6 7 6, 71 8 7 594 230 38 0, 65 9, 5 62 ,2 04 0, 61 3, 26 40 7, 87 37 ,8 9 24 ,7 0 9, 29 31 ,1 0 6, 06 9 8 577 250 36 ,6 0, 76 9, 5 60 ,4 23 0, 66 3, 17 40 7, 87 40 ,0 1 27 ,8 2 9, 81 30 ,2 1 6, 82 10 9 558 290 35 ,7 0, 84 9, 5 58 ,4 34 0, 77 3, 07 40 7, 87 44 ,8 8 29 ,9 9 11 ,0 0 29 ,2 2 7, 35 11 10 530 300 33 ,4 0, 94 9, 5 55 ,5 01 0, 79 2, 91 40 7, 87 44 ,1 0 31 ,4 0 10 ,8 1 27 ,7 5 7, 70 12 11 481 320 31 ,1 1, 02 9, 5 50 ,3 7 0, 85 2, 64 40 7, 87 42 ,6 9 31 ,7 2 10 ,4 7 25 ,1 9 7, 78 13 12 465 340 29 ,8 1, 06 9, 5 48 ,6 95 0, 90 2, 55 40 7, 87 43 ,8 5 31 ,5 9 10 ,7 5 24 ,3 5 7, 74 w Pin Po m ek an is Pout No be ba n V I v ro to r T TS R v
Ta be l 4.4 Da ta p erhitun g an d ata kinc ir an g in por os horisont al 3 su du pa da ke ce p atan a n g in 8 m /s
pu
ta
ra
n
ga
ya
C
PC
Pro
to
r
pe
ng
im
ba
ng
m
ek
an
is
el
ek
tr
is
(r
pm
)
(g
ra
m
)
(V
ol
t)
(A
m
pe
re
)
(m
/s)
(r
ad
/s)
(N
m
)
(w
at
t)
(w
at
t)
(w
at
t)
(m
/s)
1
0
721
80
44
,4
0
8
75
,5
03
0,
21
4,
74
23
8,
57
16
,0
0
0,
00
6,
71
37
,7
5
0,
00
2
1
704
110
44
,6
0,
11
8
73
,7
23
0,
29
4,
63
23
8,
57
21
,4
8
4,
91
9,
00
36
,8
6
2,
06
3
2
689
120
43
,5
0,
22
8
72
,1
52
0,
32
4,
53
23
8,
57
22
,9
3
9,
57
9,
61
36
,0
8
4,
01
4
3
623
150
41
,5
0,
31
8
65
,2
4
0,
40
4,
09
23
8,
57
25
,9
2
12
,8
7
10
,8
6
32
,6
2
5,
39
5
4
615
170
38
,6
0,
42
8
64
,4
03
0,
45
4,
04
23
8,
57
29
,0
0
16
,2
1
12
,1
6
32
,2
0
6,
80
6
5
600
210
39
,2
0,
52
8
62
,8
32
0,
56
3,
94
23
8,
57
34
,9
5
20
,3
8
14
,6
5
31
,4
2
8,
54
7
6
583
230
35
,5
0,
58
8
61
,0
52
0,
61
3,
83
23
8,
57
37
,1
9
20
,5
9
15
,5
9
30
,5
3
8,
63
8
7
533
240
33
,4
0,
67
8
55
,8
16
0,
64
3,
50
23
8,
57
35
,4
8
22
,3
8
14
,8
7
27
,9
1
9,
38
9
8
514
260
32
0,
81
8
53
,8
26
0,
69
3,
38
23
8,
57
37
,0
7
25
,9
2
15
,5
4
26
,9
1
10
,8
6
10
9
491
280
31
,1
0,
88
8
51
,4
17
0,
74
3,
23
23
8,
57
38
,1
3
27
,3
7
15
,9
8
25
,7
1
11
,4
7
11
10
427
290
25
,5
0,
91
8
44
,7
15
0,
77
2,
81
23
8,
57
34
,3
5
23
,2
1
14
,4
0
22
,3
6
9,
73
12
11
406
310
28
,1
0,
93
8
42
,5
16
0,
82
2,
67
23
8,
57
34
,9
1
26
,1
3
14
,6
3
21
,2
6
10
,9
5
13
12
338
310
19
0,
93
8
35
,3
95
0,
82
2,
22
23
8,
57
29
,0
6
17
,6
7
12
,1
8
17
,7
0
7,
41
No
be
ba
n
V
I
v
w
T
P
inP
om
ek
an
is
P
outv
ro
to
r
TS
R
Ta be l 4.3 Da ta p erhitun g an d ata kinc ir an g in por os horisont al 3 su du pa da ke ce p atan a n g in 7 m /s
pu
ta
ra
n
ga
ya
C
PC
Pro
to
r
pe
ng
im
ba
ng
m
ek
an
is
el
ek
tr
is
(r
pm
)
(g
ra
m
)
(V
ol
t)
(A
m
pe
re
)
(m
/s)
(r
ad
/s)
(N
m
)
(w
at
t)
(w
at
t)
(w
at
t)
(m
/s)
1
0
686
80
44
,7
0
7
71
,8
38
0,
21
5,
12
16
2,
33
15
,2
2
0,
00
9,
38
35
,9
2
0,
00
2
1
633
90
41
,3
0,
07
7
66
,2
88
0,
24
4,
73
16
2,
33
15
,8
0
2,
89
9,
73
33
,1
4
1,
78
3
2
617
100
40
,4
0,
14
7
64
,6
12
0,
26
4,
61
16
2,
33
17
,1
1
5,
66
10
,5
4
32
,3
1
3,
48
4
3
607
120
38
,2
0,
25
7
63
,5
65
0,
32
4,
53
16
2,
33
20
,2
0
9,
55
12
,4
5
31
,7
8
5,
88
5
4
569
150
32
,2
0,
33
7
59
,5
86
0,
40
4,
25
16
2,
33
23
,6
7
10
,6
3
14
,5
8
29
,7
9
6,
55
6
5
551
180
34
,8
0,
46
7
57
,7
01
0,
48
4,
12
16
2,
33
27
,5
1
16
,0
1
16
,9
5
28
,8
5
9,
86
7
6
546
200
32
,9
0,
54
7
57
,1
77
0,
53
4,
08
16
2,
33
30
,2
9
17
,7
7
18
,6
6
28
,5
9
10
,9
4
8
7
508
210
33
,2
0,
55
7
53
,1
98
0,
56
3,
79
16
2,
33
29
,5
9
18
,2
6
18
,2
3
26
,6
0
11
,2
5
9
8
505
220
30
,1
0,
57
7
52
,8
83
0,
58
3,
77
16
2,
33
30
,8
2
17
,1
6
18
,9
8
26
,4
4
10
,5
7
10
9
489
230
27
,1
0,
62
7
51
,2
08
0,
61
3,
65
16
2,
33
31
,2
0
16
,8
0
19
,2
2
25
,6
0
10
,3
5
11
10
478
240
29
,5
0,
68
7
50
,0
56
0,
64
3,
57
16
2,
33
31
,8
2
20
,0
6
19
,6
0
25
,0
3
12
,3
6
12
11
402
250
26
,5
0,
72
7
42
,0
97
0,
66
3,
00
16
2,
33
27
,8
8
19
,0
8
17
,1
7
21
,0
5
11
,7
5
13
12
365
260
20
,9
0,
76
7
38
,2
23
0,
69
2,
73
16
2,
33
26
,3
2
15
,8
8
16
,2
2
19
,1
1
9,
79
No
be
ba
n
V
I
v
P
outv
ro
to
r
w
T
TS
R
P
inP
om
ek
an
is
Gambar 4.1. Grafik hubungan antara putaran poros dan torsi kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter pada variasi kecepatan angin 9,5 m/s, 8 m/s, dan 7 m/s.
Gambar 4.1. memperlihatkan bahwa semakin besar torsi yang dihasilkan maka kecepatan putar kincir semakin kecil. Torsi statis yang dihasilkan sebesar 0,9 Nm pada kecepatan putar kincir 465 rpm terjadi pada kecepatan angin 9,5 m/s.
Gambar 4.2. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 9,5 m/s.
Gambar 4.3. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 8 m/s.
Gambar 4.4. Grafik hubungan antara koefisien daya mekanis dengan tip speed ratio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 7 m/s.
%
Gambar 4.2.- gambar 4.4 memperlihatkan bahwa semakin besar tsr kincir maka semakin besar Cp yang dihasilkan hingga pada keadaan maksmimalnya, kemudian koefisien daya (Cp) mulai mengecil. Dari gambar diatas hubungan Cp dengan tsr menunjukan prestasi terbaik pada saat kecepatan angin 7 m/s yaitu dengan Cpmax 12,41% pada tsr 3,58.
Gambar 4.5. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada kecepatan angin 9,5 m/s.
Gambar 4.6. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada kecepatan angin 8 m/s.
Gambar 4.7. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada kecepatan angin 7 m/s.
Gambar 4.5 - gambar 4.7 memperlihatkan bahwa semakin besar torsi yang dihasilkan maka semakin besar pula daya yang dihasilkan oleh kincir. Daya maksimal yang dicapai yaitu 31,72 watt pada torsi 0,85 Nm.
Gambar 4.8. Grafik hubungan antara Cp dan TSR kincir angin poros horisontal tiga sudu diameter 1 meter berbahan komposit dengan posisi lebar maksimal 10
cm di atas pusat poros.
4.4 Pembahasan
Setelah penulis melakukan pengambilan data, maka pengolahan data dapat dilakukan dengan software Microsoft Excel. Perlu diperhatikan bahwa data hasil pengamatan yang dilakukan dapat dinyatakan benar apabila hasil grafik hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio sudah menunjukan nilai maksimal nya dan menghasilkan grafik dengan trendline parabolik pangkat dua yang tertutup (mengarah kebawah dengan posisi puncak parabola dibagian atas). Apabila hasil data yang telah dicatat dan sudah menunjukan kurva yang sesuai, maka analisis data dapat dilanjutkan. Ditunjukan pula grafik hubungan antara putaran rotor dengan torsi yang dihasilkan dan juga grafik hubungan antara daya keluaran dengan torsi yang dihasilkan. Dari ketiga grafik yang telah dihasilkan, maka karekteristik dari desain kincir angin yang diteliti dapat diketahui. Sudah tersaji torsi, putaran rotor, dan koefisien daya pada masing-masing variasi kecepatan angin. Terdapat perbedaan prestasi yang ditunjukan pada hasil data kincir angin antara daya output mekanis dan daya outputelektris. Torsi awalan kincir angin dan effisiensi kincir angin menjadi faktor yang mempengaruhi hasil data tersebut. Dilihat dari gambar 4.1, sangat terlihat bahwa garis hubungan rpm dan torsi tidak dimulai dari titik 0 sumbu x sehingga hal tersebut menjadi bukti bahwa generator memerlukan torsi awalan untuk dapat diputar oleh kincir. Selain itu dapat dilihat pula gambar 4.5 – gambar 4.7 bahwa perbedaan prestasi sangat jelas berbeda antara daya output mekanis dan daya output elektris. Jika ditinjau dari data hasil perhitungan daya kincir dengan daya output generator, terjadi penurunan nilai daya ketika torsi yang
dihasilkan digunakan untuk menghasilkan listrik. Hal itu dapat membuktikan bahwa effisiensi generator menjadi faktor perbedaan prestasi antara daya output mekanis dan daya outputelektris. Ditinjau dari data prestasi Cp dan TSR yang dihasilkan dari data penelitian, yang terbaik justru pada kecepatan angin 7 m/s. Menurut penulis, hal ini menunjukan suatu karakteristik yang dimiliki oleh setiap desain sudu kincir angin. Setiap desain sudu pasti memiliki batasan maksimal prestasinya masing-masing.
