UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER DUA SUDU
MENGERUCUT BERBAHAN DASAR TRIPLEK DENGAN PERLAKUAN VARIASI LAPISAN PERMUKAAN SUDU BERLAPIS SENG, BERLAPIS
ANYAMAN BAMBU DAN TANPA LAPISAN
SKRIPSI
Untuk memenuhi persyaratan
Mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Diajukan oleh :
FRANSISCUS SUJATMIKO PRASETYA WIBOWO NIM : 115214018
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2015
THE PERFORMANCE OF TWO CONICAL BLADES PROPELLER WIND TURBINE MADE FROM PLYWOOD WITH BLADE SURFACE
LAYER TREATMENT VARIATIONS ZINC LAYERED, BAMBOO WOVEN LAYERED AND WITHOUT LAYER
FINAL ASSIGNMENT
Presented as Fulfilment of the Requirements To Obtain The Sarjana Teknik Degree
In Mechanical Engineering
By :
FRANSISCUS SUJATMIKO PRASETYA WIBOWO Student Number : 115214018
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA 2015
INTISARI
Sumber energi fosil menjadi suatu kebutuhan yang mutlak dalam kelangsungan hidup manusia di jaman sekarang ini. Namun energi fosil ini telah menimbulkan beberapa efek yang kurang baik dalam pemanfaatannya bagi lingkungan, diantaranya adalah polusi yang dihasilkan. Tidak hanya efek polusi yang ditimbulkan, namun sumber energi fosil juga diprediksi akan habis dalam beberapa waktu ke depan. Oleh karena itu dibutuhkan sumber energi alternatif sebagai pengganti energi fosil yang menjamin kelangsungan hidup di masa depan serta minim polusi, salah satunya adalah energi angin. Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan unjuk kerja berupa koefisien daya dan tip speed ratio
kaitannya untuk model kincir angin propeler dua sudu dengan tiga variasi kekasaran permukaan sudunya.
Model kincir angin ini dibuat dengan bahan dasar triplek ukuran tebal 8 mm dan diameter 80 cm. Variasi kekasaran permukaan yang diberikan pada lapisan sudu model kincir angin ini dilakukan dengan memberikan variasi lapisan pada sudu kincir, yakni tanpa lapisan, dengan lapisan seng dan dengan lapisan anyaman bambu. Setiap jenis variasi diuji untuk mengetahui perbedaan hasil putaran kincir, torsi, daya, tip speed ratio, dan koefisien daya yang dihasilkan pada masing- masing variasi model kincir.
Pada penelitian ini, kincir angin dengan variasi lapisan seng memiliki nilai koefisien daya (Cp) maksimal 7,1 % pada tip speed ratio optimal 3,06 dan daya output kincir (Pout) 14,11 watt pada kecepatan angin 8,83 m/s dengan torsi 0,212 N.m. Kincir angin tanpa variasi lapisan menghasilkan koefisien daya maksimal 4,3 % pada tip speed ratio optimal 2,68, dan daya output kincir (Pout) 9,53 watt pada kecepatan angin 9,24 m/s dengan torsi 0,178 N.m. Kincir angin dengan variasi lapisan anyaman bambu dapat menghasilkan koefisien daya (Cp) 5,6 % pada tip speed ratio optimal 2,67 dan daya output kincir (Pout) sebesar 10,97 watt pada kecepatan angin 8,6 m/s dengan torsi 0,165 N.m.
Kata kunci : Tip speed ratio, koefisien daya, kincir angin propeler
ABSTRACT
Fossil energy source become a needs that absolute in human life continuance in nowadays. But this fossil energy source has been give rise to some that poor effect in their utilization for the environment, including the pollution produced. Not only the pollution effect that their produced, but fossil energy source also predicted will expire in some time to come. Therefore is needed alternative energy source as a fossil energy replacement which ensures life continuance in the future and low pollutions one of which is wind energy. The purpose of this research is to get the performance in form of power coefficient and tip speed ratio mate for two blades propeller wind turbine model with three variations of blade surface roughness.
This wind turbine model is made with basic material plywood with a thickness of 8 mm and a diameter of 80 cm. Surface roughness variations that gave to blade layer of this wind turbine model did by give surface layer variations to turbine blades, that is without layer, with zinc layered, and with bamboo woven layered. Every kind of variations are tested to know the difference of turbine result of rotations, torque, power, tip speed ratio, and power coefficient that each turbine variations models produced.
In this research, wind turbine with zinc layer variation have the maximum power coefficient (Cp) of 7 % at 3,06 of optimal tip speed ratio and turbine output power (Pout) of 14,11 watt at wind speed of 8,83 m/s with 0,212 N.m of torque. Without layer wind turbine variation produce the maximum power coefficient (Cp) of 4,3 % at 2,68 of optimal tip speed ratio, and turbine output power (Pout) of 9,53 watt at wind speed of 9,24 m/s with 0,178 N.m of torque. Wind turbine with bamboo woven layered can produced power coefficient of 5,6 % at 2,67 of optimal tip speed ratio and turbine output power (Pout) of 10,97 watt at wind speed of 8,6 m/s with 0,165 N.m of torque.
Keywords : Tip speed ratio, power coefficient, propeller wind turbine
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa berkat rahmat dan bimbingan-Nya dalam proses penyusunan Skripsi ini sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini dengan baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat wajib untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada berbagai pihak berkat bimbingan dan dukungan yang telah diberikan atas terselesaikannya laporan Skripsi ini kepada :
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., sebagai Dekan Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., sebagai ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Budi Setyahandana, S.T.,M.T. sebagai dosen pembimbing akademik yang telah mendampingi serta memberikan bimbingan selama proses perkuliahan. 4. Ir. Rines, M.T., sebagai Dosen Pembimbing Skripsi yang telah mendampingi
serta memberikan bimbingan selama proses penyelesaian Skripsi ini.
5. Raden Benedictus Dwiseno Wihadi, S.T., M.Si., yang telah membantu dalam proses perijinan dalam penggunaan fasilitas laboratorium selama proses penelitian.
6. Seluruh staf pengajar Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan materi selama proses perkuliahan di Universitas Sanata Dharma.
7. Seluruh staf karyawan Universitas Sanata Dharma.
8. Alm. Victorius Joko Wiratno dan Maria Immaculata Suparmi, yang telah memberikan dukungan moril dan materil selama proses perkuliahan sampai pada penyusunan Skripsi ini.
9. Saudara-saudara dan keluarga besar penulis.
10. Ludwinia Cesa Varian, yang telah menemani dan memberikan semangat dalam penyelesaian Skripsi ini.
11. Fransiscus Bagus Murbantoro, Jacobus Deis Bagus Prabowo dan Bery Widono, sebagai teman sesama kelompok penulis yang saling memberikan semangat, kebersamaan, serta kerja sama selama proses penyelesaian Skripsi ini.
12. Teman-teman kuliah Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma angkatan 2011, atas semangat, dukungan, dan kebersamaan selama kuliah serta selama proses penyelesaian Skripsi ini.
13. Teman-teman kost Tasura 52 dan teman-teman lainnya di dalam maupun luar Yogyakarta yang tidak dapat disebutkan satu per satu, atas dukungan, semangat, dan kebersamaannya selama kuliah dan di luar waktu kuliah dan selama proses penyelesaian Skripsi ini.
Penulis menyadari akan keterbatasan dalam ilmu pengetahuan dan pengalaman. Sehingga saran, kritik, serta masukan yang membangun demi
kesempurnaan laporan ini. Akhir kata, semoga laporan ini dapat bermanfaat serta menjadi inspirasi bagi pembaca dan kita semua.
Yogyakarta, 25 Juni 2015
Penulis
DAFTAR ISI Halaman Judul ... i Title Page ... ii Halaman Pengesahan ... iv Halaman Pernyataan ... v Lembar Pernyataan ... vi Intisari ... vii Abstract ………... viii Kata Pengantar ... ix
Daftar Isi ... xii
Daftar Gambar ... xvi
Daftar Tabel ... xix
BAB I. PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Rumusan Masalah ... 2 1.3 Batasan Masalah ... 2 1.4 Tujuan Penelitian ... 3 1.5 Manfaat Penelitian ... 3
BAB II. DASAR TEORI ... 5
2.1 Dasar Teori ... 5
2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal ... 7
2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ... 9
2.3 Kincir Angin Propeler ... 12
2.4 Rumus Perhitungan ... 13
2.4.1 Energi Kinetik ... 13
2.4.2 Tip Speed Ratio ... 14
2.4.3 Torsi ... 15
2.4.4 Daya ... 15
2.4.5 Koefisien Daya ... 16
BAB III. METODE PENELITIAN ... 17
3.1 Diagram Penelitian ... 17
3.2 Waktu dan Tempat Penelitian ... 18
3.3 Alat dan Bahan ... 18
3.4 Desain sudu kincir angin ... 23
3.5 Variabel Penelitian ... 24
3.6 Variabel yang Diukur ... 25
3.7 Langkah Penelitian ... 25
BAB IV. ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN ... 28
4.1 Data Hasil Penelitian ... 28
4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan ... 30
4.2.1 Perhitungan Daya Angin ... 31 xiii
4.2.2 Perhitungan Torsi ... 31
4.2.3 Perhitungan Daya Kincir ... 31
4.2.4 Perhitungan Tip Speed Ratio ... 32
4.2.5 Perhitungan Koefisien Daya ... 33
4.3 Hasil Perhitungan ... 33
4.4 Grafik Hasil Perhitungan ... 36
4.4.1 Grafik Hubungan Antara Daya dan Torsi untuk Kincir Angin Polos ... 36
4.4.2 Grafik Hubungan Antara Daya dan Torsi untuk Kincir Angin Berlapis Seng ... 37
4.4.3 Grafik Hubungan Antara Daya dan Torsi untuk Kincir Angin Berlapis Anyaman Bambu ... 37
4.4.4 Grafik Hubungan Antara Torsi dan Putaran untuk Kincir Angin Polos ... 38
4.4.5 Grafik Hubungan Antara Torsi dan Putaran untuk Kincir Angin Berlapis Seng ... 39
4.4.6 Grafik Hubungan Antara Torsi dan Putaran untuk Kincir Angin Berlapis Anyaman Bambu ... 40
4.4.7 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio untuk Kincir Angin Polos ... 40
4.4.8 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio untuk Kincir Angin Berlapis Seng ... 41
4.4.9 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio
untuk Kincir Angin Berlapis Anyaman Bambu ... 42
4.5 Grafik Perbandingan Dari Tiga Variasi Lapisan Permukaan ... 42
4.5.1 Grafik Perbandingan Daya dengan Torsi ... 43
4.5.2 Grafik Perbandingan Putaran dengan Torsi ... 43
4.5.3 Grafik Perbandingan Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio ... 44
BAB V. PENUTUP ... 46
5.1 Kesimpulan ... 46
5.2 Saran ... 47
DAFTAR PUSTAKA ... 48
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Jenis-jenis kincir angin berporos horisontal ... 7
Gambar 2.2 Perbedaan yang mendasar jenis kincir angin bersumbu horisontal dan vertikal ... 8
Gambar 2.3 Kincir angin bersumbu horisontal ... 8
Gambar 2.4 Penampakan turbin Savonius dan skema gerakan angin yang mengenai sudunya ... 9
Gambar 2.5 Turbin Savonius ... 10
Gambar 2.6 Turbin Darrieus ... 11
Gambar 2.7 Turbin Darrieus “H” dengan bilah sudu yang datar ... 11
Gambar 2.8 Kincir Angin Propeler ... 12
Gambar 3.1 Diagram alir proses penelitian kincir angin propeler dua sudu dengan tiga variasi lapisan permukaan depan sudu... 17
Gambar 3.2 Sudu kincir angin ... 18
Gambar 3.3 Dudukan sudu sebagai tempat terpasangnya sudu kincir angin ...19
Gambar 3.4 Terowongan angin ... 20
Gambar 3.5 Blower sebagai penghembus angin untuk menggerakkan kincir ... 20
Gambar 3.6 Anemometer untuk mengukur kecepatan angin ... 21
Gambar 3.7 Sistem pengereman ... 21
Gambar 3.9 Neraca pegas ... 23 Gambar 3.10 Desain sudu kincir ... 24 Gambar 3.11 Ukuran sudu kincir, tebal triplek, kemiringan patahan, dan
pelapisan sudu ... 24 Gambar 4.1 Grafik hubungan antara daya output dan torsi untuk kincir angin
tanpa variasi lapisan ... 36 Gambar 4.2 Grafik antara daya output kincir dan torsi untuk kincir angin
dengan variasi lapisan seng ... 37 Gambar 4.3 Grafik antara daya output kincir dan torsi untuk kincir angin
dengan variasi lapisan anyaman bambu ... 38 Gambar 4.4 Grafik antara putaran kincir dan torsi pada kincir angin tanpa
variasi lapisan ... 38 Gambar 4.5 Grafik hubungan antara torsi dan putaran kincir dengan variasi
lapisan seng pada sudunya ... 39 Gambar 4.6 Grafik antara torsi dan putaran kincir dengan variasi lapisan
anyaman bambu pada sudunya ... 40 Gambar 4.7 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio
dari kincir angin tanpa variasi lapisan sudu ... 41 Gambar 4.8 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio
dari kincir angin dengan variasi lapisan sudu lapis seng ... 41 Gambar 4.9 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio
dari kincir angin dengan variasi lapisan sudu lapis anyaman bambu ... 42
Gambar 4.10 Grafik hubungan antara torsi dengan daya pada tiga variasi lapisan sudu ... 43 Gambar 4.11 Grafik hubungan antara torsi dengan putaran kincir pada tiga
variasi lapisan sudu ... 44 Gambar 4.12 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data percobaan kincir angin tanpa lapisan ... 28 Tabel 4.2 Data percobaan kincir angin dengan variasi lapisan seng ... 29 Tabel 4.3 Data percobaan kincir angin dengan variasi lapisan anyaman bambu
... 30 Tabel 4.4 Tabel perhitungan kincir angin dengan variasi permukaan sudu tanpa
lapisan ... 34 Tabel 4.5 Tabel perhitungan kincir angin dengan variasi permukaan sudu
berlapis seng ... 34 Tabel 4.6 Tabel perhitungan kincir angin dengan variasi permukaan sudu
berlapis anyaman bambu ... 35
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Bumi yang semakin menua akibat efek dari pembuangan hasil dari energi yang berasal dari bahan fosil yang banyak digunakan sampai saat ini menimbulkan suatu masalah bagi lingkungan dan kelangsungan hidup makhluk hidup di dalamnya. Disamping itu sumber daya fosil yang diprediksi akan berkurang bahkan habis dalam waktu dekat menuntut kita untuk menemukan sumber energi yang baru untuk masa depan. Di negara-negara lain pun telah memanfaatkan berbagai sumber energi alternatif baru seperti energi angin, panas matahari, panas bumi, serta air.
Energi angin merupakan salah satu sumber energi alternatif yang mudah untuk dimanfaatkan. Untuk dapat memanfaatkan energi angin ini, dirancang kincir angin sebagai alat yang mengkonversi energi angin menjadi energi mekanik atau listrik namun kebutuhan akan energi listrik mendominasi pemanfaatan akan energi angin ini. Keluaran putaran poros dari kincir angin ini nantinya akan menggerakkan poros input generator.
Kincir angin yang penulis gunakan adalah kincir angin berporos horisontal. Efisiensi menjadi suatu hal yang utama dalam kincir angin ini, nilai efisiensi yang tinggi dapat meningkatkan nilai koefisien daya yang dihasilkan yang tentu menghasilkan daya keluaran yang tinggi pula. Kekasaran permukaan sudu kincir juga berpengaruh terhadap performa yang dihasilkan oleh kincir angin.
1.2 Rumusan masalah
Penelitian ini dilakukan atas dasar kesadaran akan dibutuhkannya energi alternatif untuk masa depan dengan memanfaatkan salah satu sumber energi angin, dengan memperhatikan :
a. Angin merupakan energi yang mudah didapat, tidak perlu mengeluarkan biaya (gratis) serta tidak menimbulkan efek polusi bagi lingkungan.
b. Masih diperlukannya penelitian-penelitian terhadap desain dan rancangan kincir angin yang dapat menghasilkan nilai efisiensi serta koefisien daya yang tinggi, yang khususnya dalam penelitian ini akan diketahui apakah kekasaran permukaan memiliki pengaruh signifikan terhadap unjuk kerja kincir angin.
1.3 Batasan masalah
Pada penelitian ini penulis terbatas pada analisa :
a. Kincir angin yang dibuat adalah kincir angin propeler jenis Horizontal Axis
Wind Turbine (HAWT) dua sudu dengan ukuran diameter 80 cm.
b. Perbandingan koefisien daya dan tip speed ratio yang dihasilkan oleh kincir angin tiga variasi pada model pelapisan yakni : lapisan seng, lapisan anyaman bambu, dan polos (tanpa lapisan).
c. Koefisien daya puncak tertinggi diantara tiga variasi model kincir yang diteliti.
1.4 Tujuan penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
a. Membuat dan mendesain model kincir angin jenis propeler dua sudu mengerucut dengan variasi lapisan sudu berlapis seng, berlapis anyaman bambu dan tanpa lapisan.
b. Mengetahui torsi, daya output dan koefisien daya yang dihasilkan oleh tiga model kincir dengan variasi kekasaran permukaan.
c. Mengetahui koefisien daya maksimal tertinggi diantara tiga model kincir dengan variasi lapisan permukaan yang diberikan pada sudu kincir.
1.5 Manfaat penelitian
Manfaat-manfaat dalam penelitian ini antara lain :
1.5.1 Bagi Penulis
a. Sebagai penerapan hasil belajar selama mengikuti kegiatan perkuliahan. b. Sebagai dasar penelitian di bidang teknologi energi terbarukan.
c. Sebagai jawaban atas tuntutan akan kebutuhan energi alternatif.
1.5.2 Bagi Akademik
a. Sebagai tambahan referensi untuk menunjang proses perkuliahan.
b. Untuk dapat diteliti lebih dalam dikemudian hari untuk pengembangan atau penemuan-penemuan baru sebagai referensi untuk menunjang kegiatan perkuliahan.
1.5.3 Bagi Masyarakat
a. Sebagai energi yang ramah lingkungan dan minim polusi.
b. Menjadikan kincir angin yang dapat dibuat menggunakan bahan yang mudah didapat serta ekonomis bagi masyarakat.
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Dasar Teori
Energi angin adalah salah satu jenis sumber energi terbarukan yang potensial untuk menghasilkan energi listrik maupun mekanik melalui proses konversi-konversi ke mekanik dan selanjutnya ke listrik. Energi kinetik yang terdapat pada angin dapat diubah menjadi energi mekanik untuk memutar peralatan (pompa piston, penggilingan, dan lain-lain). Sementara itu, pengolahan selanjutnya dari energi mekanik yaitu untuk memutar generator yang dapat menghasilkan listrik.
Perkembangan teknologi dalam dua dekade terakhir menghasilkan turbin angin yang modular dan mudah dipasang. Saat ini sebuah turbin angin modern 100 kali lebih kuat daripada turbin dua dekade yang lalu dan ladang angin saat ini menyediakan tenaga besar yang setara dengan pembangkit listrik konvensional. Pada awal tahun 2004, pemasangan tenaga angin secara global telah mencapai 40.300 MW sehingga tenaga yang dihasilkan cukup untuk memenuhi kebutuhan sekitar 19 juta rumah tangga menengah di Eropa yang berarti sama dengan mendekati 47 juta orang.
Dalam 15 tahun terakhir ini, seiring meningkatnya pasar, tenaga angin memperlihatkan menurunnya biaya produksi hingga 50%. Saat ini di wilayah yang anginnya maksimum, tenaga angin mampu menyaingi PLTU batu bara
teknologi baru dan di beberapa lokasi dapat menandingi pembangkit listrik tenaga gas alam.
Selama beberapa tahun terakhir pemasangan kapasitas angin meningkat melebihi 30%. Hal tersebut membuat target untuk menjadikan tenaga angin mampu memenuhi kebutuhan energi dunia hingga 12 persen pada tahun 2020 menjadi realistis. Di saat bersamaan hal tersebut juga akan membuka kesempatan terbukanya lapangan pekerjaan hingga dua juta dan mengurangi emisi CO2 hingga
10.700 juta ton.
Sumber angin dunia sangat besar dan menyebar dengan baik di semua kawasan dan negara. Menggunakan teknologi saat ini, tenaga angin diperkirakan dapat menyediakan 53.000 terawatt/jam setiap tahunnya. Yang berarti dua kali lebih besar dari proyeksi permintaan energi pada tahun 2020, meninggalkan tempat yang penting untuk tumbuhnya industri bahkan dalam 1 dekade kedepan. Amerika Serikat sendiri mempunyai potensi angin yang cukup untuk menyediakan pasokan kebutuhan energinya bahkan tiga kali lebih besar daripada kebutuhannya. (Sumber : Green Peace Indonesia, 2013).
2.2 Kincir Angin
Kincir angin adalah sebuah alat yang mampu memanfaatkan kekuatan angin untuk dirubah menjadi kekuatan mekanik. Dari proses itu memberikan kemudahan berbagai kegiatan manusia yang memerlukan tenaga yang besar seperti memompa air untuk mengairi sawah atau menggiling biji-bijian. Kincir
angin modern adalah mesin yang digunakan untuk menghasilkan energi listrik, disebut juga dengan turbin angin.
Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dibedakan menjadi dua yaitu kincir dengan poros vertikal dan kincir angin dengan poros horizontal. Dalam penelitian ini akan dikembangkan kincir angin dengan poros horisontal.
2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal
Kincir angin poros horisontal adalah kincir angin yang memiliki poros sejajar dengan tanah dan searah dengan arah datangnya angin.
Gambar 2.1 Jenis-jenis kincir angin berporos horisontal (Sumber
: http://pixshark.com/horizontal-wind-turbine-design.htm, diakses
Kincir ini terdiri dari sebuah menara dan kincir yang berada di puncak menara tersebut. Poros pada jenis kincir ini berputar 360˚ terhadap sumbu vertikal sesuai dengan arah datangnya angin seperti pada Gambar 2.1, Gambar 2.2 dan Gambar 2.3.
Gambar 2.2 Perbedaan yang mendasar jenis kincir angin bersumbu horisontal dan vertikal (Sumber :
http://www.gov.scot/Publications/2006/10/03093936/2, diakses 7
Mei 2015)
Gambar 2.3 Kincir angin bersumbu horisontal (Sumber :
http://www.gov.scot/Resource/Img/150324/0044578.jpg, diakses
tanggal 7 Mei 2015)
Kincir angin poros horisontal memiliki kelebihan antara lain sebagai berikut : a. Aman, karena posisi sudu / baling-baling yang berada di atas menara.
b. Sudah banyak digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan skala besar.
c. Tidak memerlukan karakteristik angin karena arah angin langsung menuju rotor.
Namun kincir angin poros horisontal memiliki beberapa kelemahan antara lain : a. Konstruksi yang tinggi sehingga menjadi kendala pada pemasangannya. b. Perlu adanya alat tambahan untuk menyesuaikan arah angin.
c. Timbul suara yang berisik pada putaran tinggi.
2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal
Kincir angin poros vertikal adalah kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan permukaan tanah serta tegak lurus dengan arah datangnya angin. Terdapat dua jenis kincir angin poros vertikal yaitu kincir Savonius dan Darrieus. a. Savonius
Kincir Savonius adalah salah satu jenis dari kincir angin berporos vertikal yang diciptakan oleh insinyur asal Finlandia pada tahun 1922, Sigurd Johannes Savonius.
Gambar 2.4 Penampakan turbin Savonius dan skema gerakan angin yang mengenai sudunya (Sumber :
http://www.reuk.co.uk/Savonius-Wind-Turbines.htm,
Arah angin yang datang tegak lurus terhadap sudu kincir yang terkena angin.
Gambar 2.5 Turbin Savonius (Sumber : http://www.britannica.com/EBchecked/topic/525828/
Savonius-rotor, diakses tanggal 3 Mei 2015).
Sudu pada kincir ini tampak seperti huruf “S” jika dilihat dari sisi atas seperti pada Gambar 2.4 dan putarannya lebih rendah jika dibandingkan dengan kincir angin sumbu horisontal. Kincir angin jenis Savonius juga dapat dilihat pada Gambar 2.5.
b. Darrieus
Kincir jenis Darrieus merupakan kincir yang didesain oleh insinyur Perancis bernama Georges Jean Marie Darrieus dan dipatenkan pada tahun 1931. Kincir ini terdiri dari sejumlah sudu yang melengkung seperti pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Turbin Darrieus
(Sumber : http://www.reuk.co.uk/Darrieus-Wind-
Turbines.htm, diakses 3 Mei 2015).
Namun dalam beberapa pengembangan terdapat juga sudu yang datar dan lurus sejajar dengan poros seperti pada Gambar 2.7. Bilah sudu turbin Darrieus bergerak berputar mengelilingi sumbu.
Gambar 2.7 Turbin Darrieus “H” dengan bilah sudu
yang datar (Sumber : http://www.rc-
network.de/forum/showthread.php/55180-Brushless-
als-Generator-f%C3%BCr-Windrad/page3, diakses 3
Mei 2015).
Kincir angin poros vertikal memiliki beberapa kelebihan antara lain : a. Dapat menerima angin dari segala arah.
Kincir angin sumbu vertikal juga memiliki kekurangan-kekurangan antara lain sebagai berikut :
a. Karena memiliki torsi awal yang rendah diperlukan energi yang besar awal putarannya.
b. Bekerja pada putaran yang rendah sehingga daya yang dihasilkan kecil. c. Posisi pemasangannya yang rendah membuat resiko kecelakaan bagi manusia
menjadi besar.
d. Poros dan sudu yang vertikal bertumpu pada sebuah bearing di bawahnya menjadikan beban yang besar pada bearing.
2.3 Kincir Angin Propeler
Kincir angin propeler ini merupakan jenis kincir angin sumbu horisontal. Kincir angin propeler merupakan jenis kincir angin sumbu horisontal yang memiliki jumlah sudu lebih sedikit dari jenis kincir lainnya.
Gambar 2.8 Kincir Angin Propeler (Sumber :
https://indone5ia.wordpress.com/2011/05/21/prinsip-kerja-pembangkit-
listrik-tenaga-angin-dan-perkembangannya-di-dunia/, diakses 3 Mei
Kincir angin tipe propeler dapat ditunjukkan pada Gambar 2.8. Jenis kincir propeler ini memiliki keunggulan yakni :
a. Konstruksi kincir lebih sederhana.
b. Mampu berputar dengan kecepatan yang tinggi. c. Daya yang dihasilkan lebih besar.
d. Angin langsung jatuh menuju rotor / sudu. e. Tidak memerlukan sudut orientasi.
f. Posisi pemasangan yang tinggi jauh dari permukaan tanah sehingga aman.
2.4 Rumus perhitungan
Rumus-rumus yang digunakan untuk perhitungan dan analisis dari kerja kincir angin yang diteliti adalah sebagai berikut.
2.4.1 Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi yang terdapat di dalam suatu benda yang bergerak, dapat dihitung dengan Persamaan (1)
Ek = ½ m v
2 (1) pada Persamaan (1)
Ek = energi kinetik, Joule m = massa udara, kg/m3
v = kecepatan angin, m/s
Daya adalah energi per satuan waktu, maka dituliskan dengan Persamaan (2)
Pin = ½ ṁ v2 (2) pada Persamaan (2)
Pin = daya angin, Watt
ṁ = massa udara yang mengalir dalam satuan waktu, kg/s maka ṁ dapat dihitung dengan Persamaan (3)
ṁ = ρ A v (3) pada Persamaan (3)
ρ = massa jenis udara, kg/m3
A = daerah sapuan kincir / swept area, m2
Dengan menggunakan Persamaan (3), maka daya angin Pin dapat dinyatakan dengan persamaan :
Pin = ½ (ρ A v) v2 , yang dapat disederhanakan menjadi Persamaan (4) :
Pin = ½ ρ A v3 (4)
2.4.2 Tip Speed Ratio (tsr)
Tip Speed Ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin dengan kecepatan angin.
Kecepatan pada ujung sudu dapat dihitung dengan Persamaan (5)
vt = ω r (5) pada Persamaan (5)
vt = kecepatan ujung sudu ω = kecepatan sudut, rad/s
r = jari-jari kincir, m
sehingga tsr dapat dihitung dengan Persamaan (6)
tsr = (6)
pada Persamaan (6)
r = jari-jari kincir, m
n = putaran poros kincir per menit, rpm
v = kecepatan angin, m/s 2.4.3 Torsi
Torsi adalah hasil kali dari gaya pembebanan (F) dengan panjang lengan torsi (l), yang dapat dinyatakan dengan Persamaan (7)
T = F l (7) pada Persamaan (7)
F = gaya pembebanan, N
l = panjang lengan torsi ke poros, m
2.4.4 Daya
Daya yang dihasilkan kincir (Pout) adalah daya yang dihasilkan akibat adanya angin yang melintasi sudu kincir, sehingga daya kincir yang dihasilkan oleh gerakan melingkar kincir dapat dirumuskan :
Pout = T ω (8) pada Persamaan (8)
kecepatan sudut dapat diperoleh dengan rumus sebagai berikut :
ω = n = n
=
Dengan ini untuk daya yang dihasilkan kincir dapat dinyatakan dengan Persamaan (9)
Pout = T ω
Pout = T (9) pada Persamaan (9) :
Pout = daya yang dihasilkan kincir, watt n = putaran poros, rpm
2.4.5 Koefisien Daya (Cp)
Koefisien daya adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir (Pout) dengan daya yang dihasilkan oleh angin (Pin) sehingga, dapat dinyatakan pada Persamaan (10)
Cp = (10) pada Persamaan (10)
Cp = koefisien daya, %
Pout = daya yang dihasilkan oleh kincir, Watt Pin = daya angin, Watt
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Diagram Penelitian
Langkah proses kerja dalam penelitian ini dapat dilihat pada diagram alir pada Gambar 3.1 berikut :
MULAI
Konsultasi desain kincir angin yang akan dibuat
Perancangan kincir angin propeler dua sudu dengan bahan dasar triplek dengan pemberian tiga variasi lapisan permukaan depan
Pembuatan kincir
Pengambilan data dari kincir angin yang telah selesai dibuat
Pengolahan data untuk memperoleh koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio
(tsr) kemudian membandingkan keduanya dari masing-masing variasi kincir
Analisa serta pembahasan data
Pembuatan laporan
SELESAI
Gambar 3.1 Diagram alir proses penelitian kincir angin propeler dua sudu dengan tiga variasi lapisan permukaan depan sudu.
3.2 Waktu dan Tempat Penelitian
Perencanaan, pemmbuatan dan penelitian kincir ini dilaksanakan pada bulan September sampai bulan Desember 2014 di Laboratorium Konversi Energi Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
3.3 Alat dan Bahan
Kincir ini merupakan jenis kincir angin propeler dua sudu dengan variasi lapisan permukaan depan sudu tanpa lapisan, dengan lapisan seng dan dengan lapisan anyaman bambu. Kincir ini dibuat dari bahan kayu triplek dengan ukuran tebal 0,8 cm dan panjang diameter 80 cm. Berikut merupakan alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini :
a. Sudu kincir angin
Sudu kincir merupakan daerah sapuan atau jatuhnya angin, sebagai tempat yang menerima energi angin sehingga dapat membuat dudukan sudu atau keseluruhan kincir berputar.
( a ) ( b ) ( c )
Gambar 3.2 Sudu kincir angin tanpa lapisan (a), sudu kincir berlapis seng (b) dan sudu kincir berlapis anyaman bambu (c)
Variasi yang digunakan adalah variasi kehalusan permukaan pada sudu, antara lain variasi tanpa mengunakan lapisan, variasi menggunakan lapisan seng, dan variasi menggunakan lapisan anyaman bambu dimana masing – masing sudu memiliki bentuk dan ukuran yang sama.
b. Dudukan sudu
Dudukan sudu merupakan bagian dari komponen kincir yang berfungsi sebagai tempat terpasangnya sudu. Dudukan sudu ini memiliki empat buah lubang untuk pemasangan sudu namun pada penelitian ini, hanya digunakan dua lubang saja karena hanya dua buah sudu yang akan dipasang.
Gambar 3.3 Dudukan sudu sebagai tempat terpasangnya sudu kincir angin
c. Terowongan Angin
Terowongan angin adalah sebuah lorong angin dengan tinggi 1,2 meter, lebar 1,2 meter, dan panjang 2,4 meter. Terowongan angin ini berfungsi sebagai tempat angin bergerak dengan kecepatan tertentu dan juga sebagai tempat pengujian kincir angin.
Gambar 3.4 Terowongan angin
Terowongan angin ini dapat diatur kecepatan anginnya dengan cara mengatur jarak antara terowongan angin dengan blower sesuai kebutuhan, dengan cara menarik atau mendorong blower.
d. Blower
Blower berfungsi sebagai penggerak gaya angin untuk menghisap udara dan disalurkan ke terowongan angin kemudian gerakan angin mengenai sudu-sudu kincir dan menggerakkan kincir.
Gambar 3.5 Blower sebagai
penghembus angin untuk menggerakkan kincir
e. Anemometer
Anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan angin yang ditimbulkan oleh blower di dalam terowongan angin.
Gambar 3.6 Anemometer untuk mengukur kecepatan angin
f. Sistem pengereman
Sistem pengereman ini berfungsi sebagai beban pada perputaran kincir untuk mengetahui besarnya beban torsi dan kecepatan putaran kincir angin.
Terdapat sebuah piringan atau disc pada komponen ini sebagai tempat terjadinya gaya gesek untuk pengereman. Pada piringan ini terdapat sebuah pencekam yang nantinya diberi ikatan karet sebagai pemberi bebannya dan pemberian ikatan karet dilakukan secara bertahap.
g. Takometer
Takometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putaran poros kincir yang dinyatakan dalam satuan rpm (rotations per minute).
Gambar 3.8 Takometer digital
Jenis takometer yang digunakan adalah jenis digital dengan meletakkan sinar yang dimunculkan oleh takometer ke piringan poros yang berputar.
h. Neraca pegas
Neraca pegas digunakan untuk mengetahui nilai beban pengereman pada kincir disaat kincir angin berputar.
Gambar 3.9 Neraca pegas
Neraca pegas ini diletakan pada bagian sistem pengereman dan dihubungkan dengan kopling sederhana menggunakan benang dan pemberat yang diikatkan dengan jarak yang telah disesuaikan.
i. Penopang kincir
Penopang kincir berfungsi sebagai penopang sudu pada saat kincir berputar. Poros kincir ini juga sebagai penghubung antara kincir dengan sistem pengereman.
3.4 Desain sudu kincir angin
Model sudu kincir angin yang dibuat pada penelitian ini adalah sudu kincir berbahan dasar triplek dengan tebal 8 mm dengan sudut patahan 10 . Gambar model sudu kincir serta derajat kemiringan patahannya dapat dilihat pada Gambar 3.10 dan Gambar 3.11 berikut.
Gambar 3.10 Desain sudu kincir
8 mm
4,5 cm
7 cm
(a) (b) (c)
Gambar 3.11 Ukuran sudu kincir, tebal triplek dan kemiringan patahan sudu (a), variasi sudu kincir lapis seng (b), variasi sudu kincir lapis anyaman bambu (c)
Pada Gambar 3.11 (b) di atas terlihat sudu kincir dengan variasi lapisan seng ditandai dengan tanda panah, seperti terlihat pula pada Gambar 3.11 (c), yaitu sudu kincir dengan variasi lapisan anyaman bambu.
3.5 Variabel Penelitian :
a. Variasi pembebanan kincir yaitu dari posisi kincir berputar maksimal sampai kincir dalam posisi diam dengan cara menjepitkan karet pada komponen pengereman.
b. Variasi permukaan sudu, yaitu menggunakan lapisan plat seng, lapisan anyaman bambu, dan tanpa lapisan.
3.6 Variabel yang diukur :
Parameter yang diukur dalam penelitian ini adalah : a. Kecepatan angin, m/s.
b. Kecepatan kincir, rpm. c. Beban pengimbang, N. d. Koefisien daya, Cp. e. Tip speed ratio, tsr.
Setelah mendapatkan variabel-variabel data di atas, maka dari variabel- variabel tersebut dapat dihitung parameter-parameter seperti daya angin (Pin), daya yang dihasilkan oleh kincir (Pout), torsi (T), tip speed ratio (tsr), dan koefisien daya yang dihasilkan oleh kincir (Cp) untuk mendapatkan serta mengetahui karakteristik pada kincir.
3.7 Langkah Penelitian
Pengambilan data kecepatan angin, beban pengereman, dan putaran poros dilakukan secara bersamaan melalui langkah-langkah sebagai berikut :
b. Kincir di hubungkan dengan dengan mekanisme pengereman yang terhubung langsung lewat sebuah poros.
c. Memasang anemometer pada terowongan di depan kincir angin untuk mengukur kecepatan angin di saluran terowongan angin.
d. Memasang neraca pegas pada tempat yang telah di tentukan.
e. Memasang benang beserta pemberatnya sebagai penghubung antara neraca pegas dengan lengan poros pada mekanisme pengereman.
f. Jika langkah 1 sampai 5 telah dilakukan, blower di hidupkan untuk menghembuskan angin pada terowongan angin.
g. Percobaan pertama adalah variasi triplek tanpa lapisan, percobaan kedua triplek dengan lapisan seng.
h. Variasi beban pada mekanisme pengereman untuk mendapatkan variasi beban di gunakan 1 karet, 2 karet, 3 karet, 4 karet, dan seterusnya.
i. Mengukur kecepatan kincir angin melalui putaran porosnya dengan menggunakan takometer, beban untuk menghitung torsi yang terbaca pada neraca pegas secara bersamaan.
j. Mematikan blower jika pengamatan pertama selesai.
k. Melepas kincir kemudian mengganti sudu dengan variasi yang lain (tanpa lapisan, lapis seng, atau lapis anyaman bambu)
l. Memasang kembali kincir dengan variasi selanjutnya tersebut di dalam terowongan angin.
berikutnya.
n. Mengulangi langkah 6 hingga 13 untuk variasi lapisan sudu- sudu yang berikutnya.
BAB IV
ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Hasil Penelitian
Berikut ini merupakan data hasil pengujian kincir angin propeler dua sudu dengan variasi permukaan lapisan polos, lapisan seng, dan lapisan anyaman bambu yang diambil dalam tiga tahap pengambilan data. Data yang diperoleh dapat dilihat pada Tabel 4.1 sampai dengan Tabel 4.3.
Tabel 4.1. Data percobaan kincir angin dua sudu tanpa lapisan.
Data pengujian No. Kec. Angin Gaya pengimbang Putaran kincir (m/s) (gram) (rpm) 1 1 9,2 0 800 2 9,2 70 761 3 9,1 90 703 4 9,3 140 603 5 9,3 160 504 2 1 9,1 0 864 2 9,3 60 797 3 9,3 100 730 4 9,3 140 588 5 9,3 170 480 3 1 9,3 0 816 2 9,1 65 756 3 9,3 100 704 4 9,2 130 618 5 9,3 165 550 28
Tabel 4.2. Data percobaan kincir angin dua sudu dengan lapisan seng. Data pengujian No. Kec. Angin Gaya pengimbang Putaran kincir (m/s) (gram) (rpm) 1 1 9 0 953 2 8,8 50 878 3 8,7 110 809 4 8,6 135 766 5 8,7 150 749 6 8,7 180 683 7 8,9 190 656 8 8,7 220 578 2 1 9 0 951 2 9 50 887 3 9 90 830 4 8,7 110 800 5 8,8 130 744 6 8,5 160 728 7 8,8 200 613 8 9 220 537 3 1 8,8 0 942 2 8,9 60 881 3 9 90 856 4 8,7 120 794 5 9 130 783 6 9 160 730 7 8,8 200 637 8 9 210 544
Tabel 4.3. Data percobaan kincir angin dua sudu dengan lapisan anyaman bambu. Data pengujian No. Kec. Angin Gaya pengimbang Putaran kincir (m/s) (gram) (rpm) 1 1 8,6 0 836 2 8,5 50 753 3 8,6 100 676 4 8,9 140 629 5 8,9 160 599 6 8,6 180 525 2 1 8,6 0 852 2 8,5 40 830 3 8,5 100 726 4 8,6 140 645 5 8,7 160 626 6 8,4 200 456 3 1 8,7 0 886 2 8,3 40 846 3 8,6 70 750 4 8,7 90 729 5 8,6 140 674 6 8,6 170 468
4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan
Setelah semua data dari percobaan yang dilakukan pada semua kincir angin dengan variasi lapisan permukaan sudu, selanjutnya dilakukan perhitungan yang akan dibahas pada Sub Bab berikut. Perhitungan ini merupakan perhitungan yang diambil dari data pada Tabel 4.1 yaitu dari data kincir angin dengan variasi tanpa lapisan data pengujian yang pertama pada pembebanan kelima.
4.2.1 Perhitungan Daya Angin
Contoh perhitungan daya angin diambil dari Tabel 4.1 pada data pengujian yang pertama dan pembebanan kelima diperoleh kecepatan angin 9,3 m/s, massa jenis udara (ρ) = 1,18 kg/m3, dan luas daerah sapuan kincir (A) = 0,50 m2, maka daya angin (Pin) dapat dihitung :
Pin = ½ ρ A v3
= (½)(1,18)(0,50)(9,33) = 237,28 watt
Jadi daya angin yang dihasilkan sebesar 237,28 watt.
4.2.2 Perhitungan Torsi
Sebagai contoh perhitungan torsi diambil dari Tabel 4.1 pada data pengujian pertama dan pembebanan kelima. Dari data diperoleh besar gaya (F) = 1,6187 N dan jarak lengan torsi ke poros sebesar 0,11 m, maka torsi dapat dihitung :
T = F l
= (1,6187)(0,11) = 0,178 N.m
Jadi, nilai torsi yang dihasilkan adalah 0,178 N.m.
4.2.3 Perhitungan Daya Kincir (Pout)
Sebagai contoh perhitungan daya output kincir diambil dari Tabel 4.1 pada pengujian pertama dan pembebanan kelima diperoleh kecepatan angin 9,3 m/s,
putaran poros (n) 503,5 rpm, dan torsi yang telah dihitung pada Sub Bab 4.2.2 sebesar 0,178 N.m maka besarnya daya kincir :
Pout = T ω = (0,178) x
= (0,178) x
= 9,385 watt
Jadi, daya output yang dihasilkan kincir sebesar 9,385 watt
4.2.4 Perhitungan Tip Speed Ratio (tsr)
Sebagai contoh perhitungan tip speed ratio diambil data dari Tabel 4.1 pada pengujian pertama dan pembebanan kelima diperoleh putaran kincir 503,5 rpm, jari-jari kincir (r) 0,4 m, dan kecepatan angin sebesar 9,3 m/s, maka tip speed ratio dapat dihitung :
Tsr =
=
=
2,2674.2.5 Perhitungan Koefisien Daya (Cp)
Sebagai contoh perhitungan koefisien daya dapat diambil dari perhitungan daya angin pada Sub Bab 4.2.1 senilai 237,28 watt dan daya yang dihasilkan kincir angin pada Sub Bab 4.2.3 senilai 9,385 watt, maka koesfisien daya dapat dihitung :
Cp = Pout / Pin = 9,385 / 237,28 = 0,039
Jadi, nilai koefisien daya yang dihasilkan 0,039.
4.3 Hasil Perhitungan
Pada perhitungan yang telah dilakukan pada Sub Bab 4.2 di atas tadi diperoleh nilai seperti daya angin (Pin), daya output kincir (Pout), beban torsi, tip speed ratio (tsr) dan koefisien daya (Cp) dan semuanya disajikan pada tabel perhitungan pada setiap variasi lapisan permukaan sudu kincir pada Tabel 4.4 sampai dengan Tabel 4.6 berikut.
Tabel 4.4 Tabel perhitungan kincir angin dengan variasi permukaan sudu tanpa lapisan No. Kecepatan Angin Gaya pengimbang Putaran kincir Gaya pengimbang rerata Beban torsi Kecepatan sudut Daya angin Daya output kincir Tip speed ratio Koefisien daya
v (m/s) F (gram) n (rpm) F (N) T (N.m) ω (rad/s) Pin (watt) Pout (watt) tsr Cp (%)
1 9,20 0 827 0 0 86,6 231 0 3,76 0
2 9,20 65 771 0,638 0,070 80,8 231 5,67 3,51 2,45
3 9,23 97 712 0,948 0,104 74,6 233 7,78 3,23 3,33
4 9,27 137 603 1,341 0,147 63,2 236 9,31 2,73 3,95
5 9,30 165 511 1,619 0,178 53,5 239 9,53 2,30 4
Tabel 4.5 Tabel perhitungan kincir angin dengan variasi permukaan sudu berlapis seng
No. Kecepatan Angin Gaya pengimbang rata - rata Putaran kincir Gaya pengimbang rerata Beban torsi Kecepatan sudut Daya angin Daya output kincir Tip speed ratio Koefisien daya
v (m/s) F (gram) n (rpm) F (N) T (N.m) ω (rad/s) Pin (watt) Pout (watt) tsr Cp (%)
1 8,93 0 949 0 0 99,4 211 0 4,45 0 2 8,90 53 882 0,523 0,058 92,4 209 5,32 4,15 2,54 3 8,90 97 832 0,948 0,104 87,1 209 9,08 3,91 4,35 4 8,67 122 787 1,194 0,131 82,4 193 10,81 3,80 5,60 5 8,83 137 758 1,341 0,147 79,4 204 11,71 3,60 5,73 6 8,73 167 713 1,635 0,180 74,7 198 13,44 3,42 6,80 7 8,83 197 635 1,929 0,212 66,5 204 14,11 3,01 6,91 8 8,90 217 553 2,126 0,234 57,9 209 13,54 2,60 6,48
Tabel 4.6 Tabel perhitungan kincir angin dengan variasi permukaan sudu berlapis anyaman bambu No. Kecepatan Angin Gaya Pengimbang Putaran Kincir Gaya Pengimbang Rerata Torsi Kecepatan Sudut Daya Angin Daya output Kincir Tip Speed Ratio Koefisien Daya
v (m/s) F (gram) n (rpm) F (N) T (N.m) ω (rad/s) Pin (watt) Pout (watt) tsr Cp (%)
1 8,63 0 858 0 0 89,8 191 0 4,16 0 2 8,43 43 809 0,425 0,047 84,8 178 3,96 4,02 2,23 3 8,57 90 717 0,883 0,097 75,1 186 7,29 3,51 3,91 4 8,73 123 668 1,210 0,133 69,9 198 9,30 3,20 4,71 5 8,73 153 633 1,504 0,165 66,3 198 10,97 3,04 5,55 6 8,53 183 483 1,799 0,198 50,6 184 10,00 2,37 5,43
4.4 Grafik Hasil Perhitungan
Dari pengolahan data yang dilakukan pada Sub Bab 4.3 maka didapat grafik. Grafik hubungan tersebut antara lain grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio, grafik hubungan torsi dengan rpm, dan grafik hubungan daya dengan torsi dari masing-masing variasi model kincir anginnya.
4.4.1 Grafik Hubungan Antara Daya dan Torsi untuk Kincir Angin Polos
(Tanpa Lapisan)
Dalam perhitungan yang diperoleh sebelumnya, didapat grafik hubungan antara daya yang dihasilkan kincir dengan torsi. Pada Gambar 4.1 berikut ini dapat diketahui bahwa daya yang mampu dihasilkan kincir (Pout) maksimal pada
kincir angin tanpa variasi lapisan adalah 9,531 watt pada torsi 0,178 N.m.
Gambar 4.1 Grafik hubungan antara daya output dan torsi untuk kincir angin tanpa variasi lapisan
4.4.2 Grafik Hubungan Antara Daya dan Torsi untuk Kincir Angin
Berlapis Seng
Pada perhitungan yang diperoleh sebelumnya, didapat grafik hubungan antara daya yang dihasilkan kincir dengan torsi. Dan pada Gambar 4.2 berikut diketahui bahwa kincir dengan variasi lapisan sudu dengan seng menghasilkan daya (Pout)
maksimal 14,11 watt pada torsi 0,212 N.m.
Gambar 4.2 Grafik antara daya output kincir dan torsi untuk kincir angin dengan variasi lapisan seng
4.4.3 Grafik Hubungan Antara Daya dan Torsi untuk Kincir Angin
Berlapis Anyaman Bambu
Pada hasil perhitungan yang diperoleh sebelumnya, dapat dibuat grafik antara daya kincir (Pout) dengan torsi yang dihasilkan. Pada grafik dalam Gambar 4.3 berikut didapat nilai daya kincir yang dihasilkan pada kincir angin dengan variasi lapisan sudu dengan anyaman bambu sekitar 10,97 watt pada torsi 0,165 N.m.
Gambar 4.3 Grafik antara daya output kincir dan torsi untuk kincir angin dengan variasi lapisan anyaman bambu
4.4.4 Grafik Hubungan Antara Torsi dan Putaran untuk Kincir Angin
Polos (Tanpa Lapisan)
Pada perhitungan yang telah dilakukan sebelumnya, didapat pula nilai torsi dan putaran kincir yang dihasilkan dan pada Gambar 4.4 berikut merupakan grafik
Gambar 4.4 Grafik antara putaran kincir dan torsi pada kincir angin tanpa variasi lapisan
antara torsi dengan putaran yang dihasilkan kincir angin tanpa variasi lapisan sudu. Kincir ini menghasilkan putaran maksimal 827 rpm pada saat belum diberi beban, dan dapat menerima beban torsi maksimal 0,178 N.m pada putaran 511 rpm.
4.4.5 Grafik Hubungan Antara Torsi dan Putaran untuk Kincir Angin
Berlapis Seng
Pada perhitungan yang telah dilakukan sebelumnya, didapat nilai torsi dan putaran kincir yang dihasilkan. Pada Gambar 4.5 berikut merupakan grafik antara torsi dengan putaran yang dihasilkan kincir angin dengan variasi lapisan seng pada sudunya. Kincir dengan variasi ini menghasilkan putaran maksimal 949 rpm pada saat belum diberi beban dan dapat menerima beban torsi maksimal 0,234 N.m pada putaran 553 rpm.
Gambar 4.5 Grafik hubungan antara torsi dan putaran kincir dengan variasi lapisan seng pada sudunya
4.4.6 Grafik Hubungan Antara Torsi dan Putaran untuk Kincir Angin
Berlapis Anyaman Bambu
Pada Gambar 4.6 berikut merupakan grafik antara torsi dengan putaran yang dihasilkan kincir angin dengan variasi lapisan sudu berlapis anyaman bambu. Kincir dengan variasi ini menghasilkan putaran maksimal 858 rpm dan dapat menerima beban torsi maksimal 0,198 N.m pada putaran 483 rpm.
Gambar 4.6 Grafik antara torsi dan putaran kincir dengan variasi lapisan anyaman bambu pada sudunya
4.4.7 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio untuk
Kincir Angin Polos (Tanpa Lapisan)
Di bawah ini merupakan Gambar 4.7 yang merupakan grafik antara koefisien daya dengan tip speed ratio yang dihasilkan dari kincir angin tanpa variasi lapisan pada sudunya. Diperoleh koefisien daya maksimal sebesar 4,32 % pada tip speed ratio optimal 2,683.
Gambar 4.7 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio dari kincir angin tanpa variasi lapisan sudu
4.4.8 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio untuk
Kincir Angin Berlapis Seng
Pada kincir angin dengan variasi lapisan sudu berlapis seng, dapat menghasilkan nilai koefisien daya maksimal sebesar 7,16 % pada tip speed ratio
Gambar 4.8 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio dari kincir
optimal 3,058. Pada Gambar 4.8 menunjukkan grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio yang dihasilkan oleh kincir angin dengan variasi lapisan sudu berlapis seng.
4.4.9 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya dan Tip Speed Ratio untuk
Kincir Angin Lapis Anyaman Bambu
Untuk kincir angin dengan variasi lapisan sudu berlapis anyaman bambu menghasilkan nilai koefisien daya maksimal 5,6 % pada tip speed ratio optimal 2,678 dan berikut grafik dari kincir angin dengan variasi lapisan sudu berlapis anyaman bambu pada Gambar 4.9.
Gambar 4.9 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio dari kincir
angin dengan variasi lapisan sudu lapis anyaman bambu
4.5 Grafik Perbandingan Dari Tiga Variasi Lapisan Permukaan
Setelah diperoleh grafik-grafik tiap jenis variasi di atas, dapat dibuat grafik perbandingan antar tiga variasi yakni hubungan antara torsi dengan daya output,
torsi dengan putaran kincir, dan koefisien daya dengan tip speed ratio setiap tiga variasi lapisan permukaan sudunya dalam satu grafik.
4.5.1 Grafik Perbandingan Daya dengan Torsi
Grafik hubungan antara Daya dengan torsi pada Gambar 4.10 dalam tiga variasi kincir berikut dapat terlihat bahwa kincir angin dengan variasi lapisan sudu berlapis seng dapat menghasilkan daya dan torsi yang lebih besar dibandingkan dengan dua variasi lain yaitu variasi lapisan seng dengan tanpa lapisan.
Gambar 4.10 Grafik hubungan antara torsi dengan daya pada tiga variasi lapisan sudu
4.5.2 Grafik Perbandingan Putaran dengan Torsi
Pada grafik perbandingan antara putaran kincir dengan torsi berikut, terlihat bahwa kincir angin dengan variasi lapisan sudu berlapis seng juga memiliki nilai putaran dan torsi yang tinggi dibandingkan dengan dua variasi lain. Grafik dapat dilihat pada Gambar 4.11.
Gambar 4.11 Grafik hubungan antara torsi dengan putaran kincir pada tiga variasi lapisan sudu
4.5.3 Grafik Perbandingan Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio
Pada Gambar 4.12 merupakan grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio (tsr) pada tiga variasi lapisan sudu dimana kincir angin dengan variasi lapisan sudu berlapis seng masih unggul dibandingkan dengan
Gambar 4.12 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio pada tiga
kedua variasi yang lain. Dalam hal ini berarti dapat disimpulkan bahwa kincir dengan variasi lapisan sudu berlapis seng memiliki nilai koefisien daya yang tinggi dibandingkan kincir dengan variasi lapisan anyaman bambu dengan kincir tanpa variasi lapisan.
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Dari penelitian kincir angin propeler dua sudu dengan patahan kerucut dan perlakuan variasi terhadap lapisan sudu maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
a. Telah berhasil dibuat model kincir angin propeler dua sudu dengan patahan kerucut dari bahan dasar triplek dengan tiga variasi kekasaran permukaan sudu. Variasi yang diberikan terhadap lapisan sudu antara lain sudu tanpa lapisan atau polos, dengan lapisan seng, dan dengan lapisan anyaman bambu. b. Kincir angin propeler dua sudu tanpa lapisan menghasilkan daya output 9,53
watt dan torsi maksimal sebesar 0,178 N.m pada kecepatan angin 9,24 m/s. Koefisien daya maksimal yang dihasilkan oleh model kincir ini sebesar 4,32 % pada tip speed ratio optimal 2,683.
Kincir angin propeler dua sudu berlapis seng menghasilkan daya output 13,54 watt dan torsi maksimal sebesar 0,23 N.m pada kecepatan angin 8,83 m/s. Koefisien daya maksimal yang dihasilkan oleh model kincir ini sebesar 7,16 % pada tip speed ratio optimal 3,056.
Kincir angin propeler dua sudu dengan lapisan anyaman bambu menghasilkan daya output 10,97 watt dan torsi maksimal sebesar 0,197 N.m. Koefisien daya maksimal yang dihasilkan oleh model kincir ini sebesar 5,63 % pada tip speed ratio optimal 2,678.
c. Dari ketiga variasi kincir angin yang diteliti, kincir angin dengan variasi lapisan sudu berlapis seng memiliki nilai koefisien daya maksimal tertinggi dibandingkan dengan dua variasi lapisan lainnya yaitu tanpa lapisan dan berlapis anyaman bambu.
5.2 Saran
Setelah melakukan penelitian model kincir angin dengan beberapa variasi yang diberikan pada permukaan sudu kincir, berikut adalah saran-saran yang dapat diberikan agar penelitian selanjutnya dapat berjalan maksimal antara lain : a. Melakukan pengambilan data secara berulang-ulang supaya dapat
meminimalisir kesalahan data yang muncul dan dengan melakukan perbandingan antara data yang satu dengan yang lain.
b. Ketelitian dalam proses membuat model kincir sangat dibutuhkan agar tidak terjadi kesalahan ukuran serta menjadikan kinerja kincir nantinya menjadi lebih maksimal.
c. Kondisi alat ukur perlu diperhatikan sebelum digunakan agar dapat membaca hasil dengan baik.
d. Untuk mendapatkan unjuk kerja yang maksimal, kekasaran lapisan permukaan sudu dibuat seminimal mungkin.
DAFTAR PUSTAKA
Anggriawan, P.D., 2013, Unjuk Kerja Kincir Angin Propeler Tiga Sudu Dari Bahan Triplek Dan Anyaman Bambu Berdiameter 80 cm, Skripsi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
Johnson, G. L., 2006, Wind Energy System, Manhattan.
Rines. M., 2012, Rekayasa Energi Angin, Program Studi Teknik Mesin, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains Dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, Modul Bahan Ajar, FST USD, Yogyakarta.
http://www.greenpeace.org/seasia/id/campaigns/perubahan-iklim-global/Energi- Bersih/tenaga_angin/, diakses tanggal 6 November 2014.
