iii
INTISARI
Energi merupakan suatu kebutuhan yang sangat diperlukan oleh masyarakat pada masa kini. Penggunaan energi yang paling banyak dijumpai pada dewasa ini adalah energi fosil. Hal ini menjadikan kebutuhan akan energi alternatif sangatlah mendesak. Energi yang berasal dari angin merupakan salah satu energi yang dapat dijadikan sebagai energi alternatif. Alat yang dapat menjadikan energi angin sebagai energi alternatif antara lain adalah kincir angin. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuat model kincir angin lalu dilakukan pengujian untuk mengetahui koefisien daya maksimal serta tip speed ratio optimalnya.
Pengujian dilakukan pada model kincir angin American multi-blade sudu 10 dengan tiga variasi pitch angle 10o,20o, dan 30o dengan diameter 80cm. Kincir
ini dibuat dengan bahan plat aluminium dengan tebal 1 mm. Proses pengujian dari model kincir adalah dengan membuat model kincir angin terlebih dahulu, kemudian kincir dipasang pada alat pengujian berupa terowongan angin (wind tunnel) lalu dilakukan proses pengambilan data. Data yang diteliti adalah kecepatan angin, putaran poros, beban torsi (T), daya angin (Pin), daya kincir (Pout), koefisien daya (Cp), dan tip speed ratio.
Setelah melakukan pengujian pada kincir, diperoleh data perbandingan antara koefisien daya (Cp) dan tip speed ratiodari ketiga variasi model kincir. Variasi pitch angle 10o hanya menghasilkan koefisien daya (Cp) maksimal sebesar 7% pada tip speed ratio 0,99, dan untuk variasi pitch angle 20o koefisien daya (Cp)
maksimalnya sebesar 16% pada tip speed ratio 1,37, sedangkan pada variasi pitch angle 30okoefisien daya (Cp) maksimal yang dihasilkan sebesar 17% pada tip speed ratio 1,02. Sehingga dapat disimpulkan bahwa kincir angin dengan variasi pitch angle 30omerupakan variasi terbaik.
iv
ABSTRACT
Energy are the main necessary that people needed this moment. In this period the most energy that people use was fossil energy. This condition makes the usage of alternativee energy are very insist. Wind energy is one of option that can be used as an alternative energy. Tools that can be used to convert this alternative energy is windmill. The aim of this research is to make prototype of windmill and then be tested to know the maximun coeficient power and also the most optimal tip speed ratio.
Tested be done by used prototype of American multi-blade windmill with three variations of pitch angle 10o, 20o, and 30o with 80cm diameters. This windmill made by 1 mm alluminium sheet. There are a view step of this test, first are we made the prototype of the windmill, and then that windmill are joined to wind tunnel, and then we collect the data from the windmill. Data that colected are wind speed, rpm, torsion, wind power, windmill power, coefficient power, and tip speed ratio.
From the test found that ratio between coefficient power and tip speed ratio from the three variations. From 10o variations just produce 7% maximum coefficient power on 0.99 tip speed ratio, and for 20o variations produce 16% maximum coefficient power on 1.37 tip speed ratio, and then for 30o variations produce 17% maximum coefficient power on 1.02 tip speed ratio. So the conclusion is 30o variations is the best variation.
i
UNJUK KERJA KINCIR ANGIN JENIS AMERICAN MULTIBLADEDARI
BAHAN ALUMINIUM SEPULUH SUDU DENGAN TIGA VARIASI
PITCH ANGLE
TUGAS AKHIR
Untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat sarjana S-1Program Studi Teknik Mesin
Diajukan oleh :
YOSEPH SENO TRIADIASWORO 115214033
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
ii
THE PERFORMANCE OF ALUMINUM AMERICAN
MULTI-BLADEWINDMILL WITH TEN BLADES AND THREE VARIATION OF
PITCH ANGLE
FINAL PROJECT
As partial of the requirement
To obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
By :
YOSEPH SENO TRIADIASWORO
115214033
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
vii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis haturkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat, rahmat dan bimbinganNya selalu, hingga terselesaikannya penyusunan
Tugas Akhir, tentang “UNJUK KERJA KINCIR ANGIN JENIS AMERICAN MULTIBLADEDARI BAHAN ALUMINIUM SEPULUH SUDU DENGAN TIGA VARIASI PITCH ANGLE” ini. Dalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis membahas mengenai garis besar tentang kincir angin poros horizontal dengan variasi kemiringan pitch angle pada sudu kincir. Kincir ini diharapkan dapat digunakan sebagai salah satu alat yang dapat digunakan dikehidupan sehari - hari dan juga bermanfaat bagi kegiatan produksi dalam skala industri. Dalam pemilihan bahan dan ukuran, penulis menggunakan acuan Standar SI.
Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan terima kasih atas segala bantuan sehingga laporan ini dapat terselesaikan pada waktunya, kepada :
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. PK. Purwadi, S.T.,M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi.
3. Ir. Rines, M.T. selaku DosenPembimbingTA.
ix
DAFTAR ISI
Halaman Sampul ... i
Halaman Judul ... ii
Halaman Persetujuan ... iii
Halaman Pengesahan... ... ... iv
Halaman Pernyataan Keaslian... v
2.1 Konsep Dasar Energi Angin ... 5
x
2.2.1 Kincir Angin Poros Horizontal ... 7
2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ... 9
2.3Grafik Hubungan Antara Cp Terhadap tsr……….11
2.4Rumus Perhitungan…….………...11
2.4.1 Energi angin………...……….………11
2.4.2 Perhitungan Torsi dan Daya………....13
2.4.2.1Torsi……….13
2.4.2.2Daya Kincir………..13
2.4.3 Tip Speed Ratio………....14
2.4.4 Koefisien Daya……….15
Bab 3 Metodologi Penelitian ... 16
3.1Metode Penelitian ... 16
3.2Peralatan Pengujian ... 17
3.3Alat dan Bahan ... 17
3.4Desain Sudu Kincir ... 18
3.5Prosedur Penelitian ... 20
3.6 Flow Chart ... 23
Bab 4 Perhitungan dan Pembahasan……… ... 25
4.1 Data Percobaan ... 25
4.2 Perhitungan ... 27
4.2.1 Perhitungan Daya Angin ... 28
4.2.2 Daya Kincir…….….………....28
xi
4.2.4 Koefisien Daya Kincir ... 29
4.3 Data Hasil Perhiungan ... 29
4.4Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan ... 33
4.5 Pembahasan……… 43
Bab 5 Penutup………...47
5.1Kesimpulan ………..47
5.2 Saran... 47
xii
DAFTAR GAMBAR
hal 1. Gambar 2.1Jenis-jenis kincir menurut porosnya 5 2. Gambar 2.2 Jenis kincir angin poros horizontal American Multi-blade 7 3. Gambar 2.3 Jenis kincir angin poros horizontal Propeller 8 4. Gambar 2.4 Kincir angin poros vertical jenis Darrieus 10 5. Gambar 2.5 Kincir angin poros vertical jenis Savonius 10 6. Gambar 2.6 Grafik hubungan antara Cp dan TSR untuk berbagai
jenis kincir 12
7. Gambar 3.1 Desain Sudu Kincir 19
8. Gambar 3.2 Gambar kincir 19
9. Gambar 3.4 Flowchart 23
10.Gambar 4.1 Grafik hubungan antara putaran poros dengan Torsi
pada variasi pitch angle 10o 33
11.Gambar 4.2 Grafik hubungan daya output dengan Torsi pada
variasi pitch angle 10o 34
12.Gambar 4.3 Grafik hubungan koefisien daya (Cp) dengan
Tip speed ratio pada variasi pitch angle 10o 35 13.Gambar 4.4 Grafik hubungan antara putaran poros dengan Torsi
xiii
14.Gambar 4.5 Grafik hubungan daya output dengan Torsi pada
variasi pitch angle 20o 38
15.Gambar 4.6 Grafik hubungankoefisiendaya (Cp) dengan
Tip speed ratio pada variasi pitch angle 20o 39
16.Gambar 4.7 Grafik hubungan antara putaran poros dengan Torsi
pada variasi pitch angle 30o 40
17.Gambar 4.8 Grafik hubungan daya output dengan Torsi pada
variasi pitch angle 30o 41
18.Gambar 4.9 Grafik hubungan koefisien daya (Cp) dengan
Tip speed ratio pada variasi pitch angle 30o 42 19.Gambar 4.10 Grafik perbandingan koefisien daya (Cp) dengan
xiv
DAFTAR TABEL
xv
INTISARI
Energi merupakan suatu kebutuhan yang sangat diperlukan oleh masyarakat pada masa kini. Penggunaan energi yang paling banyak dijumpai pada dewasa ini adalah energi fosil. Hal ini menjadikan kebutuhan akan energi alternatif sangatlah mendesak. Energi yang berasal dari angin merupakan salah satu energi yang dapat dijadikan sebagai energi alternatif. Alat yang dapat menjadikan energi angin sebagai energi alternatif antara lain adalah kincir angin. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuat model kincir angin lalu dilakukan pengujian untuk mengetahui koefisien daya maksimal serta tip speed ratio optimalnya.
Pengujian dilakukan pada model kincir angin American multi-blade sudu 10 dengan tiga variasi pitch angle 10o,20o, dan 30o dengan diameter 80cm. Kincir ini dibuat dengan bahan plat aluminium dengan tebal 1 mm. Proses pengujian dari model kincir adalah dengan membuat model kincir angin terlebih dahulu, kemudian kincir dipasang pada alat pengujian berupa terowongan angin (wind tunnel) lalu dilakukan proses pengambilan data. Data yang diteliti adalah kecepatan angin, putaran poros, beban torsi (T), daya angin (Pin), daya kincir (Pout), koefisien daya (Cp), dan tip speed ratio.
Setelah melakukan pengujian pada kincir, diperoleh data perbandingan antara koefisien daya (Cp) dan tip speed ratiodari ketiga variasi model kincir. Variasi pitch angle 10o hanya menghasilkan koefisien daya (Cp) maksimal sebesar 7% pada tip speed ratio 0,99, dan untuk variasi pitch angle 20o koefisien daya (Cp) maksimalnya sebesar 16% pada tip speed ratio 1,37, sedangkan pada variasi pitch angle 30okoefisien daya (Cp) maksimal yang dihasilkan sebesar 17% pada tip speed ratio 1,02. Sehingga dapat disimpulkan bahwa kincir angin dengan variasi pitch angle 30omerupakan variasi terbaik.
xvi
Abstrac
Energy are the main necessary that people needed this moment. In this period the most energy that people use was fossil energy. This condition makes the usage of alternativee energy are very insist. Wind energy is one of option that can be used as an alternative energy. Tools that can be used to convert this alternative energy is windmill. The aim of this research is to make prototype of windmill and then be tested to know the maximun coeficient power and also the most optimal tip speed ratio.
Tested be done by used prototype of American multi-blade windmill with three variations of pitch angle 10o, 20o, and 30o with 80cm diameters. This windmill made by 1 mm alluminium sheet. There are a view step of this test, first are we made the prototype of the windmill, and then that windmill are joined to wind tunnel, and then we collect the data from the windmill. Data that colected are wind speed, rpm, torsion, wind power, windmill power, coefficient power, and tip speed ratio. conclusion is 30o variations is the best variation.
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Energi merupakan suatu kebutuhan yang sangat diperlukan oleh masyarakat pada masa kini. Penggunaan energi yang paling banyak dijumpai pada dewasa ini adalah energi fosil. Sumber energi fosil kini jumlahnya sudah semakin sedikit namun kebutuhan konsumsi bahan bakar minyak terus meningkat. Energi ini pun tidak dapat kita produksi dengan waktu yang singkat dan tidak renewable. Para pakar memperkirakan kandungan minyak bumi di Indonesia akan habis dalam waktu beberapa tahun kedepan. Hal ini menjadikan kebutuhan akan energi alternatif sangatlah mendesak.
Energi yang berasal dari angin merupakan salah satu energi yang dapat dijadikan sebagai energi alternatif. Energi angin merupakan energi yang terdapat dimana – mana. Di Indonesia energi angin sebenarnya dapat dengan mudah ditemui namun penggunaannya sampai sekarang belum terlalu banyak. Indonesia sendiri adalah negara kepulauan yang cukup dan memiliki potensi angin yang cukup baik, yaitu sekitar 3,5 – 5,9 m/s (Sumber : Pusat Meterologi dan Geofisika tahun 2000). Potensi ini sangatlah mendukung Indonesia dalam penggunaan energi angin sebagai salah satu energi alternatif.
energi mekanik menjadi energi listrik. Alat ini tidak sulit dalam pembuatanya serta tidak membutuhkan teknologi yang cangih, biaya pembuatan murah dan dapat di aplikasikan di daerah yang jauh dari perkotaan.
Pembuatan kincir angin juga merupakan salah satu usaha untuk menjadikan energi terbarukan sebagai energi alternatif yang dapat digunakan oleh masyarakat khususnya masyarakat Indonesia yang sebagian besar masih menggunakan energi yang berasal dari bahan bakar fosil. Salah satu jenis kincir yang mudah dalam pembuatannya adalah jenis kincir angin American Multi-blade. Kincir American Multi-blade adalah kincir yang memiliki jumlah sudu lebih dari dua dan termasuk dalam jenis kincir angin poros horizontal.
Dalam penelitian ini, model kincir angin yang digunakan adalah jenis American Multi-blade dengan tiga variasi pitch angle. Pitch angle adalah sudut kemiringan pada sudu kincir. Melalui penelitian ini akan diketahui pengaruh pitch angle terhadap unjuk kerja model kincir angin yang ditunjukkan melalui koefisien daya maksimal dan tip speed ratio kaitannya.
1.2. Rumusan Masalah
Tingginya pemakaian energi fosil akan mengakibatkan cadangan energi dari fosil ini semakin lama akan makin menipis, maka dari itu pemanfaatan dari energi alternatif sangatlah perlu dilakukan sejak dini. Salah satu energi alternatif yang mudah didapat serta mudah pengunaannya adalah energi angin. Dengan melakukan penelitian ini diharapkan dapat mengetahui tingkat efisiensi yang paling besar dari kincir yang akan diuji untuk dapat digunakan dan diaplikasikan. 1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
a. Membuat kincir angin model American multi-blade dengan 3 variasi pitch angle 10o, 20o, 30o.
b. Membandingkan koefisien daya yang dihasilkan kincir angin pada masing – masing sudut atau pitch angle.
c. Mencari variasi yang terbaik dari masing-masing kincir berdasarkan perbandingan koefisien daya ( Cp ) yang dihasilkan.
1.4. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah :
a. Mengetahui kinerja kincir angin pada setiap variasi sudutnya
b. Mengetahui variasi yang paling efektif untuk digunakan dan diaplikasikan.
c. Sumber referensi bagi pengembangan teknologi khususnya untuk mengembangkan teknologi angin sebagai teknologi alternatif.
digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik.
1.5. Batasan Masalah
Batasan – batasan masalah dari pembuatan kincir ini adalah :
1. Model kincir angin yang dibuat berbahan baku aluminium dengan diameter 80 cm.
2. Objek penelitian adalah model kincir jenis American multi-blade dengan variasi pitch angle 10o, 20o, 30o.
3. Jumlah sudu kincir sebanyak 10 buah.
4. Jangkauan kecepatan angin disesuaikan dengan kondisi wind tunnel ( terowongan angin) yang digunakan.
5 BAB II
DASAR TEORI
2.1 Konsep Dasar Energi Angin
Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia, namun energi angin hanya memenuhi sebagian kecil dari kebutuhan akan energi. Dengan demikian kemajuan teknologi, penggunaan energi angin makin meningkat dan biaya penggunaannya semakin murah. Contoh penggunaan energi angin ini adalah Pembangkit Listrik Tenaga Bayu ( PLTB ) yang menggunakan angin sebagai sumber tenaga listrik, perahu- perahu layar menggunakan energi ini untuk melewati perairan, dan banyak contoh-contoh lainnya. Pada asasnya angin merupakan udara yang bergerak yang disebabkan oleh rotasi bumi dan disertai perbedaan tekanan udara sekitar. Angin selalu bergerak dari tempat bertekanan tinggi ke tempat bertekanan rendah.
Pada umumnya kecepatan angin dipengaruhi oleh letak tempat dan ketinggiannya. Bila letak tempatnya di daerah khatulistiwa maka angin akan lebih cepat dibandingkan dengan letak tempatnya jauh dari khatulistiwa. Begitu pula ketinggianya. Semakin tinggi tempatnya semakin kencang juga anginnya. Hal ini disebabkan oleh, semakin tinggi suatu tempat maka, gaya gesekan yang di
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 energilistrik, disebut juga denganturbin angin. Turbin angin kebanyakan ditemukan diEropadanAmerika Utara. Secara umum kincir angin digolongkan menjadi dua jenis menurut porosnya yaitu : kincir angin poros horisontal dan kincir angin poros vertikal. Beberapa jenis dari kincir poros horizontal dan vertikal dapat dilihat pada Gambar 2.1 berikut ini.
2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal
Kincir Angin Poros Horizontal atau Horizontal Axis Wind Turbin (HAWT) adalah kincir angin yang memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah angin. Kincir angin poros horisontal ini memiliki jumlah sudu minimal dua dan bisa lebih dari dua, kincir angin ini dapat berputar dikarenakan adanya gaya aeorodinamis yang bekerja pada suatu kincir.
Beberapa jenis kincir angin poros horizontal yang telah banyak dikenal diantaranya ditunjukan pada Gambar 2.2 dan 2.3.
Gambar 2.3 jenis kincir angin poros horizontal Propeller.
(Sumber : http : //www.ecowatchcanada.wordpress.com, diakses 14 Februari 2015)
Kincir angin poros horizontal memiliki kekurangan dan kelebihan masing - masing.
Kelebihan kincir angin poros horizontal:
1. Memiliki faktor keamanan yang lebih baik karena posisi sudu yang berada diatas menara.
2. Mampu mengkonversikan energi angin pada kecepatan tinggi.
3. Tidak memerlukan karateristik angin karena arah angin langsung menuju rotor.
4. Setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%. Kekurangan yang dimiliki oleh kincir angin poros horizontal:
2. Perlu adanya mekanisme tambahan untuk menyesuaikan dengan arah angin (sirip penggerak atau sensor elektrik)
2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal
Kincir angin poros vertikal atau Vertikal Axis Wind Turbin (VAWT) adalah salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan arah angin atau dengan kata lain kincir jenis ini dapat mengkonversi tenaga angin dari segala arah kecuali arah angin dari atas atau bawah. Kincir jenis ini menghasilkan torsi yang lebih besar dari pada kincir angin poros horisontal.
Beberapa jenis kincir angin poros vertikal yang telah banyak dikenal diantaranya ditunjukkan pada Gambar 2.4 dan 2.5.
Gambar 2.5 Kincir angin poros vertical jenis Savonius. (Sumber : http://coolmyplanet.orgdiakses 16 Februari 2015)
Kincir Angin poros vertikal memiliki kekurangan dan kelebihan masing – masing antara lain :
Kelebihan kincir angin poros vertikal:
1. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar. 2. Memiliki torsi yang besar pada putaran rendah. 3. Dapat menerima arah angin dari segala arah.
4. Tidak perlu mengatur sudut – sudut untuk menggerakan sebuah generator.
5. Dapat bekerja pada putaran rendah. Kelemahan kincir angin poros vertikal:
1. Bekerja pada putaran rendah, sehingga energi angin yang dihasilkan kecil.
2.3 Grafik Hubungan Antara Cp Terhadap Tsr
Menurut Albert Betz, ilmuan Jerman, bahwa koefisien daya maksimal dari kincir angin adalah sebesar 59% seperti yang terlihat pada Gambar 2.3. Batas maksimal tersebut dikenal dengan Betz limit. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Grafik hubungan antara Cp dan TSR untuk berbagai jenis kincir (Sumber: gunturcupletz.blogspot.com diakses 21 Februari 2015) 2.4 Rumus Perhitungan
Sub – sub bab dibawah ini adalah rumus–rumus yang digunakan untuk melakukan perhitungan dan analisis kerja kincir angin yang diteliti.
2.4.1 Energi Angin
Ek = 0,5m v2 (1) dengan :
Ek = energi kinetik (joule).
m = massa udara (kg). v = kecepatan angin (m/s).
Daya adalah energi persatuan waktu, sehingga dapat di tuliskan sebagai berikut:
Pin=0,5 m v2 (2)
dengan:
Pin = daya angin (watt).
m = massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu (kg/s). dengan:
m=ρ A v (3)
dengan:
ρ = massa jenis udara (kg/m3).
A = luas penampang yang membentuk sebuah lingkaran ( m2 ). Dengan menggunakan Persamaan ( 3 ), maka daya angin ( Pin ) dapat dirumuskan menjadi :
yang dapat disederhanakan menjadi :
Pin = 0,5 ρ A v3 (4)
2.4.2 Perhitungan Torsi dan Daya
Untuk mengetahui perbedaan unjuk kerja dari setiap sudut kemiringan sudu yang divariasikan, maka perlu mencari torsi dinamis dan daya yang dihasilkan oleh kincir.
2.4.2.1 Torsi
Torsi merupakan hasil perkalian vektor antara jarak sumbu putar dengan gaya yang bekerja pada titik yang berjarak tertentu dari sumbu pusat. Pada penelitian ini digunakan mekanisme pengereman, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :
T = F r
(5) dengan:
T = torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros (Nm). F = gaya pada poros akibat puntiran (N).
r = jarak lengan torsi ke poros (m).
2.4.2.1 Daya kincir
Pada umumnya perhitungan untuk menghitung daya pada gerak melingkar dapat dituliskan sebagai berikut :
dengan :
T = torsi dinamis (Nm).
ω = kecepatan sudut (ω) didapatkan dari
n rpm =
= n
ω = rad/s
Dengan ini untuk daya yang dihasilkan oleh kincir dapat dinyatakan dengan persamaan yaitu :
Pout =T
rad/s (7)
dengan :
Pout = Daya yang dihasilkan kincir angin (watt). n = Putaran poros (rpm).
2.4.3 Tip Speed Ratio
Tip speed ratio ( TSR ) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin dengan kecepatan angin.
Kecepatan di ujung sudu ( vt ) dapat dirumuskan sebagai :
dengan :
Vt = kecepatan ujung sudu ω = kecepatan sudut (rad/s). r = Jari-jari kincir (m). sehingga tsrnya dapat dirumuskan dengan :
tsr=
(9)
dengan :
r = jari – jari kincir (m).
n = putaran poros kincir tiap menit (rpm). v = kecepatan angin (m/s).
2.4.4 Koefisiensi Daya
Koefisien daya (Cp) adalah pebandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir (Pout) dengan daya yang disediakan oleh angin (Pin), sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :
Cp =
100%
(10) dengan :
Cp = koefisien daya (%).
16 BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Metode Penelitian
Dalam penelitian ini data yang diperlukan dapat diperoleh melalui tiga metode yaitu :
1. Penelitian Kepustakaan (Library Research)
Penelitian kepustakaan adalah penelitian untuk landasan teori dan tugas akhir dengan cara membaca literatur - literatur yang berhubungan dengan penulisan tugas akhir ini serta dapat dipertanggungjawabkan kebenarannya.
2. Pembuatan alat
Pembuatan alat uji berupa kincir angin tipe American multi-blade dilakukan sebelum penelitian, kemudian kincir dipasang pada wind tunnel sederhana beserta motor sebagai sumber angin untuk memutar kincir.
3. Pengamatan secara langsung ( observasi )
3.2. Peralatan pengujian
Dalam melakukan pengujian kincir angin digunakan beberapa peralatan yang mendukung kinerja dari kincir angin tipe American multi-blade ini. Beberapa peralatan pendukung pengujian tersebut adalah :
1. Fan ( kipas angin besar ), berfungsi sebagai sumber angin yang dipasang tepat di belakang terowongan angin.
2. Motor, berfungsi merubah energi listrik menjadi energi mekanik untuk menggerakkan fan.
3. V-belt, berfungsi sebagai penghubung antara Motor dan Fan. 4. Terowongan Angin / wind tunnel, berfungsi sebagai terowongan
yang dilewati angin, terowongan ini terbuat dari triplek.
5. Anemometer digital, berfungsi untuk mengukur kecepatan angin dan suhu lingkungan.
6. Tachometer, berfungsi untuk mengukur kecepatan putaran poros. 7. Neraca pegas, berfungsi untuk mengukur berat pembebanan. 8. Tali nylon, berfungsi untuk menggantungkan pembebanan. 9. Mekanisme pengereman, berfungsi untuk pembebanan.
3.3. Alat dan Bahan
Bahan – bahan yang digunakan dalam pembuatan kincir angin ini adalah :
3. Pipa aluminium profil U dengan panjang 40 cm.
Sedangkan beberapa alat yang digunakan untuk membuat kincir ini antara lain adalah :
1. Gunting seng 2. Alat tekuk plat 3. Obeng
4. Tang
5. Penggaris besi 6. Alat kikir 7. Gerinda duduk 8. Gerinda potong 9. Mesin bor 10. Karet beban 11. Baut & mur
3.4. Desain sudu kincir
Gambar 3.1 Desain sudu kincir
3.5. Prosedur Penelitian
Adapun beberapa prosedur penelitian harus dilakukan demi optimalnya pengambilan data dan keutamaan faktor keselamatan penguji. Prosedur yang harus dilakukan diantaranya sebagai berikut :
1. Pembuatan alat
Langkah-langkah yang ditempuh dalam pembuatan kincir angin tipe American multi-blade adalah:
a. Menyiapkan alat dan bahan yang diperlukan.
Bahan – bahan yang digunakan dalam pembuatan kincir angin ini antara lain :
1) Plat aluminium ukuran 1 x 1 meter. 2) Tutup paralon diameter 6 inch.
3) Pipa aluminium profil U dengan panjang 40 cm. b. Proses pembutan kincir angin meliputi :
1) Menyiapkan plat aluminium sebagai bahan dasar pembuatan sudu kincir.
2) Membuat pola atau gambar pada plat aluminium sesuai ukuran yang diinginkan.
3) Memotong pola sesuai dengan pola yang sudah dibuat dengan alat potong plat.
5) Memotong pipa aluminium profil U sepanjang sudu kincir yaitu 40cm.
6) Menyatukan pipa dengan sudu kincir dengan menggunakan baut.
7) Menyiapkan Hub yang terbuat dari tutup pipa paralon.
8) Membuat lubang pada hub yang digunakan untuk tempat baut. 9) Memasang sudu pada hub yang sudah disiapkan.
2. Pengujian dan pengambilan data
Proses pengujian dan pengambilan data pada kincir angin jenis American multi-blade ini dilakukan sebanyak tiga kali karena jumlah variasi pitch angle yang ingin diuji juga tiga yaitu pada sudut 10o, 20o, dan 30o. Berikut adalah tahapan – tahapan yang dilakukan selama proses pengujian dan pengambilan data :
a. Pengukuran kecepatan angin
Pengukuran kecepatan angin dilakukan untuk mengetahui kecepatan angin pada ruang uji yaitu wind tunnel (terowongan angin). Proses pengukuran kecepatan angin adalah sebagai berikut:
1) Menyiapkan peralatan berupa anemometer
3) Menghidupkan motor dan membiarkannya beroperasi beberapa menit sampai putarannya stabil.
4) Memasang alat pengukur kecepatan angin (anemometer) di depan wind tunnel.
b. Memasang kincir angin pada wind tunnel.
c. Mengukur putaran poros kincir dengan menggunakan tachometer untuk putaran awal.
d. Menambahkan beban pada kincir dengan menggunakan karet beban yang dipasang pada mekanisme pengereman secara berkala sampai kincir berhenti berputar.
e. Mencatat setiap perubahan RPM, kecepatan angin, serta beban yang terjadi secara berkala sampai kincir berhenti berputar. f. Melakukan kembali proses a – e pada variasi pitch angle 20o
dan 30o dengan terlebih dulu melakukan penekukan plat sudu. 3. Pengolahan data dan pembahasan hasil penelitian
Pengolahan data dilakukan dengan mengolah data yang diperoleh menggunakan Microsoft Excel. Besaran-besaran yang dicari adalah :
a. Tip speed ratio (TSR) b. Koefisien Daya (Cp) c. Torsi (T)
Mencatat Data Hasil
Selesai Melakukan Pembahasan
Membuat Kesimpulan Mengolah Data Mencari Literatur
Mengambil Data Mulai
Membuat Alat
f. Diagram hubungan antara Cp dan TSR 4. Menarik kesimpulan dari hasil pengolahan data.
3.6. Flow Chart
25 BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Percobaan
Hasil yang dicari pada pengujian kincir angin jenis American multi-blade meliputi : kecepatan angin, v (m/s), putaran poros, n (rpm), dan gaya pengimbang / beban, F (N) disajikan pada Tabel 4.1, 4.2, dan 4.3. Pengambilan data ini dilakukan dengan variasi pitch angle blade 10˚,20˚, dan 30˚.
Tabel 4.1 menunjukkan hasil dari pengambilan data kecepatan angin rata– rata, putaran poros, n (rpm), dan beban pengimbang, F (gram) pada kincir dengan variasi pitch angle blade 10o.
Tabel 4.1 Data percobaan kincir dengan pitch angle 10o No Kec. Angin rerata, ν
angin rata-rata 8.9 m/s adalah sebanyak 9 data. Dari data itu diperoleh bahwa pada keadaan tanpa pembebanan kincir ini dapat berputar sampai hampir 400 rpm dan baru berhenti setelah menerima pembebanan diatas 600 gram.
Tabel 4.2 menunjukkan hasil dari pengambilan data kecepatan angin rata-rata, putaran poros, n (rpm), dan beban pengimbang, F ( gram ) pada kincir dengan variasi pitch angle blade 20o.
Tabel 4.2 Data percobaan kincir dengan pitch angle 20o No Kec. Angin rerata,
Tabel 4.3 menunjukkan hasil dari pengambilan data kecepatan angin rata – rata, putaran poros, n (rpm), dan beban pengimbang, F (gram) pada kincir dengan variasi pitch angle blade 30o.
Tabel 4.3 Data percobaan kincir dengan kemiringan pitch angle 30o No Kec. Angin rerata, ν
Pada tabel diatas dapat kita lihat bahwa pada kincir jenis American multi-blade sudu 10 dengan variasi pitch angle 30o ini data yang diperoleh dari mulai keadaan tanpa beban sampai keadaan pembebanan maksimal adalah sebanyak 12 data. Dari data itu diperoleh bahwa pada keadaan tanpa pembebanan kincir ini dapat berputar sampai hampir 405 rpm dan baru berhenti setelah menerima pembebanan diatas 1100 gram.
4.2 Perhitungan
4.2.1 Perhitungan Daya Angin
Daya angin adalah daya yang dihasilkan angin pada kincir angin dengan swept area ( A ) = 0.503 m2 dan kecepatan angin rata-rata 8.62 m/s, dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (4). dengan menggunakan Persamaan (5), untuk mendapatkan daya kincir kita harus mengetahui kecepatan sudut dan torsi, maka perlu dicari terlebih dahulu menggunakan Persamaan (7) dan (6):
4.2.3 Tip Speed Ratio
Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan ujung kincir dengan kecepatan angin atau tip speed ratio dapat dicari dengan menggunakan
Koefisien daya kincir dapat dicari dengan persamaan 09 :
Cp =
Untuk kincir dengan variasi pertama yaitu dengan pitch angle blade 10o data – data kecepatan angin, putaran poros, serta beban yang sudah diperoleh pada Tabel 4.1 kemudian dilanjutkan dengan proses penghitungan untuk mencari torsi, kecepatan sudut, daya angin, daya kincir, tip speed ratio, serta koefisien daya dari kincir tersebut.
Hasil lengkap dari perhitungan data yang sudah diperoleh sebelumnya untuk kincir American multi-blade sudu 10 dengan variasi pitch angle blade 10o dapat dilihat pada tabel diberikut ini :
Tabel 4.5 Data perhitungan kincir sudu 10 dengan pitch angle 10o
untuk mencari torsi, kecepatan sudut, daya angin, daya kincir, tip speed ratio, serta koefisien daya dari kincir tersebut.
Hasil lengkap dari perhitungan data yang sudah diperoleh sebelumnya untuk kincir American multi-blade sudu 10 dengan variasi pitch angle blade 20o dapat dilihat pada tabel diberikut ini:
Tabel 4.6 Data perhitungan kincir sudu 10 dengan pitch angle 20o
No
diperoleh pada Tabel 4.3 kemudian dilanjutkan dengan proses penghitungan untuk mencari torsi, kecepatan sudut, daya angin, daya kincir, tip speed ratio, serta koefisien daya dari kincir tersebut.
Hasil lengkap dari perhitungan data yang sudah diperoleh sebelumnya untuk kincir American multi-blade sudu 10 dengan variasi pitch angle blade 30o dapat dilihat pada tabel diberikut ini :
Tabel 4.7 Data perhitungan kincir sudu 10 dengan pitch angle 30o
4.4 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan
Data yang telah diperoleh kemudian diolah kembali ke dalam bentuk grafik untuk mengetahui hubungan antara torsi dengan kecepatan putar kincir (rpm), torsi dengan daya yang dihasilkan kincir (Pout) serta koefisien daya kincir (Cp) dengan tip speed ratio ( TSR ). Grafik yang disajikan untuk setiap variasi percobaan dapat dilihat pada gambar - gambar berikut ini :
Gambar 4.1 menunjukkan grafik hubungan antara torsi dengan putaran poros kincir jenis American multi-blade dengan jumlah sudu 10 pada variasi pitch angle 10o.
dengan variasi pitch angle 10o adalah putaran poros maksimum terjadi pada keadaan tanpa pembebanan sekitar 380 rpm atau hampir mencapai 400 rpm.
Sedangkan untuk torsi maksimum yaitu sekitar 1,18 N.m. Dari grafik diatas kita dapat mengetahui bahwa torsi maksimum terjadi justru pada saat rpm terendah yaitu sekitar 38 rpm. Dari sini dapat disimpulkan bahwa semakin besar torsi yang dihasilkan maka putaran poros kincir akan semakin kecil.
Gambar 4.2 menunjukkan grafik hubungan antara torsi dengan daya output yang dihasilkan kincir jenis American multi-blade dengan jumlah sudu 10 pada variasi pitch angle 10o.
Gambar 4.2 Grafik hubungan daya output dengan torsi pada variasi pitch angle 10o
Gambar 4.2 memperlihatkan bahwa untuk kincir American multi-blade jumlah sudu 10 dengan variasi pitch angle 10o daya optimal yang dapat dihasilkan dari kincir ini adalah sekitar 15 watt yang terjadi pada saat torsi sebesar 0,85 N.m.
Dari data ini dapat disimpulkan bahwa penigkatan daya kincir tidak berbanding lurus ataupun berbanding terbalik dengan peningkatan torsi. Hal ini karena daya yang dihasilkan kincir mengalami peningkatan terus sampai mencapai titik optimal namun kembali turun padahal torsi kincir masih menunjukan peningkatan.
Gambar 4.3 menunjukkan grafik hubungan antara tip speed ratio ( TSR ) dengan koefisien daya yang dihasilkan kincir jenis American multi-blade dengan jumlah sudu 10 pada variasi pitch angle 10o.
Gambar 4.3 Grafik hubungan koefisien daya (Cp) dengan Tip speed ratio pada variasi pitch angle 10˚
dideferensialkan menjadi
adalah Cp . Sehingga didapatkan nilai tsr optimal sebesar 0,96 dan Cp maksimalnya
sebesar 7%. Dapat dilihat bahwa kincir angin American multi-blade sudu 10 dengan variasi pitch angle 10o ini memiliki hasil yang tidak jauh berbeda baik yang ditunjukkan oleh tabel perhitungan maupun dari grafik pendekatan.
Sama seperti grafik sebelumnya, hubungan antara koefisien daya kincir dan TSR pada kincir ini tidak berbanding lurus ataupun terbalik. Koefisien daya kincir cenderung naik bersamaan dengan naiknya TSR namun setelah mencapai titik maksimum koefisien daya kincir mengalami penurunan padahal TSR masih cenderung naik.
Untuk grafik pengujian kincir American multi-blade dengan jumlah sudu 10 pada variasi pitch angle 20o dapat dilihat pada gambar - gambar berikut ini :
Gambar 4.4 Grafik hubungan putaran poros dengan torsi pada variasi pitch angle 20o
Pada Gambar 4.4 kita dapat melihat bahwa hubungan antara torsi dan putaran poros (rpm) pada pengujian kincir American multi-blade sudu 10 dengan variasi pitch angle 20o adalah putaran poros maksimum terjadi pada keadaan tanpa pembebanan sekitar 470 rpm atau hampir mencapai 500 rpm.
Gambar 4.5 Grafik hubungan daya output dengan torsi pada blade pitch angle 20o
Grafik 4.5 diatas memperlihatkan bahwa untuk kincir American multi-blade jumlah sudu 10 dengan variasi pitch angle 20o daya optimal yang dapat dihasilkan dari kincir ini adalah sekitar 25 watt yang terjadi pada saat torsi sebesar 1 N.m.
Dari data ini dapat disimpulkan juga bahwa peningkatan daya kincir tidak berbanding lurus ataupun juga berbanding terbalik dengan peningkatan torsi. Hal ini karena dapat dilihat pada grafik bahwa daya yang dihasilkan kincir mengalami peningkatan terus sampai mencapai titik optimal namun kembali turun padahal torsi kincir masih menunjukan peningkatan.
Gambar 4.6 Grafik hubungan Koefisien daya dengan tip speed ratio pada pitch angle 20˚
Pada Gambar 4.6 memperlihatkan hubungan antara koefisien daya (CP) dengan tip speed ratio (TSR). Pada tabel perhitungan dapat dilihat bahwa kincir angin American multi-blade sudu 10 dengan variasi pitch angle 20o ini memiliki koefisien daya maksimum sebesar 16% pada TSR sebesar 1.4. Melalui pendekatan grafik dapat diperoleh persamaan Cp = -0,134tsr2 + 0,295tsr + 0,000, lalu
dengan prosesdiferensial maka diperoleh persamaan
=
(2. -0,134tsr) + (0,295) =0 dengan x adalah tsr dan y adalah Cp sehingga diperoleh nilai TSR optimal sebesar 1,1
dan nilai Cp maksimal sebesar 16%. Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa dari hasil
perhitungan tabel maupun dari hasil pendekatan grafik menunjukkan perbedaan yang
tidak terlalu banyak hanya nilai TSR optimalnya saja yang berbeda.
Sama seperti grafik sebelumnya, hubungan antara koefisien daya kincir dan TSR pada kincir ini tidak berbanding lurus maupun terbalik. Koefisien daya kincir cenderung naik bersamaan dengan naiknya TSR namun setelah mencapai
titik maksimum koefisien daya kincir mengalami penurunan padahal TSR masih cenderung naik.
Sedangkan untuk grafik pengujian kincir American multi-blade dengan jumlah sudu 10 pada variasi pitch angle 30o dapat dilihat pada grafik-grafik berikut ini:
Gambar 4.7 Grafik hubungan putaran poros dengan torsi untuk kemiringan pitch angle 30o
Dari grafik diatas kita dapat mengetahui bahwa torsi maksimum kembali terjadi justru pada saat rpm terendah sebelum kincir berhenti berputar yaitu sekitar 50 rpm. Dari sini kita dapat menyimpulkan bahwa semakin besar torsi yang dihasilkan maka putaran poros kincir akan semakin kecil.
Gambar 4.8 Grafik hubungan daya output dengan torsi untuk pitch angle 30o Gambar 4.8 memperlihatkan bahwa untuk kincir American multi-blade jumlah sudu 10 dengan variasi pitch angle 30o daya optimal yang dapat dihasilkan dari kincir ini adalah sekitar 30 watt yang terjadi pada saat torsi sebesar 1,2 N.m.
Dari data ini dapat kita simpulkan bahwa peningkatan daya kincir tidak berbanding lurus ataupun juga berbanding terbalik dengan peningkatan torsi. Hal ini karena dapat dilihat pada grafik bahwa daya yang dihasilkan kincir mengalami peningkatan terus sampai mencapai titik optimal namun kembali mengalami penurunan padahal torsi kincir masih terus menunjukan peningkatan.
Gambar 4.9 Grafik hubungan koefisien daya dengan Tip speed ratio pada pitch angle 30o
Pada Gambar 4.9 ini memperlihatkan hubungan antara koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio (TSR). Pada tabel perhitungan dapat dilihat bahwa kincir angin American multi-blade sudu 10 dengan variasi pitch angle 30o ini memiliki koefisien daya maksimum sebesar 17% pada TSR sebesar 1.2. Melalui pendekatan grafik dapat diperoleh persamaan Cp = -0,183tsr2 + 0,356tsr - 0,011, lalu
dengan prosesdiferensial maka diperoleh persamaan
=
(2. -0,183tsr) + (0,356) =0 dengan x adalah tsr dan y adalah Cp sehingga diperoleh nilai TSR optimal sebesar
0,972 dan nilai Cp maksimal sebesar 16%. Dari hasil tersebut dapat dilihat bahwa ada
perbedaan hasil antara tabel perhitungan dengan hasil dari pendekatan grafik namun
perbedaanny tidak terlalu besar.
Sama seperti grafik sebelumnya, hubungan antara koefisien daya kincir dan TSR pada kincir ini tidak berbanding lurus maupun terbalik. Koefisien daya kincir cenderung naik bersamaan dengan naiknya TSR namun setelah mencapai
titik maksimum koefisien daya kincir mengalami penurunan padahal TSR masih cenderung mengalami peningkatan.
4.5 Pembahasan
Dari hasil melakukan pengujian pada tiga kincir jenis American multi-blade jumlah sudu 10 dengan tiga variasi pitch angle multi-blade yaitu 10o, 20o, dan 30o sudah diperoleh data – data berupa kecepatan angin rata – rata, putaran poros (rpm), beban pengimbang (N), torsi (T), kecepatan sudut (ω), daya angin (Pin), daya kincir (Pout), tip speed ratio (TSR), serta koefisien daya (Cp) yang dapat dilihat pada bab sebelumnya. Dari data – data tersebut yang akan dibandingkan hanya daya yang dihasilkan kincir (Pout) pada masing - masing variasi pitch angle, koefisien daya optimal (Cp) dari masing – masing pitch angle, serta tip speed ratio (TSR) maksimal dari masing-masing variasi pitch angle.
ketiga variasi ini yang paling baik adalah ditunjukkan pada kincir dengan variasi pitch angle terbesar yaitu pitch angle 30o dengan daya maksimal mencapai 29,67 watt atau hampir mencapai 30 watt.
Lalu untuk perbandingan yang kedua yaitu perbandingan koefisien daya maksimal yang diperoleh dari antara ketiga variasi pitch angle kincir. Koefisien daya maksimal ( Cp ) pada kincir jenis American multi-blade jumlah sudu 10 pada variasi pitch angle blade 10o adalah sebesar 7% pada tip speed ratio (TSR) sebesar 0,99, sedangkan untuk variasi kedua yaitu dengan pitch angle blade 20o koefisien daya maksimal yang dihasilkan adalah sebesar 16% pada tip speed ratio (TSR) sebesar 1,37, lalu pada variasi ketiga yaitu pada pitch angle blade 30o koefisien daya yang dihasilkan sebesar 17% pada tip speed ratio (TSR) sebesar 1,02.
Dari data tersebut bisa dilihat juga bahwa semakin besar pitch anglenya maka koefisien daya yang dihasilkan kincir juga akan semakin besar meskipun pada pitch angle 20o dan 30o kenaikan koefisien dayanya tidak terlalu signifikan yaitu hanya naik 1%. Dari data tersebut juga dapat disimpulkan untuk perbandingan koefisien daya yang dihasilkan (Cp) dari ketiga variasi ini yang paling baik adalah ditunjukkan pada kincir dengan variasi pitch angle terbesar yaitu pitch angle 30o yaitu sebesar 17% pada tip speed ratio1,02.
pitch angle blade 20o tip speed ratio maksimal yang dihasilkan adalah 2,22, lalu pada variasi ketiga yaitu pada pitch angle blade 30o tip speed ratio maksimal yang dihasilkan adalah 1,88.
Dari data tersebut dapat dilihat bahwa tip speed ratio mengalami kenaikan antara pitch angle 10o dengan pitch angle 20o namun mengalami penurunan kembali pada pitch angle 30o. Hal ini dipengaruhi oleh kecepatan putar poros dari masin-masing variasi. Perbandingan antara Cp dan tip speed ratio (TSR) untuk ketiga variasi dapat dilihat juga pada gambar 4.10.
47 BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Setelah melakukan pembuatan serta pengujian kincir angin jenis American multi-blade sudu 10 dengan variasi pitch angle 10o, 20o, dan 30o dapat disimpulkan bahwa :
1. Telah berhasil dibuat kincir angin jenis American multi-blade sudu 10 dengan tiga variasi pitch angle 10o, 20o, dan 300 dengan diameter 80 cm dan telah digunakan dalam penelitian.
2. Dari ketiga variasi model kincir yang diteliti, variasi pitch angle 10o
3. Dari hasil perbandingan dapat disimpulkan bahwa yang merupakan variasi terbaik adalah model kincir pitch angle 30o dengan koefisien daya terbesar yaitu maksimal 17% pada tip speed ratio 1,02.
5.2 Saran
DAFTAR PUSTAKA
Anonim,2010, Menghitung Energi dari Kincir Angin, https://miskardi. wordpress.com/2010/08/28/menghitung-energi-dari-kincir-angin/,
diakses tanggal 3 Maret 2015.
Anonim,2012, Energi Angin, http://teknikbagusblogspot.com/2012/03/energi-angin.html, diakses tanggal 3 Maret 2015.
Daryanto,Y., 2007, Kajian Potensi Angin untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu, Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, Pengelolaan Energi Nasional.
Johnson, G.L. 2006,Wind Energy System, Manhattan. Diakses : Tanggal 12 Februari 2015.
