i
EFEK VARIASI TINGGI UJUNG SUDU TERHADAP UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER DARI BAHAN PIPA PVC
TUGAS AKHIR
Untuk memenuhi sebagian persyaratan Memperoleh gelar sarjana teknik
Program Studi Teknik Mesin
Diajukan oleh :
F.X ANANG KRISTANTO A.W
NIM : 095214050
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
ii
THE EFFECT OF BLADE TIP HEIGHT VARIATIONS ON THE PERFORMANCE OF THE WINDMILL PROPELLER OF PVCPIPE
MATERIALS
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement to obtain the SarjanaTeknik degree Mechanical Engineering Study Program
by
F.X ANANG KRISTANTO A.W Student Number:095214050
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM DEPARTMENT OF ME
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY
vii INTISARI
Dewasa ini keberadaan energi fosil semakin berkurang. Dengan eksploitasi secara besar-besaran, maka dikawatirkan 25 tahun lagi tidak ada energi fosil yang bisa dimanfaatkan oleh manusia. Oleh karena itu perlu dikembangkan energi alternatif yang ramah lingkungan sekaligus mudah dalam pemanfaatannya sehingga dapat menggantikan energi fosil yang semakin berkurang. Salah satu energi yang dapat dikembangkan adalah energi angin yang sangat melimpah. Tujuan penelitian ini adalah untuk melihatdanmembandingkan unjuk kerja kincir angin poros horisontalberbahan PVC.
Model kincir angindibuatdalamtigavariasitinggiujungsudu, yakni 1,5; 3;dan 4,5 cm. Semua model kincir angin yang diuji memiliki diameter rotor 80 cm.Data yang diambil dalam pengujian kincir angin adalah kecepatan angin, kecepatan
putar kincir dan gayapengimbang.Sehinggadiperolehdayakincir(Pout),
koefisiendaya (CP), dantip speed ratio (tsr),
kemudiandilakukanperbandingandayakincir (Pout), koefisiendaya (CP), dantip speed ratio (tsr) untukmasing-masingvariasitinggiujungsudu.
Hasil penelitianmenunjukkan bahwauntuk kincir angin
dengantinggiujungsudu 1,5cm menghasilkan dayakincirsebesar 53,0 watt
denganCP 21,0%padatsr4,0. Kincirangindengantinggiujungsudu
3cmmenghasilkandayakincirsebesar87,6 watt dengan Cp30,1% pada tsr4,05. Sedangkankincirangindengantinggiujungsudu 4,5cmmenghasilkandayakincir 69,3
watt denganCP 28,0%padatsr 3,7. Sehinggadapatdisimpulkankincir
dengantinggiujungsudu 3cmmenghasilkan dayakincir (Pout), dantip speed ratio (tsr)yang lebih besar dari pada kincirangin dengan tinggiujungsudu 1,5dan 4,5cm.
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yang Maha Esa karena rahmat yang diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.
Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Tugas Akhir ini dilaksanakan dalam rangka memenuhi syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Berkat bimbingan, dukungan dan nasihat dari berbagai pihak, akhirnya Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., selaku Dekan Fakultas Sainsdan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Ir.Rines, M.T. sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir.
4. WibowoKusbandono, S.T., M.T., selaku Dosen pembimbing akademik.
5. Raden Benedictus Dwiseno Wihadi, S.T.,M.Si.,dan Ir. YB Lukiyanto, M.T., selakuKepalaLaboratoriumManufaktur.
6. A. MaryantodanIg. Sri Marlami selaku orang tua penulis, karena kebaikan dan kerendahan hati memberikan semangat pada penulis. Keluarga penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah mendukung penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.
7. ValentinaPuriRatnasari, S.Pd., selaku teman dekat penulis.
8. Rekan sekelompok saya, yaitu Darwin RavaelLaempasa yang telah membantu
x
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 ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vi
INTISARI ... vii
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI ... x
ISTILAH PENTING ... xii
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR TABEL ... xv
DAFTAR GRAFIK ... xvi
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan penelitian ... 2
1.3 Manfaat penelitian ... 2
1.4 Perumusan masalah ... 2
xi
BAB II Tinjauan Pustaka ... 4
2.1 Dasar Teori ... 4
2.2 Kincir Angin ... 5
2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal... 5
2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ... 7
2.2.3 Kincir Angin American Wind Mill ... 9
2.2.4 Faktor yang mempengaruhi kincir angin ... 9
1. Energi Yang Terdapat Pada Angin ... 9
2. Energi Kinetik ... 9
3. Daya Angin (Pin) ... 9
4. Tip speed ratio ... 10
5. Daya Yang Dihasilkan Angin (Pout) ... 10
6. Torsi ... 10
7. Kecepatan Sudut Kincir ... 11
8. Koefisien Daya Kincir ... 11
BAB III METODE PENELITIAN ... 12
3.1 Diagtam Alir Penelitian ... 12
3.2 Obyek Penelitian ... 13
3.3 Waktu Dan Tempat Penelitian ... 13
3.4 Alat Dan Bahan ... 13
3.5 Variabel Penelitian ... 21
xii
3.7 Langkah Percobaan ... 22
3.8 Langkah pengolahan data... 23
BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ... 24
4.1 Data Hasil Percobaan ... 24
4.2 Pengolahan Data Dan Perhitungan ... 28
4.2.1 Perhitungan Daya Angin (P in) ... 28
4.2.2 Perhitungan Daya Kincir (P out) ... 28
4.2.3 Perhitungan Tip speed ratio ... 29
4.2.4 Perhitungan Koefisien Daya Kincir (CP) ... 29
4.3 Hasil Perhitungan ... 29
4.3.1 Data perhitungan untuk kincir angin dengan pemotongan 1,5cm ... 30
4.3.2 Data perhitungan untuk kincir angin dengan pemotongan 3cm ... 31
4.3.4 Dataperhitungan untuk kincir angin dengan pemotongan 4,5 cm ... 33
4.4 Grafik hasil perhitungan ... 35
4.4.1 Grafik untuk variasi pemotongan sudut 1,5 cm ... 35
4.4.2 Grafik untuk variasi pemotongan sudut 3 cm ... 37
4.4.3 Grafik untuk variasi pemotongan sudut 4,5 cm ... 40
BAB V PENUTUP ... 43
5.1 Kesimpulan ... 43
5.2 Saran ... 44
xiii
ISTILAH PENTING
Simbol Keterangan
v Kecepatan angin (m/s)
n Kecepatan putar kincir (rpm)
F Gaya pengimbang (N)
A Luas penampang (m2)
T Torsi (N.m)
ω Kecepatan sudut (rad/sec)
Pin Daya yang tersedia (watt)
P out Daya yang dihasilkan (watt)
tsr Tip speed ratio
CP Koefisien daya
r Jarak lengan torsi (m)
d Diameter kincir (m)
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Kincir Angin Poros Horisontal ... 6
Gambar 2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ... 8
Gambar 2.3 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya (CP) Dengan Tip speed ratio (tsr) dari beberapa jenis kincir angin ... 11
Gambar 3.1 Diagram Alir Langkah-langkah Penelitian ... 12
Gambar 3.2 Konstruksi Kincir Angin ... 13
Gambar 3.3 Sudu Kincir Angin dengan variasi sudut potong ... 14
Gambar 3.4 Piringan Kincir Angin ... 15
Gambar 3.5 Pemasangan Kincir Angin ... 15
Gambar 3.6 Poros penopang Kincir ... 16
Gambar 3.7 Poros penyambung dihubungkan ke poros kincir ... 16
Gambar 3.8 Poros penyambung dihubungkan kesistem pengereman ... 17
Gambar 3.9 Mekanisme pembebanan atau lengan torsi ... 17
Gambar 3.10 Terowongan angina atau Wind Tunel ... 18
Gambar 3.11 Blower ... 19
Gambar 3.12 Tachometer ... 20
Gambar 3.13 Anemometer ... 20
Gambar 3.14 NeracaPegas ... 21
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Data percobaan kincir dengan tinggi ujung sudu 1,5cm ... 24
Tabel 4.2. Data percobaan kincir dengan tinggi ujung sudu 3cm ... 25
Tabel 4.3. Data percobaan kincir dengan tinggi ujung sudu 4.5cm ... 26
Tabel 4.3. Lanjutan tabel 4.3 ... 27
Tabel 4.4 - Tabel 4.6. Data hasil perhitungan untuk tinggi ujung sudu 1.5 ... 30
xvi
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4.1 Grafik hubungan antara torsi dengan putaran poros kincir untuk tinggi ujung sudu 1,5cm ... 35 Grafik 4.2 Grafik hubungan antara daya kincir dengan torsi untuk tinggi ujung sudu 1,5cm ... 36 Grafik 4.3 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio untuk tinggi ujung sudu 1.5cm ... 36 Grafik 4.4 Grafik hubungan antara torsi dengan putaran poros kincir untuk
tinggi ujungs udu 3cm ... 37 Grafik 4.5 Grafik hubungan antara daya kincir dengan torsi untuk tinggi ujung sudu 3cm ... 38 Grafik 4.6 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio untuk tinggi ujung sudu 3cm ... 39 Grafik 4.7 Grafik hubungan antara torsi dengan putaran poros kincir untuk
tinggi ujung sudu 4,5cm ... 40 Grafik 4.8 Grafik hubungan antara daya kincir dengan torsi untuk tinggi ujung sudu 4,5cm ... 41 Grafik 4.9 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio untuk tinggi ujung sudu 4,5cm ... 41
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1.Latar belakang
Penggunaan energi listrik sangat diperlukan oleh masyarakat. Masyarakat yang maju atau berkembang umumnya memerlukan listrik dalam jumlah besar dengan biaya serendah mungkin, maka dari itu banyak orang melakukan eksperimen dengan mencoba energi alternatif untuk menghasilkan listrik dengan biaya yang murah dan aman bagi lingkungan. Di indonesia banyak sekali energi alternatif yang dapat dimanfaatkan seperti energi surya, energi air, panas bumi, dan energi angin. Dari sekian banyak sumber energi yang paling mudah dimanfaatkan adalah energi angin karena angin ada dimana-mana sehingga mudah didapatkan dan biaya yang dibutuhkan tidak begitu mahal, untuk menghasilkan listrik dengan tenaga angin dibutuhkan kincir angin yang berguna untuk menangkap angin dan menggerakkan generator yang kemudian menghasilkan energi listrik.
Ada banyak jenis kincir angin yang dikembangkan. Jenis-jenis kincir angin diklasifikasikan menjadi dua jenis yaitu kincir angin dengan poros vertikal dan kincir angin dengan poros horisontal, yang masing-masing jenis mempunyai berbagai macam bentuk kincir angin.
2
variasi tinggi ujung sudu berbeda yang bertujuan untuk mengetahui sudu mana yang lebih baik digunakan.
1.2.Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah :
a. Mengetahui koefisien daya ( ) dan tip speed ratio (tsr) yang dihasilkan kincir angin.
b. Membandingkan daya yang dihasilkan kincir angin untuk tiga variasi tinggi ujung sudu kincir dengan bentuk dan ukuran yang sama.
1.3.Manfaat
Manfaat dari penelitian ini adalah :
a. Menjadi sumber informasi mengenai unjuk kerja kincir angin propeler tiga sudu berbahan PVC dengan variasi tinggi ujung sudu yang berbeda.
b. Memberi manfaat bagi pengembangan teknologi energi terbarukan di indonesia, khususnya energi angin.
c. Menjadi sumber refrensi bagi masyarakat di daerah dengan potensi energi angin yang besar untuk memberdayakan energi tepat guna. 1.4.Perumusan masalah
Masalah yang dapat dirumuskan dalam penelitian ini adalah :
3
b. Diperlukan kincir angin yang mampu mengkonversi energi angin tersebut dengan maksimal sehingga efisiensi yang diperoleh tinggi. 1.5.Batasan masalah
Batasan masalah yang ada dalam penelitian ini adalah :
a. Sebagai bahan uji dibuat kincir angin bahan sudunya dari pipa PVC dengan diameter 6 inchi, dalam bentuk yang sama dengan variasi tinggi ujung sudu yang berbeda yaitu 1,5; 3; dan 4,5 cm.
4 BAB II
Tinjauan pustaka
2.1. Dasar teori
Angin adalah udara bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Pada daerah yang bertemperatur tinggi, udara akan memuai dan massa jenis udara akan turun, sehingga tekanan udara di daerah tersebut akan rendah. Tekanan rendah ini akan diisi oleh udara yang datang dari tekanan yang lebih tinggi.
Kecepatan angin sangat dipengaruhi oleh beberapa hal : pertama, oleh letak tempat atau topografi, dimana jika angin menerpa pada topografi berupa gunung, angin akan cenderung naik dan jika angin menerpa pada topografi berupa dataran, maka angin akan cenderung lurus-lurus saja. Kedua, saat angin bergerak di atas daratan dan lautan juga sangat berbeda. Walau bagaimanapun angin yang bergerak di daratan akan cenderung mengikuti keadaan permukaan daratan, berbeda jika angin yang berhembus di atas lautan maka ia akan ikut mempengaruhi bentuk muka air laut, bahkan pergerakan arus di atas laut. Sehingga ia lebih bebas bergerak di atas lautan daripada di daratan. Ketiga, adanya pepohonan sangat berpengaruh jika pohon tersebut cukup tinggi, maka akan menggangu laju angin.
5
angin, tentunya dengan bantuan alat yang kita sebut dengan kincir angin. 2.2. Kincir Angin
Kincir angin adalah sebuah alat atau mesin yang digerakkan oleh tenaga angin sehingga menghasilkan energi mekanik atau gerak. Kincir angin dulunya banyak ditemukan di Belanda, Denmark, dan negara-negara eropa lainya yang pada waktu itu banyak digunakan untuk irigasi, menumbuk hasil pertanian, dan penggilingan gandum. Istilah yang dipakai untuk menamai kincir pada waktu itu adalah Windmill. (Sumber : http://wikipedia.org/Kincir_angin, diakses 20 july 2013).
Berdasarkan posisi poros kincir angin dibedakan menjadi dua kelompok utama, yaitu kincir angin poros horizontal dan kincir angin poros vertikal. Dalam penelitian ini akan dikembangkan mengenai kincir angin poros horizontal.
2.2.1. Kincir Angin Poros Horizontal
Kincir Angi 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 ini terdiri dari sebuah menara dan kincir yang berada pada puncak menara tersebut. Poros kincir dapat berputar 360⁰ terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin.
( Sumber : http://wikipedia.org/Kincir_angin, diakses 20 july 2013).
6
a. Kincir angin American WindMill.
b. Kincir angin Cretan Sail Windmill. c. Kincir angin Dutch four arm. d. Kincir angin Rival calzoni
a. Kincir angin American WindMill b. Kincir angin Cretan SailWindmill
c. Kincir angin Dutch four arm d. Kincir angin Rival calzoni
7
Kelebihan kincir angin poros horizontal adalah :
1. Mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi.
2. Banyak digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan skala besar. 3. Material yang digunakan lebih sedikit.
4. Memiliki faktor keamanan yang lebih baik karena posisi sudu yang berada diatas menara.
5. Kecepatan putar lebih besar dari pada kecepatan angin yang diakibatkan gaya angkat atau lift force oleh angin.
Adapun kelemahan yang dimiliki oleh kincir angin poros horizontal adalah :
1. Kontruksi yang tinggi dapat menyulitkan dalam pemasangan kincir.
2. Perlu adanya mekanisme tambahan untuk menyesuaikkan dengan arah
angin.
3. Biaya pemasangannya mahal.
2.2.2. Kincir Angin Poros Vertikal
Kincir angin poros vertikal 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 besar daripada kincir angin poros horisontal.
Kelebihan kincir angin poros vertikal adalah :
8
2. Memiliki torsi yang besar pada putaran rendah. 3. Dapat bekerja pada putaran rendah.
4. Tidak memerlukan mekanisme yaw.
5. Biaya pemasangan lebih murah.
Sedangkan kelemahan dari kincir angin poros vertikal adalah sebagai berikut :
1. Karena memiliki torsi awal yang rendah, diperlukan energi untuk mulai berputar.
2. Bekerja pada putaran rendah, sehingga energi angin yang dihasilkan kecil. 3. Dari konstruksinya berat poros dan sudu yang bertumpu pada bantalan
merupakan beban tambahan.
Beberapa jenis kincir angin poros vertikal yang ada di sekitar kita diantaranya seperti terlihat pada Gambar 2.2
a. Kincir angin Darrieus b. Kincir angin Savonius Gambar 2.2 Kincir Angin Poros Vertikal (Sumber :
9
Dalam tugas akhir yang saya buat ini akan membahan mengenai kincir angin poros horisontal tiga sudu dengan jenis American Wind Mill.
2.2.3. Kincir Angin American Wind Mill
Kincir angin jenis american wind mill merupakan salah satu dari kincir angin poros horisontal yang biasanya bersudu dua,tiga,empat,atau juga bersudu banyak.Kincir jenis ini dapat bekerja pada putaran yang tinggi sehingga dapat menghasilkan daya listrik yang besar.
2.2.4. Faktor yang mempengaruhi kincir angin
1. Energi potensial yang terdapat pada angin dapat memutarkan sudu-sudu yang terdapat pada kincir angin tersebut.
2. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat gerakan benda tersebut, yang dapat dirumuskan :
Energi kinetik = ½ m.V2 ………(1)
dengan m adalah massa (kg) udara dan V adalah kecepatan udara.
3. Daya angin ( ) adalah daya yang dibangkitkan oleh angin pada tiap
luasan sudu, yang dapat dirumuskan :
= ½ .A.V3 ……….(2)
dengan adalah massa jenis udara (kg), A adalah luas penampang
10
4. Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan kecepatan pada
ujung-ujung sudu yang berputar, tsr dapat dirumuskan :
………(3)
dengan r adalah jari jari lingkaran / penampang sudu kincir dan n
adalah putaran kincir.
5. Daya yang dihasilkan kincir ( ) adalah daya yang dihasilkan kincir
akibat adanya angin yang melintasi sudu kincir. Sehingga daya kincir yang dihasilkan oleh gerakkan melingkar kincir dapat dirumuskan :
= T . ω ………(4)
dengan T adalah torsi dan ω adalah kecepatan sudut.
6. Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros dihasilkan oleh gaya dorong pada sudu kincir yang dikurangi dengan gaya hambat (gaya yang berlawanan arah). Gaya dorong ini memiliki jarak terhadap sumbu poros kincir yang berputar, untuk perhitungan torsi dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
T = F . r ………(5) dengan F adalah gaya (N) dan r adalah panjang lengan torsi (m). 7. Kecepatan sudut kincir adalah kecepatan putar kincir dalam satuan
radian per detik. Kecepatan sudut dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
11
8. Power coefficient ( ) adalah bilangan tak berdimensi yang
menunjukkan perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir dengan daya yang dihasilkan oleh angin . Sehingga CP dapat dirumuskan :
………...(7)
Cp dari suatu kincir angin juga dapat ditentukan dengan grafik Hubungan antara Cp dan tsr dari beberapa jenis kincir.
12 BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Diagram alir penelitian.
Diagram alir di bawah ini menunjukkan langkah kerja dalam penelitian :
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian MULAI
Perancangan kincir angin poros horizontal.
Pembuatan kincir angin poros horizontal berbahan PVC. Efek variasi tinggi ujung sudu 1,5; 3; dan 4,5 cm dengan bentuk yang
sama.
Pengambilan data mencari kecepatan angin, nilai putaran poros kincir dan gaya pengimbang pada kincir angin.
Pengolahan data mencari daya angin, daya kincir, CP, dan tsr,kemudian membandikan antara daya kincir, CP, dan tsr pada
masing-masing variasi sudut potong kincir angin.
Analisis serta pembahasan data dan pembuatan laporan.
13 3.2. Objek penelitian
Objek penelitian ini adalah kincir angin poros horizontal tiga sudu berdiameter enam inchi dengan variasi tinggi ujung sudu (1,5; 3; dan 4,5 cm), dengan bentuk yang sama.
3.3. Waktu dan tempat penelitian
Proses pembuatan kincir, pengambilan data, dan penelitian dimulai pada semester genap tahun ajaran 2013 di Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3.4. Alat dan bahan
Model kincir angin dengan bahan bahan pipa PVC ukuran 6 inchi dapat dilihat pada Gambar 3.2
14
Kincir angin tersebut memiliki beberapa bagian penting yaitu :
1. Sudu Kincir
Sudu kincir berfungsi untuk menangkap angin yang datang, terbuat dari pipa PVC ukuran 6 inchi dengan tebal 3 mm. Banyak sudu yang dipakai tiga buah. Ada tiga macam variasi tinggi ujung sudu yaitu 1,5; 3; dan 4,5 cm, Untuk lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 3.3.
15 2. Piringan kincir
Piringan berfungsi sebagai dudukan sudu. Piringan terbuat dari plastik dengan ukuran diameter 30 cm. Sudu ditempelkan pada piringan kincir kemudian dibaut, seperti pada Gambar 3.4 dan Gambar 3.5
Gambar 3.4 Piringan kincir
16
3. Poros penopang kincir untuk menopang piringan kincir agar dapat berputar
Gambar 3.6 Poros penopang kincir
4. Poros penyangga berfungsi sebagai penyangga mekanisme kincir
keseluruhan.
5. Poros pada ujung kincir dan poros pada sistem pengereman dihubungkan
dengan menggunakan poros penyambung, kemudian sistem pengereman diberi beban berupa karet untuk mengetahui besarnya torsi dan putaran kincir angin. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 3.7 dan Gambar 3.8.
17
Gambar 3.8. Poros penyambung dihubungkan ke sistem pengereman
6. Mekanisme pembebanan atau lengan torsi adalah jarak antara sistem pengereman yang diberi beban karet yang dihubungkan dengan neraca pegas, dengan cara dihubungkan menggunakan benang, jarak lengan torsi adalah 50 cm. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 3.9.
18 Dalam pengambilan data di
gunakan beberapa peralatan penunjang, diantaranya :
1. Terowongan Angin
Terowongan angin atau wind tunnel adalah sebuah lorong
berukuran 1,2 m × 1,2 m × 2,4 m yang berfungsi sebagai tempat dimana angin bergerak dengan kecepatan tertentu sekaligus merupakan tempat pengujian kincir angin, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.10. Di dalam lorong udara tekanannya dibuat lebih rendah dari tekanan lingkungan sekitar, tujuannya agar udara bergerak dengan kecepatan tertentu. Kecepatan angin dapat diatur dengan cara mengatur jarak antara wind tunnel dan blower sesuai keinginan.
19 2. Blower
Blower adalah alat yang digunakan untuk menurunkan tekanan di dalam terowongan angin sehingga angin dapat berhembus dengan kecepatan tertentu. Blower digerakkan oleh motor listrik berdaya 5,5 kW, dapat dilihat pada Gambar 3.11.
Gambar 3.11. Blower
3. Takometer
20
Gambar 3.12 Takometer
4. Anemometer
Anemometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin sesuai dengan data yang dibutuhkan. Anemometer diletakkan didepan terowongan angin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.13.
21
5. Neraca Pegas
Neraca pegas digunakan untuk mengukur gaya pengimbang torsi kincir angin saat kincir berputar. Neraca pegas dihubungkan pada kopling dengan jarak yang telah ditentukan. Neraca pegas ditunjukkan pada Gambar 3.14.
Gambar 3.14 Neraca Pegas
3.5. Variabel penelitian :
Variabel dalam penelitian ini adalah :
1. Variasi tinggi ujung sudu yaitu (1,5; 3; 4,5 cm) dengan bentuk yang sama. 2. Variasi pembebanan yaitu dari posisi kincir berputar maksimal sampai
posisi kincir diam.
3. Variasi kecepatan angin dilakukan dengan 3 posisi variasi kecepatan angin yang dilakukan di dalam terowongan angin.
3.6. Parameter yang diukur :
Parameter yang diukur dalam penelitian ini adalah :
1. Kecepatan angin, (m/s)
2. Gaya pengimbang, (N)
22 3.7. Langkah percobaan
Pengambilan data kecepatan angin, beban, dan kecepatan putar kincir dilakukan secara bersama-sama. Hal pertama yang dilakukan adalah memasang kincir angin pada terowongan angin. Selanjutnya untuk pengambilan data memerlukan proses sebagai berikut :
1. Memasang neraca pegas yang dihubungkan ke sistem pengereman. Seperti pada Gambar 3.15.
Gambar 3.15 Pemasangan neraca pegas pada sistem pengereman
2. Menempatkkan anemometer dan takometer pada tempatnya.
3. Setelah semua siap blower siap untuk dihidupkan
4. Pengaturan kecepatan angin dilakukan dengan cara menggeser blower
dengan troli pada angka kecepatan angin yang diinginkan.
5. Setelah mendapatkan kecepatan angin yang konstan kemudian dimulai
23
6. Langkah tersebut diulangi sampai kondisi kincir berhenti, dengan tiga variasi kecepatan angin.
3.8. Langkah pengolahan data.
Dari data yang telah didapat, maka data tersebut dapat diolah dengan langkah-langkah sebagai berikut :
1. Setelah diketahui kecepatan angin (V) dan luasan kincir (A), maka dapat dicari daya angin (Pin).
2. Dari pembebanan di dapat gaya pengimbang (F) yang dapat digunakan untuk mencari torsi (T).
3. Data putaran poros kincir (n) dan torsi (T) dapat digunakan untuk mencari daya kincir (Pout).
4. Dengan membandingkan kecepatan keliling diujung sudu dan
kecepatan angin, maka tip speed ratiodapat dicari.
24 BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Data hasil percobaan.
Data hasil percobaan kincir angin untuk masing-masing variasi tinggi ujung sudu dapat dilihat pada tabel 4.1 , 4.2 , dan 4.3, dibawah ini.
Tabel 4.1. Data percobaan kincir dengan tinggi ujung sudu 1,5 cm.
25
Tabel 4.2. Data percobaan kincir dengan tinggi ujung sudu 3 cm.
26
Tabel 4.3. Data percobaan kincir dengan tinggi ujung sudu 4,5 cm.
27
28 4.2. Pengolahan data dan perhitungan.
4.2.1. Besarnya daya angin (Pin) yang diterima kincir dengan luas penampang 0,78 m dengan kecepatan angin 7,05 m/s. Maka daya angin dapat dicari dengan Persamaan 2 :
= ½ .A.V3
= 1,16 . 0,78 m . (7,05m/s)3 = 159,54 watt
Jadi daya yang tersedia pada angin adalah 159,54 watt
4.2.2. Besarnya daya kincir (Pout) dapat dicari dengan persamaan 4 dengan terlebih dahulu mencari kecepatan sudut dan torsi, yang dicari dengan Persamaan 5 dan 6 :
Maka kecepatan sudut yang didapatkan adalah 60,7 rad/s T = F . r
= 2,24 N . 0,5 m = 1,12 N.m
Sehingga torsi yang didapatkan adalah 1,12 N.m Maka daya yang dihasilkan kincir adalah
Pout = T . ω
29
Sehingga daya yang dihasilkan oleh kincir adalah 68,22 watt.
4.2.3. Besarnya tsr (tip speed ratio) dapat dicari dengan Persamaan 3, jadi besarnya tsr adalah :
tsr =
Sehingga tsr yang didapatkan 4,30
4.2.4. Besarnya Koefisien daya (Cp) dapat dicari dengan Persamaan 7, jadi besarnya Cp adalah :
Cp
Maka Cp yang dihasilkan adalah 42,76%
4.3. Hasil perhitungan.
30
4.3.1. Data perhitungan kincir angin dengan variasi tinggi ujung sudu 1,5 cm. Data perhitungan kincir angin dengan tinggi ujung sudu 1,5 cm dapat dilihat pada Tabel 4.4 sampai dengan Tabel 4.6.
Tabel 4.4. Data perhitungan posisi pertama dengan kecepatan angin 8.08 m/s. No v
31
Tabel 4.6. Data perhitungan posisi ketiga dengan kecepatan angin 4,03 m/s.
No V
4.3.2. Data perhitungan untuk kincir variasi tinggi ujung sudu 3 cm. Data perhitungan kincir angin dengan tinggi ujung sudu 3 cm dapat dilihat pada \Tabel 4.7 sampai dengan Tabel 4.9.
32
Tabel 4.8. Data perhitungan posisi kedua dengan kecepatan angin 6,20 m/s.
No V
Tabel 4.9. Data perhitungan posisi ketiga dengan kecepatan angin 4,05 m/s.
33
4.3.3. Data perhitungan untuk variasi tinggi ujung sudu 4,5 cm.
Data perhitungan kincir angin dengan tinggi ujung sudu 4,5 cm, dapat dilihat pada Tabel 4.14 sampai dengan Tabel 4.16.
Tabel 4.14. Data perhitungan posisi pertama dengan kecepatan angin 8,23 m/s
34
Tabel 4.15. Data perhitungan posisi kedua dengan kecepatan angin 6,05 m/s
No V
Tabel 4.16. Data perhitungan posisi ketiga dengan kecepatan angin 4,22 m/s
35 4.4. Grafik hasil perhitungan
Dari data perhitungan yang diperoleh, kemudian diolah kembali dalam bentuk grafik untuk mengetahui hubungan antara putaran dan torsi, daya kincir dan torsi, serta grafik hubungan antara koefisien daya (CP) dan tip speed ratio (tsr).
4.4.1. Grafik untuk variasi tinggi ujung sudu 1,5 cm.
1. Grafik hubungan antara putaran poros kincir dan beban torsi.
Gambar 4.1 Grafik hubungan antara putaran poros kincir dan beban torsi
Gambar 4.1. menunjukkan kecepatan maksimal 1012 rpm dengan torsi 0 N.m pada posisi kecepatan angin 1 tanpa pembebanan. Pada posisi kecepatan angin 2 dan 3 kecepatan putaran dan torsi mulai berubah tetapi nilai perubahannya tidak begitu jauh dengan posisi kecepatan angin 1. Ini terjadi karena pada posisi 2 dan 3 kecepatan angin menurun dan beban pengereman semakin besar hal ini yang menyebabkan putaran menjadi rendah tetapi torsi yang dihasilkan cukup tinggi.
36
2. Grafik hubungan antara daya kincir (Pout) dan beban torsi.
Gambar 4.2. Grafik hubungan antara daya kincir dan beban torsi
Gambar 4.2. menunjukkan pada posisi kecepatan angin 1 yaitu 8,08 m/s, daya kincir maksimal 53,05 watt dan torsi maksimal 0,84 N.m. Pada posisi kecepatan angin 2 hasil tidak beda jauh dengan posisi kecepatan angin 1, karena kecepatan angin sekitar 6,10 m/s. Terjadi penurunan kecepatan angin, pada posisi kecepatan angin 3 karena kecepatan angin 4,03 m/s yang menyebabkan penurunan beban torsi dan daya kincir.
3. Grafik hubungan antara koefisien daya (CP) dengan tip speed ratio (tsr)
37
Gambar 4.3. menunjukkan perbandingan antara CP dan tsr menunjukkan nilai maksimal CP 21,0% pada tsr 4,0 pada posisi kecepatan angin 1. Jika CP yang diperoleh tinggi maka tsr yang diperoleh rendah, begitupun sebaliknya jika CP yang diperoleh rendah maka tsr yang diperoleh tinggi.
3.4.2. Grafik untuk variasi tinggi ujung sudu 3 cm.
1. Grafik hubungan antara putaran poros kincir dan beban torsi
Gambar 4.4. Grafik hubungan antara putaran poros kincir dan beban torsi
38
2. Grafik hubungan antara daya kincir (Pout) dan beban torsi.
Gambar 4.5. Grafik hubungan antara daya kincir (Pout) dan beban torsi
39
3. Grafik hubungan koefisien daya (CP) dan tip speed ratio (tsr)
Gambar 4.6.Grafik hubungan antara CP dan tsr
Gambar 4.6 menunjukkan CP maksimal 30,1% pada tsr 4,0. Besarnya CP dan tsr dipengaruhi oleh unjuk kerja kincir angin. Jika CP yang diperoleh tinggi maka tsr yang diperoleh rendah, begitupun sebaliknya jika unjuk kerja kincir angin rendah maka CP yang diperoleh rendah maka tsr yang diperoleh tinggi.
40
3.4.3. Grafik untuk variasi tinggi ujung sudu 4,5 cm.
1. Grafik hubungan antara putaran poros kincir dan beban torsi
Gambar 4.7. Grafik hubungan antara Putaran poros kincir dan beban torsi
Gambar 4.7. menunjukkan putaran maksimal 853 rpm dengan torsi 0 N.m pada posisi kecepatan angin 1 tanpa pembebanan. Pada posisi kecepatan angin 2 dan 3 terjadi penurunan putaran dan peningkatan torsi.Ini disebabkan karena beban pengereman yang semakin besar pada kecepatan angin yang semakin rendah. Semakin rendah kecepatan angin maka akan menurunkan putaran kincir sehingga torsi yang dihasilkan semakin besar.
41
2. Grafik hubungan antara daya kincir (Pout) dan torsi
Gambar 4.8. Grafik hubungan antara daya kincir (Pout) dan torsi
Gambar 4.8. menunjukkan daya kincir maksimal 69,4 watt dengan torsi 1,12 pada posisi kecepatan angin 1 yaitu 8,23 m/s. Pada posisi kecepatan angin 2,3,terjadi penurunan torsi yang mengakibatkan turunnya daya kincir.
3. Grafik hubungan koefisien daya (CP) dan tip speed ratio (tsr)
42
43 BAB V
PENUTUP
5.1. Kesimpulan
Dari pengujian kincir angin dari bahan PVC ukuran 6 inchi dengan tiga variasi tinggi ujung sudu telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Telah berhasil dibuat kincir angin dari bahan PVC berdiameter 6 inchi dengan tiga variasi tinggi ujung sudu (1,5; 3; 4,5 cm) dalam bentuk yang sama.
2. Kincir angin dengan tinggi ujung sudu 1,5 cm menghasilkan daya maksimum 53,0 watt pada kecepatan angin 8,08 m/s dan koefisien daya maksimum (CPmax) 21,0% pada (tsr) 4,0. Kincir dengan tinggi ujung sudu 3 cm menghasilkan daya maksimum 87,6 watt pada kecepatan angin 8,23 m/s dan koefisien daya maksimum (CPmax) 30,1% pada (tsr) 4,05. Kincir dengan tinggi ujung sudu 4,5 cm menghasilkan daya maksimum 69,3 watt pada kecepatan angin 8,23 m/s dan koefisien daya maksimum (CPmax) 28,0% pada (tsr) 3,7.
44 5.2. Saran
Setelah dilakukan penelitian ternyata terdapat kelebihan dan kekurangan yang perlu diperhatikan, untuk itu perlu adanya saran untuk pengembangan lebih lanjut tentang kincir angin antara lain :
45
DAFTAR PUSTAKA
Andika, N.M, Triharyanto, T.Y., Prasetya, O.R. 2008. Kincir Angin Sumbu Horisontal Bersudu Banyak. Yogyakarta.
Daryanto. Y. 2007. Kajian Potensi Angin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu. BALAI PPTAGG-UPT-LAGG. Diakses : Tanggal 5 Agustus 2007. Johnson, G.L. 2006. Wind Energy System. Manhattan. Diakses : Tanggal 12
Agustus 2012.
Johnson, G.L. 1997. The Search for A New Energy Source. Manhattan. Diakses : Tanggal 12 Agustus 2012.
Mulyani, 2008. Kajian Potensi Angin Indonesia. Central Library Institute Technology Bandung. Diakses : Tanggal 28 Agustus 2012.
Sastrowijoyo, F. 2008. Permasalahan Yang Sering Terjadi Pada Sistem Wind Turbine di Indonesia. Alamat web: http://konversi.wordpress.com. Diakses : Tanggal 28 Agustus 2012.
