Unjuk kerja kincir angin poros vertikal dengan empat sudu yang dapat membuka dan menutup secara otomatis dengan variasi diameter - USD Repository

(1)

i

EMPAT SUDU YANG MEMBUKA DAN MENUTUP SECARA OTOMATIS DENGAN VARIASI DIAMETER

Tugas Akhir

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin

Program Studi Teknik Mesin

Oleh:

Stefanus Andryanto Eko Prabowo

NIM: 095214071

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

(2)

ii

OPEN AND CLOSE AUTOMATICALLY

WITH VARIATIONS IN DIAMETER

Final Project

Presented as fulfillment of the Requirements

To obtain the Sarjana Teknik Degree in

Mechanical Engineering Study Programme

By:

Stefanus Andryanto Eko Prabowo

Student Number: 095214071

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

(3)

iii

SUDU YANG MEMBUKA DAN MENUTUP SECARA OTOMATIS DENGAN VARIASI DIAMETER

Disusun oleh:

Nama: Stefanus Andryanto E P

NIM: 095214070

Telah Disetujui Oleh:

Pembimbing Utama:

(4)

iv

UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN POROS VERTIKAL DENGAN EMPAT SUDU YANG MEMBUKA DAN MENUTUP SECARA

OTOMATIS DENGAN VARIASI DIAMETER

Dipersiapkan dan disusun oleh:

S. Andryanto Eko P NIM: 095214071

Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji

pada tanggal 11 Februari 2011

Susunan Dewan Penguji:

Nama Lengkap Tanda tangan

Ketua : D Doddy Purwadianto, S.T., M.T ………

Sekretaris : Ir. Yohanes Baptista Lukiyanto, M.T. ………

Anggota : Ir. Rines, M.T. ...…………

Tugas Akhir ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan untuk

memperoleh gelar Sarjana Teknik

Yogyakarta, 23 Februari 2011

Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma

Dekan

(5)

v

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir yang saya

tulis ini, tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah

disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.

Surakarta, 09 Februari 2011

Penulis

(6)

(7)

vii

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui dan mencari torsi, daya kincir,

koefisien daya dan tip speed ratio (tsr) pada model kincir angin poros vertikal dengan empat sudu yang membuka dan menutup secara otomatis.

Ukuran diameter kincir dibuat dengan dua variasi, yaitu 70 cm dan 100

cm. Sedangkan ukuran lebar sudu model kincir angin sebesar 40 cm saat

membuka maksimal. Untuk mengukur dan mengetahui torsi, daya kincir,

koefisien daya dan tip speed ratio, kincir dihubungkan ke generator yang tersambung ke rangkaian lampu yang berfungsi sebagai variasi beban. Besarnya

beban pengimbang torsi diukur dengan neraca pegas, tachometer berfungsi untuk

mengukur besarnya putaran poros kincir, sedangkan untuk mengukur kecepatan

angin menggunakan anemometer.

Daya kincir maksimal sebesar 3,8 watt didapatkan pada kincir dengan

diameter 100 cm saat kecepatan angin 6,71 m/s dan menghasilkan torsi sebesar

0,69 Nm. Sedangkan koefisien daya maksimal juga didapatkan dari kincir dengan

diameter 100 cm sebesar 5,24 % saat tsr sebesar 0,41.

(8)

viii

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan

karuniaNya, sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Tugas Akhir ini

sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 untuk program

studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

Judul dari Tugas Akhir ini adalah “Unjuk Kerja Model Kincir Angin Poros Vertikal Dengan Empat Sudu yang Membuka dan Menutup Secara Otomatis Dengan Variasi Diameter”.

Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini karena adanya bantuan dan

dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin berterima kasih

kepada:

1. Rm Andreas Sugijopranoto SJ, Direktur utama ATMI Surakarta.

2. Rm JB Clay Pareira SJ, Pudir 2 ATMI Surakarta.

3. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., Dekan Fakultas Sains dan Teknologi.

Universitas Sanata Dharma.

4. Budi Sugiharto, S.T, M.T., Ketua Program Studi Teknik Mesin.

5. Ir. Rines, M.T., Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

6. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing penulis

selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.

7. Kepala Laboratorium dan Laboran Jurusan Teknik Mesin Universitas

Sanata Dharma.

(9)

ix

tidak mungkin disebutkan satu persatu.

Penulis menyadari bahwa naskah ini jauh dari sempurna, maka segala kritik

dan saran yang membangun akan penulis terima.

Semoga naskah Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi mahasiswa Teknik

Mesin dan pembaca lainnya. Penulis juga memohon maaf jika ada penulisan

dalam naskah ini yang salah, terima kasih.

(10)

x

Halaman Judul ... i

Title Page ... ii

Halaman Pengesahan ... iii

Daftar Dewan Penguji ... iv

Pernyataan Keaslian Karya ... v

Lembar Pernyataan Persetujuan Publikasi Karya Ilmiah ... vi

Intisari ... vii

Kata Pengantar ... viii

Daftar Isi ... x

Daftar Gambar ... xii

Daftar Tabel ... xiv

Bab I ... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Tujuan Tugas Akhir ... 2

1.5 Manfaat Tugas Akhir ... 3

Bab II ... 4

2.1 Konsep Dasar Angin ... 4

(11)

xi

2.4 Rumus Perhitungan ... 7

Bab III ... 12

3.1 Peralatan dan Bahan ... 12

3.2 Variabel Penelian ... 18

3.3 Variabel yang Diukur ... 18

3.4 Parameter yang Dihitung ... 19

3.5 Langkah Penelitian ... 20

Bab IV ... 22

4.1 Data Penelitian ... 22

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan ... 25

4.3 Hasil dan Pembahasan ... 30

4.4 Pembahasan ... 42

Bab V ... 44

5.1 Kesimpulan ... 44

5.2 Saran ... 45

Daftar Pustaka ... 46

Lampiran ... 47

(12)

xii

Gambar 2.1. Peta potensi angin Indonesia ... 5

Gambar 2.2. Kincir angin poros vertikal ... 6

Gambar 3.1. Kincir angin ... 12

Gambar 3.2. Handle shaft... 13

Gambar 3.3. Blade... 13

Gambar 3.4. Support ... 14

Gambar 3.5. Wind tunnel ... 15

Gambar 3.6. Fan blower ... 15

Gambar 3.7. Anemometer ... 16

Gambar 3.8. Stopwatch ... 16

Gambar 3.9. Neraca pegas ... 16

Gambar 3.10. Rangakian beban lampu ... 17

Gambar 3.11. Generator ... 17

Gambar 3.12. Tachometer ... 18

Gambar 3.13. Pengambilan data torsi ... 19

Gambar 3.14. Setting anemometer ... 17

Gambar 4.1. Grafik Betz limit... 31

Gambar 4.2.Grafik hubungan F.n/(ρ.v2) terhadap n/v, untuk diameter kincir 70 cm ... 34

(13)

xiii

Gambar 4.5. Grafik hubungan antara putaran poros- torsi- daya kincir, untuk

diameter kincir 70 cm... 42

Gambar 4.6. Grafik hubungan antara putaran poros- torsi- daya kincir, untuk

(14)

xiv

Tabel 4.1 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 70 cm ... 23

Tabel 4.2 Data hasil pengujian kincir dengan diameter 100 cm ... 24

Tabel 4.3 Perhitungan F/(ρxv2) dan n/v kincir angin diameter 70 cm ... 35

Tabel 4.4 Perhitungan F/(ρxv2) dan n/v kincir angin diameter 100 cm ... 36

Tabel L1. Data perhitungan hubungan F/(ρxv2 ) terhadap n/v kincir model dengan diameter 70 cm ... 48

Tabel L2. Data perhitungan hubungan F/(ρxv2 ) terhadap n/v kincir model dengan diameter 100 cm ... 50

(15)

xv

(16)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1LATAR BELAKANG MASALAH

Energi fosil khususnya minyak bumi dan batu bara adalah sumber energi

utama dan sumber devisa negara. Salah satu penggunaannya adalah sebagai

pembangkit listrik. Energi Fosil merupakan energi yang tidak terbarukan (non renewable energy). Dimana cadangan energi fosil Indonesia jumlahnya tidak tak terbatas, yang akan habis pada suatu saat nanti. Padahal kebutuhan energi terus

meningkat sejalan pertumbuhan ekonomi dan penduduk. Pemakaian energi fosil

juga akan menyebabkan pemanasan global akibat sisa pembakarannya yang

berupa gas CO dan CO2.

Maka perlu adanya energi alternative yang terbarukan (renewable energy)

dan ramah lingkungan sebagai sumber energi baru. Dari beberapa energi yang

terbarukan, salah satunya adalah energi angin.

Pemanfaatan tenaga angin di Indonesia belum begitu optimal, walaupun di

beberapa daerah sudah mampu memanfaatkan tenaga angin sebagai pembangkit

listrik, penggerak pompa, namun penerapannya belum bisa dibilang efektif. Maka

diperlukan sebuah mekanisme untuk merubah energi angin menjadi energi yang

tepat guna, salah satunya adalah listrik. Kincir angin adalah salah satu mekanisme

yang dapat digunakan untuk mengubah energi angin menjadi energi listrik.

Tugas Akhir ini merupakan unjuk kerja kincir angin poros vertikal dengan

(17)

Desain kincir angin dibuat sesederhana mungkin agar nanti setiap orang dapat

mengaplikasikan Tugas Akhir ini.

1.2RUMUSAN MASALAH

Dalam tugas akhir ini kincir model di uji di dalam terowongan angin yang

tersedia di Universitas Sanata Dharma. Dalam proses uji tersebut diharapakan

dapat memperoleh data yang dihasilkan dari unjuk kerja kincir 4 sudu dengan

variasi diameter.

1.3BATASAN MASALAH

Untuk memfokuskan pembahasan, maka dalam tugas akhir ini diberi

batasan masalah sebagai berikut :

1. Kincir model yang digunakan adalah kincir poros vertikal dengan 4 sudu

yang membuka dan menutup secara otomatis.

2. Diameter maksimal kincir adalah 1 meter, menyesuaikan dengan lebar

terowongan angin Universitas Sanata Dharma.

3. Jumlah sudu kincir adalah empat.

4. Variasi dilakukan pada diameter 70 cm dan 100 cm.

1.4TUJUAN TUGAS AKHIR

Tujuan dari tugas akhir ini adalah:

1. Membuat kincir angin tipe poros vertikal 4 sudu yang membuka dan

menutup secara otomatis dengan variasi diameter.

2. Menentukan hubungan antara daya kincir dan torsi dinamis untuk variasi

kecepatan antara 5 m/s sampai dengan 7 m/s untuk 2 variasi diameter

(18)

3. Menentukan hubungan antara koefisien daya (power coefficient) dan tsr untuk tiga variasi diameter kincir.

1.5MANFAAT TUGAS AKHIR

Adapun manfaat dari tugas ini adalah:

1. Pengembangan teknologi tepat guna.

2. Dapat membantu masyarakat terutama di daerah pedesaan untuk

(19)

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Konsep Dasar Angin.

Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan oleh rotasi bumi dan

juga karena adanya perbedaan tekanan udara di sekitarnya. Angin bergerak dari

tempat bertekanan udara tinggi ke bertekanan udara rendah.

Kecepatan angin dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya letak tempat

dimanakecepatan angin di dekat khatulistiwa lebih cepat dari yang jauh dari garis

khatulistiwa. Semakin tinggi tempat, semakin kencang pula angin yang bertiup,

hal ini disebabkan oleh pengaruh gaya gesekan yang menghambat laju udara. Di

permukaan bumi, gunung, pohon, dan topografi yang tidak rata lainnya

memberikan gaya gesekan yang besar. Semakin tinggi suatu tempat, gaya gesekan

ini semakin kecil.

Arah angin ditunjukan oleh arah dari mana angin berasal. Misalnya, angin

utara bertiup dari utara ke selatan. Di bandara, windsocks digunakan untuk menunjukkan arah angin, tetapi juga dapat digunakan untuk memperkirakan

kecepatan angin dengan sudut gantungnya. Kecepatan angin biasanya diukur

(20)

Indonesia seperti kebanyakan negara tropis, memiliki potensi angin yang

rendah. Dari Gambar 2.1 dapat dilihat bahwa potensi angin terbesar di Indonesia

terletak di kepulauan Sumba, Sumbawa, Lombok dan Bali, yaitu sebesar 4,6 – 6

m/s.

2.2 Kincir Angin.

Kincir angin adalah sebuah mesin yang digerakkan oleh tenaga angin

untuk menumbuk biji-bijian. Kincir angin juga digunakan untuk memompa air

untuk mengairi sawah. Kincir angin juga dapat digunakan untuk menghasilkan

energi listrik, disebut juga dengan turbin angin. (sumber:

http://id.wikipedia.org/wiki/Kincir_angin)

Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dibagi menjadi 2 yaitu kincir

angin poros horizontal dan kincir angin poros vertikal. Sedangkan tugas akhir ini

adalah pengembangan dari kincir angin poros vertikal.

(21)

Kincir angin poros vertikal seperti pada Gambar 2.2 memiliki keunggulan

diantaranya tidak harus mengubah posisinya jika arah angin berubah, kincir angin

poros vertikal juga memiliki kecepatan awal yang lebih rendah dibandingkan

dengan kincir angin poros horizontal, sehingga cocok untuk digunakan untuk

daerah yang memiliki potensi angin yang rendah seperti Indonesia. Namun kincir

angin poros vertikal juga memiliki beberapa kelemahan, diantaranya kebanyakan

kincir angin jenis ini membutuhkan energi awalan untuk mulai berputar. (sumber:

http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin).

Gambar 2.2 Kincir angin poros vertikal

(22)

2.3 Gaya Drag dan Lift.

Dalam dinamika fluida, gaya hambat (yang kadang-kadang disebut

hambatan fluida atau hambatan seret) adalah gaya yang menghambat pergerakan

sebuah benda padat melalui sebuah fluida (cairan atau gas). Bentuk gaya hambat

yang paling umum tersusun dari sejumlah gaya gesek, yang bertindak sejajar

dengan permukaan benda, plus gaya tekanan, yang bertindak dalam arah tegak

lurus dengan permukaan benda. (sumber: http:// id.wikipedia. org/

wiki/Gaya_hambat)

Sedangkan gaya lift (gaya angkat) banyak dibahas di teknologi pesawat terbang. Dalam teknologi pesawat terbang, gaya lift didapatkan dari desain sayap pesawat terbang yang menyebabkan tekanan udara yang berada di bawah

permukaan sayap lebih besar daripada tekanan udara di atas permukaan sayap.

2.4 Rumus Perhitungan.

Berikut ini adalah beberapa rumus perhitungan yang mendukung analisa

unjuk kerja kincir angin

2.4.1 Energi angin.

Energi yang terdapat pada angin merupakan energi kinetik, sehingga dapat

dirumuskan sebagai berikut

(23)

yang dalam hal ini:

𝐸𝑘 : Energi kinetic, Joule

𝑚 : massa udara, kg

𝑣 : kecepatan angin, m/s

Sedangkan daya adalah energi per satuan waktu, maka dari persamaan (1)

dapat dituliskan:

𝑃𝑎 = 0,5.𝑚 .𝑣2 (2)

yang dalam hal ini:

𝑃𝑎 : daya angin, watt

𝑚 : massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu, kg/s

𝜌 : massa jenis udara, kg/m3

dimana:

𝑚 = 𝜌.𝐴.𝑣 (3)

yang dalam hal ini:

𝐴 : luas penampang melintang arus angin yang ditangkap oleh kincir, m2

Dengan menggunakan persamaan (3), maka daya angin (𝑃_𝑎) dapat

dirumuskan menjadi:

𝑃𝑎 = 0,5. 𝜌.𝐴.𝑣 .𝑣2, disederhanakan menjadi:

(24)

Bila diasumsikan besarnya massa jenis udara (𝜌) adalah 1,2 kg/m3, maka

dari persamaan (4) dapat disederhanakan menjadi:

𝑃𝑎 = 0,6.𝐴.𝑣3 (5)

2.4.2 Perhitungan torsi dan daya.

Salah satu tujuan dari tugas akhir ini adalah menentukan hubungan antara

daya kincir dan torsi dinamis.

2.4.2.1 Torsi

Torsi adalah perkalian vector antara jarak sumbu putar dengan gaya yang

bekerja pada titik yang berjarak dari sumbu pusat. Yang dapat dirumuskan sebagai

berikut:

𝑇= 𝑟.𝐹 (6)

yang dalam hal ini:

𝑇 : torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros, Nm

𝐹 : gaya pada poros akibat puntiran, N

(25)

2.4.2.2 Daya kincir

Perhitungan daya pada gerak melingkar pada umumnya dapat dituliskan

sebagai berikut:

𝑃 =𝑇.𝜔 (7)

yang dalam hal ini:

𝑇: torsi dinamis, Nm

𝜔 : kecepatan sudut, rad/s

Jika pada kincir angin besarnya kecepatan sudut (𝜔) dirumuskan sebagai:

𝜔 =2𝜋𝑛 60

(8)

Maka besarnya daya kincir berdasarkan persamaan (7) dapat dinyatakan dengan:

𝑃𝑘 = 𝑇.𝜔

𝑃𝑘 = 𝑇. 2𝜋𝑛

60

𝑃𝑘 = 𝑇𝜋𝑛₃₀ (9)

yang dalam hal ini:

𝑃𝑘 : daya poros kincir angin, watt

(26)

2.4.3 Tip speed ratio

Tip speed ratio (tsr) adalah perbadingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin yang berputar dengan kecepatan angin, dapat dirumuskan dengan:

𝑡𝑠𝑟 =2𝜋𝑟𝑛 60𝑣

(10)

yang dalam hal ini:

𝑟 : jari-jari kincir, m

𝑛 : putaran poros kincir tiap menit, rpm

2.4.4 Koefisien daya (Cp)

Koefisien daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh

kincir (𝑃_𝑘) dengan daya yang disediakan oleh angin (𝑃_𝑎), sehingga dapat

dirumuskan sebagai berikut:

𝐶𝑝= 𝑃𝑘 𝑃𝑎

. 100% (11)

yang dalam hal ini:

𝐶𝑝 : koefisien daya, %

𝑃𝑘 : daya yang dihasilkan oleh kincir, watt

(27)

BAB III

METODE PENELITIAN

Penelitian dilakukan di laboratorium konversi energi Universitas Sanata

Dharma selama 2 hari, mulai tanggal 22 Januari 2011 hingga tanggal 23 Januari

2011. Pengambilan data dilakukan dari pukul 08.00 hingga pukul 24.00.

3.1 Peralatan dan Bahan

Kincir angin model tugas akhir yang dapat dilihat pada Gambar 3.1

memiliki 3 bagian utama, yaitu:

(28)

1. Handle Shaft

Handle shaft seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.2 merupakan bagian yang berfungsi sebagai poros utama, sekaligus

komponen tempat sudu berada. Kesentrisan komponen ini sangat

penting, karena akan mempengaruhi efisiensi kerja kincir angin. Pada

komponen ini terdapat stopper pin yang berfungsi membatasi sudut

buka sebesar 85o dan sudut tutup sudu sebesar 5o.

2. Blade

Blade seperti dapat dilihat pada gambar 3.3, adalah komponen kincir yang berfungsi untuk menangkap angin. Komponen ini didisain

agar dapat membuka dan menutup secara otomatis. Pada komponen ini

saat unjuk kerja akan divariasikan menjadi 2 variasi diameter kincir. Gambar 3.2 Handle shaft

(29)

3. Support

Support seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.4, merupakan komponen pendukung kincir yang dirancang ini. Komponen ini juga

merangkap sebagai support untuk komponen blade. Pada komponen

ini juga terdapat blade stopper yang berfungsi sebagai limit maksimal dan minimal sudu kincir dapat membuka dan menutup.

Sedangkan peralatan yang mendukung dalam pengambilan data antara

lain:

1. Wind tunnel

Dapat dilihat pada Gambar 3.5, wind tunnel berfungsi untuk menangkap angin yang dihisap oleh fan blower. Sekaligus menjadi

tempat untuk pengujian kincir.

(30)

2. Fan blower

Gambar 3.6 adalah fan blower dengan daya motor 5,5 KW yang berfungsi untuk menghisap angin melalui wind tunnel.

3. Anemometer

Alat ini berfungsi untuk mengetahui kecepatan angin yang ada di

dalam wind tunnel, anemometer ditunjukan pada Gambar 3.7

Gambar 3.5 Wind tunnel

(31)

4. Stopwatch

Stopwatch, seperti Gambar 3.8 digunakan untuk mencatat waktu

saat pengambilan data kincir angin.

5. Neraca pegas

Neraca pegas yang ditunjukan pada Gambar 3.9 digunakan untuk

mengukur beban pengimbang torsi dinamis.

Gambar 3.7 Anemometer

Gambar 3.8 Stopwatch

(32)

6. Rangkaian beban lampu

Rangkaian lampu seperti pada Gambar 3.10 berfungsi untuk

memberikan variasi beban dalam menguji kincir angin.

7. Generator

Generator seperti dapat dilihat pada Gambar 3.11 dihubungkan

dengan rangkaian beban lampu, yang nantinya berfungsi sebagai

penghambat/ pengerem putaran kincir dalam pengambilan data torsi

dan daya kincir.

Gambar 3.10 Rangkaian beban lampu

(33)

8. Tachometer

Alat ini berfungsi untuk mengetahui kecepatan putaran kincir angin

sebagai data yang dibutuhkan. Tachometer yang dipakai ditunjukan

pada Gambar 3.12.

3.2 Variabel Penelitian

Beberapa variable penelitian yang harus ditentukan sebelum penelitian

adalah:

1. Variasi ukuran diameter kincir adalah: 70 cm, 100 cm.

2. Variasi kecepatan angin dalam penelitian adalah: 5 m/s hingga 7 m/s.

3.3 Variabel yang Diukur

Variable yang diukur yang sesuai dengan tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Kecepatan angin (𝑣)

2. Putaran kincir/ poros (𝑛)

3. Gaya pengimbang torsi (F)

(34)

3.4 Parameter yang Dihitung

Parameter yang dihitung untuk mendapatkan karakteristik kincir angin adalah:

1. Daya angin (𝑃_𝑎)

2. Daya kincir (𝑃_𝑘)

3. Koefisien daya (𝐶_𝑝)

4. Tip speed ratio (𝑡𝑠𝑟)

Langkah pertama dalam pengambilan data penelitian adalah memposisikan

kincir angin seperti Gambar 3.13. Sambungkan kincir angin dengan transmisi

sabuk yang berada dibawah wind tunnel.

(35)

3.5 Langkah Penelitian

Pengambilan data torsi dinamis dan daya kincir dilakukan secara

bersamaan.

Saat pengambilan data torsi dinamis, hal-hal yang perlu dilakukan adalah:

1. Memasang neraca pegas pada tempat yang ditentukan.

2. Memasang tali yang dihubungkan antara neraca pegas dengan lengan

pada generator.

3. Memposisikan anemometer seperti Gambar 3.14 untuk mengukur

kecepatan angin di dalam wind tunnel.

4. Menghubungkan generator ke rangkaian lampu, yang nantinya

berfungsi sebagai rem/ penghambat.

5. Rangkaian lampu diposisikan pada posisi saklar off semua terlebih dahulu, pengujian dilakukan hingga 4 variasi beban lampu.

6. Jika sudah siap, nyalakan blower untuk menghembuskan angin pada

wind tunnel. Atur kecepatan angin dalam wind tunnel dengan cara

(36)

merubah jarak blower terhadap wind tunnel untuk menentukan variasi angin mulai dari 7 m/s hingga 5 m/s, mulai dari yang tercepat.

7. Bila kecepatan angin sudah sesuai dengan yang diinginkan, maka

pengukuran dapat dilakukan dengan membaca massa pengimbang

yang terukur pada neraca pegas.

8. Mengukur putaran poros dengan tachometer yang diarahkan pada

pulley besar.

9. Hasil dari pengamatan kemudian dicatat.

10.Ulangi langkah 5 hingga 9, untuk 4 hingga 5 variasi kecepatan, dan 2

(37)

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Penelitian

4.1.1 Data penelitian kincir dengan diameter 70 cm

Data penelitian diperoleh dari pengambilan data torsi pada kincir angin

diameter 70 cm. Pengujian dilakukan dengan variasi kecepatan angin mulai dari

yang tertinggi yaitu sekitar 7 m/s dengan penurunan 0,5 m/s hingga kincir

berhenti berputar. Pembebanan variatif menggunakan rangkaian lampu, mulai dari

0 atau tidak ada pembebanan hingga 4 lampu. Dari penelitian didapatkan data

yang dapat dilihat pada Tabel 4.1.

4.1.2 Data penelitian kincir dengan diameter 100 cm

Proses penelitian sama seperti pengujian kincir dengan diameter 70 cm.

(38)

(39)

(40)

Contoh perhitungan untuk kincir angin dengan diameter 100 cm pada

kecepatan angin 6.7 m/s ditunjukan pada sub bab 4.2:

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan

4.2.1 Perhitungan daya angin

Daya angin dihitung dengan menggunakan persamaan (5) yang dapat

dilihat pada sub bab 2.4.1:

𝑃𝑎 = 0,6.𝐴.𝑣3

yang dalam hal ini:

𝑃𝑎 : daya angin, watt

𝐴 : luas penampang melintang angin yang ditangkap oleh kincir, m2

Sedangkan dalam hal ini, besarnya luas penampang (𝐴) sendiri adalah:

𝐴 =𝑑.𝑡

dengan:

𝑑 : diameter kincir, m

𝑡 : tinggi sudu saat membuka maksimal, m

sehingga persamaan (5) dapat disederhanakan menjadi:

(41)

𝑃𝑎 = 0,6.𝑑.𝑡.𝑣3

Sebagai contoh diambil data dari table 4.1 no. 1 tanpa beban variatif (0).

Dari data, kecepatan angin (𝑣) sebesar 6,76 m/s, sedangkan diameter

kincir yang diuji (𝑑) adalah 0,7 m, dan tinggi sudu saat membuka maksimal (𝑡)

adalah 0,4 m. Maka dapat dihitung besarnya daya angin (𝑃_𝑎) sebesar:

𝑃𝑎 = 0,6.𝑑.𝑡.𝑣3

𝑃𝑎 = 0,6 . 0,7 . 0,4 . 6,763

𝑃𝑎 = 51,90 𝑚 𝑠

4.2.2 Perhitungan torsi

Mengacu pada persamaan (6) yang dapat dilihat pada sub bab 2.4.2.1,

maka besarnya torsi dapat dirumuskan:

𝑇= 𝑟.𝐹

yang dalam hal ini:

𝑇 : torsi, Nm

𝑟 : jarak lengan ke poros, m

𝐹 : gaya pengimbang yang diukur tegak lurus, N

diamana besarnya gaya pengimbang (𝐹) sendiri sebesar:

𝐹 =𝑚.𝑎

(42)

𝑚 : massa pengimbang, kg

𝑎 : percepatan gravitasi, m/s2

Maka persamaan (6) dapat disederhanakan menjadi:

𝑇= 𝑟.𝐹

𝑇= 𝑟.𝑚.𝑎

Untuk contoh perhitungan dapat diambil data dari tabel 4.1 no. 1 tanpa

adanya beban variatif dari rangkaian lampu (0).

Dari data, diperoleh besarnya massa pengimbang (𝑚) 0,14 kg, sedangkan

jarak lengan ke poros (𝑟) diukur saat pengujian sepanjang 0,2 m. jika percepata

gravitasi dianggap 9,81 m/s2, maka besarnya torsi adalah:

𝑇= 𝑟.𝑚.𝑎

𝑇= 0,2 . 0,14 . 9,81

𝑇= 0,27 𝑁𝑚

4.2.3 Perhitungan daya kincir

Daya kincir dihitung dengan persamaan (9) yang dibahas pada sub bab 2.4.2.2:

𝑃𝑘 = 𝑇𝜋𝑛₃₀

yang dalam hal ini:

(43)

𝑇 : besarnya torsi, Nm

𝑛 : putaran poros, rpm

Untuk contoh perhitungan dapat diambil dari table 4.1 no. 1 tanpa

pembebanan variatif rangkaian lampu (0).

Dari data, didapatkan bahwa pada kecepatan angin (𝑣) 6,76 m/s

didapatkan putaran poros (𝑛) sebesar 61,49 rpm, sedangkan besarnya torsi (𝑡)

telah diperhitungkan pada sub bab 4.2.2 sebesar 0,27 Nm, maka besarnya daya

poros:

𝑃𝑘 = 𝑇𝜋𝑛₃₀

𝑃𝑘 =

0,27 .𝜋 . 61,49

30

𝑃𝑘 = 1,74 𝑤𝑎𝑡𝑡s

4.2.4 Perhitungan tip speed ratio

Perhitungan tip speed ratio (tsr) mengacu pada persamaan (10) yang telah dibahas pada sub bab 2.4.3 dimana:

yang dalam hal ini:

𝑟 : jari-jari kincir, m

(44)

Untuk contoh perhitungan diambil data dari table 4.1 no. 1 tanpa beban

variatif rangkaian lampu (0).

Dari data, didapatkan putaran poros tiap menit (𝑛) sebesar 61,49 rpm pada

kecepatan angin (𝑣) 6,76 m/s, sedangkan jari-jari kincir (𝑟) sebesar 0.35 m. Maka

besarnya tip speed ratio:

𝑡𝑠𝑟 =2𝜋. 0,35 .61,49 60 . 6,76

𝑡𝑠𝑟 = 0,33

4.2.5 Perhitungan koefisen daya (𝑪𝒑)

Koefisen daya (𝐶𝑝) dapat dihitung dengan persamaan (11) yang

pembahasannya terdapat pada sub bab 2.4.4.

. 100%

yang dalam hal ini:

𝐶𝑝 : koefisien daya, %

𝑃𝑘 : daya kincir, watt

(45)

Untuk contoh perhitungan diambil data dari table 4.1 no. 1 tanpa

pembebanan variatif rangkaian lampu (0).

Besarnya daya kincir (𝑃_𝑘) didapatkan dari perhitungan pada sub bab 4.2.3

sebesar 1,74 watt. Sedangkan besarnya daya angin (𝑃_𝑎) didapatkan dari

perhitungan pada sub bab 4.2.1 sebesar 51,90. Maka didapatkan koefisen daya

(𝐶𝑝) sebesar:

. 100%

𝐶𝑝= 1,74

51,9. 100%

𝐶𝑝= 3,35%

4.3 Hasil dan Pembahasan

4.3.1 Persamaan garis polynomial.

Grafik hubungan 𝐶_𝑝 dengan tsr untuk berbagai jenis kincir angin dapat dilihat

pada grafik batas Betz ( Betz limit, atas nama ilmuan Jerman Albert Betz) seperti

terlihat pada Gambar 4.1. Jika dilihat pada grafik batas Betz, hubungan 𝐶_𝑝 da tsr

untuk kincir angin poros vertikal (savonius) merupakan fungsi persamaan garis

polynomial pangkat dua, sehingga dapat didekati dengan persamaan:

𝐶𝑝 =𝑘1∙ 𝑡𝑠𝑟2+𝑘2∙ 𝑡𝑠𝑟+𝑘3 (12)

dimana:

(46)

𝑡𝑠𝑟 : Tip speed ratio

𝑘1,𝑘2,𝑘3 : konstanta

Seperti dalam Persamaan 10 yang dibahas pada sub bab 2.4.3, tsr

berbanding lurus dengan rpm, maka jika kincir tidak berputar, atau rpm = 0 (nol),

maka nilai dari tsr juga akan menjadi 0 (nol). Sedangkan koefisien daya sendiri

adalah perbandingan antara daya kincir (𝑃_𝑘) dengan daya angin (𝑃_𝑎), dimana

seperti yang dibahas pada sub bab 2.4.2.2, daya kincir juga berbanding lurus

dengan putaran poros (𝑛), maka jika kincir tidak berputar, nilai 𝑃_𝑘 = 0 (nol),

dengan demikian Persamaan 12 dapat disederhanakan menjadi:

𝐶𝑝 =𝑘1∙ 𝑡𝑠𝑟2+𝑘2 ∙ 𝑡𝑠𝑟 (13)

𝑘3 dianggap 0 (nol), karena jika tsr = 0 (nol) maka nilai dari 𝐶𝑝 = 0 (nol).

(47)

Jika dijabarkan, maka persamaan dari koefisien daya (𝐶_𝑝) adalah:

maka koefisien daya (𝐶_𝑝) dapat disederhanakan menjadi:

𝐶𝑝 = 𝑐1∙ 𝐹 ∙ 𝑛 𝜌 ∙ 𝑣3

(14)

Sedangkan tsr sendiri memiliki persamaan:

(48)

Jika

𝑐2 = 𝜋𝑟𝑘

30

maka, persamaan tsr dapat disederhanakn menjadi:

𝑡𝑠𝑟 =𝑐₂∙𝑛

𝑣 (15)

Sehingga jika Persamaan 14 dan Persamaan 15 disubtitusikan ke dalam

Persamaan 13, maka akan menjadi:

𝐶𝑝 =𝑘1∙ 𝑡𝑠𝑟2+𝑘2∙ 𝑡𝑠𝑟

jika persamaan dibagi dengan n/v, maka

𝑐1∙

yang dalam hal ini:

𝐹 : Gaya, N

(49)

𝜌 : Massa jenis udara pada suhu tertentu, kg/m3

𝑘1,𝑘2,𝑐1,𝑐2 : konstanta

Dari hasil pengujian didapatkan, grafik F.n/(ρ.v2) terhadap n/v sebagai berikut:

0

Gambar 4.2 Grafik perbandingan F.n/(ρ.v2) terhadap n/v, untuk diameter kincir 70 cm

(50)

(51)

(52)

Dari Gambar 4.2 didapatkan persamaan untuk kincir dengan diameter 70 cm:

Sehingga harga 𝑘1 untuk kincir dengan diameter 70 cm dapat dicari dengan cara:

𝑘1∙ 𝑐22

Sedangkan harga 𝑘2 untuk kincir dengan diameter 70 cm dicari dengan cara:

(53)

𝑘2 =

diameter 70 cm sebagai berikut:

𝐶𝑝 =−0,223∙ 𝑡𝑠𝑟2+ 0,216∙ 𝑡𝑠𝑟 (17)

Sedangkan dari Gambar 4.3. didapatkan persamaan untuk kincir dengan

diameter 100 cm:

Sehingga harga 𝑘1 untuk kincir dengan diameter 100 cm dapat dicari dengan cara:

(54)

𝑘1 =

−0,013∙60∙0,2 𝜋 ∙0.52 ∙_1,0∙_0,4

𝑘1 =−0,497

Sedangkan harga 𝑘2 untuk kincir dengan diameter 100 cm dicari dengan cara:

𝑘2 ∙ 𝑐2

diameter 70 cm sebagai berikut:

𝐶𝑝 =−0,497∙ 𝑡𝑠𝑟2+ 0,326∙ 𝑡𝑠𝑟 (18)

4.3.2 Grafik hubungan antara Cp terhadap tsr

Dengan Persamaan 17 dan Persamaan 18, maka diperoleh grafik perbandingan

(55)

Dari Gambar 4.4, koefisien daya tertinggi sebesar 5,34 % diperoleh dari kincir

angin dengan diameter 100 cm pada tsr 0,32.

4.3.3 Grafik hubungan antara putaran poros, torsi dan daya kincir.

Dengan menggunakan Persamaan 17 untuk kincir dengan diameter 70 cm,

didapatkan persamaan garis polynomial hubungan antara torsi dengan daya kincir

dengan cara:

diameter kincir 70 cm diameter kincir 100 cm

(56)

Sedangkan persamaan polynomial hubungan antara torsi dengan daya

kincir untuk kincir dengan diameter 100 dapat dicari menggunakan Persamaan 18,

dengan cara:

𝐶𝑝 =−0,497∙ 𝑡𝑠𝑟2+ 0,326∙ 𝑡𝑠𝑟

𝑃𝑘 𝑃𝑎

= −0,497∙ 𝑡𝑠𝑟2+ 0,326∙ 𝑡𝑠𝑟

𝑇 ∙ 𝜔 𝑃𝑎

= −0,497∙ 𝑡𝑠𝑟2+ 0,326∙ 𝑡𝑠𝑟

𝑇 =−0,497∙ 𝑃𝑎

𝜔 ∙ 𝑡𝑠𝑟2+

0,326∙ 𝑃_𝑎 𝜔 ∙ 𝑡𝑠𝑟

(20)

Dengan Persamaan 19, didapatkan grafik hubungan antara putaran poros,

torsi dan daya kincir untuk diameter kincir 70 cm, yang dapat dilihat pada Gambar

4.5.

Dengan Persamaan 20, didapatkan grafik hubungan antara putaran poros,

torsi dan daya kincir untuk diameter kincir 100 cm, yang dapat dilihat pada

(57)

4.4 Pembahasan

Pada tugas akhir ini telah diketahui bahwa cara kerja kincir angin model

ini adalah dengan sudu yang membuka dan menutup secara otomatis karena

adanya tiupan angin. Saat posisi sudu terbuka, itulah sudu yang menerima angin

Gambar 4.5. Grafik hubungan antara putaran poros- torsi- daya kincir, untuk diameter kincir 70 cm

(58)

dan secara otomatis sudu yang seporos akan menutup, hal ini memungkinkan

untuk meminimalkan rugi-rugi gesekan yang terjadi karena melawan arah angin.

Pada prinsip kerjanya, tiupan angin akan memutar kincir angin sehingga

memutar poros yang akan diteruskan keberbagai aplikasi, misalnya diteruskan ke

generator untuk menghasilkan listrik, atau ke transmisi lain yag digunakan untuk

menggiling gandum.

Dari data perhitungan dapat diketahui bahwa daya kincir model ini relatif

kecil atau sebesar 3,79 watt pada kecepatan angin 6,71 m/s menggunakan kincir

dengan diameter 100 cm. Sedangkan koefisien daya terbesarnya diperoleh pada

putaran poros 28,39 rpm dan kecepatan angin 5,11 m/s didapatkan sebesar 5,64

%.pada kincir dengan diameter 100 cm dengan tsr sebesar 0,29.

Kecilnya daya kincir disebabkan oleh beberapa hal, diantaranya kontur

kincir yang kurang aerodinamis menyebabkan masih besarnya gaya drag yang

ditimbulkan saat salah satu sudu dalam posisi menentang arah angin. Kesentrisan

poros, baik poros utama maupun poros sudu juga mempengaruhi kinerja kincir.

Berat kincir angin model 8 kg, mempengaruhi efisiensi kincir model, pemilihan

material yang lebih ringan memungkinkan untuk menambah efisiensi kincir angin.

Putaran poros yang terukur juga relatif kecil antara 9,42 rpm hingga 67,02 rpm.

Dari hasil penelitian dapat diketahui, bahwa semakin besar diameter kincir maka

(59)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari pengujian model kincir angin yang telah dilakukan, maka dapat diambil

beberapa kesimpulan:

1. Koefisien daya tertinggi untuk kincir angin dengan diameter 70 cm sebesar

5,23 % didapatkan pada saat tsr 0,5.

2. Koefisien daya tertinggi untuk kincir angin dengan diameter 100 cm

sebesar 5,34 % didapatkan pada saat tsr 0,32.

3. Daya kincir tertinggi untuk kincir angin dengan diameter 70 cm sebesar

2,81 watt didapatkan saat kecepatan angin 6,84 m/s pada torsi sebesar 0,3

Nm dan putaran poros 90 rpm.

4. Daya kincir tertinggi untuk kincir angin dengan diameter 100 cm sebesar

3,87 watt didapatkan saat kecepatan angin 6,71 m/s pada torsi sebesar 1,85

Nm dan putaran poros 20 rpm.

5. Semakin besar diameter dari kincir angin maka semakin besar torsi, daya

kincir dan koefisien daya.

6. Dilihat dari hasil unjuk kerja, kincir model ini belum bisa diterapkan untuk

(60)

5.2 Saran

Beberapa hal penting yang dapat digunakan untuk penelitian berikutnya:

1. Berat material kincir angin dibuat seringan mungkin, untuk meningkatkan

efisiensi kincir.

2. Bentukan kincir dibuat aerodinamis, untuk meminimalkan gaya drag yang

dapat menghambat putaran kincir.

(61)

DAFTAR PUSTAKA

Burton, Tony. Sharpe, David. Jenkins, Nick. Bossanyi, Ervin., Wind Energy Handbook, Wiley : New York, 2001

Irwin, J. David.,Mechanical Engineer’s Handbook, Auburn Universty :Auburn, Alabama, 2001

Arifudin, Momon., Model Kincir Angin Poros Vertikal Dengan Empat Sudu Datar Empat Ruang yang Dapat Membentang dan Mengatup Secara Otomatis, FST – Universitas Sanata Dharma: Yogyakarta, 2010

http://en.wikipedia.org/wiki/Windmill

http://id.wikipedia.org/wiki/Kincir_angin

(62)

(63)

(64)

(lanjutan) Tabel L1. Data perhitungan hubungan F/(ρxv2) terhadap n/v

kincir model dengan diameter 70 cm.

(65)

Tabel L2. Data perhitungan hubungan F/(ρxv2

(66)

(lanjutan) Tabel L2. Data perhitungan hubungan F/(ρxv2) terhadap n/v

kincir model dengan diameter 100 cm.

(67)

Tabel L3. Data perhitungan torsi dan daya kincir dengan diameter 70 cm, saat kecepatan angin 6,84 m/s.

(68)

(69)

(70)

n tsr ω T 𝑷_𝒌

(71)

(72)

5 0.094635 0.523333 2.047588 1.071571 10 0.189271 1.046667 1.702527 1.781978 15 0.283906 1.57 1.357465 2.131221 20 0.378541 2.093333 1.012404 2.119299 25 0.473177 2.616667 0.667343 1.746213 30 0.567812 3.14 0.322281 1.011963

(73)

(74)

(75)

(76)

(77)

(78)

(79)

(80)

(81)

(82)

(83)

(84)

(85)

(86)

(87)

(88)