i UNJUK KERJA KINCIR ANGIN JENIS“DUTCH WINDMILL”DENGAN VARIASI SUDUT SIRIP TUGAS AKHIR - Unjuk kerja kincir angin jenis ``dutch windmill`` dengan variasi sudut sirip - USD Repository

(1)

i

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN JENIS“DUTCH WINDMILL”DENGAN

VARIASI SUDUT SIRIP

TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratan

Memperoleh gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Mesin

Diajukan oleh :

TRIO PARDOMUAN DONGORAN

NIM : 095214032

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2013

(2)

ii

THE PERFORMANCE OF WORKING WINDMILL FOR “DUTCH

WINDMILL”TYPE WITH FIN ANGLE VARIATION

FINAL PROJECT

As partial fulfillment of the requirement

to obtain the SarjanaTeknik degree

Mechanical Engineering Study Program

by

TRIO PARDOMUAN DONGORAN

Student Number:095214032

DEPARTMENT OFMECHANICAL ENGINEERING

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2013

(3)

iii

(4)

iv

(5)

v

(6)

vi

(7)

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 mengetahui kerja kincir angin poros horisontal

berbahan akrilik.

Model kincir angin dibuat dalam empat variasi sudut sirip, yakni

10,20,30dan 40 derajat. 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 gaya pengimbang. Sehingga diperoleh daya

kincir (Pout), koefisien daya (CP), dan tip speed ratio (tsr), kemudian dilakukan

perbandingan daya kincir (Pout), koefisien daya (CP), dan tip speed ratio (tsr)

untuk masing-masing variasi sudut sirip kincir.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa untuk kincir angin dengan sudut sirip

Kincir angin dengan sudut sirip 10° menghasilkan koefisien daya (CP)maksimal

20,98% pada tsr 2,25. Kincir dengan sudut sirip 20° menghasilkan koefisien daya

(CP)maksimal19,61% pada tsr 2,79. Kincir dengan sudut sirip 30° menghasilkan

koefisien daya (CP)maksimal 18,19% pada tsr 2,02. Kincir dengan sudut sirip 40°

menghasilkan koefisien daya (CP)maksimal 16,72% pada tsr 1,89

(8)

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 Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Doddy Purwadianto, S.T., M.T., sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir dan Kepala laboratoriumkonversi energi.

4. Wibowokusbandono, S.T., M.T., selaku Dosen pembimbing akademik.

5. Seluruh karyawan Laboratorium konversi energi.

6. Luhut Dongoran dan Dahinta Perangin-Angin 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. Teman-teman penulis yang tinggal satu kos.

8. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan teman-teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih atas segala bantuanya.

(9)

ix

Penulis menyadari dalam penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Segala kritik dan saran yang membangun akan sangat penulis harapkan demi penyempurnaan dikemudian hari. Akhir kata seperti yang penulis harapkan semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.

Yogyakarta,04 Desember 2013

Penulis

(10)

x

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ...v

(11)

(12)

xii

3.7 Langkah Percobaan ... 19

3.8 Langkah pengolahan data ……….. 20 BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN …………..………..………. 21 4.1 Data Hasil Percobaan ………...………...……...……….. 21 4.2 Pengolahan Data Dan Perhitungan………...…...……… 25 4.2.1 Perhitungan Daya Angin (P in) ...…... 25 4.2.2 Perhitungan Daya Kincir (P out) ....…...……….. 26 4.2.3 Perhitungan Tip speed ratio ...……… 26

4.2.4 Perhitungan Koefisien Daya Kincir (CP) ...………...………. 27

4.3 Hasil Perhitungan ………...…...……….….. 27

4.3.1 Data perhitungan untuk kincir angin dengan variasi sudut sirip 10° ...27

4.3.2 Data perhitungan untuk kincir angin dengan variasi sudut sirip 20° ...29

4.3.4 Data perhitungan untuk kincir angin dengan variasi sudut sirip 30° ………...31

4.3.4 Data perhitungan untuk kincir angin dengan variasi sudut sirip 40° ……… 32

4.4 Grafik hasil perhitungan ……… 34 4.4.1 Grafik untuk variasi variasi sudut sirip 10° ………... 34

4.4.2 Grafik untuk variasi variasi sudut sirip 20° ………...…….. 36 4.4.3 Grafik untuk variasi variasi sudut sirip 30° ………...…. 38

4.4.4 Grafik untuk variasi variasi sudut sirip 40° ………...……. 40

(13)

xiii

BAB V PENUTUP ..………... 44

5.1 Kesimpulan ……...………...……….. 44

5.2 Saran ……...……...………...……….………..45

DAFTAR PUSTAKA ……….………...………....………...46

(14)

xiv

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)

P in 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)

R Jari-jari kincir (m)

(15)

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kincir Angin Poros Horisontal ………...….……....6

Gambar 2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ...….….. …….. 8

Gambar 2.3 Grafik HubunganAntara Koefisien Daya (CP) Dengan Tip speed ratio (tsr) dari beberapa jenis kincir angin ……...….….. 11

Gambar 3.1 Diagram Alir Langkah-langkah Penelitian ...….…... 12

Gambar 3.4.1skema kincir angin ...……...13

Gambar 3.4.2 Konstruksi Kincir Angin ...….….. 13

Gambar 3.4. Sudu Kincir Angin dengan variasi sudut sirip...……….14

Gambar 3.4.3 Kincir Angin ...…..….. 14

Gambar 3..4.4 Poros penopang Kincir ...…..….. 15

Gambar 3.4.5 Poros penyambung dihubungkan ke sistem pengereman ...….. 16

Gambar 3.4.6 Terowongan angina atau Wind Tunel...……….. 17

Gambar 3.4.7 Blower...……….….... 17

Gambar 3.4.8Tachometer ...……….…… 19

Gambar 3.4.9 Anemometer...………..….. 19

Gambar 3.4.10 Neraca Pegas...………..…… 20

(16)

xvi

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Data percobaan kincir dengan variasi sudut sirip 10° ...….21

Tabel 4.2.Data percobaan kincir dengan variasi sudut sirip 20° …………..…22

Tabel 4.3. Data percobaan kincir dengan variasi sudut sirip 30° .….…………23

Tabel 4.3. Data percobaan kincir dengan variasi sudut sirip 40° .….…………24

Tabel 4.5 - Tabel 4.7. Data hasil perhitungan untuk sudut potong 10°

………...….………....27

Tabel 4.8 – Tabel 4.10. Data hasil perhitungan untuk sudut potong 20°

.….……….………...……29

Tabel 4.11 – Tabel 4.13.Data hasil perhitungan untuk sudut potong 30°

……….………....31

Tabel 4.14 – Tabel 4.18.Data hasil perhitungan untuk sudut potong 40°

……….…………... 32

(17)

xvii

DAFTAR GRAFIK

Grafik 4.1 Grafik hubungan antara putaran poros kincir dengan beban

torsikincir untuk sudut

sirip10°...………. 34

Grafik 4.2 Grafik hubungan antara daya kincir dengan torsi untuk sudut sirip

10° ...………..………35

Grafik 4.3 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio untuk

variasi sudut sirip10°

...…...……….35

Grafik 4.4 Grafik hubungan antara putaran poros kincir dengan beban torsi

untuk variasi sudut sirip20°

...………...…………36

Grafik 4.5 Grafik hubungan antara daya kincir dengan torsi untuk variasi sudut

sirip... ...37

variasi sudut sirip20° ...…………...37

...……...…...……....38

Grafik 4.8Grafik hubungan antara daya kincir dengan torsi untuk variasi sudut

sirip30°

...………..…….……39

(18)

xviii

...…………...…...40

Grafik 4.11Grafik hubungan antara daya kincir dengan torsi untuk variasi sudut

sirip40°

...……….…41

variasi sudut sirip40° ...………..41

Grafik 4.13Grafik gabungan antara koefisien daya (cp) dan tips speed ratio (tsr)

(19)

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar belakang

Penggunaan energi listrik sangat diperlukan sekali 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.

Disini yang penulis buat adalah kincir angin poros horisontal dengan dua

sudu. Dengan jenis “DUTCH WINDMILL” karena bentuknya sederhana dan

bahannya dapat dingunakan dengan bahan- bahan yang sederhana kincir angin ini

banyak di pergunakan oleh petani garam di pesisir utara jawa. Penelitian tentang

kincir jenis “DUTCH WINDMILL”belum banyak di telititentang jenis kincir anginini.

(20)

2

1.2 Tujuan

Tujuan dari penelitian ini adalah :

a. Membuat model kincir angin jenis “DUTCH WINDMILL” yang

bersirip

b. Mengetahui sifat-sifat kincir angin “DUTCH WINDMILL”dengan

variasi sudut sirip (10°,20°,30°,40°)

c. Mengetahui koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr) yang

dihasilkan kincir angin.

d. Membandingkan daya yang dihasilkan kincir angin untuk

empatVariasisudutsirip kincir dengan bentuk dan ukuran yang

sama.

1.3. Manfaat

Manfaat dari penelitian ini adalah :

a. Menjadi sumber informasi mengenai unjuk kerja kincir angin dua

sudu berbahan akrilik/dengan variasi sudut sirip sama.

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 :

a. Indonesia adalah negara yang memiliki potensi energi angin yang

cukup besar.

b. Diperlukan kincir angin yang mampu mengkonversi energi angin

(21)

3

1.5. Batasan masalah

Batasan masalah yang ada dalam penelitian ini adalah :

a. Kincir angin tipe Dutch WindmilL dengan dua sudu

b. Sebagai bahan uji dibuat kincir angin dari bahan akrilik/kaca mika

dan sudunya dari bahan yang sama dalam bentuk yang sama

dengan Variasisudutsirip 10,20,30,dan 40 derajat

c. Kincir anin ini di uji pada terowongan angin dengan 3 variasi

kecepatan angin

(22)

4

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.

Indonesia memiliki potensi angin yang cukup baik, karena sebagian

pulau memiliki potensi angin yang bisa dimanfaatkan sebagai pembangkit

listrik tenaga angin, tentunya dengan bantuan alat yang kita sebut dengan

kincir angin. Kepulauan yang memiliki potensi tersebut diantaranya

kepulauan Sumbawa, Sumba, Lombok, dan Bali yaitu sebesar 4,5 sampai

5,8 m/s. ( Mulyani, 2008 ).

(23)

5

2.2. Kincir Angin

Kincir angin adalah sebuah alat 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 : [2]) 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 360:

terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin.

( Sumber :[3])

Beberapa jenis kincir angin poros horizontal yang telah banyak dikenal

diantaranya ditunjukkan pada Gambar 2.2.1 berikut :

a. Kincir angin American WindMill.

b. Kincir angin Cretan Sail Windmill.

c. Kincir angin Dutch four arm.

d. Kincir angin Rival calzoni.

(24)

6

a. Kincir angin American WindMill b. Kincir angin Cretan SailWindmill

c. Kincir angin Dutch four arm d. Kincir angin Rival calzoni

Gambar 2.1 Kincir Angin Poros Horizontal (Sumber : www.fineartamerica.com)

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.

(25)

7

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 denga 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 :

1. Dapat menerima arah angin dari segala arah.

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.

(26)

8

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 :

http://wikipedia.org/Kincir_angin)

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

a. Energi potensial yang terdapat pada angin dapat memutarkan

sudu-sudu yang terdapat pada kincir angin tersebut.

b. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat

gerakan benda tersebut, yang dapat dirumuskan :

Energi kinetik = ½ m.V2...……….…(1)

m = massa (kg)

V = kecepatan dari benda yang bergerak

(27)

9

c. Daya angin (𝑃_𝑖𝑛) adalah daya yang dibangkitkan oleh angin pada tiap luasan sudu, yang dapat dirumuskan :

𝑃𝑖𝑛 = ½

𝝆.A.V3.………...………...…...(2)

𝝆 = massa jenis udara (kg)

A = luas penampang sudu (m)

V = kecepatan aliran angin (m/s)

d. Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan kecepatan pada ujung-ujung

sudu yang berputar, tsr dapat dirumuskan :

𝑡𝑠𝑟 =2.𝜋.𝑟.𝑛 60.𝑣

………...……(3)

r = jari jari lingkaran / penampang sudu kincir.

n = putaran kincir.

e. Daya yang dihasilkan kincir (𝑃_𝑜𝑢𝑡) adalah daya yang dihasilkan kincir akibat adanya angin yang melintasi sudu kincir. Sehingga daya kincir

yang dihasilkan oleh gerakkan melingkar kincir dapat dirumuskan :

𝑃𝑜𝑢𝑡= T . ω

sumbu poros kincir yang berputar, untuk perhitungan torsi dapat

dihitung dengan menggunakan rumus :

T = F . r

………..……(5)

F = gaya (N)

(28)

10

r = panjang lengan torsi (m)

g. Kecepatan sudut kincir adalah kecepatan putar kincir dalam satuan

radian per detik. Kecepatan sudut dapat dihitung dengan menggunakan

rumus :

𝜔= 2𝜋

60 .𝑛 .….……...…….…….(6)

h. Power coefficient ( 𝐶_𝑝 ) adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukkan perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir dengan

daya yang dihasilkan oleh angin . Sehingga CP dapat dirumuskan :

𝐶𝑝 =𝑃_𝑃𝑜𝑢𝑡_𝑖𝑛

…………...……...(7)

Cp dari suatu kincir angin juga dapat ditentukan dengan grafik

Hubungan antara Cpdan tsr dari beberapa jenis kincir.

Gambar 2.3 Grafik Hubungan antara Cp dan tsr dari beberapa jenis kincir .

(Sumber : Wind Energy System by Dr. Gary L . Johns

BAB III

METODE PENELITIAN

(29)

11

3.1. Diagram alir penelitian.

Langkahkerja dalam penelitian ini disajikan dalam diagram alir sebagai

berikut :

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian

3.2. Objek penelitian

Perancangan kincir angin poros horizontal.

Pembuatan kincir angin poros horizontal berbahan akrilik. Variasi sudut sirip10,20,30 dan 40 derajat 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 sirip kincir angin.

Analisis serta pembahasan data dan pembuatan laporan.

Selesai MULAI

(30)

12

Objek penelitian ini adalah kincir angin poros horizontal dua sudu

berdiameter 80 cm dengan variasi sudut sirip (10,20,30dan 40 derajat),

dengan bentuk yang sama.

3.3. Waktu dan tempat penelitian

Proses pembuatan kincir, pengambilan data, dan penelitian dimulai pada

semester ganjil tahun ajaran 2012/2013 di Laboratorium Konversi Energi

Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3.4. Alat dan bahan

Model kincir angin dengan bahan bahan akrilik ukuran 3 mili dapat

dilihat pada Gambar 3.4.1

Gambar 3.4.1 kincir angin.

(31)

13

Gambar 3.4.2. Konstruksi kincir angin.

Gambar 3.4.3.

(32)

14

Gambar 3.4.4

Kincir angin tersebut memiliki beberapa bagian penting yaitu :

1. Sudu Kincir

Sudu kincir berfungsi untuk menangkap angin yang datang, terbuat dari

akrilik ukuran 80cm dengan tebal 3 mm. Banyak sudu yang dipakai dua

buah. Ada empat macam variasi sudut sirip yaitu sudut potong 10, 20, dan

40 derajat

2. Poros penopang kincir untuk menopang piringan kincir agar dapat berputar

Gambar 3.4.4 Poros penopang kincir

(33)

15

3. Poros penyangga berfungsi sebagai penyangga mekanisme kincir

keseluruhan.

4. 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

Gambar 3.4.5 Poros penyambung dihubungkan ke sistem pengereman

Dalam pengambilan data digunakan beberapa peralatan penunjang,

diantaranya :

1. Terowongan Angin

Terowongan angin atau wind tunneladalah 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 3.4.6 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.

(34)

16

Gambar 3.4.6 Terowongan Angin atau Wind Tunel

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 3.4.7

Gambar 3.4.7. Blower

(35)

17

3. Takometer

Takometer (tachometer) adalah alat yang digunakan untuk mengukur

putaran poros kincir angin sebagai data yang dibutuhkan. Jenis tachometer

yang digunakan adalah digital light takometer, prinsip kerjanya

berdasarkan pantulan yang diterima sensor dari reflektor, reflektor ini

berupa benda warna yang dapat memantulkan cahaya dan dipasang pada

poros.Takometer ditunjukkan pada Gambar 3.4.8

Gambar 3.4.8

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 3.4.9

Gambar 3.4.9

(36)

18

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 3.4.10

Gambar 3.4.10

3.5. Variabel penelitian :

Variabel dalam penelitian ini adalah :

1. Variasi sudu dengan empat macam variasi sudut sirip

(10, 20, 30,dan 40 derajat sudut potong) 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)

3. Putaran kincir, (rpm)

(37)

19

3.7Langkah 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 3.7.1

.

Gambar 3.7.1

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

mengukur kecepatan putaran, kecepatan angin, dan besarnya torsi.

6. Langkah tersebut diulangi sampai kondisi kincir berhenti, dengan lima

variasi kecepatan angin.

(38)

20

3.7. 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.

5. Dari data daya kincir (Pout) dan daya angin (Pin) maka koefisien daya

(Cp)dapat diketahui.

(39)

21

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Data hasil percobaan.

Data hasil percobaan kincir angin untuk masin-masing variasi derajad sudut sirip dapat dilihat pada tabel 4.1 , 4.2 , dan 4.3, dibawah ini.

Tabel 4.1. Data percobaan kincir dengan sudut sirip 10°

(40)

22

(41)

23

(42)

24

(43)

25

Data dari hasil percobaan kincir dua sudu dengan jarak pembebanan dari

sistem pengereman ke sumbu poros kincir adalah 0,2 m dan luas penampang

kincir 0,5 m. Percobaan dilakukan tiap tiga kali variasi kecepatan angin

dengan variasi sudut potong kincir yang berbeda. Percobaan dilakukan

sampai kincir berhenti berputar pada setiap variasi kecepatan angin

4.2. Pengolahan data dan perhitungan.

4.21. Besarnya daya angin (Pin) yang diterima kincir dengan luas

penampang 0,5 m dengan kecepatan angin 8,63 m/s. Maka daya angin

dapat dicari dengan Persamaan 2

= ½ 𝝆.A.V3

= 1,16 . 0,5 m . (8.63m/s)3

= 186.07 watt

Jadi daya yang tersedia pada angin adalah 186.07 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 :

𝜔 = 2𝜋 60 .𝑛

=2𝜋

60 .401.5rpm

(44)

26 = 42.03𝑟𝑎𝑑/𝑠

Maka kecepatan sudut yang didapatkan adalah 42.03𝑟𝑎𝑑/𝑠

T = F . r

= 2.6 N . 0,2 m

= 0,52 N.m

Sehingga torsi yang didapatkan adalah 0,52 N.m

Maka daya yang dihasilkan kincir adalah

Pout= T . ω

= 0,52 N.m . 42.03𝑟𝑎𝑑/𝑠

=21.85 watt

Sehingga daya yang dihasilkan oleh kincir adalah 21.85 watt

4.2.3. Besarnya tsr (tip speed ratio) dapat dicari dengan Persamaan 3, jadi

besarnya tsr adalah :

tsr = 2.𝜋.𝑟.𝑛

60.𝑣

= 2.𝜋. 0,4 𝑚 . 401.5𝑟𝑝𝑚 60 . 8.63m/s

=1.95

Sehingga tsr yang didapatkan 1.95

(45)

27

4.2.4. Besarnya Koefisien daya (Cp) dapat dicari dengan Persamaan 7, jadi

besarnya Cp adalah :

Cp=𝑃𝑜𝑢𝑡

𝑃𝑖𝑛

=21.85𝑤𝑎𝑡𝑡 186.𝑤𝑎𝑡𝑡

= 0,11

4.3. Hasil perhitungan.

Dari percobaan yang telah dilakukan dengan memvariasikan sudut

sirip kincir dan kecepatan angin.Maka data perhitungan diperoleh

sebagai berikut

4.3.1. Data perhitungan kincir angin dengan Variasi sudut sirip 10°.

Data perhitungan kincir angin dengan Variasi sudut sirip 10° dapat

dilihat pada tabel 4.5sampai dengan tabel 4.7.

(46)

28

Tabel 4.5. Data perhitungan pada posisi pertama dengan kecepatan angin maksimum 8,72 m/s.

Tabel 4.6.Data percobaan kincir dengan sudut 10°. Kecepatan angin

(47)

29

Tabel 4.7. Data percobaan kincir dengan sudut 10°. Kecepatan angin

minimum 5.44 m/s

4.3.2. Data perhitungan kincir angin denganVariasi sudut sirip20°.

Data perhitungan kincir angin dengan Variasi sudut sirip 20° dapat

dilihat pada tabel 4.8sampai dengan tabel 4.10.

maksimum 8.48 m/s

medium 7.34 m/s

(48)

30

(49)

31

4.3.3. Data perhitungan untuk Variasi sudut sirip30°.

Data perhitungan kincir angin dengan Variasi sudut sirip 30°, dapat

dilihat pada tabel 4.11 sampai dengan tabel 4.13.

maksimum 8.35 m/s

medium 7.12 m/s

minimum 5.14 m/s

(50)

32

4.3.4. Data perhitungan untuk Variasi sudut sirip 40°.

Data perhitungan kincir angin dengan Variasi sudut sirip 40°, dapat

dilihat pada tabel 4.14 sampai dengan tabel 4.16.

Tabel 4.14. Data percobaan kincir dengan sudut 40°. Kecepatan

(51)

33

medium 7.36 m/s

(52)

34

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 Variasi sudut sirip kincir 10°

Grafik 4.1 Grafik hubungan antara putaran poros kincir dan beban torsi untuk kincir bersudut sirip10°

Grafik 4.1. menunjukkan kecepatan maksimal 819,0 rpm dengan torsi 0

N.m pada posisi kecepatan angin 1 tanpa pembebanan. Pada posisi

kecepatan angin 2 kecepatan putaran dan torsi mulai berubah tetapi nilai

perubahannya tidak begitu jauh dengan posisi kecepatan angin 1. Pada

posisi kecepatan angin 3 , terjadi perubahan yang agak besar.Ini terjadi

karena pada posisi kecepatan angin 3 kecepatan angin menurun dan beban

pengereman semakin besar hal ini yang menyebabkan putaran menjadi

rendah tetapi torsi yang dihasilkan cukup tinggi.

(53)

35

Grafik 4.2. Grafik hubungan antara daya kincir dan beban torsi untuk kincir bersudut sirip10°

Grafik 4.2. menunjukkan pada posisi kecepatan angin 1 yaitu 8,72 m/s,

daya kincir maksimal 25,02 watt dan torsi maksimal 0,48 N.m. Pada posisi

kecepatan angin 2 hasil tidak beda jauh dengan posisi kecepatan angin 1,

karena kecepatan angin sekitar 7,11 m/s. Pada posisi kecepatan angin 3

terjadi penurunan.Ini disebabkan karena kecepatan angin menurun menjadi

sekitar 5,44 m/s.

Grafik 4.3 .Grafik hubungan antara CP dan tsr untuk kincir

bersudut sirip10°

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

(54)

36

Grafik 4.3. menunjukkan perbandingan antara CP dan tsr menunjukkan

nilai maksimal CP 20,65% padatsr 2,25 . Jika CPyang diperoleh tinggi maka

tsr yang diperoleh rendah, begitupun sebaliknya jika CPyang diperoleh rendah

maka tsr yang diperoleh tinggi.

4.4.2Grafik untuk variasi Variasi sudut sirip kincir 20°.

Grafik 4.4 Grafik hubungan antara putaran poros kincir dan beban torsi untuk kincir bersudut sirip 20°

(55)

37

Grafik 4.5. Grafik hubungan antara daya kincir dan beban torsi untuk kincir bersudut sirip 20°

Grafik 4.5. menunjukkan pada posisi kecepatan angin 1 yaitu 8,48m/s,

sekitar 5,09 m/s.

Grafik 4.6.Grafik hubungan antara CP dan tsr untuk kincir

bersudut sirip 20°

(56)

38

tsr yang diperoleh rendah, begitupun sebaliknya jika CPyang diperoleh

rendah maka tsr yang diperoleh tinggi

4.4.3Grafik untuk variasi Variasi sudut sirip kincir 30°.

(57)

39

Grafik 4.8. Grafik hubungan antara daya kincir dan beban torsi untuk kincir bersudut sirip30°

sekitar 5,14m/s

Grafik 4.9 .Grafik hubungan antara CP dan tsruntuk kincir bersudut

sirip 30°

0,00

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50

(58)

40

tsr yang diperoleh rendah, begitupun sebaliknya jika CPyang diperoleh

rendah maka tsr yang diperoleh tinggi

4.4.4Grafik untuk variasi Variasi sudut sirip kincir 40°

0,0

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

(59)

41

Grafik 4.11. Grafik hubungan antara daya kincir dan beban torsi untuk kincir bersudut sirip 40°

sekitar 5,67m/s

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

D

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50

(60)

42

Grafik 4.12.nilai maksimal CP 16,89% padatsr 1,65 . Jika CPyang

diperoleh tinggi maka tsr yang diperoleh rendah, begitupun sebaliknya jika

CPyang diperoleh rendah maka tsr yang diperoleh tinggi.

4.13 Perbandingan sudut sirip Grafik antara koefisien daya (cp) dan tips

speed ratio (tsr) (10,20,30,40)derajat

Dari pengujian kincir angin dari bahan akrilik ukuran 3mili dengan 4 variasi

sudut sirip yaitu: (10,20,30,40)derajat dalam bentuk yang sama. maka dapat

diambil perbandingan sudut sirip sebagai berikut :

Sudut sirip 10°menunjukkan perbandingan antara CP dan tsr menunjukkan

nilai maksimal CP 20,65% padatsr 2,25 . Jika CPyang diperoleh tinggi maka tsr

yang diperoleh rendah, begitupun sebaliknya jika CPyang diperoleh rendah

maka tsr yang diperoleh tinggi..

Sudut sirip 20°menunjukkan perbandingan antara CP dan tsr menunjukkan

nilai maksimal CP 18,53% padatsr 2,80 . Jika CPyang diperoleh tinggi maka tsr

yang diperoleh rendah, begitupun sebaliknya jika CPyang diperoleh rendah

maka tsr yang diperoleh tinggi.Sudut sirip 30° menunjukkan perbandingan

antara CP dan tsr menunjukkan nilai maksimal CP 18,19% padatsr 2,02 . Jika

CPyang diperoleh tinggi maka tsr yang diperoleh rendah, begitupun sebaliknya

jika CPyang diperoleh rendah maka tsr yang diperoleh tinggi. Sudut sirip 40°.

menunjukkan perbandingan antara CP dan tsr menunjukkan nilai maksimal CP

16,89% padatsr 1,65 . Jika CPyang diperoleh tinggi maka tsr yang diperoleh

(61)

43

rendah, begitupun sebaliknya jika CPyang diperoleh rendah maka tsr yang

diperoleh tinggi.

Grafik.4.13.Grafik gabungan antara koefisien daya (cp) dan tips speed

ratio (tsr) (10,20,30,40)derajat

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

(62)

44

BAB V

PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Dari pengujian kincir angin dari bahan akrili ukuran 3 mili dengan dua

variasi sudut sirip (10°,20°,30°,40°,) telah dilakukan maka dapat diambil

kesimpulan sebagai berikut :

1. Telah berhasil dibuat kincir angin jenis “Dutch Windmill” dari bahan

agrilik dengan memvariasikan sudut sirip(10°,20°,30°,40°) dalam bentuk

yang sama.

2. Kincir angin dengan sudut sirip 10° menghasilkan koefisien daya (CP)

maksimal 20,98% pada tsr 2,25. Kincir dengan sudut sirip 20°

menghasilkan koefisien daya (CP) maksimal 19,61% pada tsr 2,79. Kincir

dengan sudut sirip 30° menghasilkan koefisien daya (CP) maksimal

18,19% pada tsr 2,02. Kincir dengan sudut sirip 40° menghasilkan

koefisien daya (CP) maksimal 16,72% pada tsr 1,89

3. Besar kecilnya sudut sirip mempengaruhi unjuk kerja kincir angin. Pada

kincir angin dengan sudut sirip 10° daya kincir (Pout), koefisien daya (CP)

dan tip speed ratio (tsr) yang diperoleh lebih besar dibandingkan kincir

angin dengan sudut sirip 20° , 30°dan 40°.

(63)

45

5.2.Saran

Untuk lebih meningkatkan unjuk kerja kincir anginjenis

“DutchWindmill” perlu dilakukan percobaan lebih lanjut tentang variasi

sudut sirip dengan mencoba merubah panjang sirip atau diameter kincirnya

antara 10°,20°,30° sampai dengan 40°, hingga menemukan sudut sirip

yang dapat menghasilkan daya kincir (Pout), koefisien daya (Cp) dan tsr

yang lebih baik.

(64)

46

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.

Sutrisna, F. K. 2011. Prinsip kerja Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Alamat web

: http://indone5ia.wordpress.com. Diakses : Tanggal 28 Agustus 2012.

www. wikipedia.org/wiki/Kincir angin. : Diakses tanggal 22 Februari 2012

www. Fineartamerica.com : Diakses tanggal 22 Februari 2012