i
UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL
4 SUDU BERBAHAN PIPA PVC
8”
DENGAN VARIASI
KEMIRINGAN SUDU
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1
Program Studi Teknik Mesin
Oleh :
VALENTIUS KELVIN HERYANTO
NIM : 115214054
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
ii
THE PERFORMANCE OF 4 BLADES HORIZONTAL AXIS
WIND TURBINE MADE OF PVC
PIPE 8”
WITH SLOPE
VARIATION BLADE
FINAL PROJECT
Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree
in Mechanical Engineering
By :
VALENTIUS KELVIN HERYANTO
Student Number : 115214054
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
vii
INTISARI
Kebutuhan energy merupakan salah satu hal yang tidak dapat dipisahkan dari kehidupan manusia karena mempunyai peranan yang penting untuk memenuhi semua kebutuhan manusia baik dari segi ekonomi, sosial, dan lingkungan. Pemanfaatan energy terbarukan saat ini sangat dibutuhkan dengan produksi bahan bakar minyak yang semakin terbatas. Keterbatasan produksi bahan bakar minyak menjadikan harga bahan bakar naik. Upaya-upaya pencarian sumber energi alternatif selain fosil, membuat para peneliti untuk mencari energi lain yang kita kenal sekarang dengan istilah energi terbarukan. Salah satu energi terbarukan yang dapat dikembangkan di Indonesia adalah pemanfaatan energi angin. Salah satu alat yang bisa memanfaatkan energi angin adalah kincir angin. Karakteristik desain kincir angin menjadi salah satu syarat mekanisme yang harus diperhatikan. Penelitian ini juga memacu pengembangan pembuatan kincir angin dengan bahan material yang murah, kuat, sederhana, dan terjangkau masyarakat luas.
Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin poros horisontal menggunakan bahan pipa PVC (polyvinil chloride) 8” dengan jumlah sudu 4 buah yang mempunyai diameter 1100 mm. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma. Variasi yang diambil adalah variasi kemiringan sudu kincir angin. Data yang diambil pada saat penelitian adalah kecepatan angin, kecepatan putaran poros kincir angin, dan gaya pengimbang torsi.
Hasil penelitian kincir angina dengan variasi kemiringan sudu 28,7° menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 11,27% pada tip speed ratio 3,03. Hasil penelitian kincir angina dengan variasi kemiringan sudu34° menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 34,91 % pada tip speed ratio 4,38.Hasil penelitian kincir angina dengan variasi kemiringan sudu 39,8° menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 23,57% pada tip speed ratio 3,64.
Dari ketiga variasi kemiringan sudu yang digunakan pada penelitian kincir angin, koefisien daya maksimal dihasilkan pada kemiringan sudu34° sebesar 34,91 % pada tip speed ratio 4,38. Kemiringan sudu kincir angina yang terbaik adalah sudu kincir angina dengan sudut 34°.
viii
ABSTRACT
Energy needs become fundamental that can not be separated from human life,because it has an important role to fulfill all human needsboth in terms of economic, social, and environmental. Nowadays, utilization of renewable energy is needed with limited oil production. Limited fuel production makes price risely.
Search efforts of alternative energy sources other than fossil , led researchers to look for other energy that we know today in terms of renewable energy. One of renewable energy that can be developed in Indonesia is wind energy utilization. One of the tools that can take advantage of wind energy is a wind turbine. Wind turbine design characteristics into one of the conditions which the mechanism must be considered. This research also boost the development of wind turbineconstruction with cheap, strong, simple, and affordable materials public at large .
The wind turbine model used is horizontal axis wind turbine made of materials of PVC (Poli Vinil Chloride) pipe 8" to the 4 piece of blades that have a diameter of 1100 mm . The research was conducted by using a wind tunnel in Energy Conversion Laboratory Sanata Dharma University . Variation taken is slope variation blade . Data taken at that time of researchare wind speed,shaft rotation of wind turbine speed, and Torquebalancer .
The results of wind turbinewith 28,7° slop blade indicates that maximum coefficient of power is 11,27% attip speed ratio 3,03. The results of wind turbine with 34° slop blade indicates that maximum coefficient of power is 34,91% attip speed ratio 4,38. The results of wind turbine with 28,7° slop blade indicates that maximum coefficient of power is 23,57% attip speed ratio 3,64.
Based on 3 variations of slop blade which are used on the wind turbine research,maximum coefficient of power is obtained at the wind turbine with 34 ° slop blade, which is 34.91 % at tip speed ratio of 4.38. Best variations is 34° slop blade.
Keywords : coefficient of power , torque , tip speed ratio, PVC (polyvinil chloride)
ix
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 danTeknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. PK. Purwadi, S.T.,M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. 3. Ir. Rines, S.T, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.
4. Doddy Purwadianto, S.T, M.T. selaku Dosen Pembimbing TA dan Kepala Laboratorium Energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. 5. Intan Widanarko selaku Laboran Laboratorium Energi Universitas Sanata
xi
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR...…... v
xii
2.3.5 Koefisien Daya .…………... 15
BAB III METODE PENELITIAN………...………... 16
3.1Skema Kerja Penelitian ... 16
3.2 Peralatan ...………...……... 17
4.4 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan ... 38
4.5 Grafik dariHasilPerhitungan 3 Variasi Kemiringan Sudu ... 45
BAB V PENUTUP ...………...………... 46
5.1 Kesimpulan …….……...………...…... 46
5.2 Saran …………...……...………...……... 47
DAFTAR PUSTAKA……….………...………....……... 48
xiii
Gambar 3.2 Kincir Angin Poros Horisontal Empat Sudu ...…... 17
Gambar 3.3.1 Sudu Kincir Angin ... 18
Gambar 4.1 Hubungan antara torsi dengan kecepatan putaran poros kincir angin pada setiap kecepatan angin untuk kemiringan sudu 28,70 38 Gambar 4.2 Hubungan antara torsi dengan Daya output kincir angin pada setiap kecepatan angin untuk kemiringan sudu 28,70... 39
Gambar 4.3 Hubungan antara Koefisien daya dan tip speed ratio untuk kemiringan sudu 28,70... 39
Gambar 4.4 Hubungan antara Torsi dengan kecepatan putaran poros kincir angin pada setiap kecepatan angin untuk kemiringan sudu 340... 41
xiv
Gambar 4.6 Hubungan antara Koefisien daya dan tip speed ratio untuk
kemiringan sudu 340... 42 Gambar 4.7 Hubungan antara torsi dengan kecepatan putaran poros kincir
angin pada setiap kecepatan angin untuk kemiringan sudu 39,80 44 Gambar 4.8 Hubungan antara torsi dengan Daya output kincir angin pada
setiap kecepatan angin untuk kemiringan sudu 39,80... 44 Gambar 4.9 Hubungan antara Koefisien daya dan tip speed ratio untuk
kemiringan sudu 39,80... 45 Gambar 4.10 Hubungan Koefisien daya dan tip speed ratio untuk 3 variasi
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Data Percobaan dengan kemiringan sudu 28,70………... 30
Tabel 4.2 Data Percobaan dengan kemiringan sudu 340………... 31
Tabel 4.3 Data Percobaan dengan kemiringan sudu 39,80………... 32
Tabel 4.4 Data Perhitungan untuk kemiringan sudu 28,70 ...……... 34
Tabel 4.5 Data Perhitungan untuk kemiringan sudu 340 ...……... 36
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Ilmu pengetahuan dan teknologi pada era ini menjadi faktor penting dan tidak dapat terpisahkan dalam usaha untuk peningkatan teknologi serta kesejahteraan setiap masyarakat.
Pemanfaatanenergi terbarukan saat ini sangat dibutuhkan dengan produksi bahan bakar minyak yang semakin terbatas. Keterbatasan produksi bahan bakar minyak menjadikan harga bahan bakar naik. Upaya-upaya pencarian sumber energi alternatif selain fosil membuat semangat para peneliti di berbagai negara untuk mencari energi lain yang kita kenal sekarang dengan istilah energi terbarukan. Energi terbarukan dapat didefinisikan sebagai energi yang secara cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Energi terbarukan meliputi energi air, panas bumi, matahari, angin,biogas, biomassa serta gelombang laut. Beberapa kelebihan energi terbarukan antara lain: sumbernya relatif mudah didapat, dapat diperoleh dengan gratis, minim limbah, tidak mempengaruhi suhu bumi secara global, dan tidak terpengaruh oleh kenaikan harga bahan bakar. Salah satu energi terbarukan yang dapat dikembangkan diIndonesia adalah energi angin. Potensi kincir angin di Indonesia masih terbuka luas karena Indonesia memiliki garis pantai sekitar 95.000 km, demikian juga potensi kecepatan angin yang dimiliki berkisar 5 m/s.
2
energiangin ke energi yang tepat guna,salah satunya mengkonversikan energi angin ke energi listrik. Karena energi listrik tidak dihasilkan langsung oleh alam, maka dibutuhkan alatyang mampu bekerja menghasilkan listrik. Alat yang dapat digunakan salah satunya adalah kincir angin. Kincir angin dapat menangkap energi angin yang ada di alam dan menggerakkan generator yang akan menghasilkan listrik..
Perkembangan kincir angin masih rendah berkaitan dengan biaya produksi yang masih tinggi dibandingkan dengan pembangkit listrik berbahan bakar minyak. Karakteristik desain kincir angin menjadi hal yang dapat mempengaruhi daya yang dihasilkan oleh kincir angin. Karakteristik ini sangat tergantung dari bentuk sudu, sudut sudu, jumlah sudu maupun luas penampang sudu.
1.2 Rumusan Masalah
Masalah yang ingin diselesaikan dalam Tugas Akhir iniantara lain:
a. Pemanfaatan energi angin masih sangat besar potensinya karenaterdapat di alamdengan berlimpah, tidak menimbulkan banyak dampak negatif bagi lingkungan dan manusia, sertadapat dikonversikan ke dalam bentuk energi mekanik, namun pemanfaatannya belum optimal.
b. Rancangan desain kincir angin yang baik, menggunakan bahan material yang murah, kuat, sederhana, dan lebih terjangkau masyarakat luas. c. Pengaruh variasi kemiringan sudu kincir angin poros horisontal dan
3
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
a. Merancang dan membuat kincir angin poros horisontaldengan jumlah 4 sudu terbuat dari bahan pipa PVC 8”dengan jari-jari kincir 55 cm.
b. Mengetahui unjuk kerja mekanik kincir angin poros horisontal dengan variasi kemiringan sudu kincir angin.
1.4 Batasan Masalah
Pembuatan kincir angin dengan memperhatikan batasan – batasan sebagai berikut :
a. Model kincir angin yang dibuat adalah kincir angin poros horisontal dengan jumlah sudu 4 buah yang mempunyai jari-jari 55cm serta berbahan pipaPVC (polyvinyl chloride) 8”.
b. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin (wind tunnel) di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma.
c. Variasi yang diambil adalah variasi kemiringan sudu kincir angin. d. Data yang diambil pada saat penelitian adalah kecepatan angin,
4
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat pembuatan kincir anginini adalah sebagai berikut :
a. Mengembangkan pengetahuan mengenai energi terbarukan khususnya energi angin dan pemanfaatannya, dengan menggunakan kincir angin. b. Memberikan informasi tentang unjuk kerja mekanik kincir angin poros
horisontal berbahan PVC dan dapat dijadikan contoh perancangan kincir angin poros horisontal.
5
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Konsep Dasar Angin
Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari.
2.2 KincirAngin
Kincir angin adalah sebuah alat yang dapat digunakan untuk mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik, yang bisa dimanfaatkan untuk berbagai tujuan praktis. Kincir anginsering dikenal dengan sebutan turbin angin. Angin bertiup diatas sayap disebut bilah atau aerofoil dari turbin angin, yang menyebabkan berputar cepat. Turbin angin menggunakan gerakan rotasi untuk membangkitkan listrik.
Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dibedakan menjadi dua kelompok utama, yaitu: kincir angin poros horisontal dan kincir angin poros vertikal.
2.2.1 Kincir Angin Poros Horisontal
6
kincir dapat berputar 3600 terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin.
Ada beberapa jenis kincir angin horisontal yang sudah umum dikenal dan dikembangkan:
1. American WindMill
Gambar 2.1 American WindMill (Sumber: green.kompasiana.com)
2. Cretan Sail WindMill
7 3. Kincir Angin Dutch four arm
Gambar 2.3 Kincir Angin Dutch four arm (Sumber: ayahaan.wordpress.com)
4. Kincir Angin Rival Calzoni
8
Kekurangan dan kelebihan kincir angin poros horisontal : 1. Kekurangan :
a. Memerlukan kecepatan angin yang lebih tinggi untuk bisa memproduksi listrik
b. Memerlukan menara yang tinggi untuk menangkap kecepatan angin yang cukup
c. Tambahan sistem ekor (yaw) adalah bagian dari turbin horisontal untuk membelokkan kincir ke arah angin.
d. Kincir yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang trampil. e. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga
bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator.
f. Membutuhkan biaya operasional, peralatan dan konstruksi yang lebih mahal dibandingkan kincir angin poros vertikal. 2. Kelebihan :
a. Mampumengkonversikan energi angin pada kecepatan tinggi sehingga memberikan kinerja yang lebih baik pada produksi energi dibandingkan dengan turbin angin dengan sumbu vertikal.
9
2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal
Kincir angin poros vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) merupakan salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan arah angin atau dapat dikatakan sebagai kincir yang dapat mengkonversikan tenaga angin dari segala arah kecuali dari arah bawah atau atas.
Ada beberapa jenis kincir angin poros vertikal yang sudah umumdikenal dan dikembangkan:
1. Kincir AnginSavonius
Gambar 2.5 Kincir Angin Savonius (Sumber: cleangreenenergyzone.com)
2. Kincir AnginDarrieus
10
Kekurangan dan kelebihan kincir angin poros vertikal : 1. Kekurangan
a. Kebanyakan kincir ini memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi kincir angin poros horisontal karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.
b. Kebanyakan kincir ini mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar yang didapat dari motor listrik kecil.
c. Sebuah kincir angin poros vertikal yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup.
2. Kelebihan
a. Kincir tidak harus diarahkan ke arah angin agar menjadi efektif dan tidak memerlukan tambahan yaw.
b. Bisa ditempatkan di lokasi yang arah anginnya bervariasi. c. Mulai dioperasikan pada angin berkecepatan rendah.
d. Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya.
11
g. Biaya operasional, peralatan dan konstruksi yang lebih murah dibandingkan kincir poros horisontal.
2.3 Rumus-Rumus Perhitungan
Rumus-rumus yang digunakan dalam melakukan perhitungan dan analisa dalam penelitian unjuk kerja kincir angin ini adalah sebagai berikut:
2.3.1 DayaAngin
Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik.Energi kinetik ini adalah energi yang dihasilkan dari laju aliran massa udara yang mengalir melewati suatu penampang tempat A (m2) dengan kecepatan v (m/s), yang diperoleh dengan rumus sebagai berikut :
Ek = mv2,(1)
denganEkadalah energi kinetik (J), m adalah massa udara (kg), dan v adalah kecepatan angin (m/det).
Daya merupakan energi per satuan waktu, maka dari Persamaan diatas dapat dituliskan:
Pin = ̇v2,(2)
dengan adalah daya yang dihasilkan angin, J/s (watt), ̇ adalah massa udara yang mengalir per satuan waktu (kg/s), v adalah kecepatan angin(m/s).
massa udara yang mengalir per satuan waktu adalah:
ṁ= ρAv, (3)
12
Dengan menggunakan Persamaan (03), maka daya angin (Pin) dapat dirumuskan menjadi:
Pin= ρAv v2 ,
disederhanakan menjadi :
Pin = ρAv3 ,(4)
2.3.2 TorsiKincirAngin
Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya dorong pada sumbu kincir, dimana gaya dorong ini memiliki jarak dan arah tegak lurus terhadap sumbu poros yang berputar ,Persamaannya:
T = rF ,(5)
dengan T adalah torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros (Nm), F adalah gaya pada poros akibat dari puntiran (N), danradalah jarak lengan torsi ke poros (m).
2.3.3 Daya Kincir Angin
Daya kincir angin adalah daya yang dihasilkan oleh poros kincir akibat daya angin yang melintasi sudu-sudu kincir. Koefisien daya (Cp) untuk tiap jenis kincir angin harganya berbeda dan harganya berubah sesuai dengan tip speed ratio (tsr).
13
Gambar 2.7 merupakan karakteristik dari beberapa kincir angin.
Gambar 2.7Diagram Cp vstsr
(Sumber: Johnson, 2006, hal. 18)
Umumnya perhitungan daya gerak melingkar dapat dituliskan dengan Persamaan:
P = Tω , (6)
14 Kecepatan sudut (ω) didapat dari
ω=
Dengan demikian daya yang dihasilkan oleh kincir dinyatakan dengan Persamaan:
Pout = Tω= T , (7)
denganPout adalah daya yang dihasilkan kincir angin (watt), nadalahkecepatan putaran poros (rpm).
2.3.4 tip speed ratio (tsr)
tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir
angin yang berputar dengan kecepatan angin. Rumus kecepatan diujung sudu ( ) adalah:
( ) = r ,
dengan adalah kecepatan ujung sudu, adalah kecepatan sudut (rad/s), dan adalah jari-jari kincir (m).
Sehingga tsrnya dapat dirumuskan dengan: tsr=
, (8)
15
2.3.4 Koefisien daya ( Cp )
Koefisien daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir angin ( ) dengan daya yang disediakan oleh angin ( ), sehingga dapat dirumuskan:
=
, (9)
16
BAB III
METODE PENELITIAN
Pembuatan kincir dan penelitian dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma dengan dua tahap, yaitu pembuatan kincir pada tanggal 2 April 2013 – 31 Mei 2013 dan penelitian pada tanggal 3 September 2013 – 27 September 2013.
3.1 Skema Kerja Penelitian
Pelaksanaan penelitian yang dilakukan dapat dilihat sesuai dengan bagan berikut :
Gambar 3.1 Skema Kerja Penelitian Mulai
Perancangan Kincir Angin
Pembuatan Kincir Angin
Pengambilan Data (v, n, F)
Pengolahan Data
Pembahasan dan Pembuatan Laporan
17
3.2 Peralatan
Obyek dalam penelitian ini adalah model kincir angin poros horisontal dengan jumlah sudu 4 buah yang mempunyai jari-jari 55cm serta berbahan pipa PVC (polyvinyl chloride) 8”.Model kincir angin poros horisontal 4 sudu dapat dilihat pada gambar 3.2 yang memiliki dua bagian utama yaitu :
18
1. Sudu
Sudu berfungsi untuk menangkap angin.Sudu kincir angin divariasi kemiringan sudut dengan a (jarak horisontal sisi terluar sudu dengan titik pusat kincir angin) : 29 cm, 30 cm , 31 cm. Sudu kincir angin terbuat dari
bahan PVC 8”, seperti ditunjukkan pada gambar 3.3.1 dan 3.3.2 .
19
20
Untuk mencari sudut pada sudu kincir angin mengunakan persamaan:
dengan a adalah jarak horisontal sisi terluar sudu dengan titik pusat kincir angin , b adalah jarak horisontal sisi terdalam dengan titik pusat kincir angin , c adalah
jarak sejajar antara sisi terdalam dan sisi terluar sudu kincir angin.
Gambar 3.4 Bagian Sudu Kincir Angin
= ( ) = (
) = 28.7 0
= ( ) = (
) = 34 0
= ( ) = (
21
2. Dudukan sudu
Dudukan sudu adalah bagian yang berfungsi sebagai tempat sudu dan sebagai pengikat sudu, sekaligus komponen untuk memvariasikan kemiringan sudu dan jumlah sudu, seperti ditunjukkan pada gambar 3.5.
22
Peralatan yang mendukung dalam penelitian antara lain :
1. Terowongan angin
Terowongan angin adalah lorong yang berfungsi untuk menangkap angin yang dihisap oleh fan blower, dan menjadi tempat untuk pengujian kincir angin. Seperti ditunjukkan pada gambar 3.6.
Gambar 3.6 Terowongan Angin
2. Fan blower
Fan blower berfungsi untuk menghisap angin yang akan disalurkan ke
terowongan angin, seperti ditunjukkan pada gambar 3.7.
23 3. Anemometer
Anemometer berfungsi sebagai pengukur kecepatan angin yang diletakkan didepan terowongan angin, untuk mengetahui kecepatan angin yang masuk ke terowongan angin. Anemometer ditunjukkan pada gambar 3.8.
Gambar 3.8Anemometer 4. Tachometer
Tachometer digunakan untuk mengukur kecepatan putaran poros
kincir angin. Tachometer ditunjukan pada gambar 3.9.
24
5. Neraca Pegas
Neraca pegas digunakan untuk mengukur pembebanan yang diberikan pada saat pengeremanan yang diasumsikan sebagai pengimbang torsi dinamis. Neraca pegas ditunjukkan pada gambar 3.10.
Gambar 3.10 Neraca Pegas
6. Mekanisme Pengereman
Mekanisme pengereman berfungsi sebagai penghambat putaran dalam melakukan pengambilan data torsi dan daya kincir angin. Mekanisme pengereman ditunjukkan pada gambar 3.11.
25
3.3 Variabel Penelitian
Beberapa variabel penelitian yang harus ditentukan sebelum melakukan penelitian adalah sebagai berikut :
1. Variasi sudut kemiringan sudu kincir adalah : 28,70, 340, dan 39,80, kemiringan sudu kincir angin dapat dilihat pada gambar 3.12.
Gambar 3.12 Kemiringan sudu
3.4 Variabel yang Diukur
Sesuai dengan tujuan, variabel yang akan diukur adalah sebagai berikut: 1. Kecepatan angin (v)
2. Gaya pengimbang (F)
26
3.5 Parameter yang Dihitung
Parameter yang dihitung untuk mendapatkan karakteristik dalam penelitian ini adalah:
Pengambilan data kecepatan angin, beban, dan kecepatan putaran poros kincir angin dilakukan secara bersama-sama. Pertama – tama adalah memasang kincir angin pada terowongan angin. Langkah-langkah pengambilan data sebagai berikut:
1. Neraca pegas dan pengaitnya diletakkan pada tempat yang sudah ditentukan.
2. Pada neraca pegas dipasangkan tali pengait yang akan dihubungkan dengan sistem pembebanan.
3. Memasang anemometer di dalam terowongan angin.
4. Mempersiapkantachometer dan menempatkan pada tempat yang sudah disediakan.
27
6. Pengaturan kecepatan angin dilakukan dengan cara menggeser Blower dengan menggunakan troli yang sudah disediakan, selanjutnya setiap pergeseran jarak diberi tanda dengan maksud memudahkan untuk pergeseran berikutnya.
7. Mengatur posisi Blower sampai mendapatkan kecepatan angin yang sesuai dengan keinginan peneliti.
8. Setelah mendapat kecepatan angin yang sesuai, maka pengukuran kecepatan angin, pembebanan dan pengukuran kecepatan putaran poros kincir angin pun dilakukan.
9. Catat hasil pengukuran yang telah diperoleh. 10. Ulangi proses 1-9 sampai selesai.
3.7 Langkah Pengolahan Data
Data-data yang diperoleh dan dicatat dari hasil pengukuran, diolah melalui beberapa tahapan berikut:
1. Dari data kecepatan angin dan luasan kincir angin didapatkan daya angin dengan menggunakan Persamaan (2).
2. Data dari beban pegas dapat digunakan untuk mencari Torsi dengan menggunakan Persamaan (5).
28
4. Dengan membandingkan kecepatan keliling di ujung sudu kincir angin dan kecepatan angin, maka tsr dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan (8).
29
BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Percobaan
30
Tabel 4.1 Data percobaan dengan Kemiringan Sudu 28,70
31
Tabel 4.2 Data Percobaan dengan Kemiringan Sudu 340
32
Tabel 4.3 Data Percobaan dengan Kemiringan Sudu 39.80
33
4.2 Perhitungan Data
Langkah-langkah perhitungan dapat dilihat pada contoh sampel yang diambil dari tabel:
4.2.1 Perhitungan Daya Angin (Pin)
Daya yang dihasilkan angin pada kincir angin dengan jari-jari= 0,55 dan kecepatan angin 8,1 m/det, serta asumsi massa jenis udara 1,2 kg/ dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (4).
Pin = Av3= r2(8,1 m/det)3= 303,027watt
4.2.2 Daya Kincir (Pout)
Daya yang dihasilkan oleh kincir angin dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (5), untuk mendapatkan daya kincir harus diketahui kecepatan sudut dan torsi. Maka perlu dicari terlebih dahulu menggunakan Persamaan (6) dan (7):
Maka kecepatan sudut dan torsi kincir angin adalah:
ω = =
= 62,172 rad/det T = Fr= 0,3.0,2= 0.06 Nm
Pout = Tω= 0,06.62,172= 3,730 watt
4.2.3 Tip Speed Ratio(tsr)
Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan ujung kincir dengan kecepatan angin atau tip speed ratiodapat dicari dengan menggunakan Persamaan (8):
tsr = =
34
4.2.4 Koefisien Daya Kincir (Cp)
Koefisien daya kincir dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (9): Cp =
Parameter yang diperoleh dari penelitian diolah dengan menggunakan Microsoft Excel untuk menampilkan hubungan besarnya torsi (T) yang dihasilkan terhadap kecepatan putaran poros kincir angin (rpm) pada setiap kecepatan angin (m/det) untuk setiap posisi kemiringan sudu kincir angin(α)(Gambar 4.1; 4.4; 4.7), hubungan besarnya torsi (T) yang dihasilkan terhadap daya output kincir angin (Pout) pada setiap kecepatan angin (m/det) untuk setiap posisi kemiringan sudu kincir angin(α) (Gambar 4.2; 4.5; 4.8), hubungan besarnya Koefisien daya(Cp) dan tip speed ratio(tsr) untuk setiap posisi kemiringan sudu kincir angin(α) (Gambar 4.3; 4.6; 4.9) pada saat pengambilan data, hubungan besarnya Koefisien daya(Cp) dan tip speed ratio (tsr) dari hasil perhitungan 3 variasi kemiringan sudu (α) (Gambar 4.10).
Tabel 4.4 Data perhitungan untuk kemiringan sudu 28,70
35
36
Tabel 4.5 Data perhitungan untuk kemiringan sudu 340
37
Tabel 4.6 Data perhitungan untuk kemiringan sudu 39,80
38
4.4 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan
Dari data yang telah diperoleh, kemudian diolah kembali ke dalam bentuk grafik untuk mengetahui hubungan antara torsi (T) dengan kecepatan putaran poros (n), daya yang dihasilkan (Pout) dengan kecepatan putaran poros (n) dan koefisien daya (Cp) dengan tip speed ratio kincir angin (tsr).
Grafik yang disajikan untuk setiap variasi percobaan dapat dilihat pada grafik berikut ini :
39
Gambar 4.2 Hubungan antara torsi (T) dengan Daya output kincir angin (Pout) pada setiap kecepatan angin (v) untuk kemiringan sudu
28,70
40
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1, bahwa semakin besar kecepatan putaran poros maka semakin kecil torsi kincir angin yang dihasilkan. Semakin besar kecepatan angin maka semakin besar torsi yang dihasilkan pada kecepatan putaran poros kincir angin yang sama.Untuk kecepatan angin 8,1 m/det, torsi maksimal yang dihasilkan 0,74 Nm dan kecepatan putaran poros kincir angin maksimal yang tercapai adalah 607,5 rpm.
Gambar 4.2. memperlihatkan bahwa semakin besar kecepatan putaran poros maka semakin besar daya kincir angin yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian daya tersebut mengecil. Semakin kecil kecepatan angin maka semakin kecil pula daya kincir angin yang dihasilkan. Untuk kecepatan angin 8,1,m/det, daya kincir angin maksimal yang dihasilkan, dicapai pada torsi0,66Nm sebesar 28,30 watt.
41
Gambar 4.4 Hubungan antara torsi (T) dengan kecepatan putaran poros kincir angin (n) pada setiap kecepatan angin (v) untuk kemiringan sudu 340
42
Gambar 4.6 Hubungan antara Koefisien daya(Cp)dantip speed ratio (tsr) untuk kemiringan sudu 340
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.4, bahwa semakin besar kecepatan putaran poros maka semakin kecil torsi kincir angin yang dihasilkan. Semakin besar kecepatan angin maka semakin besar torsi yang dihasilkan pada kecepatan putaran poros kincir angin yang sama. Untuk kecepatan angin 8 m/det, torsi maksimal yang dihasilkan 1 Nm dan kecepatan putaran poros kincir angin maksimal yang tercapai adalah 830,4 rpm.
43
44
Gambar 4.7 Hubungan antara torsi (T) dengan kecepatan putaran poros kincir angin (n) pada setiap kecepatan angin (v) untuk kemiringan sudu 39,80
45
Gambar 4.9 Hubungan antara Koefisien daya(Cp) dan tip speed ratio (tsr) untuk kemiringan sudu 39,80
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.7, bahwa semakin besar kecepatan putaran poros maka semakin kecil torsi kincir angin yang dihasilkan. Semakin besar kecepatan angin maka semakin besar torsi yang dihasilkan pada kecepatan putaran poros kincir angin yang sama. Untuk kecepatan angin 8 m/det, torsi maksimal yang dihasilkan 1,3 Nm dan kecepatan putaran poros kincir angin maksimal yang tercapai adalah 712,6 rpm.
46
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.9. dapat dilihat bahwa semakin besar tsr maka semakin besar Cp kincir angin yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian Cp tersebut mengecil. Untuk kecepatan angin 8 m/det, hubungan antara Cp dengan tsr kincir angin menunjukan nilai maksimal Cp 23,57 % pada tsr 3,64. Nilai maksimal Cp kincir angin 23,57 %, dicapai ketika kecepatan angin 8 m/s pada tsr3,64.
4.5 Grafik dari hasil perhitungan 3 variasi kemiringan sudu
Gambar 4.10 Hubungan Koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio(tsr) untuk 3 variasi kemiringan sudu 28,70, 340, dan 39,80
Gambar 4.10 memperlihatkan bahwa koefisien daya maksimal diperoleh dengan kemiringan sudu 340, yaitu 34,91% pada tip speed ratio kincir angin 4,38 pada kecepatan angin 6 m/det. Kemiringan sudu 340 adalah sudut yang terbaik jika dibandingkan dengan kemiringan sudu 28,70 dan 39,80.
47
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Pengujian model kincir angin poros horisontal dengan jumlah sudu 4 termodifikasi dengan variasi kemiringan sudu 28.7°, 34°, dan 39,8° dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Telah berhasil dibuat kincir angin poros horisontal berbahan pipa PVC 8” dengan jumlah 4 sudu termodifikasi dengan jari-jari sudu turbin berukuran 55 cm.
2. Kincir angin dengan kemiringan sudu 28,7° menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 11,27% pada tip speed ratio 3,03.
3. Kincir angin dengan kemiringan sudu 34° menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar34,91 % pada tip speed ratio 4,38.
4. Kincir angin dengan kemiringan sudu 39,8° menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 23,57% pada Tip Speed Ratio 3,64.
5. Koefisien daya maksimal diperoleh pada kemiringan sudu 34° sebesar 34,91 % pada tip speed ratio 4,38.
48
5.2 Saran
Setelah dilakukan penelitian ada beberapa hal yang dapat menjadi saran untuk penelitian selanjutnya :
49
DAFTAR PUSTAKA
Anwar,M.S.2008.Rancang Bangun Pembangkit Listrik Tenaga Angin Pada Stasiun Pengisian Accu Mobil Listrik, TugasAkhir, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Institute Teknologi Sepuluh November Surabaya, Surabaya.
Betz, A.1966. Introduction to the Theory of Flow Machines. (D. G. Randall, Trans.) Oxford: Pergamon Press.
Burton, T., Sharpe, D. 2001. Wind Energi Handbook. England.
Daryanto, T. 2012, Energi Terbarukan, http://www.Kompas.com Diakses : Tanggal 22April 2012.
Daryanto,Y. 2007, Kajian Potensi angin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu. Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, 2005. Pengelolaan Energi Nasional.
Johnson, G.L. 2006. Wind Energy System. Manhattan. Diakses : Tanggal 12 Agustus 2011.
Mulyani, 2008. Kajian Potensi Angin Indonesia. Central Library Institute Technology Bandung.
Sastrowijoyo, F. 2008. Permasalahan Yang Sering Terjadi Pada Sistem Wind Turbine di Indonesia. Alamat web: http://konversi.wordpress.com. Diakses : Tanggal 22 Februari 2012.
Sutrisna, F. K. 2011. Prinsip kerja Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Alamat web : http://indonesia.wordpress.com. Diakses : Tanggal 10 April 2012.
Okbrianto, C.2009.Yogyakarta. Unjuk Kerja Kincir Angin Savonius Dua Tingkat,Tugas Akhir,Teknik Mesin,Universitas Sanata
51
