Unjuk kerja kincir angin jenis " WEPOWER " sudu pipa pvc dengan variasi jumlah sudu.

(1)

ABSTRAK

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 melihat dan membandingkan unjuk kerja kincir angin poros vertikal berbahan PVC.

Model kincir angin jenis wepower dengan variasi jumlah sudu 4,6 dan 8 buah. Semua model kincir angin yang diuji memiliki diameter rotor 45 cm dengan tinggi 60 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 potong kincir.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa untuk kincir angin jenis wepower

dengan variasi jumlah sudu 4 buah menghasilkan daya kincir sebesar 28,03 watt dengan CP 0,061 pada tsr 0,31. Kincir angin jenis wepower dengan variasi jumlah sudu 6 buah menghasilkan daya kincir sebesar 23,03 watt dengan Cp0,054

pada tsr 0,35. Sedangkan kincir angin jenis wepower dengan variasi jumlah sudu 8buah menghasilkan daya kincir 29,93 watt dengan CP 0,06 pada tsr 0,38. Sehingga dapat disimpulkan kincir angin jenis wepower dengan variasi jumlah sudu 4 buah menghasilkan daya kincir (Pout), koefisien daya (CP), dan tip speed ratio (tsr) yang terbaik.

(2)

i

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN JENIS “WEPOWER’’ SUDU PVC DENGAN VARIASI JUMLAH SUDU

TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratan

Memperoleh gelar sarjana teknik

Program Studi Teknik Mesin

Jurusan Teknik Mesin

Diajukan oleh :

GEDE SUJANE NIM : 085214056

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

(3)

ii

THE PERFORMANCE OF PVC PIPE BLADE “WEPOWER” WINDMILL WITH BLADE NUMBER VARIATION

FINAL PROJECT

As partial fulfillment of the requirement

to obtain the SarjanaTeknik degree

Science and Technology Faculty

Mechanical Engineering Study Program

by

GEDE SUJANE Student Number:085214056

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

vii ABSTRAK

Dewasa ini keberadaan energi fosil semakin berkurang. Dengan eksploitasi secara besar-besaran, maka dikhawatirkan 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 melihat dan membandingkan unjuk kerja kincir angin poros vertikal berbahan PVC.

Model kincir angin jenis wepower dengan variasi jumlah sudu 4,6 dan 8 buah. Semua model kincir angin yang diuji memiliki diameter rotor 45 cm dengan tinggi 60 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 potong kincir.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa untuk kincir angin jenis wepower

dengan variasi jumlah sudu 4 buah menghasilkan daya kincir sebesar 28,03 watt dengan CP 0,061 pada tsr 0,31. Kincir angin jenis wepower dengan variasi jumlah sudu 6 buah menghasilkan daya kincir sebesar 23,03 watt dengan Cp 0,054 pada

tsr 0,35. Sedangkan kincir angin jenis wepower dengan variasi jumlah sudu 8buah menghasilkan daya kincir 29,93 watt dengan CP 0,06 pada tsr 0,38. Sehingga dapat disimpulkan kincir angin jenis wepower dengan variasi jumlah sudu 4 buah menghasilkan daya kincir (Pout), koefisien daya (CP), dan tip speed ratio (tsr) yang terbaik.

(9)

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 dan sebagai Dosen Pembimbing Akademik Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

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

4. Ketut Wintre dan Made Sayub 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.

5. Wayan Kartini selaku teman dekat penulis.

(10)

ix

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

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, 23 Mei 2013

(11)

x

Lembar Pernyataan Persetujuan Karya Ilmiah ...vi

Abstrak ...vii

1.1 Latar Belakang Masalah ...1

1.2 Rumusan Masalah ...2

BAB III METODE PENELITIAN ...16

3.1 Diagram Alir Penelitian ...16

3.2 Objek Penelitian ...17

3.3 Waktu dan Tempat Penelitian ...18

3.4 Peralatan dan Bahan ...19

3.5 Variabel Penelitian ...24

3.6 Langkah-Langkah Percobaan ...25

(12)

xi

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ...28

4.1 Data Hasil Percobaan ...28

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan ...28

4.3 Data Hasil Perhitungan ...37

4.4 Pembahasan ...40

BAB V Kesimpulan dan Saran ...48

5.1 Kesimpulan ...48

5.2 Saran ...49

DAFTAR PUSTAKA ...50

(13)

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kincir Angin Poros Horizontal………10

Gambar 2.2 Kincir Poros Vertical………12

Gambar 2.3 Grafik Hubungan Antara Cp Dan Tsr dari Beberapa Jenis Kincir……13

Gambar 3.1 Diagram Alir Langkah Penelitian………....16

Gambar 3.2 Gambar Teknik Kincir 8 Sudu Potongan 120° Dengan Kemiringan Sudu 80°………...17

Gambar 3.3 Gambar Teknik Kincir 6 Sudu Potongan 120° Dengan Kemiringan Sudu 80°………....17

Gambar 3.4 Gambar Teknik Kincir 4 Sudu Potongan 120° Dengan Kemiringan Sudu 80°………...18

Gambar 3.5 Konstruksi Kincir Angin………..19

Gambar 3.6 Terowongan Angin atau Wind Tunnel………....20

Gambar 3.7 Blower………...21

Gambar 4.1 Grafik Hubungan Antara Torsi Dengan Kecepatamn Putar Kincir 4 Sudu………..40

Gambar 4.2 Grafik Hubungan Antara Daya Kincir Dengan Torsi 4 Sudu………...41

Gambar 4.3 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya Dengan Tsr Kincir 4 Sudu………...41

Gambar 4.4 Grafik Hubungan Antara Torsi Dengan Kecepatan Putar Kincir 6 Sudu………...42

Gambar 4.5 Grafik Hubungan Antara Torsi Dengan Kecepatan Daya Kincir 6 Sudu………43

Gambar 4.6 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya Dengan Tsr Kincir 6 Sudu………....43

Gambar 4.7 Grafik Hubungan Antara Torsi Dengan Kecepatan Putar Kincir 8 Sudu………44

Gambar 4.8 Grafik Hubungan Antara Torsi Dengan Kecepatan Daya Kincir 8 Sudu………45

Gambar 4.9 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya Dengan Tsr Kincir 8 Sudu………45

Gambar 4.10. Grafik Perbandingan Antara Torsi Dan Putaran Dari Ketiga Variasi Jumlah Sudu………...46

(14)

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Kecepatan Angin………..5

Tabel 4.1 Data Percobaan Kincir Angin Dengan Jumlah 4 Sudu Dengan Sudut 80°………29

Tabel 4.2 Data Percobaan Kincir Angin Dengan Jumlah 6 Sudu Dengan Sudut 80°………....30

Tabel 4.3 Data Percobaan Kincir Angin Dengan Jumlah 8 Sudu Dengan Sudut 80˚………31

Tabel 4.4 Data Hasil Perhitungan Kincir 4 Sudu………....37

Tabel 4.5 Data Hasil Perhitungan Kincir 6 Sudu………38

(15)

1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kebutuhan energi didunia terus meningkat, hal ini terjadi karena

disebabkan oleh pertambahan penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pola

konsumsi energi itu sendiri yang senantiasa meningkat. Pembangkit listrik tenaga

air (PLTA) bersama pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dan pembangkit listrik

tenaga gas (PLTG) memegang peran penting terhadap ketersediaan listrik

terutama di Indonesia. Pengelolaan Energi Nasional yang dikeluarkan oleh

Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral (DESDM) pada tahun 2005,

mengatakan cadangan minyak bumi di Indonesia 2023 tahun yang akan datang

diperkirakan akan habis, dengan rasio cadangan/produksi pada tahun tersebut.

Sedangkan gas diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 40 tahun dan batubara

38 tahun. Sementara tingginya kebutuhan migas tidak diimbangi oleh kapasitas

produksinya menyebabkan kelangkaan sehingga di hampir semua negara berpacu

untuk membangkitkan energi dari sumber-sumber energi baru dan terbarukan.

Salah satu yang dipilih adalah energi angin.

Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia. Perahu-perahu

layar menggunakan energi ini untuk menggerakan kapal. dan sebagaimana

diketahui, pada asasnya angin terjadi karena ada perbedaan suhu antara udara

panas dan udara dingin. Di tiap daerah keadaan suhu dan kecepatan angin

(16)

2

sepenuhnya sebagai alternatif penghasil listrik. Angin selama ini dipandang

sebagai proses alam biasa yang kurang memiliki nilai ekonomis bagi kegiatan

produktif masyarakat. Padahal, di berbagai negara, pemanfaatan energi angin

sebagai sumber energi alternatif nonkonvensional sudah semakin mendapatkan

perhatian. Hal ini tentu saja didorong oleh kesadaran terhadap timbulnya krisis

energi dengan kenyataan bahwa kebutuhan energi terus meningkat sedemikian

besarnya. Di samping itu, angin merupakan sumber energi yang tak ada habisnya

sehingga pemanfaatan sistem konversi energi angin akan berdampak positif

terhadap kehidupan manusia dan lingkungan.

1.2 Perumusan Masalah

Masalah yang ingin dipecahkan dalam penelitian ini antara lain :

1. Angin merupakan energi yang berlimpah, gratis, kekal dan tidak menimbulkan

banyak dampak negatif bagi lingkungan dan manusia.

2. Indonesia merupakan negara yang beriklim tropis sehingga indonesia

memiliki energi angin yang sangat berlimpah namun belum dimanfaatkan

secara optimal.

3. Diperlukan desain kincir angin yang terbaik agar mampu merubah energi

angin menjadi energi listrik dengan bantuan generator sehingga efisiensi yang

(17)

3

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Mampu membuat kincir angin vertikal jenis wepower dengan variasi jumlah

sudu.

2. Mencari karateristik kincir angin vertical jenis wepower dengan variasi jumlah

sudu 4,6 dan 8 sudu.

3. Mengetahui efisiensi kincir yang kami buat.

1.4 Batasan Masalah

Permasalahan dalam penelitian ini dibatasi pada :

a) Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin poros vertikal jenis

wepower dengan variasi jumlah sudu 4 buah, 6 buah, 8 buah.

b) Pengambilan data dilakukan dengan cara memasukan kincir angin poros

vertikal kedalam wind tunnel yang tersedia di Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta.

c) Data yang diambil pada saat penelitian adalah kecepatan angin, putaran poros

kincir, beban dan suhu.

d) Variasi yang digunakan adalah variasi sudu dengan jumlah sudu 4 buah, 6

(18)

4

1.5 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

 Bagi Penulis

a. Merupakan wahana menerapkan pengetahuan teori yang telah didapat

dibangku kuliah.

b. Menambah referensi bagi mahasiswa yang akan melakukan penelitian

model kincir yang sama.

c. Mengetahui secara teoritis dan praktek kincir angin yang kami buat.

 Bagi Akademik

a. Merupakan pustaka tambahan untuk menunjang proses perkuliahan.

b. Sebagai referensi dasar untuk dilakukannya penelitian lebih mendalam

pada jenjang lebih tinggi.

 Bagi Masyarakat

a. Memberikan solusi terhadap masalah penyediaan energi yang murah dan

tidak mencemari lingkungan.

b. Sebagai kontribusi positif bagi dunia industri menengah kebawah dalam

(19)

5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Energi 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. Karena bergerak angin memiliki energi kinetik. Energi angin dapat

dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik

dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Oleh karena itu, kincir atau turbin

angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA).

Kekuatan angin ditentukan oleh kecepatannya, makin cepat angin bertiup maka

makin besar kekuatannya. Untuk lebih jelasnya dijelaskan pada Tabel 2.1.

(20)

6

2.1.1 Energi dan Daya Angin

Energi angin adalah tenaga yang dimiliki angin karena memiliki

kecepatan,tenaga yang dimiliki angin dinamakan energi kinetik angin. Energi

yang dimiliki oleh angin dapat didapat dari persamaan :

(1)

Dimana

Ek : energi kinetik, Joule

m : massa udara, kg/m³

(21)

7

aliran udara yang mengalir per satuan waktu adalah :

(2)

dimana

ρ : massa jenis udara, kg/

A : daerah sapuan kincir angin,

v : kecepatan angin, m/s

Dari Persamaan (1), didapat daya yang dihasilkan angin adalah energi kinetik

angin tiap satuan waktu (J/s) sehingga persamaan tersebut dapat ditulis menjadi :

(3)

dimana

Pa : daya yang dihasilkan angin, J/s (watt)

: massa udara yang mengalir per satuan waktu, kg/s

2.2 Kincir Angin

Turbin angin atau dalam bahasa sederhana kincir angin merupakan turbin

yang digerakkan oleh angin, yaitu udara yang bergerak diatas permukaan bumi.

Sudah sejak dahulu angin berjasa bagi kehidupan manusia, salah satunya adalah

para nelayan. Selain itu, turbin angin pada awalnya juga dibuat untuk

mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi,

keperluan irigasi, memompa air dan menggiling jagung. Penggunaan turbin angin

(22)

8

terutama pada daerah - daerah dengan aliran angin yang relatif tinggi sepanjang

tahun. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan

negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Sebagai pembangkit

listrik, turbin angin telah digunakan di Denmark sejak tahun 1890. Dalam

beberapa dekade terakhir ini, kekhawatiran akan habisnya energi fosil telah

mendorong pengembangan dan penggunaan turbin angin secara meluas dalam

mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat dengan prinsip konversi energi.

Pada saat ini, angin merupakan salah satu sumber energy dengan

perkembangan relatif cepat dibanding sumber energi lainnya. Walaupun demikian

sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi

pembangkit listrik konvensional (misal: PLTD atau PLTU). Pengkajian potensi

angin harus dilakukan dengan baik guna memperoleh suatu sistem konversi angin

yang tepat. Pengkajian potensi angin pada suatu daerah dilakukan dengan cara

mengukur serta menganalisa kecepatan maupun arah angin dasar dari alat untuk

merubah energi angin menjadi kincir angin. Meskipun masih terdapat susunan dan

perencanaan yang beragam, biasanya kincir angin digolongkan menjadi dua tipe

(horizontal dan vertikal) dan yang paling banyak digunakan adalah kincir jenis

horizontal. Kincir jenis ini mempunyai rotasi horisontal terhadap tanah (secara

sederhana yaitu sejajar dengan tiupan angin).

Prinsip dasar kincir angin adalah mengkonversi tenaga mekanik dari

putaran kincir menjadi energi listrik dengan induksi magnetik. Putaran kincir

(23)

9

pada desain batang kincir (blade). Ketersediaan angin dengan kecepatan yang

memadai menjadi faktor utama dalam implementasi teknologi kincir angin.

2.2.1 Pertimbangan Aerodinamik

Rancangan aerodinamik yang sangat baik akan meningkatkan efisiensi

sudu dan efisiensi generator. Hal yang harus diperhatikan di sini adalah bahwa

harus sebandingnya antara biaya perancangan aerodinamik dengan peningkatan

daya yang dihasilkan harus cukup masuk akal. Perhitungan efisiensi generator

kadang kala membutuhkan pertimbangan dengan biaya tinggi dan waktu yang

lama. Hal ini tentu tidak perlu dilakukan jika peningkatan efisiensinya tidak

sebanding. Sudu yang dirancang dengan pertimbangan aerodinamik yang sangat

baik biasanya menghasilkan geometri sudu yang kompleks. Bentuk geometri yang

kompleks tentu akan mempertinggi tingkat kesulitan dan juga biaya pembuatan.

Dengan demikian pertimbangan aerodinamik yang tepat diharapkan dapat

memberikan rekomendasi bentuk sudu dan generator yang tepat yang memiliki

efisiensi cukup untuk suatu kegunaan tertentu (baik mekanikal maupun

elektrikal), sehingga tidak menghabiskan biaya tinggi untuk desain dan

pembuatan. Secara teknis rancangan aerodinamik yang baik akan memberikan

keluaran berupa distribusi sudut pasang dan distribusi panjang chord sudu yang

(24)

10

2.2.2 Kincir Angin Poros Horizontal

Kincir Angin Poros Horizontal atau Horizontal Axis Wind Turbin (HAWT)

adalah kincir angin yang memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah

poros utama sesuai dengan arah angin. Kincir ini terdiri dari sebuah menara dan

kincir yang berada pada puncak menara tersebut. Poros kincir dapat berputar 360⁰

terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin.

Ada beberapa jenis kincir angin poros horizontal adalah sebagai berikut :

a. Kincir Angin American WindMill c. Kincir Angin Dutch Four arm

b. Kincir Angin American WindMill

Gambar 2.1 Kincir Angin Poros Horizontal

(25)

11 Kelebihan kincir angin poros horizontal adalah :

1. Mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi.

2. Banyak digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan skala besar.

3. Material yang digunakan lebih sedikit.

4. Memiliki faktor keamanan yang lebih baik karena posisi sudu yang berada

diatas menara.

5. Kecepatan putar lebih besar dari pada kecepatan angin yang diakibatkan gaya

angkat atau lift force oleh angin.

Adapun kelemahan yang dimiliki oleh kincir angin poros horizontal adalah :

1. Kontruksi yang tinggi dapat menyulitkan dalam pemasangan kincir.

2. Perlu adanya mekanisme tambahan untuk menyesuaikkan denga arah angin.

3. Biaya pemasangannya mahal.

2.2.3 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

(26)

12

Ada beberapa jenis kincir angin poros vertikal adalah sebagai berikut :

a. Kincir Angin Darrieus c. Kincir Angin Quiet Revolution

b. Kincir Angin Wepower

Gambar 2.2 Kincir Poros Vertical

(27)

13 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. 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 daya angin yang dihasilkan kecil.

3. Dari konstruksinya berat poros dan sudu yang bertumpu pada bantalan

merupakan beban tambahan.

Gambar 2.3 Grafik Hubungan Antara Cp dan Tsr Dari Beberapa Jenis Kincir .

(28)

14

Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah kincir angin dengan diameter

sudu r adalah :

……….(4)

dimana

: daya yang dihasilkan kincir angin, watt

T : torsi, Nm

n : putaran poros,rpm

2.2.4 Torsi Kincir Angin

Gaya yang bekerja pada poros baik itu jenis kincir angin poros horizontal

ataupun kincir angin poros vertikal, ditimbulkan karena adanya gaya dorong pada

sudu-sudu kincir dikurangi dengan gaya-gaya hambat (arah putaran yang

berlawanan). Gaya dorong pada sudu ini memiliki lengan atau jarak terhadap

sumbu putaran (poros). Hasil kali kedua gaya ini disebut dengan torsi (τ). Secara

(29)

15

2.2.5 koefisien Daya

Power coefficient ( ) adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukkan

perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir dengan daya yang dihasilkan

oleh angin . Sehingga CP dapat dirumuskan :

………...(6)

dimana

Pk : daya yang dihasilkan kincir, watt

Pa : daya yang dihasilkan angin, watt

2.2.6 Tip Speed Ratio (TSR)

Tip Speed Ratio (TSR) adalah perbandingan kecepatan pada ujung-ujung

sudu yang berputar, tsr dapat dirumuskan :

………(7)

dengan

r : jari-jari kincir, m

n : putaran poros, rpm

(30)

16

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 METODE

Langkah kerja dalam penelitian ini disajikan dalam diagram alir sebagai

berikut :

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian kincir angin poros vertikal.

MULAI

Perancangan kincir angin poros vertikal

Pembelian alat dan bahan yang akan digunakan untuk membuat kincir

Perakitan Kincir Angin

Pengambilan data kecepatan angin,putaran poros,beban dan suhu

Pengolahan data mencari daya angin,daya kincir,cp dan tsr,kemudian membandingkan antara daya kincir,cp dan tsr pada masing-masing variasi jumlah sudu kincir angin poros vertikal

Selesai

(31)

17

3.2 Objek Penelitian

Objek penelitian ini adalah kincir angin poros vertikal dengan variasi

jumlah sudu 4 buah, 6 buah dan 8 buah dengan bentuk yang sama.

Gambar 3.2 Gambar Teknik Kincir 8 Sudu Potongan 120˚ Dengan Kemiringan

Sudu 80˚.

(32)

18

Sudu 80˚.

3.3 Waktu dan Tempat Penelitian

Proses pembuatan kincir dimulai pada semester ganjil tahun ajaran

2012/2013 sedangkan pengambilan data, dan penelitian dimulai pada semester

genap tahun ajaran 2013/2014 di Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik

(33)

19

3.4 Alat dan Bahan

Model kincir angin dengan bahan bahan pipa PVC dan cara pengambilan

data dapat dilihat pada Gambar 3.5

Gambar 3.5 Konstruksi Kincir Angin

Terowongan angin ditutup dengan dua buah triplek disisi kiri dan kanan

diharapkan supaya tidak adanya turbulensi arah angin keluar terowongan dan

semua energi angin mengarah ke kincir

Dalam pengambilan data digunakan beberapa peralatan penunjang, di

(34)

20 1. Terowongan Angin

Terowongan angin atau wind tunnel adalah sebuah lorong berukuran 1,2 m ×

1,2 m × 2,4 m yang berfungsi sebagai tempat dimana angin bergerak dengan

kecepatan tertentu sekaligus merupakan tempat pengujian kincir angin, seperti

ditunjukkan pada Gambar 3.6. Kecepatan angin dapat diatur dengan cara

mengatur jarak antara wind tunnel dan blower sesuai keinginan.

Gambar 3.6 Terowongan Angin atau Wind Tunnel

2. Blower

Blower adalah alat yang digunakan untuk menggerakkan udara di dalam

terowongan angin sehingga angin dapat berhembus dengan kecepatan tertentu.

Blower digerakkan oleh motor listrik berdaya 5,5 kW, dapat dilihat pada gambar

(35)

21 Gambar 3.7. Blower

3. Tachometer

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 3.8.

(36)

22 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 3.9.

Gambar 3.9 Anemometer

5. Lampu Pembebanan

Memberikan beban terhadap generator sehingga kita dapat mencari beban

maksimal yang bekerja pada poros kincir dan kemudian dari beban tersebut kita

dapat menghitung torsi.lampun pembebanan dapt dilihat pada Gambar 3.10.

(37)

23 6. Neraca Pegas

Untuk menghitung beban yang diberikan terhadap poros. Neraca pegas dapat

dilihat pada Gambar 3.11.

Gambar 3.11 Neraca Pegas

7. Cara Pembebanan

Tali diikat pada dudukan generator sehingga, jarak tali yang diikat pada

dudukan generator keporos kincir angin disebut lengan ayun.gambar lengan ayun

(38)

24

Gambar 3.12 Lengan Ayun.

3.5 Variable Penelitian

1. Variasi jumlah sudu dengan tiga macam jumlah sudu yang digunakan (4

buah,6 buah dan 8 buah) dari pipa PVC berukuran 8 inci.

2. Variasi pembebanan dilakukan sampai menemukan beban maksimum.

3. Variasi kecepatan angin dilakukan dengan 4 posisi variasi kecepatan angin

yang dilakukan di dalam terowongan angin.

Parameter yang diukur :

Parameter yang diukur dalam penelitian ini adalah :

1. Kecepatan angin, (m/s)

2. Gaya pengimbang, (N)

3. Putaran kincir, (rpm)

(39)

25

3.6 Langkah - langkah percobaan

Pengambilan data kecepatan angin, beban, suhu 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 lengan ayun Seperti pada

Gambar dibawah

(40)

26

Gambar 3.14 Lengan Ayun

2. Menempatkkan anemometer dan takometer pada terowongan angin.

3. Memasang lampu pembebanan terhadap generator.

4. Setelah semua siap blower siap untuk dihidupkan

5. mengatur kecepatan angin dilakukan dengan cara menggeser triplek sehingga

mendapat kecepatan angin yang diinginkan.

6. Setelah mendapatkan kecepatan angin yang konstan kemudian dengan varisai

pembbebanan yang diberikan terhadap lampu dimulai menghitung putaran

dengan menggunakan takometer yang tegak lurus dengan puli dan menghitung

kecepatan angin beserta suhu udara yang ada didalam blower.

7. Langkah tersebut diulangi sampai mendapatkan beban maksimum, dengan

(41)

27

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)

(42)

28

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Hasil Percobaan

Data hasil percobaan terdiri dari variasi jumlah sudu yaitu 4 buah, 6 buah dan

8 buah.untuk setiap variasi percobaan dilakukan 4 kali variasi kecepatan angin

dengan cara membuka triplek yang ada didepan terowongan angin dengan cara

membuka triplek kurang lebih 5 cm untuk setiap perubahan posisi. Posisi 0 berarti

lubang terowongan angin tertutup dari sisi kiri dan kanan,posisi 1 berarti triplek

telah digeser 5 cm, posisi 2 berarti triplek digeser sejauh 10 cm begitu pula posisi

3. Untuk setiap kincir angi data dianggap selesai apabila putaran poros sudah

tidak konstan dan gaya pembebanannya tidak mengalami perubahan dari hasil

percobaan ditunjukan dalam table 4.1 sampai 4.3.

4.2 Pengolahan Data Dan Perhitungan

Contoh data yang disajikan diambil dari tabel 4.1 pada baris pertama dengan

kondisi kincir angin tanpa pembebanan dan jarak blower dan terowongan angin

rapat dan triplek menutupi sisi kanan dan sisi kiri terowongan angin. data diambil

(43)

29

Table 4.1 Data Percobaan Kincir Angin Dengan Jumlah 4 Sudu Dengan Sudut 80

(44)

30

(45)

31

(46)

32

4.2.1 Perhitungan Daya Angin

dengan

Pa : Daya angin (watt)

: Massa jenis udara kg/m²

A : daerah sapuan kincir angin, m²

Dengan jenis

ρ

dengan metode interpolasi dari table yang ada pada lampiran dari

suhu udara 28.7 ° C maka

ρ

= 1,17 kg/m³

Luasan daerah sapuan kincir adalah :

A = d . t

dengan

d = diameter

t = tinggi

maka dengan diameter kincir 0,45 m dan tinggi kincir angin(t) 0,60 m maka daya

angin (Pa) sebesar :

Pa = 0,5 . ρ . d . t .

Pa = 0,5. (1,16 kg/ ). (0,45 m). (0,60 m).

Pa = 546,6992 watt

(47)

33

4.2.2 Perhitungan Torsi

Untuk mengetahui perhitungan torsi pada kincir angin dapat dicari dengan

persamaan 5 pada sub Bab 2.2.4. yaitu :

T = r . F

dengan

T : torsi akibat putaran poros kincir, Nm

rt: jarak lengan gaya, m

F : gaya pengimbang, N

gaya pengimbang (F) dapat dicari dengan persamaan :

F = m . a

dengan

m : massa yang ditunjukkan pada neraca pegas, kg

a : percepatan gravitasi,

maka dengan jarak lengan 0,2 m, massa 0,43 kg dan percepatan gravitasi 9,81

besarnya gaya pengimbang (F) :

T = r . m . a

T = (0,2 m) . (0,43 kg ) . (9,81 )

T = 0,843 N.m

(48)

34

4.2.3 Perhitungan Daya Kincir

Untuk menghitung daya yang dihasilkan kincir angin dapat dicari dengan

Persamaan 4 pada Sub Bab 2.2.3 yaitu :

dengan

T : torsi kincir angin, Nm

n : putaran poros kincir, rpm

Maka dengan nilai torsi 0,843 N.m dan putaran poros 311.4 rpm besar daya kincir

adalah :

Pk = 0,843 .

Pk = 27,49 watt

(49)

35

4.2.4 Perhitungan tip speed ratio

Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan ujung kincir dengan

kecepatan angin atau tip speed ratio dapat dicari dengan Persamaan 7 pada Sub

Bab 2.2.6 yaitu :

dengan

r : jari-jari kincir, m

n : putaran poros, rpm

maka dengan jari-jari kincir 0,225 m, putaran poros 311,4 rpm dan kecepatan

angin 15.17 m/s besarnya tip speed ratio adalah :

Tsr

=

Tsr =

Tsr = 0,48

(50)

36

4.2.5 Perhitungan koefisien daya (Cp)

Untuk mengetahui perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir

angin (Pk) dengan daya yang dihasilkan oleh angin (Pa), dapat dicari dengan

Persamaan 6 pada Sub Bab 2.2.5 yaitu :

dengan

Pa : daya yang dihasilkan angin, watt

maka dengan daya kincir 27,49 watt dan daya angin 546,6992 watt besarnya

koefisien daya adalah :

Cp = 0,050

(51)

37

4.3 Data Hasil Perhitungan

Dari percobaan yang telah dilakukan dengan memvariasikan jumlah sudu

dan mengatur variasi kecepatan angin maka didapatkan hasil perhitungan yang

disusun dalam tabel 4.4 sampai dengan tabel 4.6

Tabel 4.4 Data Hasil Perhitungan Kincir 4 Sudu

No Torsi

Daya Angin Daya Kincir Koefisien Daya

(52)

38 Tabel 4.5 Data Hasil Perhitungan Kincir 6 Sudu

No Torsi

(53)

39 Tabel 4.6 Data Hasil Perhitungan Kincir 8 Sudu

No Torsi

(54)

40

4.4 Pembahasan

Dari data hasilpenelitian dan perhitungan yang dilakukan maka diperoleh

grafik hubungan antara torsi dengan kecepatan putar kincir,daya kincir dengan

torsi,dan koefisien daya kincir (Cp)dengan /tip speed ratio (Tsr) ditunjukkan pada

gambar 4.1 sampai dengan 4.9.

Gambar 4.1 Grafik Hubungan Antara Torsi Dengan Kecepatan Putar Kincir 4 Sudu

Gambar 4.1 Memperlihatkan bahwa pada setiap variasi yang dilakukan akan

mempengaruhi torsi dan kecepatan putar kincir,semakin besar kecepatan angin

maka semakin besar torsi dan kecepatan putar kincir.dari kecepatan angin 15,17

m/s maka putaran kincir yang didapat putaran kincir sebesar 311,4 m/s dengan

(55)

41

Gambar 4.2 Grafik Hubungan Antara Daya Kincir Dengan Torsi Kincir 4

Sudu

Gambar 4.2 memperlihatkan bahwa setiap variasi yang dilakukan akan

mempengaruhi daya kincir dan torsi kincir, Semakin besar kecepatan angin maka

semakin besar torsi dan daya kincir yang didapat. Dari kecepatan angin 15,17 m/s

maka didapat daya kincir sebesar 28,03 watt dan torsi sebesar 0,86 N.m.

(56)

42

Gambar 4.3 dapat dilihat bahwa setiap variasi yang dilakukan akan

mempengaruhi koefisien daya dan tip speed ratio kincir,koefisien daya yang

didapat 0,06 atau 6 % pada tsr 0,31.

Gambar 4.4 dapat dilihat bahwa pada setiap variasi yang dilakukan akan

m/s maka putaran kincir yang didapat putaran kincir sebesar 289,6 m/s dengan

(57)

43

Gambar 4.5 Grafik Hubungan Antara Torsi Dengan Kecepatan Daya Kincir 6 Sudu

mempengaruhi daya kincir dan torsi kincir,semakin besar kecepatan angin maka

semakin besar torsi dan daya kincir yang didapat.dari kecepatan angin 15,11 m/s

maka didapat daya kincir sebesar 23.03 watt dan torsi sebesar 0,76 N.m.

(58)

44

didapat 0,054 atau 5.4 % pada tsr 0,35.

Gambar 4.7 dapat dilihat bahwa pada setiap variasi yang dilakukan akan

m/s maka putaran kincir yang didapat putaran kincir sebesar 304.3 m/s dengan

(59)

45

Gambar 4.8 Grafik Hubungan Antara Torsi Dengan Kecepatan Daya Kincir 8 Sudu

mempengaruhi daya kincir dan torsi kincir,semakin besar kecepatan angin maka

semakin besar torsi dan daya kincir yang didapat.dari kecepatan angin 15,49 m/s

maka didapat daya kincir sebesar 29.93 watt dan torsi sebesar 0,94 N.m.

(60)

46

didapat 0,06 atau 6 % pada tsr 0,38.

Gambar 4.10. Grafik Perbandingan Antara Torsi Dan Putaran Dari Ketiga Variasi Jumlah Sudu.

Dari gambar 4.10 torsi yang tertinggi dimiliki kincir angin angin dengan

variasi jumlah sudu 4 buah,namun memilki putaran yang rendah karena torsi dan

putaran nilainya berbanding terbalik.

(61)

47

Dilihat dari grafik 4.11. besar daya output, torsi maupun Cp yang dihasilkan,

(62)

48

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1KESIMPULAN

Pengujian model kincir angin WePower termodifikasi dengan variasi

jumlah sudu 4,6 dan 8 buah dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

1. Telah berhasil dibuat kincir angin poros vertikal dengan model WePower

termodifikasi dengan diameter 0,45 m dan tinggi 0,6 m dengan jumlah

sudu 4,6,dan 8 buah.

2. Kincir angin dengan 4 sudu memiliki putaran kincir sebesar 311,4 rpm

sehingga didapatkan torsi 0,86 N.m,daya kincir sebesar 28,03 watt,

koefisien daya 0,061 atau 6,1 % dan tsr 0,31.Kincir angin dengan 6 sudu

memiliki putaran kincir sebesar 289,6 rpm sehingga didapatkan torsi 0,76

N.m,daya kincir sebesar 23,03 watt, koefisien daya 0,054 atau 5.4 % dan

tsr 0,35.Kincir angin dengan 8 sudu memiliki putaran kincir sebesar 304,3

rpm sehingga didapatkan torsi 0,94 N.m,daya kincir sebesar 29,93 watt,

koefisien daya 0,06 atau 6 % dan tsr 0,38.

3. Dapat disimpulkan torsi terbesar di dapatkan dengan variasi 4 sudu namun

putarannya rendah karena torsi dan putaran nilainya berbanding terbalik.

(63)

49

5.2SARAN

setelah dilakukan penelitian ada beberapa hal yang dapat menjadi saran

untuk penelitian selanjutnya:

1. Untuk penelitian selanjutnya dapat menggunakan bahan yang lebih ringan

dari pada pipa PVC sebagai sudu.

2. Pemasangan sudu harus diperhatikan kepresisiannya agar memperolrh data

yang maksimal.

3. Untuk penelitian selanjutnya khusus untuk kincir angin poros vertikal

lebih memperhatikan bearing yang ada pada dudukan poros kincir karena

(64)

50

DAFTAR PUSTAKA

Daryanto. Y. 2007. Kajian Potensi Angin Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu. BALAI PPTAGG-UPT-LAGG. Diakses : Tanggal 5

Agustus 2013.

Johnson, G.L. 2006. Wind Energy System. Manhattan. Diakses : Tanggal

12 Agustus 2013.

Johnson, G.L. 1997. The Search for A New Energy Source. Manhattan. Diakses : Tanggal 12 Agustus 2013.

Robert Harrison dkk 2000.large wind turbin design and economic.New York : jhon wiley & sons,ltd.

(65)

51

LAMPIRAN

(66)

52

(67)

53

(68)

54