UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN POROS VERTIKAL
DENGAN DUA SUDU YANG DAPAT MEMBUKA DAN
MENUTUP SECARA OTOMATIS
Tugas Akhir
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat
Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin
Program Studi Teknik Mesin
Oleh :
Cahyangga Adhitya
NIM : 095214070
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
i
UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN POROS VERTIKAL
DENGAN DUA SUDU YANG DAPAT MEMBUKA DAN
MENUTUP SECARA OTOMATIS
Tugas Akhir
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat
Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin
Program Studi Teknik Mesin
Oleh :
Cahyangga Adhitya
NIM : 095214070
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2011
ii
PERFORMANCE OF VERTICAL AXIS WIND TURBINE MODEL
WITH TWO BLADE THAT CAN BE OPENED AND CLOSED
AUTOMATICALLY
Final Project
Presented as fulfillments of the Riquirements
To Obtain the Sarjana Teknik Degree in
Mechanical Engineering Study Programme
By :
Cahyangga Adhitya
Student Number : 095214070
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
iii
v
vi
INTISARI
Kelangkaan energi fosil dan efek pemanasan global yang diakibatkan adanya pemanfaatan energi fosil membuat banyak pihak memikirkan energi alternatif untuk mengatasi masalah tersebut. Salah satu energi alternatif yang dapat dimanfaatkan adalah energi angin. Perlu adanya mekanisme yang dapat mengubah energi kinetik dari angin sehingga dapat dimanfaatkan. Kincir angin adalah mesin yang dapat digunakan untuk dapat merubah energi angin menjadi sesuatu yang dapat dimanfaatkan.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui hubungan antara tip speed ratio (tsr)
dengan koefisien daya (Cp) serta hubungan antara daya kincir dengan torsi yang
dihasilkan sebuah kincir model poros vertikal dengan dua buah sudu yang dapat membuka dan menutup secara otomatis.
Variasi yang terdapat pada penelitian ini adalah ukuran sudu dan kecepatan angin. Adapun dimensi kincir adalah sebagai berikut, tinggi sudu 40 cm serta variasi diameter kincir 70 cm dan 100 cm. Untuk variasi kecepatan angin pada saat pengambilan data adalah 6-7 m/s. Kemudian agar kincir dapat menghasilkan listrik maka kincir ini dihubungkan dengan rangkaian generator dengan menggunakan sistem transmisi sabuk. Listrik yang dihasilkan dapat diberi variasi pembebanan lampu untuk menghasilkan gaya pengereman pada generator sehingga dapat dipakai untuk menghitung besarnya torsi yang dihasilkan.
Untuk nilai Cp terbesar didapat pada saat angka tsr adalah 0,4 pada pengambilan
data dengan kecepatan angin 6,74 m/s dan diameter kincir 100 cm. Nilai Cp tersebut
adalah 3,4 %. Sedangkan untuk nilai daya kincir maksimum yang diperoleh saat pengambilan data adalah 2,6 watt. Daya ini diperoleh pada saat pengambilan data dengan kecepatan angin 6,92 m/s dan diameter kincir 100 cm.
Untuk nilai Cp tertinggi tidak diperoleh pada saat tsr tertinggi dan daya kincir
maksimum, hal ini terjadi karena ketika daya kincir maksimum, daya angin juga maksimum, sehingga mengakibatkan angka Cp tidak maksimum.
vii
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan
karuniaNya, sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Tugas akhir ini adalah
sebagian persyaratan untuk mencapai derajat sarjana S-1 program studi Teknik
Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.
Tugas akhir ini mengambil judul “Unjuk Kerja Model Kincir Angin Poros
Vertikal Dengan Dua Sudu Yang Dapat Membuka dan Menutup Secara Otomatis”.
Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini karena adanya bantuan dan
kerjasama beberapa pihak. Pada kesempatan ini perkenankan penulis mengucapkan
terimakasih kepada :
1. Romo Ir. Andreas Soegijopranoto SJ, Direktur ATMI Surakarta, yang
telah memberi kesempatan untuk studi lanjut di Universitas Sanata
Dharma Yogyakarta.
2. Romo JB Clay Pareirra SJ, Selaku Pudir ATMI Surakarta.
3. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., Dekan Fakultas Sains dan
Teknologi Universitas Sanata Dharma.
4. Budi Sugiharto, S.T., M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin dan dosen
Pembimbing Akademik.
ix
6. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing
penulis selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.
7. Kepala Laboratorium dan Laboran Jurusan Teknik Mesin Universitas
Sanata Dharma.
8. Semua rekan-rekan ATMI - Sanata Dhrama angkatan pertama,
terimakasih atas dukungan dan kerjasamanya.
9. Serta semua pihak yang telah membantu atas terselesaikannya Tugas
Akhir ini serta yang tidak mungkin disebutkan satu persatu.
Penulis menyadari dalam pembahasan masalah ini masih jauh dari
sempurna, maka penulis terbuka untuk menerima kritik dan saran yang membangun.
Semoga naskah ini berguna bagi mahasiswa Teknik Mesin dan pembaca
lainnya. Jika ada kesalahan dalam penulisan naskah ini penulis minta maaf yang
sebesar-besarnya, terima kasih.
Surakarta, 6 Februari 2011
x
DAFTAR ISI
Halaman Judul ... i
Title Page... ii
Halaman Pengesahan ... iii
Daftar Dewan Penguji... iv
Pernyataan keaslian karya ... v
Intisari ... vi
Lembar Pernyataan ... vii
Kata Pengantar ... viii
Daftar Isi ... x
Daftar Gambar ... xii
Daftar Tabel ... xiv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1Latar belakang ... 1
1.2Rumusan masalah... 2
1.3Batasan masalah ... 3
1.4Tujuan tugas akhir ... 4
1.5Manfaat tugas akhir ... 4
BAB II DASAR TEORI ... 5
2.1Definisi angin ... 5
2.2Teknologi kincir ... 8
2.3Gaya Drag dan Lift ... 11
2.4Koefisien daya (Cp) ... 11
xi
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 15
3.1.Peralatan dan bahan... 15
3.2.Variabel penelitian ... 21
3.3.Parameter yang diukur ... 23
3.4.Parameter yang dihitung ... 24
BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ... 25
4.1Data penelitian ... 25
4.2Pengolahan data dan perhitungan... 29
4.3Grafik hasil perhitungan ... 33
4.4Pembahasan ... 39
BAB V PENUTUP ... 42
5.1Kesimpulan ... 42
5.2Saran ... 43
DAFTAR PUSTAKA ... 44
LAMPIRAN
GAMBAR KERJA
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Peta Potensi Angin Indonesia ... 3
Gambar 2.1 Grafik Betz ... 14
Gambar 3.1 Kincir Poros Vertikal ... 15
Gambar 3.2 Rangkaian Sudu... 16
Gambar 3.3 Rangkaian Poros ... 16
Gambar 3.4 Rangkaian Penahan ... 17
Gambar 3.5 Lorong Angin ... 18
Gambar 3.6 Fan Blower ... 18
Gambar 3.7 Generator ... 19
Gambar 3.8 Pengukur beban ... 19
Gambar 3.9 Anemometer ... 20
Gambar 3.10 Tachometer ... 20
Gambar 3.11 Rangkaian Lampu ... 21
Gambar 4.1 Grafik hubungan dengan pada variasi diameter kincir 70cm ... 35
Gambar 4.2 Grafik hubungan dengan pada variasi diameter kincir 100cm ... 36
xiii
Gambar 4.4 Grafik Hubungan rpm, Torsi dan Daya Kincir untuk
empat variasi kecepatan pada kincir dengan diameter 70 cm ... 38
Gambar 4.5 Grafik Hubungan rpm, Torsi dan Daya Kincir untuk
empat variasi kecepatan pada kincir dengan diameter 100 cm ... 39
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Potensial Energi Terbarukan di Indonesia ... 2
Tabel 1.2. Tingkat Kecepatan Angin 10 meter
di Atas Permukaan Tanah ... 3
Tabel 4.1 Tabel Hasil Pengujian kincir
dengan diameter kincir 70 cm ... 25
Tabel 4.1 Tabel Hasil Pengujian kincir
dengan diameter kincir 70 cm (Lanjutan) ... 26
Tabel 4.2 Tabel Hasil Pengujian kincir
dengan diameter kincir 100 cm ... 27
Tabel 4.2 Tabel Hasil Pengujian kincir
dengan diameter kincir 100 cm (Lanjutan) ... 28
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Dewasa ini, telah marak dan gencar bahwa banyak negara-negara yang
sedang berlomba-lomba dalam pengembangkan energi hijau. Hal tersebut terjadi
karena didasari kesadaran banyak negara bahwa energi fosil sudah harus mulai
ditinggalkan, karena ketersediaannya mulai memprihatinkan. Disamping itu,
proses untuk dapat mengubah sebuah energi fosil menjadi sesuatu yang dapat kita
pergunakan membutuhkan banyak biaya dan waktu, serta banyak dampak negatif
yang ditimbulkan oleh adanya pengunaan energi fosil, seperti adanya dampak
pemanasan global akibat sisa-sisa pembakaran yang berupa gas CO dan CO2.
Berbagai energi hijau mulai dikembangkan, energi angin, surya dan air
pun mulai marak dipelajari. Pada kesempatan kali ini penulis akan lebih
menekankan pada pemanfaatan energi angin sebagai energi alternatif yang dapat
dikembangkan. Syarat penggunaan energi alternatif adalah energi tersebut harus
bersifat kotinu serta energi tersebut ramah lingkungan, sehingga tidak
mengganggu kelangsungan hidup manusia dan makhluk lain.
Seperti terlihat pada Tabel 1.1, potensi energi terbarukan yang negara
kita miliki, energi angin memang menempati urutan paling bawah. Hal ini terjadi
dikarenakan kondisi kecepatan angin yang kita miliki memang relatif rendah,
sekitar 30-40 km/jam. Namun, disamping itu negara kita memiliki kondisi
geografis yang cukup menguntungkan, yaitu negara kita memiliki jajaran pantai
yang panjang dan kita dapat memanfaatkan angin darat dan angin laut. Kondisi ini
sangat dapat kita jadikan alasan bagi kita untuk dapat memanfaatkan kekayaan
dan kondisi alam kita. Dan untuk dapat ikut berpartisipasi dalam menghemat
cadangan energi di bumi kita.
Tabel 1.1 Potensial Energi Terbarukan di Indonesia
Sumber : Anonim, 2005, Blueprint Pengembangan Industru Energi Nasional 2005-2020
Bentuk Energi Potensial Energi Tersedia Kapasitas yang Terpakai
Panas Bumi 27,00 GW 0,80 GW
Mini / Mikro Hidro 458,75 MW 54,00 MW
Tenaga Surya 4,80 kWh/m2/day 5 MW
Tenaga Angin 9,29 GW 0,0005 GW
Indonesia seperti kebanyakan negara tropis, memiliki potensi energi
angin yang rendah. Peta potensi angin yang dimiliki Negara Indonesia dapat
dilihat pada Gambar 1.1.
Berdasarkan kecepatanya, angin dapat dibagi menjadi beberapa kelas,
seperti yang terlihat dalam Tabel 1.2 dari tingkat kecepatan angin yang berada
pada 10 meter di atas permukaan tanah, kita juga dapat melihat kondisi alam yang
terjadi di daratan.
1.2 Rumusan Masalah
Pada pengujian kali ini, kincir model akan diuji dalam trowongan angin
3
dianalisa mengenai variasi diameter pada kincir dengan jumlah sudu dua,
sehingga diperoleh data mengenai unjuk kerja kincir tersebut.
Tabel 1.2. Tingkat Kecepatan Angin 10 meter di Atas Permukaan Tanah (sumber : http://kuntobigbrain.blogspot.com/2009_10_01_archive.html)
Kelas
Kecepatan Angin
(m/s)
Kondisi Alam di Daratan
1 0.00 – 0.02 ---
2 0.3 – 1.5 Angin tenang, asap lurus ke atas
3 1.6 – 3.3 Asap bergerak, mengikuti arah angin
4 3.4 – 5.4 Wajah terasa agak dingin, dau-daun bergoyang pelan, petunjuk arah angin bergerak
5 5.5 – 7.9 Debu jalan, kertas beterbangan, ranting pohon bergoyang
6 8.0 – 10.7 Ranting pohon bergoyang, bendera berkibar
7 10.8 – 13.8 Ranting pohon besar bergoyang, air plumpang berombak kecil
8 13.9 – 17.1 Ujung pohon melengkung, hembusan angin terasa di telinga
9 17.2 – 20.7 Dapat ,mematahkan ranting pohon, jalan berat melawan arah angin
10 20.8 – 24.4 Dapat mematahkan ranting pohon, rumsh rubuh
11 24.5- 28.4 Dapat merubuhkan pohon, menimbulkan kerudsakan
12 28.5 – 32.6 Menimbulkan kerusakan parah
13 32.7 – 36.9 Tornado Gambar 1.1. Peta Potensi Angin Indonesia
(sumber : http://konversi.wordpress.com/2008/11/06/ permasalahan-yang-sering-terjadi-pada-sistem-wind-turbine-di-indonesia)
1.3 Batasan Masalah
Pembahasan akan lebih memfokuskan pada batasan-batasan masalah
sebagai berikut :
1. Kincir model yang digunakan adalah kincir angin poros vertikal
dengan dua buah sudu yang dapat membuka dan menutup secara
otomatis.
2. Diameter maksimal kincir adalah 1 meter, menyesuaikan dengan
lebar terowongan angin Universitas Sanata Dharma.
3. Jumlah sudu kincir adalah dua buah.
4. Variasi dilakukan pada diameter 70 cm dan 100 cm.
1.4 Tujuan Tugas Akhir
1. Membuat kincir angin tipe poros vertikal yang memiliki dua buah
3. Menentukan hubungan antara koefisien daya (coefficient of power)
dan tip speed ratio (tsr) untuk dua variasi diameter kincir.
1.5 Manfaat Tugas Akhir
Adapun manfaat dari tugas akhir ini adalah :
1. Pengembangan teknologi tepat guna.
2. Dapat membantu masyarakat terutama di daerah pedesaan untuk
5
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Definisi Angin
Angin adalah udara yang bergerak karena adanya perbedaan tekanan
udara dengan arah aliran angin dari tempat yang memiliki tekanan tinggi ke
tempat yang memiliki tekanan rendah atau dari tempat bersuhu rendah ke tempat
yang memiliki suhu tinggi.
2.1.1 Proses Terjadinya Angin
Proses terjadinya angin erat kaitannya dengan matahari, secara ilmiah
daerah yang terkena lebih banyak paparan sinar matahari akan memiliki suhu
yang tinggi jika dibanding daerah yang lebih sedikit terkena paparan sinar
matahari. Daerah yang terkena lebih banyak paparan sinar matahari juga akan
memiliki tekanan udara yang lebih rendah jika dibanding daerah lainnya, maka
akan terjadi aliran udara dari daerah yang bertekanan tinggi.
Selain proses alamiah, angin juga dapat diciptakan sendiri. Angin buatan
dapat dapat dihaasilkan dengan adanya pergerakan suatu benda, pergerakan ini
akan menyebabkan terdorongnya udara karena adanya tekanan dari benda yang
kita gerakkan. (
http://id.shvoong.com/exact-sciences/physics/2052116-angin-dan-proses-terjadinya-angin).
Adapun beberapa faktor yang dapat menyebabkan terjadinya angin
dibagi menjadi empat tahap, yaitu :
1. Gradien Barometris
Merupakan bilangan yang menunjukan perbedaan tekanan udara dari dua
isobar yang jaraknya 111 Km. Makin besar gradien barometrisnya, makin
cepat tiupan anginnya.
2. Letak
Hal ini berkaitan dengan khatulistiwa, daerah yang berada di sekitar
khatulistiwa mempunyai kecepatan angin lebih tinggi dari daerah yang
berada jauh dari khatulistiwa.
3. Tinggi Lokasi
Semakin tinggi lokasinya, semakin kencang pula angin yang bertiup. Hal ini
disebabkan oleh pengaruh gaya gesekan yang menghambat laju udara. Di
permukaan bumi, gunung, pohon, dan topografi yang tidak rata lainnya
memberikan gaya gesekan yang besar.
4. Waktu
Angin bergerak lebih cepat pada siang hari, dan lebih lambat pada malam
hari. (http://id.wikipedia.org/wiki/Angin)
2.1.2 Macam-macam Angin
Beberapa jenis atau macam-macam angin yang dapat kita jumpai di
Indonesia antara lain adalah angin laut, angin darat, angin gunung, angin lembah,
angin terjun/angin jatuh. Angin laut merupakan angin yang bergerak dari arah laut
7
siang hari antara pukul 09.00 sampai dengan pukul 16.00 pada saat suhu di darat
lebih tinggi daripada suhu lautan. Angin ini dimanfaatkan bagi para nelayan untuk
pulang dari berlayar mencari ikan. Angin darat merupakan angin yang bergerak
dari arah darat ke laut, karena perbedaan suhu antara daratan dan lautan, angin
darat terjadi pada malam hari antara pukul 20.00 sampai dengan pukul 06:00 pada
saat suhu di darat lebih rendah daripada suhu lautan. Angin ini dimanfaatkan bagi
para nelayan untuk berangkat berlayar mencari ikan. Angin gunung adalah angin
yang bertiup dari puncak gunung ke lembah, angin ini biasanya terjadi pada
malam hari. Angin lembah adalah angin yang bertiup dari lembah ke arah puncak,
angin ini biasanya terjadi pada siang hari. Angin Jatuh/Angin terjun sering juga
disebut angin fohn. Angin fohn adalah angin yang bertiup pada suatu wilayah
dengan temperatur dan kelengasan yang berbeda. Angin fohn terjadi karena ada
gerakan massa udara yang naik pegunungan yang tingginya lebih dari 200 meter
di satu sisi lalu turun di sisi lain. Biasanya angin ini bersifat panas merusak dan
dapat menimbulkan korban. Tanaman yang terkena angin ini bisa mati dan
manusia yang terkena angin ini bisa turun daya tahan tubuhnya terhada serangan
penyakit. Di beberapa daerah di Indonesia angin ini memiliki beberapa nama atau
sebutan sesuai daerahnya, yaitu :
a. Angin gending di Jawa Timur
b. Angin bahorok di Sumatera Utara
c. Angin barubu / Brubu di Sulawesi Selatan
d. Angin kumbang di Jawa Barat
e. Angin wambrau di Papua
(
http://organisasi.org/macam-macam-jenis-jenis-angin-lokal-di-indonesia-ilmu-pengetahuan-geografi)
2.1.3 Perkembangan Tenaga Angin
Perkembangan teknologi dalam dua dekade terakhir menghasilkan turbin
angin yang modular dan mudah dipasang. Saat ini sebuah turbin angin modern
100 kali lebih kuat daripada turbin dua dekade yang lalu dan ladang angin saat ini
menyediakan tenaga besar yang setara dengan pembangkit listrik konvensional.
Pada awal tahun 2004, pemasangan tenaga angin secara global telah mencapai
40.300 MW sehingga tenaga yang dihasilkan cukup untuk memenuhi kebutuhan
sekitar 19 juta rumah tangga menengah di Eropa yang berarti sama dengan
mendekati 47 juta orang. Dalam 15 tahun terakhir ini, seiring meningkatnya
pasar, tenaga angin memperlihatkan menurunnya biaya produksi hingga 50%.
Saat ini di wilayah yang anginnya maksimum, tenaga angin mampu menyaingi
PLTU batu bara teknologi baru dan di beberapa lokasi dapat menandingi
pembangkit listrik tenaga gas alam.
2.2 Teknologi Kincir
Kincir angin adalah sebuah mesin yang digerakkan oleh tenaga angin
untuk menumbuk biji-bijian. Kincir angin juga digunakan untuk memompa air
untuk mengairi sawah. Kincir angin modern adalah mesin yang digunakan untuk
menghasilkan energi listrik, disebut juga dengan turbin angin. Turbin angin
9
2.2.1 Sejarah Kincir
Naskah tertua tentang kincir angin terdapat dalam tulisan Arab dari abad
ke-9 Masehi yang menjelaskan bahwa kincir angin yang dioperasikan di
perbatasan Iran dan Afganistan sudah ada sejak beberapa abad sebelumnya,
kadang disebut Persian windmill. Jenis yang sama juga digunakan di Cina untuk
menguapkan air laut dalam memproduksi garam. Terakhir masih digunakan di
Crimea, Eropa dan Amerika Serikat.
Kincir angin pertama kali digunakan untuk membangkitkan listrik
dibangun oleh P. La Cour dari Denmark diakhir abad ke-19. Setelah perang dunia
I, layar dengan penampang melintang menyerupai sudut propeler pesawat
sekarang disebut kincir angin tipe propeler' atau turbin. Eksperimen kincir angin
sudut kembar dilakukan di Amerika Serikat tahun 1940, ukurannya sangat besar
yang disebut mesin Smith-Putman, karena dirancang oleh Palmer Putman,
kapasitasnya 1,25 MW yang dibuat oleh Morgen Smith Company dari York
Pensylvania. Diameter propelernya 175 ft(55m) beratnya 16 ton dan menaranya
setinggi 100 ft (34m). Tapi salah satu batang propelernya patah pada tahun 1945.
(sumber : http://id.wikipedia.org/wiki/Kincir_angin)
2.2.2 Prinsip Kerja Kincir
Secara sederhana prinsip kerja kincir angin sebagai penghasil listrik
dapat kita lihat sebagai berikut :
1. Angin akan meniup bilah kincir angin sehingga bilah bergerak
2. Bilah kincir angin akan memutar poros didalam nacelle
3. Poros dihubungkan ke gearbox, di gearbox kecepatan perputaran
poros ditingkatakan dengan cara mengatur perbandingan roda gigi
dalam gearbox
4. Gearbox dihubungkan ke generator. generator merubah energi
mekanik menjadi energi listrik
5. Dari generator energi listrik menuju transformer untuk menaikan
tegangannya kemudian baru didistribusikan ke konsumen
(sumber : http://berita-iptek.blogspot.com/2008/04/cara-kincir-angin-bekerja.html )
2.2.3 Macam-macam Kincir Angin
Adapun beberapa macam kincir angin, kincir angin dapat digolongkan
menjadi dua berdasarkan posisi porosnya :
1. Kincir Angin Poros Vertikal (Vertical Axis Wind Turbine)
2. Kincir Angin Poros Horisontal (Horizontal Axis Wind Turbine)
Kincir angin poros vertikal posisi porosnya terletak tegak lurus dengan
permukaan tanah atau letak porosnya tegak lurus dengan arah datangnya angin.
Contoh beberapa kincir angin yang menggunakan poros vertikal antara lain :
Savonius, Giromill, Darrius, Cycloturbine, Volkswind Turbine, Cup Anemometer.
Kincir angin poros horisontal posisi porosnya terletak sejajar dengan
permukaan tanah atau letak porosnya sejajar dengan arah datangnya angin.
Contoh beberapa kincir angin yang menggunakan poros horizontal antara lain :
American Multiblade, Dutch Four Arm, High Speed Propeller, Cretan Sail
11
2.3 Gaya Drag dan lift
Gaya drag dapat juga disebut sebagai gaya hambat atau sering pula kita
kenal dengan hambatan fluida atau seretan. Gaya ini menghambat laju sebuah
benda padat yang melalui suatu fluida (gas atau cair). Dalam gaya gesek sendiri
terdapat dua bentuk gaya, gaya tekan dan gaya gesek. Gaya tekan bekerja pada
arah tegak lurus dengan permukaan benda, sedangkan gaya gesek terletak sejajar
dengan permukaan benda.
Gaya lift kita kenal sebagai gaya angkat. Gaya ini biasanya digunakan
dalam teknologi industri pesawat terbang, gaya ini sangat berperan penting agar
pesawat dapat terbang. Gaya ini bekerja pada permukaan sayap, secara singkat
yang diterima kincir (Pa), maka dapat kita tuliskan sebagai berikut :
(1)
Keterangan :
Cp : Koefisien daya ( % ) Pk : Daya poros kincir ( watt ) Pa : Daya angin ( watt )
Sedangkan untuk daya poros sendiri dapat kita dapat dari perkalian antara torsi
dengan kecepatan sudut, maka dapat kita tuliskan sebagai berikut :
(2)
Keterangan :
T : Torsi (Nm)
: Kecepatan sudut (rad./detik)
Untuk kecepatan sudut dapat kita jabarkan lagi menjadi :
(3)
Keterangan :
: Kecepatan sudut (rad./detik)
n : Banyaknya putaran poros per menit.
Untuk perhitungan torsi dapat kita hitung dengan rumus sebagai berikut:
(4)
beberapa hal, karena daya merupakan energi tiap satuan waktu, maka daya angin
adalah energi angin yang merupakan energi kinetik tiap satuan waktu. Maka dapat
kita tuliskan sebagai berikut :
(5)
13
Keterangan :
Ek : Energi kinetik angin ( Joule )
m : Massa udara yang mengalir ( kg )
v : Kecepatan angin
Karena daya angin merupakan energi per satuan waktu maka dapat kita
tuliskan sebagai berikut :
(7)
Maka dapat kita sederhanakan menjadi :
(8)
Dalam hal ini,
: Daya angin (watt)
: massa jenis udara (kg/m3)
v : Kecepatan angin
Rumus daya di atas kita asumsikan bahwa energi kinetik dapat kita ubah
menjadi kerja, namun dalam kenyatannya tidak demikian, maka umunya daya
efektif yang dapat diterima kincir poros vertikal hanya 59,3 %. Angka ini sering
dikenal sebagai Betz Limit. Seperti yang ditunjukan pada gambar 2.2 angka ini
merupakan batas maksimum dari berbagai jenis kincir poros vertikal.
2.5 Tip Speed Ratio(tsr)
Tip Speed Ratio adalah perbandingan dari kecepatan ujung sudu yang
berputar dengan kecepatan aliran udara, tsr dapat dituliskan dengan rumus :
(9)
Keterangan :
tsr : Tip speed ratio
rk : Jari-jari kincir ( meter ) n : Putaran poros ( Rpm )
v : Kecepatan aliran ( m/s)
Gambar 2.1 Grafik Betz limit
15
BAB III
METODE PENELITIAN
Penelitian telah dilaksanakan di laboratorium konversi energi Universitas
Sanata Dharma. Pengambilan data dilaksanakan pada 22 - 23 Januari 2011.
3.1 Peralatan dan Bahan
Dalam penelitian ini ada beberapa alat yang harus disiapkan, baik dalam
proses pembuatan maupun dalam tahap pengujian. Adapun alat-alat yang
mendukung proses pengujian antara lain bahan uji yang berupa kincir angin poros
vertikal, dan alat-alat uji.
3.1.1. Bahan Uji
Bahan yang akan diuji adalah model kincir angin poros vertikal yang
memiliki dua buah sudu yang dapat membuka dan menutup secara otomatis
dengan variasi diameter kincir. Kincir model ini terdiri dari tiga bagian utama
yaitu rangkaian sudu, rangkaian poros utama, rangkaian penahan.
Gambar 3.1 Kincir Poros Vertikal
1. Rangkaian sudu
Bagian ini terdiri dari dua buah pipa alumunium dan sebuah penghubung
yang merupakan tempat pemasangan sudu. Dalam kincir model ini terdapat
dua buah rangkaian sudu, yaitu bagian atas dan bawah, seperti terlihat pada
Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Rangkaian sudu
2. Rangkaian poros
Seperti terlihat pada Gambar 3.3 rangkaian ini berfungsi untuk meletakkan
rangkaian sudu dan merupakan poros kincir model. Bagian ini terdiri dari
dua buah pipa dan satu buah penahan.
17
3. Rangkaian penahan
Seperti terlihat pada Gambar 3.4 rangkaian ini berfungsi untuk menahan
rangkaian sudu agar dapat terpasang dengan tegar pada tangkaian poros.
Gambar 3.4 Rangkaian penahan
3.1.2. Alat-Alat Uji
Alat uji yang dipakai merupakan alat-alat uji yang telah tersedia di
laboratorium konversi energi Universitas Sanata Dharma. Adapun alat-alat uji
dipakai antara lain lorong angin, fan blower, generator, pegas pengukur beban,
anemometer, tachometer.
1. Lorong angin
Fungsi lorong angin tersebut selain sebagai tempat pengucian kincir juga
sebagai penangkap dan mengumpulkan angin dari fan blower. Dimensi
lorong angin ini adalah 1200 x 1200 mm dengan bentuk seperti terlihat pada
Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Lorong angin
2. Fan blower
Bagian ini, seperti telihat pada Gambar 3.6 memiliki fungsi sebagai
penghisap angin yang melalui lorong angin. Blower ini memiliki motor
penggerak dengan daya 5,5 kW.
19
3. Generator
Generator yang ditunjukan pada Gambar 3.7 berfungsi mengubah energi
gerak yang dihasilkan dari putaran poros kincir angin menjadi energi listrik.
Generator menghasilkan arus dan tegangan listrik, output yang dihasilkan
akan digunakan untuk mencari nilai daya yang dihasilkan.
Gambar 3.7 Generator
4. Pengukur beban
Pengukur beban seperti pada Gambar 3.8 berfungsi untuk mengetahui
besarnya beban yang diberikan terhadap kincir.
Gambar 3.8 Pengukur beban
5. Anemometer
Anemometer seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.9 berfungsi untuk
mengukur sekaligus mengetahui kecepatan angin.
Gambar 3.9 Anemometer
6. Tachometer
Tachometer seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.10 berfungsi untuk
mengukur putaran poros pada saat pengambilan data.
21
7. Rangkaian beban lampu
Seperti yang terlihat pada Gambar 3.11, rangkaian beban lampu berfungsi
untuk mengetahui kemampuan kincir angin dan berfungsi sebagai beban
variatif.
Gambar 3.11 Rangkaian beban lampu
3.2 Variabel Penelitian
Terdapat beberapa variable penelitian yang perlu diperhatikan, adapun
variable penelitian tersebut sebagai berikut :
1. Variasi dilakukan pada diameter 70 cm dan 100 cm
2. Pengujian dilakukan pada variasi kecepatan antara 5 m/s sampai
dengan 7 m/s.
3.3 Paramater yang diukur
Parameter ini merupakan parameter yang diperoleh dari proses
pengukuran atau pengambilan data saat pengujian kincir, adapun
parameter-parameter tersebut antara lain adalah sebagai berikut :
1. Angka putaran kincir
2. Gaya penyeimbang torsi
3.3.1 Angka putaran kincir
Untuk dapat mengetahui besarnya angka putaran yang di hasilkan kincir
pada setiap variasi kecepatan angin, variasi diameter dan pembebanan dapat
dilakukan dengan langkah-langkakh sebagai berikut :
1. Memasang kincir pada lorong angin
2. Merangkai poros kincir pada rangkaian generator melalui transmisi sabuk.
3. Menghubungkan generator dengan rangkaian lampu.
4. Merangkai anemometer pada bibir luar lorong angin untuk mengetahui
kecepatan angin.
5. Mengatur jarak fan blower untuk mendapatkan variasi kecepatan angin yang
diinginkan. Pengaturan jarak dilakukan pada kondisi fan blower berputar.
6. Mengukur besarnya angka putaran poros kincir yang telah dihubungkan
dengan transmisi sabuk menggunakan tachometer.
7. Pengukuran angka putaran kincir dilakukan pada kondisi tanpa pembebanan
23
8. Mengatur jarak fan blower lagi untuk menentukan variasai kecepatan angin,
kemudian lakukan pengukuran angka putaran kincir mulai dari tanpa
pembebanan lampu hingga pembebanan maksimal generator.
9. Mencatat besarnya putaran kincir pada setiap variasi diameter kincir,
kecepatan angin dan pembebanan.
3.3.2 Pengukuran gaya penyeimbang Torsi
Untuk mengetahui besarnya torsi pembebanan yang dihasilkan kincir
pada setiap pembebanan, maka perlu mengukur besarnya gaya penyeimbang
beban yang diterima kincir. Proses pencatatan besarnya gaya ini dapat dilakukan
pada saat melakukan pengukuran angka putaran kincir. Adapun langkah-langkah
yang dapat dilakukan dalam pengukuran gaya adalah sebagai berikut :
1. Meletakkan kincir angin pada lorong angin.
2. Menghubungkan poros kincir dengan generator melalui transmisi sabuk
yang terdapat di bawah lorong angin.
3. Memasang anemometer seperti pada proses pengukuran angka putaran
kincir, untuk mengatur kecepatan yang diinginkan.
4. Menghubungkan generator dengan rangkaian lampu.
5. Meletakkan pegas pengukur beban pada dinding luar lorong angin yang
dihubungkan dengan tali yang terkait pada lengan generator.
6. Menghidupkan fan blower pada kondisi tanpa pembebanan pada generator.
7. Melihat posisi tali yang terhubung pada pegas apakah tegak lurus dengan
lengan generator.
8. Mengatur ketinggian pegas pengukur beban hingga posisi tali menjadi tegak
lurus dengan lengan pada generator.
9. Mencatat besarnya beban yang diterima kincir dengan melihat pada pegas
pengukur beban.
10. Memberi penambahan beban dengan menghidupkan lampu pada rangkaian
lampu yang sudah terangkai dengan generator.
11. Mengatur kembali posisi tali agar tegak lurus dengan lengan generator,
apabila posisi tali sudah posisi tegak lurus dengan lengan generator, maka
dapat langsung melihat besarnya beban pada pegas pengukur beban.
12. Mengulangi proses 1 - 11 untuk setiap variasi kecepatan angin dan variasi
diameter kincir.
3.4 Parameter yang dihitung
Adapun beberapa parameter yang yang dapat dihitung dari proses
pengukuran di atas, parameter-parameter tersebut antara lain adalah sebagai
berikut :
1. Perhitungan tsr
2. Perhitungan Torsi ( T )
3. Perhitungan daya angin (Pa)
4. Perhitungan daya kincir (Pk)
25
BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Penelitian
Data yang dapat diperoleh dari proses pengujian antara lain kecepatan angin,
angka putaran kincir dan pembebanan. Data dari tiap variasi sudu dapat dilihat pada
Tabel 4.1 dan Tabel 4.2
4.1.1 Diameter sudu 70 cm
Data untuk pengujian kincir dengan diameter 70 cm dapat dilihat pada Tabel
4.1, adapun parameter yang dicatat adalah suhu, kecepatan angin, putaran kincir,
beban penyeimbang.
Tabel 4.1 Tabel Hasil Pengujian kincir dengan diameter kincir 70 cm Suhu
27
4.1.2 Diameter sudu 100 cm
Sedangkan untuk data hasil perngujian untuk kincir dengan diameter 100 cm
dapat dilihat sesuai Table 4.2
Tabel 4.2 Tabel Hasil Pengujian kincir dengan diameter kincir 100 cm
Suhu
29
4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan
4.1.1 Perhitungan gaya
Perhitungan gaya didapat dari angka pembebanan pada pegas
dikalikan dengan percepatan gravitasi, dalam hal ini massa harus
dalam satuan kilogram, maka secara rumus dapat ditulis sebagai
berikut :
(10)
Dalam hal ini,
F : gaya (newton)
m : massa hasil pembebanan (kilogram)
a : percepatan gravitasi (m/s2)
dari Persamaan 10, maka dapat menghitung besarnya gaya, sebagai
contoh pada Tabel 4.1, pada pengambilan data yang pertama,
diperoleh massa pembebangan sebesar 120 gram. Diasumsikan
angka percepatan gravitasi sebesar 9,8 m/s2, maka besarnya gaya
adalah :
4.1.2 Perhitungan torsi
Perhitungan torsi dapat diperoleh dari rumus :
Dalam hal ini,
T : Torsi (Nm)
F : Gaya (N)
rt : Panjang lengan (m)
dalam percobaan kali ini panjang lengan yang digunakan adalah
0,20 m, maka besarnya torsi yang bekerja dapat dihitung. Sebagai
contoh pada Tabel 4.1, pada pengambilan data yang pertama.
4.1.3 Perhitungan tsr
Tsr dapat dihitung dengan rumus :
Dalam hal ini,
tsr : Tip speed ratio
rk : Jari-jari kincir ( meter ) n : Putaran poros ( Rpm )
31
Sebagai contoh pada Tabel 4.1, pada pengambilan data yang
pertama untuk diameter kincir 0.7 m.
4.1.4 Perhitungan daya kincir
Daya kincir dapat dihitung dengan rumus :
Keterangan :
T : Torsi (Nm)
: Kecepatan sudut (rad./detik)
Untuk kecepatan sudut dapat dijabarkan lagi menjadi :
Keterangan :
: Kecepatan sudut (rad./detik)
n : Banyaknya putaran poros per menit.
Sebagai contoh pada Tabel 4.1, pada pengambilan data yang
pertama.
rad./detik
Kemudian dihitung besarnya daya kincir
4.1.5 Perhitungan daya angin
Perhitungan daya angin dapat dihitung dengan rumus :
Dalam hal ini,
: Daya angin (watt)
: massa jenis udara (kg/m3)
v : Kecepatan angin
Sebagai contoh pada Tabel 4.2, pada pengambilan data yang
pertama. diambil tinggi sudu adalah 0,4 m, sehingga luas
penampang kincir adalah 0,4 m2 diasumsikan massa jenis udara
pada saat itu adalah 1,2 kg/m3, sehingga daya angin adalah sebagai
33
57,624 watt
4.1.6 Perhitungan Cp
Perhitungan cp dapat dihitung dengan rumus :
Keterangan :
Cp : Koefisien daya ( % ) Pk : Daya poros ( watt ) Pa : Daya angin ( watt )
Sebagai contoh contoh pada Tabel 4.1, pada pengambilan data yang
pertama
2.091 %
4.3 Grafik hasil perhitungan
Untuk mencari hubungan antara Cp dan tsr dapat dicari dengan mencari
hubungan Cp dan tsr dengan persamaan linier. Adapun hubungan Cp dan tsr dapat
dituliskan menjadi persamaan :
(11)
Kemudian dicari nilai K1 dan K2 dengan beberapa langkah. Menurut Persamaan (1)
rumus Cp dapat dijabarkan lagi menjadi berikut :
Untuk kecepatan sudut dapat diurai lagi seperti pada Persamaan (3), sedangkan untuk
Torsi dapat diurai sesuai Persamaan (4), maka rumus Cp menjadi :
(12)
Dari Perasamaan (9) rumus tsr dapat diuraikan lagi menjadi persamaan baru. Adapun
rumus tsr sebagai berikut :
(13)
Dari Persamaan (12) dan Persamaan (13) dapat dimasukkan pada Persamaan (11),
35
Untuk mendapat nilai “A” dan “B” dibuat dari grafik hubungan antara dengan ,
sehingga didapat persamaan linier seperti pada Gambar 4.1 dan Gambar 4.2
.
y = -0.0046x + 0.0504
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
0 2 4 6 8
Gambar 4.1 Grafik hubungan dengan pada variasi diameter
kincir 70cm.
Dari Gambar 4.1 dan Gambar 4.2 didapat persamaan liner dari tiap variasi diameter,
sebagai contoh pada Gambar 4.1 diketahui nilai “A” dan “B” dari persamaan linier
y = -0,004x + 0,050, sehingga nilai “A” = -0,004 dan “B” = 0,0504. Setelah mendapat
nilai “A” dan “B”, maka dapat diketahui nilai K1 dan K2 dengan langkah sebagai
berikut :
y = -0.0072x + 0.0877
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
0 2 4 6 8 10
Gambar 4.2 Grafik hubungan dengan pada variasi diameter
37
Kemudian nilai K1 dan K2 dimasukkan dalam Persamaan (11), maka akan didapat
nilai Cp terhadap tsr, seperti pada Tabel 4.3 sehingga diperoleh grafik hubungan Cp– tsr seperti yang terlihat dalam Gambar 4.3, dapat dilihat hubungan antara Cp dan
tsr.
Diameter kincir 100 cm
Diameter kincir 100 cm
Sedangkan untuk mencari hubungan Torsi dengan daya kincir, dapat dicari dengan
Persamaan (11), adapun persamaan tersebut menjadi seperti berikut :
(14)
Kemudian dari Persamaan (14) maka dapat dihitung besarnya daya kincir dengan
Persamaan (2), yaitu : diameter
Diameter 70 cm Diameter 100 cm
39
Data antara putaran kincir, tsr, Torsi dan daya kincir kemudian dibuat grafik untuk
tiap variasi kecepatan angin, seperti terlihat pada Gambar 4.4 dan Gambar 4.5.
4.4 Pembahasan
Pada pembuatan tugas akhir ini telah diketahui bagaimana proses pembuatan
kincir angin dan prinsip kerja kincir angin poros vertikal. Prinsip kerja dari kincir ini
adalah sudu menerima energi angin, yang merupakan energi kinetik yang dapat
mengakibatkan sudu dapat membuka dan menutup secara otomatis. Ketika satu sudu
pada posisi terbuka, maka di sudu itulah energi angin diterima kincir dan pada saat
bersamaan sudu yang lain posisinya mengatup. Hal ini berfungsi untuk mengurangi
hambatan yang akan diterima kincir ketika kincir berputar.
Setelah prinsip kerja di atas maka kincir akan berputar, putaran ini
menyebabkan poros kincir memutar rangkaian generator yang dengan menggunakan
sistem transmisi sabuk. Hal ini menyebabkan generator bekerja dan dapat
menghasilkan listrik yang dapat kita manfaatkan untuk memberikan variasi
pembebanan lampu pada saat pengujian.
Berdasarkan dari data yang diperoleh pada proses pengujian untuk daya
yang dihasilkan kincir yang memiliki dua buah sudu relatif rendah. Daya kincir
paling besar yang dihasilkan kincir adalah 2,6 watt. Daya ini diperoleh pada saat
pengambilan data dengan kecepatan angin 6,92 m/s dan diameter kincir 100 cm.
Untuk nilai Cp terbesar didapat pada saat angka tsr adalah 0,4 pada
pengambilan data dengan kecepatan angin 6,74 m/s dan diameter kincir 100 cm. Nilai
41
tertinggi dan daya kincir maksimum, hal ini terjadi karena ketika daya kincir
maksimum, daya angin juga maksimum, sehingga mengakibatkan angka Cp tidak
maksimum.
Sedangkan untuk angka tsr terbesar dari perhitungan dari data yang
didapat adalah 0,5 angka ini didapat pada saat kincir memiliki Cp 2,3 % pada
pengambilan data dengan kecepatan angin 6,77 m/s dan diameter kincir 100 cm, hal
ini terjadi karena angka putaran kincir pada saat maksimum.
42
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Berdasar dari beberapa data yang telah diperoleh serta hasil perhitungan dari
beberapa data tersebut, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebaai berikut :
1. Model kincir dengan diameter kincir 70 cm menghasilkan daya kincir
maksimum 1,3 watt pada kecepatan angin 6,99 m/s dan putaran poros yang
dihasilkan adalah 38,85 rpm. Angka Cp terbesar adalah 2,2% pada saat tsr
0,2.
2. Model kincir dengan diameter 100 cm menghasilkan daya kincir maksimum
2,6 watt pada kecepatan angin 6,92 m/s dan putaran poros yang dihasilkan
adalah 43,1 rpm. Angka Cp terbesar adalah 3,4% pada saat tsr0,4.
3. Semakin besar kecepatan angin dan putaran poros maka semakin besar pula
daya yang dihasilkan.
43
5.2 Saran
Beberapa hal yang dapat menjadi pertimbangan bagi peneliti berikutnya agar
hasil percobaan menjadi lebih efektif antara lain adalah :
1. Pemilihan material harus sebaik mungkin, karena akan mempengaruhi berat
kincir dan ketahanan terhadap putaran.
2. Poros utama untuk kincir harus benar-benar rigid, sehingga tidak ada
keolengan yang dapat mengurangi kinerja kincir.
3. Kondisi bantalan harus dijaga tetap baik, menghindari kondisi seret.
44
DAFTAR PUSTAKA
Kadir, A., Energi, Penerbit Universitas Indonesia : Jakarta, 1995
http://konversi.wordpress.com/2008/11/06/
permasalahan-yang-sering-terjadi-pada-sistem-wind-turbine-di-indonesia.html
http://kuntobigbrain.blogspot.com/2009_10_01_archive.html
http://id.shvoong.com/exact-sciences/physics/2052116-angin-dan-proses-terjadinya-angin.html
http://id.wikipedia.org/wiki/Angin.html
http://organisasi.org/macam-macam-jenis-jenis-angin-lokal-di-indonesia-ilmu-pengetahuan-geografi.html
http://id.wikipedia.org/wiki/Kincir_angin.html
LAMPIRAN
Tabel L1. Data hasil perhitungan dan pada kincir dengan
variasi diameter 70 cm
Tabel L2. Data hasil perhitungan dan pada kincir dengan variasi
Tabel L5. Tabel rpm, tsr, ω, Torsi dan Daya kincir pada kecepatan angin 6,5 m/s dan daya angin 46 watt pada diameter kincir 70 cm
n kecepatan angin 7 m/s dan daya angin 57,6 watt pada diameter kincir 70 cm
n
Tabel L7. Tabel rpm, tsr, ω, Torsi dan Daya kincir pada kecepatan angin 5 m/s dan daya angin 30 watt pada diameter kincir 100 cm kecepatan angin 5,5 m/s dan daya angin 40 watt pada diameter kincir 100 cm
Tabel L9. Tabel rpm, tsr, ω, Torsi dan Daya kincir pada kecepatan angin 6,5 m/s dan daya angin 66 watt pada diameter kincir 100 cm
n
Tabel L10. Tabel rpm, tsr, ω, Torsi dan Daya kincir pada kecepatan angin 7 m/s dan daya angin 82,3 watt pada diameter kincir 100 cm
