i
TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Mesin
Diajukan Oleh : EDUARDUS SUSILA N
NIM : 065214031
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
ii
FINAL PROJECT
Presented as fulfillment of the Requirements To obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering Study Programme
by
EDUARDUS SUSILA N Student Number : 065214031
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMME SC IENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
vi
Dalam penelitian ini yang dilakukan yaitu untuk mengetahui dan mencari torsi dinamis, daya dan koefisien daya Kincir Angin Poros Vertikal dengan Dua Sudu Datar Satu Ruang yang Dapat Membentang dan Mengatup Secara Otomatis.
Pembuatan kincir angin yang dapat membentang dan mengatup secara otomatis ini dengan bahan sudu yang tebuat dari tripleks dan dalam pengujiannya tersebut menggunakan tiga variasi ukuran sudu yang divariasikan pula dengan kecepatan angin. Pengujian ini dilakukan dengan cara memasang kincir angin pada terowongan angin dan dihubungkan dengan generator.
viii
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 “Kincir Angin Poros Vertikal dengan Dua Sudu Datar Satu Ruang yang Dapat Membentang dan Mengatup Otomatis“.
Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini karena adanya bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini perkenankan penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
2. Bapak Ir. Y.B. Lukiyanto, M.T., dosen pembimbing akademik. 3. Bapak Ir. Rines, M.T., dosen pembimbing tugas akhir.
4. Segenap Dosen di Jurusan Teknik Mesin, yang telah membimbing penulis selama kuliah di Universitas Sanata Dharma.
5. Kepala Laboratorium dan Laboran Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.
6. Orang tua dan kakak-kakakku, yang selalu memberikan dukungan dan doa hingga terselesaikannya tugas akhir.
ix
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.
Penulis
x
Halaman Persetujuan ... iv
Pernyataan ... v
Intisari ... vi
Halaman Persetujuan Publikasi ... vii
xi
4.1. Data Penelitian ... 31
4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan ... 40
4.3. Grafik hasil Perhitungan ... 48
4.4. Pembahasan ... 52
BAB V PENUTUP ... 55
5.1. Kesimpulan ... 55
5.2. Saran ... 56
xii
Gambar 2.2 Grafik hubungan koefisien daya dan tip speed ratio maksimal
untuk berbagai model kincir ... 9
Gambar 2.3 Kurva Hubungan Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio ... 12
Gambar 3.1 Skema kincir angin ... 16
Gambar 3.2 Poros ... 17
Gambar 3.3 Poros sudu ... 18
Gambar 3.4 Bentuk penampang sudu ... 18
Gambar 3.5 Pembatas sudu ... 19
Gambar 3.6 Gerakan kincir ... 20
Gambar 3.7 Motor listrik ... 23
Gambar 3.8 Tachometer ... 23
Gambar 3.9 Wind tunnel ... 24
Gambar 3.10 Fan blower ... 25
Gambar 3.11 Multimeter ... 25
Gambar 3.12 Beban lampu ... 26
Gambar 3.13 Anemometer ... 26
Gambar 3.14 Timbangan ... 27
Gambar 3.15 Pengukur torsi ... 27
Gambar 3.16 Variasi sudu ... 28
Gambar 4.1 Penampang kincir ... 39
xiii
variasi ukuran sudu dengan beban 3 watt ... 47 Gambar 4.5 Grafik hubungan kecepatan angin dan daya output untuk tiga
variasi ukuran sudu dengan beban 6 watt ... 48 Gambar 4.6 Grafik hubungan TSR dan Cp untuk tiga variasi ukuran sudu
dengan beban 3 watt ... 49 Gambar 4.7 Grafik Hubungan TSR dan Cp untuk tiga variasi ukuran sudu
xiv
Tabel 4.2 Data hasil penelitian gaya statis untuk ukuran sudu 25 x 23 cm ... 32 Tabel 4.3 Data hasil penelitian gaya statis untuk ukuran sudu 30 x 23 cm ... 33 Tabel 4.4 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban
3 watt ... 34 Tabel 4.5 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban
6 watt ... 35 Tabel 4.6 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 25 x 23 cm dengan beban
3 watt ... 36 Tabel 4.7 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 25 x 23 cm dengan beban
6 watt ... 37 Tabel 4.8 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 30 x 23 cm dengan beban
3 watt ... 38 Tabel 4.9 Data hasil penelitian untuk ukuran sudu 30 x 23 cm dengan beban
xv
Tabel L.2 Data hasil perhitungan torsi statis untuk ukuran sudu 25 x 23 cm Tabel L.3 Data hasil perhitungan torsi statis untuk ukuran sudu 30 x 23 cm Tabel L.4 Data hasil perhitungan daya untuk ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban 3 watt
Tabel L.5 Data hasil perhitungan daya untuk ukuran sudu 20 x 23 cm dengan beban 6 watt
Tabel L.6 Data hasil perhitungan daya untuk ukuran sudu 25 x 23 cm dengan beban 3 watt
Tabel L.7 Data hasil perhitungan daya untuk ukuran sudu 25 x 23 cm dengan beban 6 watt
Tabel L.8 Data hasil perhitungan daya untuk ukuran sudu 30 x 23 cm dengan beban 3 watt
Tabel L.9 Data hasil perhitungan daya untuk ukuran sudu 30 x 23 cm dengan beban 6 watt
1 1.1 Latar Belakang
Pada saat ini kebutuhan akan energi listrik terus meningkat. Namun energi listrik tidak dapat kita peroleh begitu saja dari alam. Diperlukan suatu proses tertentu untuk mendapatkannya, karena alam tidak menyediakan energi listrik secara langsung. Energi listrik diperoleh dengan mengubah energi yang ada di alam misalnya, energi gerak, energi kimia, energi panas dan sebagainya, dengan suatu alat tertentu dan dengan proses tertentu, energi tersebut diubah menjadi energi listrik. Dalam proses-proses tersebut membutuhkan alat-alat tertentu yang dapat mengubah ataupun mengkonversi suatu bentuk energi ke bentuk energi lain.
1.2 Perumusan Masalah
Permasalahan yang dapat dirumuskan pada pembuatan alat ini adalah sebagai berikut:
1. Indonesia mempunyai potensi angin yang banyak.
2. Alternatifnya dibuat model kincir angin yang baru, yaitu kincir angin poros vertikal dengan dua sudu datar satu ruang yang membentang dan mengatup otomatis.
1.3 Tujuan Penelitian
1. Mengetahui torsi statis yang dihasilkan model kincir angin untuk tiga variasi ukuran sudu dan variasi kecepatan angin.
2. Mengetahui daya untuk tiga variasi ukuran sudu dan variasi kecepatan angin. 3. Mengetahui koefisien daya model kincir angin untuk tiga variasi ukuran
sudu dengan variasi kecepatan angin.
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penulisan Laporan Tugas Akhir ini adalah:
1. Dapat dipergunakan sebagai sumber informasi daerah berangin yang kekurangan sumber tenaga listrik, karena dapat digunakan membangkitkan tenaga listrik yang juga merupakan alat alternatif pengkonversi energi angin sebagai pengganti energi fosil.
1.5 Batasan Masalah
Agar permasalahan yang ada tidak berkembang menjadi luas, maka perlu adanya batasan terhadap permasalahan yang akan dibuat yaitu:
1. Bentuk sudu yang digunakan yaitu dengan lis di tepi dengan satu ruang. 2. Pengendalian kecepatan angin menggunakan Wind Tunnel.
3. Sudu yang digunakan dengan 3 variasi ukuran dan variasi kecepatan angin. 4. Pengukuran yang dilakukan pada saat penelitian kincir adalah massa beban
statis, kecepatan angin, tegangan, arus, putaran poros, dan massa beban dinamis.
4 BAB II
DASAR TEORI
2.1. Energi yang terdapat dalam angin
Sistem angin di bumi dikarenakan adanya perpindahan massa udara pada atmosfer sebagai hasil dari variasi tekanan di atmosfer, dimana perubahannya merupakan hasil dari perbedaan pemanasan dari sinar matahari karena perbedaan permukaan bumi.
Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik.
= 0,5 (1)
dengan :
= kecepatan angin, m/s
= massa udara yang mengalir per satuan waktu, kg
= (2)
Energi kinetik angin per satuan waktu :
= 0,5( )
= 0,5 (3)
dengan :
= daya angin, Watt
= massa jenis udara, kg / m3
Apabila massa jenis udara adalah ρ = 1,2256 kg/m3 maka persamaan (3) di atas
dapat disederhanakan menjadi :
= 0,6 (4)
Pembangkitan energi angin terjadi berdasarkan prinsip perubahan energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati kincir angin. Ketika melewati kincir angin, angin mengalami pengurangan energi kinetik (yang ditandai dengan berkurangnya kecepatan angin). Energi kinetik yang “hilang” ini dikonversikan menjadi energi mekanik yang memutar kincir angin yang terhubung dengan rotor dari generator. Generator akan mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
2.2. Dasar Kincir Angin
Energi angin pada awalnya disebut windmill yang digunakan secara tradisional untuk menumbuk biji-bijian, membuat kertas dan memotong kayu, memompa air dan akhirnya pada saat ini energi angin digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik.
HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) adalah kincir dengan poros utama horizontal dan generator pembangkit listrik pada puncak menara.
Gambar 2.1 Beberapa bentuk kincir angin
(Sumber : http://www.scribd.com/document_downloads/24511217?extension=pdf &skip_interstitial=true)
Keuntungan dari kincir angin poros vetikal:
1. Kincir angin poros vertikal dapat menerima angin dari berbagai macam arah tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah (mengurangi kebutuhan untuk penyesuaian kedudukan).
2. Tidak memperhitungkan hembusan angin (memiliki keuntungan dalam berbagai tingkat hembusan angin)
3. Nilai torsi yang besar pada angkatan awal.
5. Bekerja pada rpm yang rendah
6. Desain kincir angin poros vertikal berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya kincir angin poros horisontal.
7. Kincir angin poros vertikal biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat kencang.
Tetapi kincir angin poros vertikal juga memiliki beberapa kekurangan, terutama dibanding dengan kincir angin sumbu horisontal.
Kekurangan tersebut diantaranya adalah :
1. Kecepatan angin lebih pelan pada ketinggian yang rendah, sehingga yang tersedia adalah energi angin yang sedikit
2. Kebanyakan kincir angin poros vertikal mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.
3. Sudu yang mengambil energi angin disebut downwind sedangkan sudu yang melawan angin disebut upwind. Sudu upwind ini dapat mengurangi kecepatan
rotor. Besarnya torsi pada rotor dan kecepatan rotor (rpm) tergantung pada selisih drag force sudu upwind dengan drag force sudu downwind.
2.3. Daya Kincir Angin
Daya kincir angin adalah daya yang dibangkitkan oleh rotor kincir angin akibat mendapatkan daya dari hembusan angin. Daya kincir angin tidak sama dengan daya angin dikarenakan daya kincir angin terpengaruh oleh koefisien daya.
Koefisien daya adalah presentase daya yang terdapat pada angin yang
diubah ke dalam bentuk energi mekanik.
= 0,5 (5)
Umumnya daya efektif yang dapat diambil oleh sebuah kincir angin poros vertikal hanya sebesar 59,3%. Angka 59,3% ini disebut batas Betz (Betz limit,
diambil dari ilmuwan Jerman Albert Betz). Angka ini secara teori menunjukkan efisiensi maksimum yang dapat dicapai oleh rotor kincir angin tipe sumbu vertikal.
Di dalam rangkaian kincir angin yang berputar selain dipengaruhi Cp, terdapat pula koefisien Cd yang mempengaruhi sudu dalam menghasilkan daya.
Gambar 2.2 Grafik hubungan koefisien daya dan tip speed ratio maksimal untuk berbagai model kincir
(Sumber : http://www.physicsforums.com/showthread.php?t=229058)
2.4. Perhitungan Torsi dan Daya 2.4.1. Torsi statis
Torsi statis dihitung dengan menggunakan rumus :
= (6)
dengan :
= Torsi statis, N.m
2.4.2. Daya output poros
Perhitungan daya pada gerak melingkar secara umum dirumuskan sebagai:
= (7)
dengan :
= torsi dinamis (N.m)
= kecepatan sudut (rad/detik)
Untuk perhitungan daya output yang dihasilkan kincir dapat dinyatakan sebagai:
=
= banyaknya putaran poros tiap menit
2.4.3. Daya generator
Daya generator dihitung dengan menggunakan rumus :
= (9)
dengan:
= daya yang dihasilkan oleh generator (watt) = tegangan (volt)
2.4.4. Torsi
Torsi dinamis dihitung dengan menggunakan rumus :
= (10)
dengan :
= Torsi yang dihasilkan akibat putaran poros (N.m) = Gaya pada poros akibat puntiran (N)
= Jarak lengan ke poros (m)
2.4.5. Tip Speed Ratio
Tip-speed ratio adalah perbandingan dari kecepatan ujung sudu yang berputar dengan kecepatan dari aliran udara.
= (11)
dimana,
= Tip speed ratio = jari-jari kincir (m)
= kecepatan aliran angin (m/s) = putaran poros (rpm)
Tip speed ratio mempengaruhi besaran koefisien daya. Hubungan ini digambarkan sebagai berikut :
b. Ditandai dengan kurva Cp berbanding dengan perbandingan kecepatan ujung sudu - Tip Speed Ratio Curve.
Gambar 2.3 Kurva Hubungan Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio (Sumber :
http://home.gna.org/huribatash/tutorials/introduction/tjaerborgIntro.html)
2.5. Effisiensi sistem
Effisiensi sistem dihitung berdasarkan perbandingan daya yang dihasilkan oleh generator ( ) dengan daya yang dihasilkan oleh angin ( ) dapat dituliskan sebagai berikut:
= × 100% (12)
dengan:
= daya yang dihasilkan oleh generator (watt)
= Daya angin (watt)
2.6. Koefisien daya
Perhitungan Koefisien daya (Cp) kincir dapat dihitung berdasarkan
perbandingan daya yang dihasilkan oleh kincir ( ) dengan daya teoritis yang
disediakan oleh angin ( ), dapat dituliskan menurut persamaan berikut :
= × 100% (13)
dengan :
Cp = Koefisien Daya Kincir (%)
= Daya Yang dihasilkan oleh Kincir (watt)
14 BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Diagram Alir Penelitian Sarana Penelitian
Diagram alir untuk penelitian yang dilakukan adalah sebagai berikut:
SELESAI KESIMPULAN
MULAI
STUDI PUSTAKA
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN KINCIR SAVONIUS
PENGAMBILAN DATA
PENGOLAHAN DATA
3.2. Sarana Penelitian
Sarana yang digunakan untuk penelitian adalah kincir angin poros vertikal dengan dua sudu datar satu ruang yang membentang dan mengatup secara otomatis dengan memvariasikan ukuran sudu yang akan menghasilkan daya masukan yang berbeda.Diagram alir untuk penelitian yang dilakukan adalah sebagai berikut:
3.3. Perancangan Kincir Angin
Gambar 3.1 Skema kincir angin 1. Poros utama
2. Sudu 3. Rumah sudu 4. Pembatas sudu 5. Poros sudu 6. Pengait sudu
2
4
5 6 3 1
120 cm
Dalam pembuatannya melewati proses pembuatan komponen-komponen utama untuk selanjutnya dirakit, diantaranya adalah sebagai berikut :
1. Poros
Poros dibuat dari pipa dengan diameter 4 cm dan panjang pipa 121 cm, pelat besi dengan tebal 8 mm untuk dudukan bearing dan penutup serta pipa persegi dengan ukuran 5 x 5 cm dengan panjang 15 cm.
2. Poros Sudu
Poros sudu terbuat dari besi pejal dengan diameter 16mm.
Gambar 3.3 Poros sudu 3. Sudu
Sudu dibuat dari bahan tripleks dengan tebal 4 mm.
Penampang sudu berbentuk persegi empat dengan lebar 23 cm menyesuaikan panjang pembatas sudu. Sedangkan panjang sudu menyesuaikan variasi yaitu 20 cm 25 cm dan 30 cm.
0.2 m
0.23 m
4. Pembatas Sudu
Berfungsi untuk membatasi gerak sudu agar sudu hanya bergerak sebesar ± 70o.
Gambar 3.5 Pembatas sudu
(a)
1 2
(b)
1 2
(c)
Gambar 3.6 Gerakan kincir
Gambar 3.6 merupakan gambar kincir yang dilihat dari atas (a), samping (b) dan depan (c). Gambar tersebut mememperlihatkan gerakan kincir yang berputar searah jarum jam.
3.4. Peralatan Penelitian
Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian adalah: 1. Generator
Alat ini berfungsi sebagai alat yang mengubah gaya gerak menjadi listrik. Generator menghasilkan arus listrik dan tegangan listrik yang berfungsi untuk mencari besar daya yang dikeluarkan.
1 2
Gambar 3.7 Motor listrik 2. Tachometer
Alat ini digunakan untuk mengukur putaran poros motor DC. Tachometer yang digunakan tachometer jenis digital light tachometer, yang prinsip kerjanya dengan memancarkan sinar untuk membaca sensor yang berupa pemantul cahaya (contoh alumunium foil) yang dipasang pada poros.
3. Wind Tunnel
Alat ini berfungsi sebagai lorong dengan ukuran 1,2 m x 1,2 m x 2,4 m yang menangkap dan mengumpulkan angin dan menghembuskannya pada kincir yang juga diletakkan didalam wind tunnel tersebut, pengaturan kecepatan angin dilakukan di alat ini.
4. Fan Blower
Alat ini menghembuskan angin yang akan disalurkan ke wind tunnel. Fan dengan daya penggerak motor 5,5 Kw.
Gambar 3.10 Fan blower
5. Multimeter
Alat ukur untuk mengukur kelistrikan pada beban yang diberikan.
6. Lampu/beban
Berfungsi sebagai beban dalam percobaan ini dan beban ini yang akan diukur.
Gambar 3.12 Beban lampu
7. Anemometer
Berfungsi sebagai alat pengukur kecepatan angin.
8. Timbangan
Berfungsi untuk mengukur massa beban yang bekerja pada kincir.
Gambar 3.14 Timbangan 10.Pengukur torsi
Alat ini digunakan untuk mengukur torsi statis kincir dengan mengukur berapa beban yang dapat digunakan untuk menghentikan putaran kincir angin.
3.5. Variabel Penelitian
Adapun variabel yang digunakan dalam pengujian yaitu dimensi sudu, kecepatan angin dan beban lampu. Variasi dimensi/ukuran sudu yang diambil sebanyak tiga variasi, yaitu 20 x 23 cm, 25 x 23 cm dan 30 x 23 cm. Kecepatan angin yang digunakan yaitu 8 m/s, 7,5 m/s, 7 m/s, 6,5 m/s, 6 m/s dan 5,5 m/s (sampai kincir tidak berputar). Beban lampu yang digunakan yaitu 3 watt dan 6 watt. Variasi ini merupakan variasi untuk mencari torsi statis, daya, dan koefisien daya.
Gambar 3.16 Variasi sudu 3.6. Analisa Data
Data yang diambil dari percobaan ini adalah sebagai berikut :
a. Torsi satis kincir angin yang diperoleh dari beban dikalikan jari-jari lengan pengukur torsi.
b. Putaran poros kincir yang dihasilkan ( n ).
d. Kecepatan angin (v) yang digunakan didapat dari pengukuran anemometer yang diletakan didepan wind tunnel.
e. Untuk mendapatkan maka haruslah mendapatkan A yang didapat dari luasan sudu kincir.
f. diperoleh dari pengkalian torsi dan putaran poros yang dihasilkan dari kincir.
g. Torsi diperoleh dari gaya dikalikan dengan jari-jari lengan generator.
h. Selanjutnya ditentukan Koefisien daya kincir dengan menggunakan persamaan.
3.7. Langkah Penelitian
3.7.1. Pengambilan data torsi statis
a. Pada kincir angin dipasang pengukur torsi.
b. Setelah pengukur terpasang, kincir angin dipasang didalam wind tunnel dan pengunci dibaut supaya tidak bergerak sedikit pun.
c. Didepan kincir angin dipasang anemometer untuk mengetahui besar angin yang ada didalam wind tunnel.
d. Setelah semua siap, blower dihidupkan untuk menghembuskan angin masuk kedalam wind tunnel dan menentukan kecepatan angin dengan cara merubah posisi kedudukan blower.
f. Jalannya percobaan a-e dilakukan berulang dengan variasi ukuran sudu 20 x 23 cm, 25 x 23 cm dan 30 x 23 cm.
3.7.2. Pengambilan Data Daya yang dihasilkan Kincir
a. Kincir angin dipasang didalam wind tunnel dan pengunci dibaut supaya tidak bergerak sedikitpun.
b. Puli besar kincir angin yang terletak di bawah wind tunnel dihubungkan dengan generator.
c. Amperemeter dipasang secara paralel dengan lampu, dan voltmeter dipasang secara seri.
d. Didepan kincir angin dipasang anemometer untuk mengetahui besar angin yang ada dalam wind tunnel.
e. Setelah semua siap, blower dihidupkan untuk menghembuskan angin masuk kedalam wind tunnel dan menentukan kecepatan angin dengan cara merubah posisi kedudukan blower.
f. Setelah lampu menyala maka dapat diukur tegangan dan arus pada lampu, diukur juga putaran poros.
31
BAB IV
PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Data Penelitian
4.1.1. Data pengukuran gaya statis yang diperoleh untuk tiga variasi ukuran sudu yang berbeda
Dari hasil penelitian didapatkan data sebagai berikut :
Tabel 4.3 Data hasil penelitian gaya statis
4.1.2. Data pengukuran daya yang diperoleh untuk tiga variasi ukuran sudu yang berbeda
4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan 4.2.1. Torsi Statis
=
dengan:
= torsi statis
= diperoleh dari pembacaan pada timbangan (N) = jari-jari lengan pengukur torsi = 0,1 meter
Sebagai contoh perhitungan torsi pada Tabel 4.1 no. 1.
=
= 13,24 N × 0,1 m
= 1,32 Nm
4.2.2. Luas Penampang Kincir
Gambar 4.1 Penampang kincir
Kincir angin ini mempunyai luas penampang persegi panjang, Sehingga:
= ×
= 0,6 m
didapat dari tinggi bentangan sudu. Kemiringan = 12o
Gambar 4.2 Kemiringan sudu
Panjang sisi tegak: cos 12o x 20 cm = 19.5629cm Jadi = (19.5629 x 2) + 5 cm =44.1258 cm ≈ 44cm
= 0,6 m × 0,44 m = 0,264 m2
Panjang sudu 25 cm
l = 53,90738 ≈ 54 cm
= ×
Panjang sudu 30 cm = 63,68885 ≈ 64 cm
= ×
= 0,6 m × 0,64 m = 0,384 m2
4.2.3. Daya angin yang tersedia
= 0,5
dengan :
= daya angin, Watt
= massa jenis udara, kg / m3
= luas penampang melintang arus angin yang ditangkap kincir, m2 = kecepatan angin, m / s
Daya pada kecepatan angin pada ukuran penampang sudu 23 x 20: Sebagai contoh perhitungan pada Tabel 4.4, pengujian no. 1.
= 0,6
= 0,6 × 0,264 × 8,2
= 87,337 Watt
4.2.4. Torsi
=
dengan :
= diperoleh dari pembacaan pada timbangan
= 0,25 meter
Sebagai contoh perhitungan torsi pada Tabel 4.4 no. 1.
=
= 0,981 × 0,25
= 0,392 Nm
Untuk perhitungan lainnya dapat dilihat pada Tabel L.4 sampai L.9 pada lampiran.
4.2.5. Daya keluaran poros kincir
= 2 60
dengan :
= putaran poros (rpm) = torsi pada poros (N.m)
Sebagai contoh perhitungan daya keluaran poros kincir pada Tabel 4.4 pada pengujian no. 1.
= 2 60
= 2 55,93
= 2,297
Untuk perhitungan lainnya dapat dilihat pada Tabel L.4 sampai L.9 pada lampiran.
4.2.6. Tip Speed Ratio
= 2
60
dimana,
= jari-jari kincir
= kecepatan aliran angin = putaran poros (rpm)
Sebagai contoh perhitungan TSR pada Tabel 4.4 pada pengujian no. 1.
= 2
60
= 2 0,3 × 55,93
60 × 8,2
= 0,214
Untuk perhitungan lainnya dapat dilihat pada Tabel L.4 sampai L.9 pada lampiran.
4.2.7. Daya generator dan effisiensi sistem
dengan:
= daya yang dihasilkan oleh generator (watt) = tegangan (volt)
= arus (ampere) Effisiensi sistem:
= × 100%
dengan:
= effisiensi sistem (%)
= Daya angin (Watt)
Untuk perhitungan lainnya dapat dilihat pada Tabel L.4 sampai L.9 pada lampiran.
4.2.8. Koefisien daya
= × 100%
dengan :
Cp = Koefisien Daya Kincir (%)
= Daya Yang dihasilkan oleh Kincir (Watt)
= Daya angin (Watt)
Sebagai contoh perhitungan daya keluaran poros kincir pada Tabel 4.4 pada pengujian no. 1.
= × 100%
= 2,297
87,337× 100%
= 2,630%
4.3. Grafik Hasil Perhitungan
Dari perhitungan di atas maka didapatkan grafik sebagai berikut : a. Grafik hubungan torsi statis dengan kecepatan angin
Gambar 4.3 Grafik hubungan kecepatan angin dan torsi statis untuk tiga variasi ukuran sudu
Gambar 4.3 merupakan grafik hubungan antara kecepatan angin dan torsi statis dari semua variasi sudu. Hasil grafik menunjukkan bahwa dengan kecepatan angin yang semakin besar maka semakin besar pula torsi yang didapatkan. Torsi terbesar yang dihasilkan adalah sebesar 1,94 Nm pada ukuran sudu 30 x 23 cm pada kecepatan angin 8 m/s.
b. Grafik hubungan daya dengan kecepatan angin 1. Variasi dengan beban 3 watt
Gambar 4.4 Grafik hubungan kecepatan angin dan daya poros untuk tiga variasi ukuran sudu dengan beban 3 watt
2. Variasi dengan beban 6 watt
Gambar 4.5 Grafik hubungan kecepatan angin dan daya total untuk tiga variasi ukuran sudu dengan beban 6 watt
c. Grafik hubungan Koefisien daya dengan TSR 1. Variasi dengan beban 3 watt
Gambar 4.6 Grafik hubungan TSR dan Cp untk tiga variasi ukuran sudu dengan beban 3 watt
Gambar 4.6 menunjukkan grafik hubungan Tip Speed Ratio dan
Coeffisien of Power pada semua variasi sudu dengan beban 3 watt. Berdasarkan Tip Speed Ratio koefisien daya terbesar didapat dari ukuran sudu 30 x 23 cm yaitu 3,24% dan koefisien daya terkecil didapat dari
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
2. Variasi dengan beban 6 watt
Gambar 4.7 Grafik hubungan TSR dan Cp untk tiga variasi ukuran sudu dengan beban 6 watt
Gambar 4.7 menunjukkan grafik hubungan Tip Speed Ratio dan
Coeffisien of Power pada semua variasi sudu dengan beban 6 watt. Berdasarkan Tip Speed Ratio koefisien daya terbesar didapat dari ukuran sudu 30 x 23 cm yaitu 3,29% dan koefisien daya terkecil didapat dari mengurangi kerugian energi karena melawan arah angin yang mengakibatkan kecepatan putaran poros akan berkurang.
0.00
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40
Sesuai dengan prinsipnya, energi yang diterima akan diteruskan ke poros dan akhirnya ke generator yang akan menghasilkan listrik.
Pada penelitian ini daya dan koefisien daya terbesar yang dihasilkan oleh kincir masih terbilang kecil, yaitu 3,87 watt pada kecepatan angin 8,2 m/s dengan ukuran sudu 30 x 23 cm dan koefisien daya terbesarrnya 3,65 % pada kecepatan angin 5,6 m/s pada ukuran sudu 30 x 23 cm.
Pada perhitungan TSR dan koefisien daya didapatkan koefisien daya terbesar pada ukuran sudu 30 x 23 cm yaitu 3,65 % pada TSR 0,18. TSR dipengaruhi oleh jari-jari kincir angin.
Daya dari kincir dapat diperbesar dengan cara mengurangi rugi-rugi yang timbul akibat bantalan yang sudah seret atau aus dan juga meminimalisir terjadinya poros yang oleng.
55
5.1. Kesimpulan
Dari penelitian dan perhitungan dapat disimpulkan bahwa:
1. Untuk ukuran sudu 20 x 23 cm diperoleh torsi 1,20 Nm, daya 2,52 watt pada kecepatan angin 8,2 m/s dan Koefisien daya 3,25% pada TSR 0,19. 2. Untuk ukuran sudu 25 x 23 cm diperoleh torsi 1,32 Nm, daya 2,81 watt
pada kecepatan angin 8,1 m/s dan Koefisien daya 3,07% pada TSR 0,20. 3. Untuk ukuran sudu 30 x 23 cm diperoleh torsi 1,97 Nm, daya 3,87 watt
5.2. Saran
Beberapa saran penting untuk penelitian selanjutnya:
1. Lakukan penambahan sudu untuk mendapatkan hasil yang lebih baik. 2. Periksa setiap komponen kincir, terutama bearing, hindarkan dari
bearing yang seret, dan periksa baut-bautnya.
3. Pada saat pengujian pastikan alat-alat pengujian berfungsi dengan baik, terutama pada generator, usahakan puli tidak oleng karena akan
DAFTAR PUSTAKA
Arismunandar, W., Penggerak Mula Turbin, ITB Press : Bandung, 2004
Boyle, G., Renewable Energy, Oxford university Press: New York, 2004
I)
“http://home.gna.org/huribatash/tutorials/introduction/tjaerborgIntro.html”
II)
“http://www.physicsforums.com/showthread.php?t=229058”
III)
“http://www.scribd.com/document_downloads/24511217?extension=pdf&skip
_interstitial=true”
IV) ”http://www.scribd.com/document_downloads/7450830?secret_password=&e
xtension=pdf”
V)
2 8,1 11,87 1,19
3 8,1 11,38 1,14
4 7,1 7,46 0,75
5 7,1 7,75 0,77
6 7,1 7,36 0,74
7 5,9 4,91 0,49
8 5,9 4,51 0,45
9 5,9 4,81 0,48
10 4,9 3,34 0,33
11 4,9 3,63 0,36
12 4,9 3,34 0,33
13 4,1 2,06 0,21
14 4,1 2,16 0,22
2 8,1 13,44 1,34
3 8,1 13,93 1,39
4 6,9 9,81 0,98
5 6,9 9,32 0,93
6 6,9 9,71 0,97
7 5,9 7,36 0,74
8 5,9 6,97 0,70
9 5,9 6,87 0,69
10 5 4,91 0,49
11 5 5,20 0,52
12 5 5,30 0,53
13 4,1 2,65 0,26
14 4,1 2,84 0,28
2 8 19,13 1,91
3 8 19,42 1,94
4 7,2 14,91 1,49
5 7,2 14,42 1,44
6 7,2 14,72 1,47
7 6,2 11,09 1,11
8 6,2 10,89 1,09
9 6,2 11,38 1,14
10 5,1 7,36 0,74
11 5,1 6,97 0,70
12 5,1 7,26 0,73
13 4,1 3,43 0,34
14 4,1 3,53 0,35
21 0,6 0,09 1,08 21,29 6 41,99 0,43 0,11 0,05 0,13 0,96 2,29
22 0,6 0,08 0,88 19,79 6 41,99 0,35 0,10 0,05 0,11 0,73 1,74
23 0,6 0,09 0,98 19,20 6 41,99 0,39 0,10 0,05 0,13 0,79 1,88
24 0,6 0,09 1,08 22,34 6 41,99 0,43 0,12 0,05 0,13 1,01 2,40
21 0,4 0,1 0,98 18,87 6 41,99 0,39 0,10 0,04 0,10 0,78 1,85
22 0,4 0,1 0,88 22,17 6 41,99 0,35 0,12 0,04 0,10 0,82 1,95
23 0,2 0,1 0,88 17,96 6 41,99 0,35 0,09 0,02 0,05 0,66 1,58
24 0,4 0,1 0,98 23,1 6 41,99 0,39 0,12 0,04 0,10 0,95 2,26
21 1 0,1 0,98 31,05 6,1 52,02 0,39 0,16 0,10 0,19 1,28 2,45
22 0,8 0,09 0,98 34,33 6,1 52,02 0,39 0,18 0,07 0,14 1,41 2,71
23 0,8 0,1 0,98 34,88 6,1 52,02 0,39 0,18 0,08 0,15 1,43 2,75
24 0,8 0,1 0,98 36,34 6,1 52,02 0,39 0,19 0,08 0,15 1,49 2,87
25 1 0,11 0,98 34,19 6,1 52,02 0,39 0,18 0,11 0,21 1,40 2,70
26 0,8 0,1 1,08 31,78 5,6 40,25 0,43 0,18 0,08 0,20 1,44 3,57
27 0,8 0,1 0,98 32,74 5,6 40,25 0,39 0,18 0,08 0,20 1,34 3,34
28 0,8 0,11 0,98 31,72 5,6 40,25 0,39 0,18 0,09 0,22 1,30 3,24
29 0,8 0,1 0,98 33,13 5,6 40,25 0,39 0,19 0,08 0,20 1,36 3,38
21 0,6 0,15 0,98 34,17 6,1 52,02 0,39 0,18 0,09 0,17 1,40 2,70
22 0,6 0,16 0,98 34,68 6,1 52,02 0,39 0,18 0,10 0,18 1,42 2,74
23 0,6 0,15 0,98 31,29 6,1 52,02 0,39 0,16 0,09 0,17 1,29 2,47
24 0,6 0,15 0,98 33,59 6,1 52,02 0,39 0,17 0,09 0,17 1,38 2,65
25 0,6 0,15 0,98 33,61 6,1 52,02 0,39 0,17 0,09 0,17 1,38 2,65
26 0,6 0,15 1,08 28,18 5,6 40,25 0,43 0,16 0,09 0,22 1,27 3,16
27 0,6 0,14 1,08 30,52 5,6 40,25 0,43 0,17 0,08 0,21 1,38 3,43
28 0,6 0,16 0,98 31,82 5,6 40,25 0,39 0,18 0,10 0,24 1,31 3,25
29 0,4 0,14 1,08 32,53 5,6 40,25 0,43 0,18 0,06 0,14 1,47 3,65
12 DO NOT SCALE DRAWING
MATERIAL:
7 DO NOT SCALE DRAWING
MATERIAL:
Q.A DO NOT SCALE DRAWING
MATERIAL:
Q.A DO NOT SCALE DRAWING
MATERIAL:
