UNJUK KERJA KINCIR ANGIN MULTI-BLADE DENGAN VARIASI KONFIGURASI MAGNET SKRIPSI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN MULTI-BLADE DENGAN VARIASI KONFIGURASI MAGNET

SKRIPSI Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin

oleh DANIEL ADI SAPUTRA NIM : 135214039

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2017



SKRIPSI Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin

oleh DANIEL ADI SAPUTRA NIM : 135214039

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2017 i


THE PERFORMANCE OF MULTI-BLADE WIND TURBINE WITH VARIATION OF MAGNET CONFIGURATION

FINAL PROJECT As partial fulfillment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering

By DANIEL ADI SAPUTRA Student Number : 135214039

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT SCIENCE AND TECHNOLOGI FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2017 ii



Disusun oleh DANIEL ADI SAPUTRA NIM : 135214039

Telah disetujui oleh Dosen Pembimbing Skripsi

Ir. Rines, M.T.

iii



Dipersiapkan dan disusun oleh : NAMA

: Daniel Adi Saputra

NIM

: 135214039

Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji Pada tanggal 13 Juli 2017

Susunan Dewan Penguji Nama Lengkap

Tanda Tangan

Ketua

Doddy Purwadianto S.T., M.T.

..................................

Sekretaris

Dr. Ir.Yohanes Babtista Lukiyanto

..................................

Anggota

Ir. Rines M.T.

..................................

Skripsi ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Yogyakarta, 13 Juli 2017 Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Dekan,

Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D iv


PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 13 Juli 2017

Daniel Adi Saputra

v


LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama

: Daniel Adi Saputra

Nomor Mahasiswa

: 135214039

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah yang berjudul : Unjuk Kerja Kincir Angin Multi-Blade Dengan Variasi Konfigurasi Magnet Beserta perangkat yang diperlukan. Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media yang lain, mengelolanya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis. Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya. Yogyakarta, 13 Juli 2107 Yang menyatakan,

Daniel Adi Saputra

vi


ABSTRAK

Kebutuhan manusia akan pasokan energi semakin lama semakin meningkat dan manusia masih sangat tergantung sekali dengan energi konvensional. Namun ketersediaan bahan bakar konvensional yang ada di alam jumlahnya semakin menipis, yang membuat setiap negara berlomba untuk menemukan sumber energi alternatif sebagai pengganti sumber energi konvensional tersebut. Salah satu sumber energi alternatif yang sudah mulai dikembangkan saat ini adalah energi angin. Namun pemanfaatan angin sebagai pembangkit listrik memiliki beberapa kendala, salah satunya yaitu kecepatan angin yang tidak merata disetiap daerah. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui unjuk kerja dari sebuah kincir pada kecepatan angin yang rendah dengan penambahan piringan magnet. Kincir angin yang diuji dalam penelitian ini adalah kincir angin multi-blade delapan sudu berporos horizontal dengan diameter 89 cm. Sudu kincir terbuat dari triplek yang dilapisi plat aluminium dan memiliki sudut patahan 300. Penelitian ini menggunakan sebuah piringan magnet dengan tiga variasi yaitu, tanpa menggunakan piringan magnet, menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi magnet utara – selatan dan konfigurasi utara - utara. Penelitian dilakukan dengan menggunakan fan blower yang diatur pada kecepatan 4 m/s. Data yang diambil dalam penelitian ini adalah kecepatan angin, putaran kincir dan gaya pembebanan. Dari data tersebut dapat dihitung nilai daya kincir, torsi, koefisien daya dan tip speed ratio untuk model kincir angin yang diteliti. Hasil penelitian menunjukan bahwa kincir angin tanpa menggunakan magnet menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 9,74% pada tip speed ratio optimal 1,028. Kincir angin menggunakan magnet dengan konfigurasi utara - selatan menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 9,42% pada tip speed ratio optimal 1,06 dan kincir angin menggunakan magnet dengan konfigurasi utara - utara menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 10,27% pada tip speed ratio optimal 1,024. Dengan demikian kincir angin yang menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara - utara memiliki untuk kerja yang paling baik dibandingan dengan dua variasi yang lain. Kata kunci : kincir angin multi-blade, piringan magnet, koefisien daya, tip speed ratio.

vii


ABSTRACT

The Human need for energy supply is increasing and people are still very dependent on conventional energy. However the availability of the conventional fuels in nature is running low, this makes each country competing to find alternative energy sources to replace these conventional energy sources. One of the alternative energy source that has begun to be developed is wind energy. Wind energy can be used as an electric power. But the utilization of wind as an electrical power has several problems, one of the problem is wind speed that unevenly in each region. The purpose of this research is to know the performance of a wind-mill on low speed of the wind speed with addition magnetic disk. The windmill that examined in this research is eight multi-blade wind-mill with horizontal axis and 89 cm of diameter. Wind-mill blade is made from plywood aluminium plated and has 300 of fault angle. This research uses a magnetic disk with three variations, without using magnetic disk, using magnetic disk with north-south of magnetic configuration and north-north of magnetic configuration. The research was conducted by using a fan blower with 4 m/s of wind speed. The variables taken in this research are wind speed, rotation speed wind-mill and load force. From the variables can be calculated the value of the wind-mill power, torque, power coefficient and tip speed ratio for the model of the wind-mill that researched. The result showed that the wind-mill without using magnet produces 9,74% of maximum power coefficient on 1,028 of optimum tip speed ratio . Wind-mills using magnet with north-south of magnetic configuration produces 9,42% of maximum power coefficient on 1,06 of optimum tip speed ratio and wind-mill using magnet with north-north of magnetic configuration produces 10,27% of maximum power coefficient on 1,024 of optimum tip speed ratio. Wind-mill that using a magnetic disk with north-north of magnet configuration has the best performance compared to the other two variations. Keywords: multi-blade windmills, magnetic disks, power coefficient, tip speed ratio.

viii


KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmat-Nya sehingga penyusunan Skripsi yang merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta ini dapat terselesaikan dengan baik dan lancar. Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian penelitian dan penyusunan skripsi berjudul “Unjuk Kerja Kincir Angin Multi-Blade Dengan Variasi Konfigurasi Magnet” ini melibatkan banyak pihak, oleh sebab itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta 2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta 3. Raden Benedictus Dwiseno Wihadi S.T., M.Si., selaku Dosen Pembimbing Akademik 4. Ir Rines, M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir 5. Seluruh staf dan pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah mendidik dan memberikan berbagai ilmu pengetahuan yang sangat membantu dalam penyusunan skripsi ini 6. Kedua orang tua yang telah memberikan dukungan dan motivasi kepada penulis, baik secara materi maupun spiritual 7. Eka Poetera Wahab dan Adhi Brahmantya selaku rekan kelompok penulis, yang telah membantu dalam perancangan, perakitan dan pengambilan data penelitian 8. Rekan-rekan mahasiswa Jurusan Teknik Mesin dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu dalam penyusunan Skripsi ini.

ix


Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian dan penyusunan Skripsi ini masih banyak kekurangan yang perlu diperbaiki, untuk itu penulis mengharapkan masukan, kritik, dan saran dari berbagai pihak untuk dapat menyempurnakannya. Semoga Skripsi ini dapat bermanfaat, baik bagi penulis maupun pembaca. Terima kasih.

Yogyakarta, 13 Juli 2107

Penulis

x


DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL .................................................................................................i TITLE PAGE .............................................................................................................ii HALAMAN PERSETUJUAN ..................................................................................iii HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................................iv HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN .............................................................v LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI ................................................................vi ABSTRAK ................................................................................................................vii ABSTRACT ..............................................................................................................viii KATA PENGANTAR ..............................................................................................ix DAFTAR ISI .............................................................................................................xi DAFTAR GAMBAR ................................................................................................xiv DAFTAR TABEL .....................................................................................................xvi BAB I PENDAHULUAN .........................................................................................1 1.1 Latar Belakang Masalah .........................................................................1 1.2 Rumsan Masalah ....................................................................................3 1.3 Tujuan Penelitian ....................................................................................3 1.4 Batasan Masalah .....................................................................................3 BAB II DASAR TEORI ...........................................................................................5 2.1 Angin dan Potensi Angin di Indonesia ...................................................5 2.2 Jenis – jenis Angin .................................................................................7 2.2.1 Angin Laut ....................................................................................7 2.2.2 Angin Darat ..................................................................................7 2.2.3 Angin Gunung ..............................................................................8 2.2.4 Angin Lembah ..............................................................................8 2.3 Kincir Angin ...........................................................................................9 xi


2.3.1 Kincir Angin Sumbu Horizontal ..................................................10 2.3.2 Kincir Angin Sumbu Vertikal ......................................................11 2.4 Magnet ...................................................................................................12 2.4.1 Magnet Neodymium .....................................................................13 2.4.2 Karakteristik Magnet Neodymium ...............................................13 2.4.3 Magnet Sebagai Driver dan Unit Penghasil Akselerasi ...............14 2.5 Rumus Perhitungan ................................................................................16 2.5.1 Rumus Energi Kinetik ..................................................................16 2.5.2 Rumus Daya Angin ......................................................................16 2.5.3 Rumus Torsi .................................................................................16 2.5.4 Rumus Daya Kincir Angin ...........................................................16 2.5.5 Rumus Tip Speed Ratio ................................................................17 2.5.6 Rumus Koefisien Daya .................................................................17 BAB II METODE PENELITIAN .............................................................................19 3.1 Diagram Penelitian .................................................................................19 3.2 Objek Penelitian .....................................................................................20 3.3 Waktu dan Tempat Penelitian ................................................................20 3.4 Bahan dan Alat ........................................................................................20 3.5 Bentuk Sudu Kincir Angin ......................................................................25 3.5.1 Desain Sudu Kincir Angin ...........................................................25 3.6 Variabel Penelitian ..................................................................................25 3.7 Set Up Eksperimen .................................................................................26 3.8 Langkah Pengolahan Data ......................................................................28 BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ..................................................30 4.1 Data Hasil Penelitian ..............................................................................30 4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan .........................................................32 4.2.1 Perhitungan Daya Angin ..............................................................32 4.2.2 Perhitungan Torsi .........................................................................33 xii


4.2.3 Perhitungan Daya Kincir Angin ...................................................33 4.2.4 Perhitungan Koefisien Daya .........................................................34 4.2.5 Perhitungan Tip Speed Ratio .........................................................34 4.3 Data Hasil Perhitungan ...........................................................................35 4.4 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan ............................................38 4.4.1 Grafik Kincir Angin Tanpa Menggunakan Magnet .....................38 4.4.2 Grafik Kincir Angin Menggunakan Magnet dengan Konfigurasi Utara – selatan ..............................................................................40 4.4.3 Grafik Kincir Angin Menggunakan Magnet dengan Konfigurasi Utara – utara .................................................................................42 4.5 Grafik Perbandingan Tiga Variasi Konfigurasi Magnet ........................44 BAB V PENUTUP ....................................................................................................47 5.1 Kesimpulan .............................................................................................47 5.2 Saran .......................................................................................................47 DAFTAR PUSTAKA ...............................................................................................48 LAMPIRAN ..............................................................................................................49

xiii


DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Data energi listrik yang dihasilakan turbin angin di seluruh dunia .....1 Gambar 2.1 Peta potensi angin Indonesia ...............................................................6 Gambar 2.2 Proses terjadinya angin laut .................................................................7 Gambar 2.3 Proses terjadinya angin darat ...............................................................8 Gambar 2.4 Proses terjadinya angin gunung dan angin lembah .............................9 Gambar 2.5 Kincir angin sumbu horizontal ............................................................10 Gmabar 2.6 Kincir angin sumbu vertikal ................................................................. 12 Gambar 2.7 Magnet neodymium.............................................................................. 13 Gambar 2.8 Desain permanen magnet motor Robert Tracy .................................... 15 Gambar 2.9 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio dari berbagai jenis kincir angin ...................................................................17 Gambar 3.1 Diagram alur penelitian .......................................................................19 Gambar 3.2 Sudu dan naf kincir angin ....................................................................21 Gambar 3.3 Piringan magnet ..................................................................................21 Gambar 3.4 Fan Blower ..........................................................................................22 Gambar 3.5 Takometer ............................................................................................23 Gambar 3.6 Anemometer ........................................................................................23 Gambar 3.7 Mekanisme pengereman ......................................................................24 Gambar 3.8 Neraca pegas .......................................................................................24 Gambar 3.9 Desain sudu kincir angin tampak atas .................................................25 Gambar 3.10 Desain sudu kincir angin tampak samping ..........................................25 Gambar 3.11 Setting eksperimen ..............................................................................26 Gambar 3.12 Ilustrasi set up piringan magnet ..........................................................27 Gambar 3.13 Resultan gaya dorong pada piringan magnet ......................................27 Gambar 4.1 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar kincir tanpa menggunakan magnet .........................................................................38 xiv


Gambar 4.2 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio kincir angin tanpa menggunakan magnet ................................................................39 Gambar 4.3 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar kincir variasi konfigurasi magnet utara – selatan .....................................................40 Gambar 4.4 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio variasi konfigurasi magnet utara – selatan .....................................................41 Gambar 4.5 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar kincir variasi konfigurasi magnet utara – utara ........................................................42 Gambar 4.6 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio variasi konfigurasi magnet utara – utara ........................................................43 Gambar 4.7 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar kincir untuk tiga variasi konfigurasi magnet ...............................................................................45 Gambar 4.8 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio untuk tiga variasi konfigurasi magnet ...............................................................................46

xv


DAFTAR TABEL

Tabrl 2.1 Pengelompokan daerah di Indonesia berdasarkan kecepatan angin ........6 Tabel 2.2 Karakteristik magnet neodymium ...........................................................14 Tabel 4.1 Data hasil percobaan tanpa menggunakan piringan magnet ..................30 Tabel 4.2 Data hasil percobaan menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara – selatan ......................................................................31 Tabel 4.3 Data hasil percobaan menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara – utara .........................................................................31 Tabel 4.4 Data hasil perhitungan kincir angin tanpa menggunakan magnet ..........35 Tabel 4.5 Data hasil perhitungan kincir angin menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi magnet utara – selatan ..........................................................36 Tabel 4.6 Data hasil perhitungan kincir angin menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi magnet utara – utara .............................................................37

xvi


BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Kebutuhan manusia akan pasokan energi semakin lama semakin meningkat dan manusia masih sangat tergantung sekali dengan energi konvensional. Bahan bakar fosil, batubara dan gas masih menjadi sumber utama pembangkit energi. Namun pemanfaatan energi konvensional tidak diimbangi dengan ketersediaannya di alam, bahan bakar konvensional yang ada di alam semakin lama jumlahnya semakin menipis ,dan ini membuat setiap negara berlomba – lomba untuk menemukan sumber energi alternatif untuk menggantikan sumber energi konvensional tersebut. Salah satu sumber energi alternatif yang sudah mulai dikembangkan saat ini adalah energi angin. Angin merupakan sumber daya alam yang tidak akan habis dan jumlahnya sangat melimpah di alam, oleh sebab itu angin memiliki prospek perkembangan yang bagus karena pasokan energinya dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, salah satunya yaitu sebagai sumber pasokan listrik.

Gambar 1.1 Data energi listrik yang dihasilkan turbin angin di seluruh dunia (Sumber : http://www.greenpeace.org/seasia/id/blog)

1

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 2

Berdasarkan data dari Renewables 2014 Global Status Report, sampai dengan tahun 2014 perkiraan energi listrik yang dihasilkan oleh turbin angin mencapai 318 GigaWatts, seperti yang ditunjukan pada Gambar 1.1. Beberapa negara telah memanfaatkan energi angin sebagai sumber pembangkit listrik, diantaranya yaitu Amerika Serikat, Denmark, Australia, Italia, Spanyol, china dan Jepang. Namun di Indonesia pemanfaatan energi angin sebagai pembangkit listrik masih belum optimal, itu terbukti dengan jumlah PLT Angin yang telah beroperasi di Indonesia yang baru berjumlah 12 unit, 5 Unit dengan kapasitas 80 kilo watt dan pada tahun 2007 bertambah lagi sebanyak 7 unit yang dibangun di empat lokasi, sebanyak tiga unit di pulau Selayar, dua unit di Sulawesi Utara, dan satu unit di Nusa Penida, Bali serta Bangka Belitung. Di awal tahun 2016, pemerintah bekerjasama dengan investor asal Denmark memulai proyek pembangunan dua unit PLT Angin dengan kapasitas 65 MW dan 70 MW di daerah Sulawesi Selatan [nn, 2017 https://kumparan.com/wiji-nurhayat/lokasi-yangcocok-dibangun-pembangkit-listrik-tenaga-angin-di-ri, diakses 07 Mei 2017]. Namun jumlah PLT Angin tersebut masih sangat sedikit sekali, mengingat bahwa Indonesia memiliki potensi angin yang sangat melimpah khususnya di kawasan pesisir pantai yang seharusnya dapat dimanfaatkan lebih maksimal untuk sumber pembangkit listrik. Salah satu alat yang mampu mengkonversikan energi angin menjadi energi mekanik adalah kincir angin, dengan memanfaatkan putaran kincir untuk memutar generator maka akan dihasilkan enegi listrik. Namun penggunaan energi angin untuk membangkitkan listrik juga memiliki banyak kendala, diantaranya yaitu kecepatan angin yang tidak stabil atau kecepatan angin yang tidak merata di setiap daerah. Daerah yang jauh dari pantai biasanya memiliki kecepatan angin yang lebih rendah dibandingkan dengan daerah pesisir pantai. Untuk mengatasi kendala tersebut, dalam penelitian ini kami menggunakan magnet untuk membantu meninggkatkan unjuk kerja kincir angin. Penambahan magnet dalam desain kincir angin dimaksudkan supaya kincir angin dapat digunakan didaerah yang memiliki kecepatan angin yang rendah. Magnet yang digunakan dalam penelitian ini ditanam pada sebuah piringan kayu yang


kemudian dipasang pada poros kincir angin, dalam penelitian ini penulis memvariasikan konfigurasi magnet yang ditanam pada magnet. Terdapat tiga variasi piringan magnet yang digunakan, yakni tanpa menggunakan piringan magnet, piringan magnet dengan konfigurasi utara – selatan dan piringan dengan konfigurasi utara-utara. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang penelitian, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan yang akan dibahas dalam penelitian ini. Beberapa masalah tersebut yaitu: 1. Perlunya model kincir angin yang dapat mengonversikan energi angin menjadi energi mekanik dengan unjuk kerja yang maksimal pada kecepatan angin yang rendah. 2. Pengaruh penggunaan magnet terhadap unjuk kerja kincir angin multi-blade. 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah 1. Membuat kincir angin model multi-blade delapan sudu berbahan dasar triplek dengan tambahan magnet. 2. Mencari nilai koefisien daya dan tip speed ratio dari setiap variasi konfigurasi magnet. 3. Membandingan unjuk kerja dari tiga variasi konfigurasi magnet. 1.4 Batasan Masalah Untuk menghindari terlalu banyaknya permasalahan yang muncul, maka penulis memberikan batasan – batasan masalah yang sesuai dengan judul penelitian ini. Adapun batasan masalah tersebut yaitu: 1. Kincir angin yang digunakan adalah kincir angin model multi-blade delapan sudu berbahan dasar triplek. 2. Pengujian kincir angin hanya dilakukan menggunakan kecepatan angin 4 m/s.


3. Magnet yang digunakan dalam pengujian adalah magnet neodymium yang dibedakan menjadi dua macam, yaitu magnet yang ditanam pada piringan magnetik dengan ukuran 22 x 5 mm dan magnet stator dengan ukuran 50 x 40 x 13 mm.


BAB II DASAR TEORI

2.1 Angin dan potensi angin di Indonesia Angin adalah udara yang bergerak akibat adanya perbedaan tekanan udara dengan arah aliran angin dari tempat yang memiliki tekanan tinggi ke tempat yang bertekanan rendah atau dari daerah yang memiliki suhu rendah ke wilayah bersuhu tinggi. Proses terjadinya angin memiliki hubungan yang erat dengan sinar matahari karena daerah yang terkena banyak paparan sinar matahari akan memiliki suhu yang lebih tinggi serta tekanan udara yang lebih rendah dari daerah lain di sekitarnya sehingga menyebabkan terjadinya aliran udara. Angin sendiri merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang jumlahnya sangat melimpah di alam, tetapi tidak semua angin dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit energi. Angin yang memiliki kecepatan yang sangat rendah tentu tidak dapat digunakan sebagai sumber pembangkit energi. Kecepatan angin dipengaruhi oleh tiga hal, yaitu topografi, letak geografis, dan faktor penghambat. Berdasarkan letak tempat atau topografinya, jika angin berada pada topografi berupa gunung, angin akan cenderung naik. Sebaliknya, angin akan cenderung lurus jika topografinya berupa daratan. Selain itu jika dikaitkan dengan letak geografisnya, setiap tempat dipenjuru dunia memiliki potensi kecepatan angin yang berbeda-beda. Dalam hal ini tentunya daerah tropis, sub tropis, dan kutub mempunyai perbedaan potensi angin. Pepohonan dan bangunan merupakan contoh faktor penghambat laju angin. Ketika terdapat pepohonan atau bangunan, aliran angin yang melewati objek-objek tersebut cenderung mengalami turbulensi. Indonesia merupakan salah satu negara yang mempunyai potensi angin yang cukup baik, banyak daerah di Indonesia yang mempunyai kecepatan angin yang cukup tinggi dan bisa dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik tenaga angin. 5


Dari peta potensi angin di Indonesia (Gambar 2.1) terdapat 35 titik yang berpotensi sebagai tempat penerapan rekayasa tenaga angin.

Gambar 2.1 Peta Potensi Angin di Indonesia (Sumber : www.energy-indonesia.com)

Tabel 2.1 Pengelompokan daerah di Indonesia berdasarkan kecepatan angin

(Sumber : www.energy-indonesia.com)


2.2 Jenis – jenis Angin 2.2.1 Angin Laut Angin laut adalah angin yang terjadi pada waktu siang hari di sepanjang tepian danau dan di sepanjang garis – garis pantai diseluruh dunia. Angin ini bergerak dari laut atau danau menuju daratan. Hal ini dikarenakan udara diatas daratan mengalami pemanasan lebih cepat dibandingkan udara di permukaan laut atau danau, sehingga tekanan diatas daratan lebih rendah dibandingkan dengan permukaan laut atau danau. Selama udara hangat di atas daratan bergerak naik keatas, udara yang lebih dingin dari permukaan laut yang bertekanan lebih tinggi akan berhembus ke daratan yang tekanannya lebih rendah dan hembusan angin tersebut dikenal sebagai angin laut. Siklus terjadinya angin laut dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Proses terjadinya angin laut (Sumber : http://www.cuacajateng.com/angindaratdananginlaut.htm)

2.2.2 Angin Darat Angin darat adalah angin yang terjadi pada waktu malam hari di tepian danau dan disepanjang garis pantai diseluruh dunia. Hal ini terjadi disebabkan karena udara diatas daratan mengalami pendinginan lebih cepat dibandingkan udara diatas permukaan laut atau danau, sehingga tekanan udara diatas permukaan laut atau danau


lebih rendah dibandingkan diatas daratan. Udara yang lebih dingin dan bertekanan lebih tinggi akan berhembus dari daratan ke perairan di malam hari dan inilah yang menyebabkan munculnya angin darat. Siklus terjadinya angin darat dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Proses terjadinya angin darat (Sumber : http://www.cuacajateng.com/angindaratdananginlaut.htm)

2.2.3 Angin Gunung Angin Gunung adalah angin yang terjadi pada waktu malam hari di kawasan pegunungan di seluruh dunia. Angin ini bergerak dari gunung menuju lembah. Hal ini terjadi karena udara diatas gunung mengalami pendinginan lebih cepat dibandingkan diatas permukaan lembah , sehingga tekanan udara di atas permukaan lembah lebih rendah dibandingkan dengan tekanan udara diatas gunung. Siklus terjadinya angin gunung dapat dilihat pada Gambar 2.4. 2.2.4 Angin Lembah Angin lembah adalah angin yang terjadi pada waktu siang hari di kawasan pegunungan di seluruh dunia. Angin ini berhembus dari lembah menuju gunung. Hal ini terjadi dikarenakan udara diatas gunung mengalami pemanasan lebih cepat


dibandingkan lembah, sehingga tekanan udara diatas permukaan gunung lebih rendah dibandingakan diatas permukaan lembah (Gambar 2.4).

Gambar 2.4 Proses terjadinya angin gunung dan angin lembah (Sumber : http://sapakabar.blogspot.co.id/2015/04/angin.html)

2.3 Kincir Angin Kincir angin adalah sebuah alat yang berfungsi untuk mengonversikan energi angin menjadi energi mekanis. Tidak diketahui secara pasti kapan dan siapa yang pertama kali memanfaatkan tenaga angin dengan kincir angin, namun beberapa catatan sejarah mengungkap teknologi tua kincir angin telah dimanfaatkan oleh peradaban bangsa - bangsa besar. Bangsa Babilonia (abad 17 SM) yang terkenal dengan rajanya Hammurabi memiliki rancangan irigasi yang memanfaatkan tenaga angin. Bangsa Yunani pada abad ke-1 melalui ilmuannya 'Heron' telah menemukan kincir angin yang menggerakkan roda bermesin. Hal yang sama pula telah ada di Cina sejak abad ke-4 [nn, 2015 http://bangongo.blogspot.co.id/2015/03/sejarah-kincir-angin.html, diakses maret 2016] Pada jaman sekarang ini kincir angin sudah dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik. Kincir angin yang digunakan untuk menghasilkan sebuah energi listrik disebut dengan turbin angin (wind turbine). Turbin angin mampu mengubah energi angin


menjadi energi mekanik dengan memanfaatkan putaran kincir untuk memutar generator sehingga akan dihasilkan energi listrik. Berdasarkan arah porosnya, secara umum kincir angin dibagi menjadi dua jenis yaitu kincir angin sumbu horizontal dan kincir angin sumbu vertikal. 2.3.1 Kincir Angin Sumbu Horizontal Kincir angin sumbu horizontal atau Horizontal Axis Wind Turbin (HAWT) adalah kincir angin yang mempunyai poros yang sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah datangnya angin. Kincir ini terdiri dari sebuah menara dan kincir yang berada pada puncak menara tersebut. Poros kincir dapat berputar 360° terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin. Terdapat beberapa jenis kincir angin poros horizontal diantaranya ditunjukkan pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Kincir Angin Sumbu Horizontal (Sumber : mit.ilearning.me/kincir-angin-pembangkit-listrik/)


Kelebihan kincir angin sumbu horizontal adalah : 1. Menara penyangga yang tinggi memungkinkan untuk mendapatkan angin dengan kekuatan yang lebih besar. 2. Efisiensi lebih tinggi, karena sudu selalu bergerak tegak lurus terhadap arah angin, menerima daya sepanjang putaran. 3. Dapat dibuat dengan kemampuan pitch control untuk sudu – sudunya, sehingga dapat menghindari kerusakan bila terkena badai. Kelemahan kincir angin sumbu horizontal adalah : 1. Dibutuhkan konstruksi menara penyangga yang kuat untuk menopang beban sudu, gear box dan generator. 2. Komponen - komponen dari kincir angin seperti pada poin pertama, harus diangkat ke posisinya pada saat pemasangan. 3. Membutuhkan yaw control sebagai mekanisme untuk mengarahkan sudu ke arah angin. 4. Kincir angin sulit dioperasikan dekat dengan permukaan tanah karena adanya angin turbulen. 2.3.2 Kincir Angin Sumbu Vertikal Kincir angin sumbu vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) adalah kincir angin yang memiliki poros tegak lurus dengan tanah atau arah datangnya angin. Terdapat beberapa jenis kincir angin sumbu vertikal diantaranya ditunjukan pada Gambar 2.6. Kelebihan kincir angin sumbu vertikal adalah : 1. Kincir angin ini mudah dirawat karena letaknya yang dekat dengan permukaan tanah. 2. Memiliki kecepatan pengawalan angin yang rendah dibandingkan dengan kincir sumbu horizontal. 3. Kincir angin ini dapat menerima hembusan angin dari segala arah. 4. Tidak memerlukan menara yang tinggi sehingga lebih murah dan lebih kuat.


Kelemahan kincir angin sumbu vertikal adalah : 1. Memiliki kecepatan putaran kincir angin yang rendah, karena letaknya dekat dengan tanah. 2. Karena pada umumnya dipasang dekat dengan permukaan tanah maka kualitas angin yang diterima kurang baik sehingga kincir angin mudah rusak.

Gambar 2.6 Kincir Angin Sumbu Vertikal ( Sumber : http://benergi.com )

2.4 Magnet Magnet merupakan suatu material yang mampu memberikan gaya dorong maupun gaya tarik terhadap benda feromagnetik atau magnet lain disekitar medan magnetiknya. Umumnya magnet yang ada dipasaran dibedakan menjadi 2 jenis yaitu magnet permanen dan magnet lilitan yang terdiri dari suatu kumparan. Dalam pengembangan pengaplikasian magnet, ditemukan bahwa magnet dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan suatu gerakan rotasi, hingga menghasilkan akselerasi. Hal inilah


yang kemudian dimanfaatkan pada generator untuk mengkonversi energi kinetik dari gerakan yang dihasilkan magnet tersebut, dalam hal ini magnet yang digunakan berupa magnet lilitan. 2.4.1

Magnet Neodymium Ada beberapa macam magnet permanen yang telah dijual secara komersial

dipasaran, salah satunya yaitu magnet neodymium. Magnet neodymium merupakan magnet permanen paling kuat di dunia. Magnet ini terbuat dari Neodymium (Nd), Besi (Fe), dan Boron (B). Magnet neodymium memiliki induksi magnet sekitar 1,3 tesla. Magnet neodymium dijual di pasaran dengan berbagai tingkatan atau grade. Magnet ini digolongkan kedalam beberapa tingkatan berdasarkan energi maksimumnya yang berkaitan erat dengan flux magnetiknya per satuan volume. Semakin tinggi tingkatannya, semakin kuat kekuatan magnetnya. Beberapa grade magnet yang dijual dan dapat dijumpai diantaranya N35, N38, N40, N42, N45, N48, N50, dan N52.

Gambar 2.7 Magnet neodymium (Sumber : http://www.reuk.co.uk/wordpress/general/buying-neodymium-magnets)

2.4.2

Karakteristik Magnet Neodymium Penting untuk diketahui, beberapa karakteristik magnet permanen yang dapat

digunakan untuk membandingkan satu magnet dengan magnet lainnya diantaranya yaitu :


a. Remanence (𝐵𝑟 ) Satuan untuk kekuatan medan magnet. b. Coercivity (𝐻𝑐𝑖 ) Tolak ukur suatu magnet sifat kemagnetannya. c. Energy Product (𝐵𝐻𝑚𝑎𝑥 ) Densitas dari energi magnet. d. Curie Temperature (𝑇𝑐 ) Suhu maksimal yang dapat diterima magnet. Magnet neodymium adalah magnet yang cukup kuat terhadap korosi karena telah dilapisi nikel dan tembaga dalam proses produksinya di beberapa perusahaan, bahkan dalam hal ini ada yang menambahkan pelapis polimer maupun pelapis logam lain. Dalam pengaplikasian magnet, pengguna dituntut untuk sangat berhati-hati karena magnet neodymium mampu membuat luka pada tubuh, menghancurkan material yang rapuh, hingga menyebabkan tulang patah jika digunakan pada jarak antar kutub yang cukup dekat. Dalam hal ini, magnet neodymium mempunyai karakteristik sebagai berikut : Tabel 2.2 Karakteristik Magnet Neodymium Properti nilai Remanence (T)

1-1.3

Coercivity (MA/m)

0.875-1.99

Relative Permeability

1.05

Curie Temperature (°C)

320

Density (𝑔/𝑐𝑚3 )

7.3-7.5

Tensile Strength (𝑁/𝑚𝑚2 )

75

(Sumber : https://en.wikipedia.org/wiki/Neodymium_magnet)

2.4.3

Magnet Neodymium Sebagai Penggerak dan Unit Penghasil Akselerasi Magnet neodymium saat ini mampu menggantikan magnet alnico maupun

magnet ferrite yang sudah banyak dijumpai di pasaran, beberapa pengaplikasiannya


antara lain yaitu untuk mainan, pengunci pintu, loudspeaker, dsb. Dalam ranah yang lebih ilmiah, didapati banyak pengembangan dari magnet neodymium sebagai motor servo, motor sinkron, driver motor kendaraan mobil listrik hybrid, dsb. Tidak hanya itu, dalam dunia medis khususnya radiologi, MRI (magnetic resonance imaging) merupakan pengembangan dan pengaplikasian kekuatan homogenitas medan magnet pada magnet neodymium yang dianggap mampu meng-scan tubuh manusia dengan lebih baik. Salah satu contoh paten yang pernah dibuat yaitu Robert Tracy Magnet Motor (U.S patent No.3703653, 1972). Magnet ketika didekatkan dengan kutub yang berbeda akan menghasilkan gaya tarik - menarik. Kejadian ini dapat dimanfaatkan sebagai penghasil energi jika magnet - magnet tersebut disusun secara berpasangan kutub yang berlainan dan disusun dengan pola yang memungkinkan menggerakan poros generator mengikuti pola sekring dari aki yang disusun melingkar dengan crankshaft sebagai penghubung ke poros generatornya. Hal inilah yang kemudian digunakan Robert Tracy untuk menggunakan magnet sebagai penggerak poros generator.

Gambar 2.8 Desain permanen magnet motor Robert Tracy (Sumber : www.free-energy-info.co.uk)


2.5 Rumus Perhitungan Berikut ini adalah rumus – rumus yang digunkadan dalam penelitian untuk mencari unjuk kerja kincir angin. 2.5.1 Energi Kinetik Energi kinetik adalah energi yang dihasilkan suatu benda dikarenakan adanya gerakan. Energi kinetik dipengaruhi oleh kecepatan dan massa benda. Sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut : 𝐸𝑘

1

= 2 𝑚 . 𝑣2

(1)

dengan 𝐸𝑘 adalah energi kinetik, 𝑚 adalah massa dan 𝑣 adalah kecepatan angin. 2.5.2 Daya Angin Daya angin (𝑃𝑖𝑛 ) adalah daya yang dihasilkan oleh sudu kincir angin yang diakibatkan oleh hembusan angin. Daya angin dapat dirumuskan sebagai berikut :

𝑃𝑖𝑛 =

1 2

𝜌 . 𝐴 . 𝑣3

(2)

dengan 𝜌 adalah massa jenis udara, 𝐴 adalah luas penampang sudu. 2.5.3 Torsi Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya dorong pada sudu – sudu kincir angin. Perhitungan nilai torsi dapat dirumuskan sebagai berikut :

𝑇 = 𝐹 .ℓ

(3)

dengan 𝐹 adalah gaya pembebanan, dan ℓ adalah panjang lengan torsi ke poros kincir angin. 2.5.4 Daya Kincir Angin Daya kincir angin (𝑃𝑜𝑢𝑡 ) adalah daya yang dihasilkan oleh kincir angin karena putaran sudu kincir , putaran kincir angin tersebut menghasilkan energi kinetik yang


kemudian dikonversikan menjadi energi listrik. Perhitungan nilai daya kincir angin dapat dirumuskan sebagai berikut :

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇 . 𝜔

(4)

dengan 𝑃𝑜𝑢𝑡 adalah daya yang dihasilkan oleh kincir angin dan 𝜔 adalah kecepatan sudut. 2.5.5 Tip Speed Ratio Tip speed ratio adalah perbandingan antara kecepatan linear lingkaran terluar kincir dengan kecepatan angin. Perhitungan nilai tip speed ratio dapat dirumuskan sebagai berikut : 𝑡𝑠𝑟 =

𝜔. 𝑟

(5)

𝑣

dengan 𝑟 adalah jari – jari kincir angin dan 𝑣 adalah kecepatan angin. 2.5.6 Koefisien Daya Koefisien daya adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir angin

(𝑃𝑜𝑢𝑡 ) dengan daya yang disediakan oleh angin (𝑃𝑖𝑛 ). Perhitungan nilai koefisien daya dapat dirumuskan sebagai berikut :

𝐶𝑝 =

𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛

. 100%

(6)

Menurut ilmuwan asal Jerman, Albert Betz, efisiensi atau koefisien daya maksimal sebuah kincir angin adalah sebesar 59 % .Teori tersebut kemudian dinamakan dengan Betz limit yang grafiknya dapat dilihat pada Gambar 2.9.


Gambar 2.9 Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio dari berbagai jenis kincir angin. (Sumber : http://slideplayer.com/slide/10169610/)


BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Penelitian Langkah kerja penelitian ini digambarkan sebagai berikut : Mulai

Perancangan desain kincir angin dan piringan magnet

Pembelian alat dan bahan yang digunakan untuk pembuatan kincir angin dan piringan magnet

Pembuatan kincir angin dan piringan magnet

Pengambilan data berupa kecepatan angin, putaran poros kincir dan gaya pembebanan

Pengolahan data, menghitung torsi, kecepatan sudut, daya angin, daya kincir, koefisien daya (𝐶𝑝 ), tip speed ratio (trs). Kemudian membuat grafik hubungan antara torsi dengan putaran poros dan hubungan koefisien daya (𝐶𝑝 ) dengan tip speed ratio (tsr) dari setiap variasi.

Analisis dan pembahasan data

Selesai

Gambar 3.1 Diagram alur penelitian

19


3.2 Objek Penelitian Objek penelitian ini adalah kincir angin sumbu horizontal jenis multi-blade delapan sudu dengan variasi konfigurasi magnet. 3.3 Waktu dan Tempat Penelitian Pembuatan kincir angin dilakukan pada bulan Februari 2017 sampai April 2017 dan pengambilan data dilakukan pada bulan Mei 2017 di Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma. 3.4 Bahan dan Alat Bahan – bahan utama dalam penelitian adalah sebagai berikut : a. Sudu kincir angin Sudu kincir angin dibuat dari triplek dengan ketebalan 6 mm. Untuk membuat patahan sudu digunakan dua buah bagian triplek yang disambungkan menggunakan dempul. Dempul juga berfungsi untuk menutupi rongga diantara dua patahan tersebut agar kedua bagian tersebut dapat menyatu dan digunakan plat aluminium untuk melapisi kedua bagian tersebut agar lebih kuat. Sudu kincir ditunjukkan pada Gambar 3.2 b. Poros utama kincir Poros utama kincir terbuat dari pipa pejal berbahan baja. Poros utama kincir dihubungkan pada sistem pengereman. c. Naf kincir Naf berfungsi sebagai dudukan sudu. Elemen ini dibuat dari piringan triplek berdiameter 17 cm yang diberi lubang sesuai dengan ukuran baut, baut tersebut berfungsi untuk mengencangkan sudu. Naf kincir angin ditunjukkan pada Gambar 3.2. d. Piringan magnet Piringan magnet pada pengujian ini terbuat dari kayu sengon yang dipotong berbentuk lingkaran berdiameter 20 cm yang kemudian ditanam magnet pada


permukaannya dan dikeraskan menggunakan resin agar tidak lepas dari piringan magnet. Magnet yang digunakan pada piringan adalah magnet neodymium grade N35 dengan jarak sudut antar magnet 30° dari titik center piringan (12 buah magnet berdimensi 22 mm x 5 mm). Bahan untuk piringan dipilih menggunakan kayu sengon agar piringan tidak berat. Piringan magnet ditunjukkan pada Gambar 3.3.

Gambar 3.2 Sudu dan naf kincir angin

Gambar 3.3 Piringan magnet


Dalam pembuatan kincir angin digunakan alat – alat kerja diantaranya yaitu : a. Alat kerja utama : 1. Gergaji 2. Palu 3. Tool Box 4. Mesin Gerinda 5. Penggaris 6. Bor tangan 7. Alat Tulis b. Alat pendukung yang digunakan dalam proses pengambilan data : 1. Fan Blower Fan Blower adalah alat yang digunakan untuk menciptakan hembusan angin dengan kecepatan tertentu. Fan Blower yang digunakan selama penelitian digerakan oleh motor listrik berdaya 11,000 kW dan dihubungkan menggunakan transmisi sabuk dan puli. Fan Blower ditunjukkan pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4 Fan blower


2. Takometer Takometer (tachometer) adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putar poros kincir angin. Jenis yang digunakan adalah digital light takometer. Takometer ditunjukkan pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5 Takometer

3. Anemometer Anemometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Alat ini diletakkan didepan kincir angin. Anemometer ditunjukkan pada Gambar 3.6.

Gambar 3.6 Anemometer


4. Mekanisme pengereman Mekanisme pengereman digunakan untuk mengukur beban maksimal. Adapun variasi pembebanan dengan cara menambahkan karet gelang pada tuas yang terhubung pada mekanisme pengereman di cakram. Mekanisme pengereman ditunjukkan pada Gambar 3.7.

Gambar 3.7 Mekanisme pengereman

5. Neraca pegas Neraca pegas digunakan untuk mengukur beban yang diberikan terhadap kincir angin. Penggunaan neraca pegas dihubungkan dengan mekanisme pengereman menggunakan benang dan pemberat yang jaraknya telah ditentukan. Neraca pegas ditunjukkan pada Gambar 3.8.

Gambar 3.8 Neraca pegas


3.5 Bentuk Sudu Kincir Angin Sudu – sudu kincir angin yang dibuat permukaannya benbentuk datar dan terdapat patahan. Patahan ini membentuk sebuah sudut yang besarnya 30° . Sudu kincir angin ini terbuat dari triplek yang memiliki ketebalan 6 mm dan dilapisi plat aluminium. 3.5.1

Desain Sudu kincir angin 1. Tampak atas

Gambar 3.9 Desain sudu kincir angin tampak atas

2. Tampak samping

Gambar 3.10 Desain sudu kincir angin tampak samping

4.7 Variabel Peneltian Variabel dalam penelitian ini adalah : 1. Variasi konfigurasi piringan magnet, utara – selatan dengan utara –utara.


2. Variasi pembebanan. Parameter yang diukur dalam penelitian ini adalah 1. Kecepatan angin (m/s) 2. Gaya pembebanan (N) 3. Putaran Kincir Angin (rpm) 3.7 Set Up Eksperimen Eksperimen yang dilakukan untuk mengambil data kecepatan angin, gaya pembebanan, dan kecepatan putar poros kincir secara bersama - sama. Kincir akan dipasang seperti pada Gambar 3.11

Gambar 3.11 Setting eksperimen

Kincir yang telah terpasang pada poros dan rangka akan ditempatkan dengan jarak 2,5 m didepan Fan Blower, dalam pengujian ini kecepatan angin yang digunakan yaitu 4 m/s. Setiap variasi konfigurasi magnet akan diuji pada kincir dengan kecepatan angin yang sama. Piringan magnet dalam pengujian ini dipasang pada poros kincir dengan posisi seperti pada Gambar 3.11. Piringan ini berisi magnet dengan pola konfigurasi utara utara dan utara - selatan serta magnet stator dengan kutub utara ( magnet N35 persegi berdimensi 50 mm x 40 mm x 13 mm) diletakkan menghadap piringan magnet pada


posisi 4 cm dibawah pusat center piringan magnet. Adapun penempatan jarak magnet stator diatur sesuai dengan kalkulasi untuk mendapatkan range gaya dorong terbaik terhadap piringan magnet.

Gambar 3.12 Ilustrasi set up piringan magnet ( konvigurasi utara – selatan)

Dengan konsep bahwa gaya dorong magnet juga merupakan energi kinetik, maka magnet stator ditempatkan pada posisi tersebut untuk menjadi pemicu gaya dorong atau tarik pada piringan magnet. Gaya dorong pada set up penelitian akan searah dengan arah putaran kincir. Sedangkan magnet stator dipilih dengan ukuran yang lebih besar dari magnet pada piringan agar mampu memberi gaya dorong atau tarik yang lebih besar.

Gambar 3.13 Resultan gaya dorong pada piringan magnet


Kincir angin nantinya akan diuji dengan memberi pembebanan pada mekanisme pengereman. Adapun langkah-langkah pengambilan data yang dilakukan adalah sebagai berikut : 1. Menghubungkan poros kincir angin dengan mekanisme pengereman. 2. Memasang piringan magnet dan sudu kincir pada poros kincir angin. 3. Memasang dudukan magnet stator dan memasang magnet stator. 4. Memasang anemometer di depan Fan Blower untuk menghitung kecepatan angin. 5. Memasang neraca pegas. 6. Memasang tali yang menghubungkan antara neraca pegas dengan mekanisme pengereman. 7. Menghidupkan Fan Bolwer untuk menghembuskan angin dengan kecepatan 4 m/s. 8. Percobaan pertama dilakukan tanpa menggunakan piringan magnet. 9. Variasi pembebanan menggunakan sebuah gelang karet yang dipasang pada mekanisme pengereman hingga kincir angin berhenti berputar. 10. Bila kecepatan angin dan variasi beban telah sesuai dengan yang diinginkan maka pengambilan data dapat dilakukan. 11. Mencatat nilai pembebanan yang terukur pada neraca pegas. 12. Mengukur kecepatan putaran poros kincir angin. 13. Mengulangi langkah 1 sampai 12 untuk variasi konfigurasi magnet utara – utara dan utara – selatan. 3.8 Langkah pengolahan data Data yang diperoleh dari hasil percobaan diolah melalui tahapan sebagai berikut, 1. Setelah diketahui kecepatan angin (v) dan luasan kincir (A), maka akan diperoleh daya angin (Pin). 2. Dengan pembebanan didapat gaya pengimbang (F) yang dapat digunakan untuk mencari nilai torsi (T).


3. Kecepatan putaran poros kincir (n) dan torsi (T) dapat digunakan untuk mencari daya output kincir (Pout). 4. Dengan membandingkan kecepatan keliling diujung sudu (𝜔) dan kecepatan angin (𝑣), maka tip speed ratio dapat dicari. 5. Koefisien daya kincir angin dapat dicari dari perbandingan daya kincir angin (Pout) dan daya angin (Pin).


BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Hasil Penelitian Data yang diperoleh dari hasil pengujian kincir angin meliputi : Kecepatan angin (m/s), putaran poros (rpm) dan gaya pengimbang (N). Pengambilan data dilakukan dengan tiga variasi konfigurasi magnet, yakni tanpa menggunakan magnet, menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara – selatan dan utara – utara. Tabel 4.1 Data hasil percobaan tanpa menggunakan piringan magnet Kecepatan Putaran Gaya angin poros pengimbang Percobaan No 𝑣(m/s) 𝑛 (rpm) 𝐹 (N) 1 0,0 159 2 0,2 150 3 0,6 135 4 0,8 122 1 4 5 1,0 95 6 1,3 86 7 1,5 62 8 1,6 40 1 0,0 158 2 0,3 144 3 0,7 126 2 4 4 1,1 92 5 1,3 84 6 1,5 60 7 1,6 39 1 0,0 160 2 0,3 140 3 0,5 137 3 4 4 0,8 115 5 1,0 102 6 1,2 89 7 1,5 65

30


Tabel 4.2 Data hasil percobaan menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara - selatan Kecepatan Putaran Gaya angin poros pengimbang Percobaan No 𝑣 (m/s) 𝑛(rpm) 𝐹 (N) 1 0,0 158 2 0,3 142 3 0,5 136 4 0,7 122 1 4 5 0,9 115 6 1,1 94 7 1,3 70 8 1,5 42 1 0,0 157 2 0,3 146 3 0,6 127 2 4 4 0,8 117 5 1,1 95 6 1,3 71 7 1,5 44 1 0,0 157 2 0,3 144 3 0,6 127 4 0,8 116 3 4 5 1,0 95 6 1,2 79 7 1,4 52 8 1,5 39

Tabel 4.3 Data hasil percobaan menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara - utara Kecepatan Putaran Gaya angin, poros pengimbang Penelitian No 𝑣 (m/s) 𝑛 (rpm) 𝐹 (N) 1 0,0 157 2 0,2 148 3 0,5 135 1 4 4 0,7 124 5 1,0 110 6 1,2 93


Tabel 4.3 Data hasil percobaan menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara – utara (lanjutan) Kecepatan Putaran Gaya angin, poros pengimbang Penelitian No 𝑣 (m/s) 𝑛 (rpm) 𝐹 (N) 7 1,4 72 1 8 1,6 35 1 0,0 162 2 0,3 143 3 0,6 132 4 0,8 122 2 4 5 1,1 105 6 1,3 80 7 1,5 56 8 1,6 38 1 0,0 159 2 0,3 144 3 0,6 130 4 0,9 113 3 4 5 1,2 99 6 1,4 80 7 1,5 40 8 1,7 30

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan Pengolahan data menggunakan beberapa asumsi untuk mempermudah dalam proses perhitungan, antara lain sebagai berikut : 1. Diameter kincir angin 89 cm. 2. Densitas udara 1,18 kg/m3. 3. Panjang lengan torsi 20 cm. 4.2.1 Perhitungan Daya Angin Sebagai contoh, perhitungan diambil dari hasil percobaan kincir angin tanpa piringan magnet pada pengujian pertama dan pada pembebanan yang ke-3. Pada percobaan ini diketahui densitas udara (𝜌) sebesar 1,18 kg/m3 , luas penampang (𝐴)


0,6218 m2 dan kecepatan angin (𝑣) 4 m/s. Untuk mendapatkan nilai daya angin dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :

𝑃𝑖𝑛 =

1 2 1

𝜌 . 𝐴 . 𝑣3

= 1,18 . 0,6218 . (4)3

2 = 23,5 watt Jadi daya angin yang dihasilkan sebesar 23,5 watt

4.2.2 Perhitungan Torsi Dalam perhitungan torsi ini, data hasil percobaan yang dijadikan contoh diambil dari hasil percobaan kincir angin tanpa piringan magnet pada pengujian pertama dan pada pembebanan yang ke-3. Dari data yang diperoleh gaya pengimbang (𝐹) sebesar 0,5 N dan jarak lengan torsi 0,20 m. Untuk mendapatkan nilai torsi dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :

𝑇 = 𝐹 .ℓ = 0,6 . 0,2 = 0,12 N.m Jadi torsi yang dihasilkan sebesar 0,12 N.m 4.2.3 Perhitungan Daya Kincir Angin Pada perhitungan daya kincir angin ini , data hasil percobaan yang dijadikan contoh diambil dari hasil percobaan kincir angin tanpa piringan magnet pada pengujian pertama dan pada pembebanan yang ke-3. Dari data yang diperoleh, kecepatan angin (𝑣) sebesar 4 m/s, putaran poros (𝑛) 136 rpm dan torsi 0,12 N.m. Daya kincir angin dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇 . 𝜔 =𝑇.

𝜋. 𝑛 30

= 0,12 .

𝜋 . 135 30


= 1, 70 watt Jadi daya kincir yang dihasilkan sebesar 1,70 watt 4.2.4 Perhitungan Koefisien Daya Pada perhitungan koefisien daya, data hasil percobaan yang dijadikan contoh diambil dari hasil percobaan kincir angin tanpa piringan magnet pada pengujian pertama dan pada pembebanan ke-3. Dari data hasil percobaan, daya angin (𝑃𝑖𝑛 ) yang diperoleh sebesar 23,5 watt dan daya kincir angin (𝑃𝑜𝑢𝑡 ) 1,70 watt. Untuk mendapatkan nilai koefisien daya (𝐶𝑝 ) dapat dihitung dengan rumus sebagi berikut :

𝐶𝑝 =

𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛

. 100%

= (1,70 / 23,5 ) . 100 % = 7,23 % Jadi koefisien daya yang dihasilkan sebesar 7,23 % 4.2.5 Perhitungan Tip Speed Ratio Pada perhitungan tip speed ratio (tsr) data hasil percobaan yang dijadikan contoh diambil dari hasil percobaan kincir angin tanpa piringan magnet pada pengujian pertama dan pada pembebanan ke-3. Dari data hasil percobaan, besar kecepatan sudut (𝜔) adalah 14,24 rad/s, kecepatan angin (𝑣) sebesar 4 m/s dan jari – jari kincir angin adalah 0,445 m. Nilai tip speed ratio dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : 𝜔. 𝑟 𝑡𝑠𝑟 = 𝑣 =

14,14 .0,445 4

= 1,57 Jadi tip speed ratio yang dihasilkan sebesar 1,57


4.3 Data Hasil Perhitungan Tabel 4.4 Data hasil perhitungan kincir angin tanpa menggunakan magnet Percobaan

1

2

3

Beban pengimbang 𝐹 (N) 0,0 0,2 0,6 0,8 1,0 1,3 1,5 1,6 0,0 0,3 0,7 1,1 1,3 1,5 1,6 0,0 0,3 0,5 0,8 1,0 1,2 1,5

Putaran kincir 𝑛 (rpm) 159 150 135 122 95 86 62 40 158 144 126 92 84 60 39 160 140 137 115 102 89 65

Kecepatan sudut 𝜔 (rad/s) 16,65 15,71 14,14 12,78 9,95 9,01 6,49 4,19 16,55 15,08 13,19 9,63 8,80 6,28 4,08 16,76 14,66 14,35 12,04 10,68 9,32 6,81

Beban torsi 𝑇 (N.m) 0,00 0,04 0,12 0,16 0,20 0,26 0,30 0,32 0,00 0,06 0,14 0,22 0,26 0,30 0,32 0,00 0,06 0,10 0,16 0,20 0,24 0,30

Daya angin 𝑃𝑖𝑛 (watt) 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5

Daya output 𝑃𝑜𝑢𝑡 (watt) 0,00 0,63 1,70 2,04 1,99 2,34 1,95 1,34 0,00 0,90 1,85 2,12 2,29 1,88 1,31 0,00 0,88 1,43 1,93 2,14 2,24 2,04

Tip speed ratio 𝑡𝑠𝑟 1,85 1,75 1,57 1,42 1,11 1,00 0,72 0,47 1,84 1,68 1,47 1,07 0,98 0,70 0,45 1,86 1,63 1,60 1,34 1,19 1,04 0,76

Koef. Daya 𝐶𝑝 (%) 0,00 2,68 7,23 8,71 8,47 9,97 8,30 5,71 0,00 3,85 7,87 9,03 9,74 8,03 5,57 0,00 3,75 6,11 8,21 9,10 9,53 8,70

35


Tabel 4.5 Data hasil perhitungan kincir angin menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara – selatan Beban Putaran Kecepatan Beban Daya Daya Tip speed Koef. sudut torsi angin output ratio Daya Percobaan pengimbang kincir

1

2

3

𝐹 (N) 0,0 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 0,0 0,3 0,6 0,8 1,1 1,3 1,5 0,0 0,3 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,5

n (rpm) 158 142 136 122 115 94 70 42 157 146 127 117 95 71 44 157 144 127 116 95 79 52 39

𝜔 (rad/s) 16,55 14,87 14,24 12,78 12,04 9,84 7,33 4,40 16,44 15,29 13,30 12,25 9,95 7,44 4,61 16,44 15,08 13,30 12,15 9,95 8,27 5,45 4,08

𝑇 (N.m) 0,00 0,06 0,10 0,14 0,18 0,22 0,26 0,30 0,00 0,06 0,12 0,16 0,22 0,26 0,30 0,00 0,06 0,12 0,16 0,20 0,24 0,28 0,30

𝑃𝑖𝑛 (watt) 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5

𝑃𝑜𝑢𝑡 (watt) 0,00 0,89 1,42 1,79 2,17 2,17 1,91 1,32 0,00 0,92 1,60 1,96 2,19 1,93 1,38 0,00 0,90 1,60 1,94 1,99 1,99 1,52 1,23

𝑡𝑠𝑟 1,88 1,69 1,62 1,45 1,37 1,12 0,83 0,50 1,87 1,74 1,51 1,39 1,13 0,85 0,52 1,87 1,72 1,51 1,38 1,13 0,94 0,62 0,46

𝐶𝑝 (%) 0,00 3,80 6,07 7,62 9,23 9,22 8,12 5,62 0,00 3,91 6,80 8,35 9,32 8,23 5,89 0,00 3,85 6,80 8,28 8,47 8,46 6,49 5,22

36


Tabel 4.6 Data hasil perhitungan kincir angin menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara – utara Beban Putaran Kecepatan Beban Daya Daya Tip speed Koef. sudut torsi angin output ratio Daya Percobaan pengimbang kincir

1

2

3

𝐹 (N) 0,0 0,2 0,5 0,7 1,0 1,2 1,4 1,6 0,0 0,3 0,6 0,8 1,1 1,3 1,5 1,6 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,4 1,5 1,7

n (rpm) 157 148 135 124 110 93 72 35 162 143 132 122 105 80 56 38 159 144 130 113 99 80 40 30

𝜔 (rad/s) 16,44 15,50 14,14 12,99 11,52 9,74 7,54 3,67 16,96 14,97 13,82 12,78 11,00 8,38 5,86 3,98 16,65 15,08 13,61 11,83 10,37 8,38 4,19 3,14

𝑇 (N.m) 0,00 0,04 0,10 0,14 0,20 0,24 0,28 0,32 0,00 0,06 0,12 0,16 0,22 0,26 0,30 0,32 0,00 0,06 0,12 0,18 0,24 0,28 0,30 0,34

𝑃𝑖𝑛 (watt) 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5

𝑃𝑜𝑢𝑡 (watt) 0,00 0,62 1,41 1,82 2,30 2,34 2,11 1,17 0,00 0,90 1,66 2,04 2,42 2,18 1,76 1,27 0,00 0,90 1,63 2,13 2,49 2,35 1,26 1,07

𝑡𝑠𝑟 1,83 1,72 1,57 1,44 1,28 1,08 0,84 0,41 1,89 1,67 1,54 1,42 1,22 0,93 0,65 0,44 1,85 1,68 1,51 1,32 1,15 0,93 0,47 0,35

𝐶𝑝 (%) 0,00 2,64 6,02 7,74 9,81 9,95 8,99 5,00 0,00 3,83 7,06 8,71 10,30 9,28 7,49 5,42 0,00 3,85 6,96 9,07 10,60 9,99 5,35 4,55

37


4.4 Grafik hasil perhitungan dan pembahasan Dari data perhitungan yang telah diperoleh dapat dibuat grafik untuk melihat hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio dan grafik hubungan besar torsi dengan rpm dari setiap variasi konfigurasi magnet. 4.4.1 Grafik Kincir Angin Tanpa Menggunakan Magnet a. Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putaran kincir Berdasarkan data hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.4 maka dapat dibuat grafik hubungan antara torsi dengan kecepatan putaran kincir yang dihasilkan oleh kincir angin tanpa menggunakan magnet, seperti yang ditunjukan pada Gambar 4.1 Kecepatan putar kincir, n (rpm)

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0,00

0,05

0,10

0,15 0,20 Torsi, T (N.m)

0,25

0,30

0,35

Gambar 4.1 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar kincir tanpa menggunakan magnet

Dari Gambar 4.1, dapat disimpulkan bahwa semakin besar beban yang diberikan pada kincir angin maka semakin besar nilai torsi dan semakin besar nilai torsi maka kecepatan putar kincir angin akan semakin pelan atau dengan kata lain hubungan antara torsi dengan putaran kincir adalah berbanding terbalik. Pada percobaan ini, kecepatan angin (𝑣) yang digunakan adalah 4 m/s, dengan kecepatan tersebut dapat menghasilkan kecepatan putaran kincir maksimal 160 rpm pada saat tanpa pembebanan dan torsi maksimal adalah 0,32 N.m pada saat kecepatan putaran kincir 39 rpm.


b. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio Berdasarkan data hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.4 maka dapat dibuat grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio yang dihasilkan kincir angin tanpa menggunakan magnet, seperti yang ditunjukan pada Gambar 4.2.

Koefisien daya, Cp (%)

12 10 8 6 4

Cp = -13,729tsr2 + 28,225x - 4,7701

2

R² = 0,960

0 0,0

0,5

1,0 Tip speed ratio, tsr

1,5

2,0

Gambar 4.2 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio kincir angin tanpa menggunakan magnet

Dari Gambar 4.2 diperoleh persamaan 𝐶𝑝 = - 13,729tsr 2 + 28,225tsr – 4,7701, dari persamaan tersebut dapat diperoleh nilai koefisien daya maksimum dan tip speed ratio optimal. Nilai tsr optimal dapat dihitung dengan persamaan berikut 𝐶𝑝 = - 13,729tsr 2 + 28,225tsr – 4,7701 𝑑𝐶𝑝 =0 𝑑(tsr) 0 = 2 (-13,729)tsr + 28,225 0 = - 27,458tsr + 28,225 27,458tsr = 28,225 tsr =

28,225 27,458

tsr = 1,028 Dari hasil perhitungan menunjukan nilai tip speed ratio optimal sebesar 1,028. Adapun nilai koefisien daya maksimal didapat dari nilai tsr yang dimasukkan ke dalam persamaan sebagai berikut : 𝐶𝑝 = - 13,729tsr 2 + 28,225tsr – 4,7701 𝐶𝑝 = - 13,729(1,028)2 + 28,225(1,028) – 4,7701


𝐶𝑝 = 9,74 % Dari hasil perhitungan persamaan diatas menunjukan koefisien daya maksimal (𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥 ) sebesar 9,74 %. 4.4.2 Grafik Kincir Angin Menggunakan Piringan Magnet dengan Konfigurasi Utara – selatan a. Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putaran kincir Berdasarkan data hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.5 maka dapat dibuat grafik hubungan antara torsi dengan kecepatan putaran kincir yang dihasilkan kincir angin menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara selatan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.3

Kecepan putar kincir, n (rpm)

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0,00

0,05

0,10

0,15 0,20 Torsi, T (N.m)

0,25

0,30

0,35

Gambar 4.3 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar kincir dengan variasi konfigurasi magnet utara-selatan

Dari Gambar 4.3, dapat disimpulkan bahwa semakin besar beban yang diberikan pada kincir angin maka semakin besar nilai torsi dan semakin besar nilai torsi maka kecepatan putar kincir angin akan semakin pelan atau dengan kata lain hubungan antara torsi dengan putaran kincir adalah berbanding terbalik. Pada percobaan ini, kecepatan angin yang digunakan adalah 4 m/s, dengan kecepatan tersebut dapat menghasilkan kecepatan putaran kincir maksimal 158 rpm pada saat tanpa pembebanan dan torsi maksimal adalah 0,3 N.m pada saat kecepatan putaran kincir 39 rpm.


b. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio Berdasarkan data hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.5 maka dapat dibuat grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio yang dihasilkan kincir angin menggunakan magnet dengan konfigurasi utara - selatan, seperti yang ditunjukan pada Gambar 4.4


12 10 8 6 4

Cp = -13,392tsr2 + 28,398x - 5,638

2

R² = 0,965

0 0,0

0,5


1,5

2,0

Gambar 4.4 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio kincir dengan variasi konfigurasi magnet utara – selatan

Dari Gambar 4.4 diperoleh persamaan 𝐶𝑝 = - 13,392tsr 2 + 28,398𝑥 – 5,638, dari persamaan tersebut dapat diperoleh nilai koefisien daya maksimum dan tip speed ratio optimal. Nilai tsr optimal dapat dihitung dengan persamaan berikut 𝐶𝑝 = - 13,392tsr 2 + 28,398𝑥 – 5,638 𝑑𝐶𝑝

=0 𝑑(tsr) 0 = 2 (-13,392)trs + 28,398 0 = - 26,784tsr + 28,398 26,784tsr = 28,398 tsr =

28,398 26,784

tsr = 1,06 Dari hasil perhitungan menunjukan tip speed ratio optimal sebesar 1,06. Adapun nilai koefisien daya maksimal didapat dari nilai tsr yang dimasukkan ke dalam persamaan sebagai berikut : 𝐶𝑝 = - 13,392tsr 2 + 28,398tsr – 5,638,


𝐶𝑝 = - 13,392(1,06)2 + 28,398(1,06) – 5,638 𝐶𝑝 = 9,42 % Dari hasil perhitungan persamaan diatas menunjukan koefisien daya maksimal (𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥 ) sebesar 9,42 %. 4.4.3

Grafik Kincir Angin Menggunakan Piringan Magnet dengan Konfigurasi Utara – utara

a. Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putaran kincir Kecepatan puttar kincir, n (rpm)

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0,00

0,05

0,10

0,15 0,20 Torsi, T (N.m)

0,25

0,30

0,35

Gambar 4.5 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar kincir dengan variasi konfigurasi magnet utara-utara

Berdasarkan data hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.6 maka dapat dibuat grafik hubungan antara torsi dengan kecepatan putaran kincir yang dihasilkan kincir angin menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara utara, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.5 Dari Gambar 4.5, dapat disimpulkan bahwa semakin besar beban yang diberikan pada kincir angin maka semakin besar nilai torsi dan semakin besar nilai torsi maka kecepatan putar kincir angin akan semakin pelan atau dengan kata lain hubungan antara torsi dengan putaran kincir adalah berbanding terbalik. Pada percobaan menggunakan magnet, kecepatan angin yang digunakan adalah 4 m/s, dengan kecepatan tersebut dapat menghasilkan kecepatan putaran kincir maksimal 162 rpm pada saat tanpa pembebanan dan torsi maksimal adalah 0,34 N.m pada saat kecepatan putaran kincir 30 rpm.


b. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio Berdasarkan data hasil perhitungan yang ditampilkan pada Tabel 4.6 maka dapat dibuat grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio yang dihasilkan kincir angina menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara utara, seperti yang ditunjukan pada Gambar 4.6


12 10 8 6 4

Cp = -14,588tsr2 + 29,87x - 5,0182

2

R² = 0,974

0 0,0

0,5


1,5

2,0

Gambar 4.6 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio kincir dengan variasi konfigurasi magnet utara – utara

Dari Gambar 4.6 diperoleh persamaan 𝐶𝑝 = -14,588tsr 2 + 29,87tsr – 5,0182, dari persamaan tersebut dapat diperoleh nilai koefisien daya maksimum dan tip speed ratio optimal. Nilai tsr optimal dapat dihitung dengan persamaan berikut 𝐶𝑝 = -14,588tsr 2 + 29,87tsr – 5,0182 𝑑𝐶𝑝 𝑑(tsr)

=0

0 = 2 (-14,588)tsr + 29,87 0 = -29,176tsr + 29,87 29,176tsr = 29,87 tsr =

29,87 29,176

tsr = 1,024 Dari hasil perhitungan menunjukan nilai tip speed ratio optimal sebesar 1,024. Adapun nilai koefisien daya maksimal didapat dari nilai tsr yang dimasukkan ke dalam persamaan sebagai berikut : 𝐶𝑝 = - 14,588tsr 2 + 29,87tsr – 5,0182 𝐶𝑝 = - 14,588(1,024)2 + 29,87(1,024) – 5,0182 𝐶𝑝 = 10,27 %


Dari hasil perhitungan persamaan diatas menunjukan koefisien daya maksimal (𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥 ) sebesar 10,27 %. 4.5 Grafik Perbandingan Tiga Variasi Konfigurasi Magnet Berikut ini adalah Grafik perbandingan antara ketiga variasi konfigurasi magnet. Grafik yang diperbandingkan meliputi, hubungan torsi dengan kecepatan putaran kincir dan hubungan antara koefisien daya (𝐶𝑝 ) dengan tip speed ratio (tsr). 1. Grafik perbandingan torsi dengan kecepatan putaran kincir Kecepatan putar kincir , n (rpm)

180 160 140 120 100

Tanpa magnet

80

Utara-Selatan

60

Utara-Utara

40 20 0 0,00

0,05

0,10

0,15 0,20 0,25 Torsi, T (N.m)

0,30

0,35

Gambar 4.7 Grafik hubungan torsi dengan kecepatan putar kincir untuk tiga variasi konfigurasi magnet

Dari data yang sudah diperoleh (Gambar 4.1, 4.3, 4.5) dapat dibandingan ketiga variasi konfigurasi magnet yang diteliti. Perbandingan torsi dengan kecepatan putaran kincir dapat dilihat pada Gambar 4.7 Dari Gambar 4.7 dapat dilihat bahwa kincir angin yang menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi magnet utara - utara menghasilkan torsi yang paling besar diantara dua variasi yang lain, yakni 0,34 N.m pada kecepatan putaran kincir 30 rpm. Hal ini disebabkan karena adanya gaya dorong dari magnet stator sehingga kincir angin mampu menerima beban pengimbang yang lebih besar dan membuat nilai torsi menjadi lebih tinggi dibandingkan dengan variasi lain dan kincir angin yang menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara - selatan menghasilkan torsi yang paling rendah, hal ini disebabkan karena konfigurasi


nnnnmagnetmagnet utara-selatan menyebabkan adanya gaya pengereman pada saat kecepatan putaran kincir yang rendah. 2. Grafik perbandingan koefisien daya dengan tip speed ratio Dari data yang sudah diperoleh (Gambar 4.2, 4.4, 4.6) dapat dibandingan ketiga variasi konfigurasi magnet yang diteliti. Perbanding antara kofisien daya dan tip speed ratio dapat dilihat pada Gambar 4.8 12


10 8 6

Tanpa magnet

4

UtaraSelatan

2 0 0,00

0,50

1,00 1,50 Tip speed ratio, tsr

2,00

Gambar 4.8 Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio untuk tiga variasi konfigurasi magnet

Dari Gambar 4.8 dapat dilihat bahwa kincir angin yang menggunakan magnet dengan variasi utara - utara mempunyai nilai koefisien daya yang paling tinggi dengan nilai koefisien daya maksimal 10,27 % pada tip speed ratio optimal 1,024. Dari grafik juga dapat dilihat bahwa saat ketiga variasi memiliki nilai tip speed ratio yang sama, kincir angin dengan konfigurasi magnet utara-utara mampu memberikan koefisien daya (𝐶𝑝 ) yang lebih besar, hal ini disebabkan karena adanya dorongan magnet sehingga kincir mampu menerima pembebanan yang lebih besar.


BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan Dari penelitian kincir angin model multi-blade dengan variasi konfigurasi magnet yang telah dilaksanakan, maka dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Telah berhasil dibuat model kincir angin multi-blade berbahan dasar triplek berlapis aluminium dengan tiga variasi konfigurasi magnet, yakni kincir angin tanpa menggunakan magnet, kincir angin menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara - selatan dan konfigurasi utara - utara. 2. Kincir angin tanpa menggunakan magnet menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 9,74 % pada tip speed ratio optimal 1,028. Kincir angin menggunakan magnet dengan konfigurasi utara - selatan menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 9,42 % pada tip speed ratio optimal 1,06. Kincir angin menggunakan magnet dengan konfigurasi utara - utara menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 10,27 % pada tip speed ratio optimal 1,024. 3. Kincir angin yang menggunakan piringan magnet dengan konfigurasi utara utara memiliki unjuk kerja yang paling baik dibandingan variasi yang lain, kincir ini mampu menghasilkan koefisien daya maksimal sebesar 10,27 % pada tip speed ratio optimal 1,024. 5.2 Saran 1. Untuk melihat pengaruh penggunaan magnet dengan lebih signifikan, perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan memvariasikan ukuran magnet dan jumlah magnet yang digunakan. 2. Untuk lebih meningkatkan unjuk kerja kincir angin perlu dilakukan penelitian lebih lanjut tentang variasi bentuk sudu pada model kincir angin multi-blade. 47


48

DAFTAR PUSTAKA

Brady., Mike. (2006). Permananent Magnet Machine. (patent), International Publication Number WO 2006/045333. Derwanto Yusuf, H. (2013). Kaji Eksperimental Turbin Angin Multiblade Tipe Sudu Flate Plate Sebagai Penggerak Mula Pompa Air, Tugas Akhir Universitas Wahid Hasyim, Semarang. Diakses tanggal 16 Januari 2017 Giancoli, D.C. (2001). Fisika Jilid 2. Edisi kelima. (Terjemahan: Dra Yuhilza Hanum, M.Eng., Ir. Irwan Arifin, M.Eng; Editor: Hilarius Wibi Hardani, S.T., Sylvester L. Simarta, S.T). Jakarta. Penerbit Erlangga. International Energy Agency. (2008). World Outlook Energy 2008. Paris. International Energy Agency. Martosaputro, S. (2013). Wind Energy Potential and Development in Indonesia, Seminar Wind Hybrid Power Generation Market Development Initiatives yang dilaksanankan di Ayodya Resort Bali Hotel, 30 September- 02 Oktober. Matveev and S.Shcheklein, (2015). Life Cycle Analysis of Low-Speed Multi-Blade Wind Turbine. International Journal of Renewable Energy. Vol.5, No.4. Ranalkar, S., Subhedar, N., Sawale, D. (2013): Enhancement of Wind Turbine Using Magnetic Acceleration Unit, International Journal of Mechanical and Production Engineering, 1, 17-21. http://www.greenpeace.org/seasia/id/blog diakses tanggal 12 Maret 2017 www.energy-indonesia.com diakses tanggal 14 Januari 2017 http://www.cuacajateng.com/angindaratdananginlaut.htm diakses 14 April 2016 http://sapakabar.blogspot.co.id/2015/04/angin.htm diakses 14 April 2016 http://bangongo.blogspot.co.id/2015/03/sejarah-kincir-angin.html, diakses 28 Maret 2016 mit.ilearning.me/kincir-angin-pembangkit-listrik/ diakses 14 April 2016 47


49

LAMPIRAN

Karakteristik magnet yang ditanam pada piringan magnet

Karakteristik magnet stator

47

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN MULTI-BLADE DENGAN VARIASI KONFIGURASI MAGNET SKRIPSI

Recommend Documents