UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORIZONTAL EMPAT SUDU DARI BAHAN KOMPOSIT, BERDIAMETER 1 METER DENGAN POSISI LEBAR POROS MAKSIMAL 10 SENTIMETER

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORIZONTAL EMPAT SUDU DARI BAHAN KOMPOSIT, BERDIAMETER 1 METER DENGAN POSISI LEBAR POROS MAKSIMAL 10 SENTIMETER DARI PUSAT POROS

TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin

Diajukan oleh : KUKUH WAHYU AJI SUKMA NIM : 125214037

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2016

i


THE PERFORMANCE OF FOUR BLADES PROPELLER WINDMILL MADE FROM COMPOSITE 1 METER IN DIAMETER POSITION WITH MAXIMUM WIDTH 10 CENTIMETER THE CENTRAL SHAFT FINAL PROJECT

Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering

By : KUKUH WAHYU AJI SUKMA Student Number : 125214037

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2016

ii






INTISARI

Kebutuhan listrik di Indonesia dari tahun ke tahun semakin meningkat. Hal ini terjadi dikarenakan, bertambahnya jumlah penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pemakaian energi yang terus bertambah. Bahan bakar minyak (BBM), batubara dan gas menjadi sumber energi utama untuk ketersediaan listrik di Indonesia. Namun peningkatan kebutuhan energi ini tidak diikuti dengan ketersedian bahan bakar minyak, gas maupun batu bara sebagai sumber energi pembangkit listrik di Indonesia. Hal ini dikarenakan ketersedian bahan bakar tersebut semakin menipis. Atas dasar kondisi sekarang ini, muncul adanya ide untuk menghasilkan energi alternatif yang tidak bisa habis, contohnya yakni angin, dengan melakukan penelitian terhadap kincir angin. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji unjuk kerja kincir angin propeler empat sudu poros horizontal berdiameter 1 meter berbahan komposit yang diteliti seperti besar torsi, perbandingan daya, koefisien daya maksimal, dan tip speed ratio. Kincir angin propeler empat sudu poros horizontal berdiameter 1 meter berbahan komposit. Terdapat tiga variasi perlakuan kecepatan angin, variasi kecepatan angin pertama dengan kecepatan angin 9,5 m/s, variasi kecepatan angin kedua 8 m/s dan variasi kcepatan angin yang ketiga 7 m/s. Agar mendapatkan daya kincir, torsi, koefisien daya maksimal, dan tip speed ratio pada kincir, maka poros kincir dihubungkan ke mekanisme pemebebanan lampu yang berfungsi untuk pemberian beban pada kincir. Besarnya beban kincir dapat dilihat pada timbangan digital. Putaran kincir angin diukur mengunakan tachometer dan kecepatan angin diukur menggunakan anemometer. Dari hasil penelitian kincir angin empat sudu dengan tiga variasi kecepatan angin, maka koefisien daya (cp) tertinggi yang didapat yaitu sebesar 19,30% pada tsr 3,06 dengan kecepatan angin 8 m/s dan Torsi terbesar yang dihasilkan oleh kincir angin yaitu 0,93 Nm pada kecepatan putar kincir 462 rpm terjadi pada kecepatan angin 8 m/s. Selanjutnya untuk daya terbesar yang dapat dihasilkan dari kincir angin yaitu 53,10watt pada torsi 0,93 Nm dan kecepatan angin 9,5 m/s.

Kata kunci : kincir angin propeler, koefisien daya, tip speed ratio.

vii


ABSTRACT The need for electricity in Indonesia has increased year by year. This occurred due to increase in the number of people, economic growth and the use of energy continu. Of fuel oil, coal and gas to be a source of primary energy to the availability of electricity in Indonesia e to grow. But the increase in energy needs this is not followed by the increased availability of fuel oil, gas and coal as a source of energy a power plant in Indonesia. It was because the increased availability of the fuel becomes thin. On the basis of the present state this, appear the idea to produce alternative energy that cannot be discharged, for example the wind, with conducted research on windmills. This study attempts to assess working on windmills in question as large torque, comparison resources, the maximum resources and tip speed ratio Windmills the treatment is windmills propeler four blade the shaft horizontal diameter 1 meter composite made. There are three variation treatment wind speed, variation wind speed first with wind 9,5 m/s, variation wind speed second 8 m/s and variation wind speeds are third 7 m/s. To get the power work, torque, the coefficients power maximum and tip speed ratio in work, so the shaft work connected to mechanism pemebebanan a lamp that serves to the provision of a load on work. The size of the burden work can be seen in weight digital Round windmills measured use a tachometer and wind speed measured use anemometer. From the results of four studies windmill blade with three variations of wind speed, the power coefficient (cp) is the highest obtained in the amount of 19.30% on a TSR of 3.06 with wind speeds of 8 m / s and the largest torque generated by the windmill is 0 , 93 Nm at 462 rpm wheel rotational speed occurs at a wind speed of 8 m / s. Furthermore, to the greatest power that can be generated from the windmills that 53,10watt the torque of 0.93 Nm and a wind speed of 9.5 m / s.

Keywords: windmills propeler, the coefficients power, tipped speed ratio.

viii


KATA PENGANTAR Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan berkah-Nya, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir. Tugas akhir ini diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains Dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. Banyak hambatan yang dialami penulis selama proses penulisan tugas akhir. Namun karena kuasa Tuhan Yang Maha Esa, bantuan dan keterlibatan berbagai pihak, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan baik. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih atas segala bantuan, dukungan dan dorongan, baik secara moril, materil dan spirituil antara lain kepada : 1. Sudi Mungkasi Ph. D. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta atas segala yang telah diberikan selama penulis belajar di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. 2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, S.T, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin atas segala yang telah diberikan selama penulis belajar di Program Studi Teknik Mesin. 3. Dr. Drs Vet. Asan Damanik, M.Si. selaku Dosen Pembimbing Akademik yang telah memberikan saran, kritik dan bimbingan selama penulis belajar di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains Dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. 4. Doddy Purwadianto, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan waktu, tenaga dan pikiran selama penulisan tugas akhir. 5. Segenap dosen dan staff Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta atas segala kerjasama, pelayanan dan bimbingan selama penulis menempuh kuliah dan proses penulisan tugas akhir.

ix



DAFTAR SIMBOL

Simbol

Keterangan

ρ

Massa jenis (kg/m3)

r

Jari-jari kincir (m)

A

Luas penampang (m2)

𝑣

Kecepatan angin (m/s)

𝜔

Kecepatan sudut (rad/s)

n

Kecepatan putar rotor (rpm)

F

Gaya pengimbang (N)

T

Torsi (Nm)

Pin

Daya angin (watt)

Po

Daya listrik (watt)

Pout

Daya kincir (watt)

TSR

Tip Speed Ratio

Cp

Koefisien daya (%)

𝑚

massa udara (kg)

Ek

Energi kinetic (wH)

𝑉

Volume (m3)

V

Tegangan (Volt)

I

Arus (Ampere) Panjang (m) Waktu (s)

𝑣

Kecepatan di ujung sudu kincir (m/s).

xi


DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ............................................................................................... i HALAMAN PERSETUJUAN ............................................................................. iii HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................... iv PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR .....................................................v LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI ........................................................... vi INTISARI ............................................................................................................. vii ABSTRACT ........................................................................................................ viii KATA PENGANTAR .......................................................................................... ix DAFTAR SIMBOL ............................................................................................... xi DAFTAR ISI ........................................................................................................ xii DAFTAR GAMBAR ............................................................................................xv DAFTAR TABEL ............................................................................................. xvii

BAB I PENDAHULUAN .......................................................................................1 Latar Belakang Masalah ..........................................................................................1 Rumusan Masalah ...................................................................................................2 Tujuan Penelitian .....................................................................................................2 Batasan Masalah .....................................................................................................2 Manfaat Penelitian ..................................................................................................3

xii


BAB II DASAR TEORI ..........................................................................................4 2.1 Dasar Teori ........................................................................................................4 2.2 Kincir Angin.......................................................................................................5 2.2.1 Kincir Angin Poros Horizontal ....................................................................5 2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal .........................................................................7 2.3 Grafik Hubungan Antara Cp terhadap tsr .........................................................9 2.4 Kincir Angin Propeler .....................................................................................10 2.5 Komposit .........................................................................................................11 2.5.1 Fiberglass ......................................................................................................13 2.5.2 Matriks ..........................................................................................................14 2.6 Rumus Perhitungan .........................................................................................19 2.6.1 Rumus Energi Kinetik ..................................................................................19 2.6.2 Rumus Tip Speed Ratio ................................................................................20 2.6.3 Rumus Torsi .................................................................................................21 2.6.4 Rumus Daya ..................................................................................................21 2.6.5 Rumus Koefesien Daya (Cp) .......................................................................22 BAB III METODE PENELITIAN ........................................................................23 3.1 Diagram Penelitian ..........................................................................................23 3.2 Alat Dan Bahan Kincir Angin .........................................................................24 3.3 Desain Kincir Angin .......................................................................................31 3.4 Pembuatan Sudu Kincir Angin ........................................................................35

xiii


3.4.1 Alat Dan Bahan Pembuatan Sudu ................................................................35 3.4.2 Proses Pembuatan Sudu Kincir ....................................................................35 3.5 Langkah Pengambilan Data ............................................................................37 3.5 Langkah Pengolahan Data ...............................................................................39 BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN ............................................40 4.1 Data Hasil Pengujian .......................................................................................40 4.2 Pengolahan Data Dan Perhitungan...................................................................41 4.2.1 Perhitungan Daya Angin ..............................................................................41 4.2.2 Perhitungan Daya Kincir ..............................................................................42 4.2.3 Perhitungan Torsi .........................................................................................42 4.2.4 Perhitungan Cp ..............................................................................................42 4.2.5 Perhitungan Tip Speed Ratio ........................................................................43 4.3 Data Hasil Perhitungan ...................................................................................43 4.4 Pembahasan ......................................................................................................48 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN .................................................................49 5.1 Kesimpulan .....................................................................................................49 5.2 Saran ................................................................................................................50 DAFTAR PUSTAKA ...........................................................................................51 LAMPIRAN ..........................................................................................................52

xiv


DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kincir Angin Poros Horizontal ...........................................................6 Gambar 2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ................................................................8 Gambar 2.3 Grafik hubungan antara koefesien daya (Cp) dengan Tip Speed Ratio (tsr) dari beberapa jenis kincir angin......................................................................10 Gambar 2.4 Sketsa fiber dan metriks ....................................................................12 Gambar 2.5 Fiber dan matriks (resin) ...................................................................12 Gambar 2.6 Contoh jenis fiberglass ......................................................................14 Gambar 2.7 Grafik Stress dan Strain .....................................................................17 Gambar 2.8 Kurva tegangan/regangan sistem ideal matriks ..................................18 Gambar 2.8 Kurva tegangan/regangan kegagalan serat ........................................18 Gambar 3.1 Sudu Kincir Angin .............................................................................25 Gambar 3.2 Dudukan Kincir Angin ......................................................................26 Gambar 3.3 Dinamo Speda Listrik .......................................................................27 Gambar 3.4 Fan Blower .........................................................................................27 Gambar 3.5 Anomemeter ......................................................................................28 Gambar 3.6 Tachometer ........................................................................................29 Gambar 3.7 Timbangan Digital..............................................................................29 Gambar 3.8 Volt Meter .........................................................................................30 Gambar 3.9 Ampere Meter ...................................................................................31 Gambar 3.10 Lampu Pembebanan .........................................................................32

xv


Gambar 3.11 Skema Instalasi Pembebanan ...........................................................32 Gambar 3.12 Pembebanan Lampu .........................................................................33 Gambar 3.13 Desain awal/ molding kincir angin poros horizontal dari bahan kovcccvvvvvvvmposit berdiameter 1 meter dengan posisi poros lebar maksimal 10 cccccccccccccentimeter diatas pusat poros ............................................................34 Gambar3.14Desain kincir angin poros horizontal dari bahan komposit cccccccccccberdiameter 1 meter dengan posisi lebar poros maksimal 10 czccccccccccentimeter diatas pusat poros .............................................................35 Gambar3.15Desain kincir angin poros horizontal dari bahan komposit berdiameter dssdsdsdsd1 meter dengan posisi lebar poros maksimal 10 centimeter diatas pusat sdsdsdsdssdporos ..................................................................................................35 Gambar3.16Skema pembebanan kincir angin poros horizontal dari bahan sadnfksadn komposit berdiameter 1 meter dengan posisi lebar poros maksimal 10 qqqqqqqqqqcentimeter diatas pusat poros .............................................................38

xvi


DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Data hasil pengujian kincir angin empat sudu dengan variasi kecepatan vvvvvvvvangin 9,5 m/s .......................................................................................40 Tabel 4.2 Data hasil pengujian kincir angin empat sudu dengan variasi kecepatan ccccccccc angin 8 m/s ...........................................................................................40 Tabel 4.3 Data hasil pengujian kincir angin empat sudu dengan variasi kecepatan angin 7 m/s ........................................................................................41 Tabel 4.4 Data hasil perhitungan kincir angin empat sudu dengan variasi mmmmmm kecepatan angin 9,5 m/s ...................................................................44 Tabel 4.5 Data hasil perhitungan kincir angin empat sudu dengan variasi mmmmmm kecepatan angin 8 m/s ......................................................................44 Tabel 4.6 Data hasil perhitungan kincir angin empat sudu dengan variasi mnnnnnnnnkecepatan angin 7 m/s .......................................................................45

xvii


Lampiran Gambar L.1 Grafik Putaran poros dengan Torsi kecepatan angin 9,5 m/s ............52 Gambar L.1 Grafik Putaran poros dengan Torsi kecepatan angin 8 m/s ...............52 Gambar L.1 Grafik Putaran poros dengan Torsi kecepatan angin 7 m/s ...............53 Gambar L.1 Grafik Daya Elektris dengan Torsi kecepatan angin 9,5 m/s ............53 Gambar L.1 Grafik Daya Elektris dengan Torsi kecepatan angin 8 m/s ...............54 Gambar L.1 Grafik Daya Elektris dengan Torsi kecepatan angin 7 m/s ...............54 Gambar L.1 Grafik Daya Mekanis dengan Torsi kecepatan angin 9,5 m/s ...........54 Gambar L.1 Grafik Daya Mekanis dengan Torsi kecepatan angin 8 m/s ..............55 Gambar L.1 Grafik Daya Mekanis dengan Torsi kecepatan angin 7 m/s .............55 Gambar 2.9 Grafik Koefisien Daya (Cp) elektris dengan Tips Speed Ratio (TSR) Mmmmm

Kecepatan angin 9,5 m/s ....................................................................56

Gambar 2.9 Grafik Koefisien Daya (Cp) elektris dengan Tips Speed Ratio (TSR) Kkkkkkkkk Kecepatan angin 8 m/s .......................................................................56 Gambar 2.9 Grafik Koefisien Daya (Cp) elektris dengan Tips Speed Ratio (TSR) Mmmmmm Kecepatan angin 7 m/s .......................................................................57 Gambar 2.9 Grafik Koefisien Daya (Cp) mekanis dengan Tips Speed Ratio (TSR) Mmmmmm Kecepatan angin 9,5 m/s ....................................................................57 Gambar 2.9 Grafik Koefisien Daya (Cp) mekanis dengan Tips Speed Ratio (TSR) Mmmmmm Kecepatan angin 8 m/s .......................................................................58

xviii


Gambar 3.0 Grafik Koefisien Daya (Cp) elektris dengan Tips Speed Ratio (TSR) Bbbbbbbbb Kecepatan angin 7 m/s........................................................................58

xix


BAB I PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang Seiring pertumbuhan penduduk yang semakin meningkat mengakibatkan

kebutuhan energi semakin meningkat. Tetapi peningkatan konsumsi ini tidak diimbangi dengan sumber daya fosil semakin yang menipis, energi alternatif mulai

banyak

dikembangkan

terutama

yang ramah

lingkungan

dalam

pengolahannya. Indonesia dengan sumber daya alam yang melimpah tentu menyimpan banyak sekali sumber energi alternatif yang bisa dimanfaatkan seperti energi air, energi surya, panas bumi, dan energi angin. Dari sekian banyak energi yang sudah kita kenal selama ini energi anginlah yang mudah dalam pengolahanya dan tidak membutuhkan biaya yang cukup besar. Untuk mengkonversi energi angin menjadi energi listrik dibutuhkan alat berupa kincir angin. Putaran kincir akan menggerakan generator yang nantinya menghasilkan energi listrik. Ada

banyak bentuk dan karateristik kincir angin, yang dapat

diklasifikasikan dalam dua jenis, yaitu : Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dan Vertical Axiswind Turbine (VAWT) perberdaan kedua jenis kincir ini terletak pada poros yang terpasang secara horisontal dan vertikal. Ada banyak faktor yang mempengaruhi kecepatan putaran kincir, salah satunya yaitu : kecepatan angin, banyaknya sudu dan kehalusan permukaan serta jumlah beban. Dengan alasan

1

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 2

tersebut penulis ingin melihat sejauh mana pengaruh kehalusan permukaan sudu terhadap kecepatan putaran poros kincir angin.

1.2

Perumusan Masalah Masalah yang dapat dirumuskan dalam penelitian ini adalah : a. Indonesia adalah Negara kepulauan yang memiliki potensi energi angin yang cukup besar tetapi belum dimanfaatkan secara maksimal. b. Diperlukan kincir angin yang mampu mengkonversi energi angin tersebut dengan maksimal sehingga efisiensi yang diperoleh tinggi.

1.3

Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah : a. Membuat Kincir Angin poros horisontal empat sudu. b. Mengetahui Koefisien Daya (Cp) yang dihasilkan kincir angin. c.

Tip Speed Ratio (tsr) yang dihasilkan kincir angin.

d. Mencari performa kincir angin yang terbesar.

1.4

Batasan Masalah Batasan masalah yang ada dalam penelitian ini adalah : a. Model kincir angin berbahan komposit dengan diameter 1 meter b. Penelitian dilakukan pada terowongan angin atau generator angin Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma.

di


c. Kincir angin menggunakan tipe horizontal axis wind turbine (HAWT) dengan empat sudu. d. Variasi yang dilakukan adalah dengan mengunakan variasi kecepatan angin dan dengan jumlah 4 sudu.

1.5

Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah : a. Mengetahui kinerja kincir angin empat sudu dengan variasi angin yang berbeda. b. Sumber referensi bagi pengembang teknologi untuk mengembangkan teknologi alternatif, khususnya energi angin.


BAB II DASAR TEORI

2.1

Dasar Teori Energi angin adalah energi yang sudah lama kita kenal dan sudah banyak

dimanfaatkan untuk membantu kehidupan sehari – hari sejak jaman dahulu. Banyak perahu – perahu layar nelayan yang memanfaatkan energi angin untuk mencari ikan dilaut. Sebagai mana sudah kita ketahui, Angin adalah udara bergerak yang bergerak akibat adanya perbedaan tekanan. Perbedaan suhu udara ini diakibatkan pemanasan atmosfer yang tidak merata oleh sinar matahari. Kecepatan angin dipengaruhi letak dan ketinggiannya, orang yang tinggal di daerah khatulistiwa cenderung merasakan hembusan angin yang lebih kencang dari pada orang yang tinggal jauh dari khatulistiwa hal ini dikarenakan daerah khatulistiwa lebih dekat dengan matahari. Dilihat dari faktor ketinggian, semakin tinggi suatu tempat maka semakin kencang pula hembusan anginnya. Hal ini disebabkan karna, semakin tinggi suatu tempat maka gesekan terhadap benda – benda yang mempengaruhi laju kecepatan angin dipermukaan bumi kecil, begitu pula di lautan. Indonesia memiliki potensi angin yang cukup baik, karena sebagian pulau –pulau memiliki potensi angin yang bisa dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik tenaga angin. Dari 120 tempat menurut survei LAPAN (Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional) hanya beberapa tempat yang memiliki potensi angin yang cukup baik diantaranya kepulauan Sumbawa, Sumba, Lombok, Nusa

4


Tenggara timur, Nusa Tenggara Barat, Sulawesi Selatan, Pantai Selatan dan Bali memiliki kecepatan angin rata-rata tahunan sebesar 4,5 sampai 5,9 m/s.

2.2

Kincir Angin Kincir angin adalah sebuah alat yang digerakkan oleh tenaga angin

sehingga menghasilkan energi mekanik atau gerak. Kincir angin dulunya banyak ditemukan dinegara – negara Eropa khususnya Belanda dan Denmark yang pada waktu itu banyak digunakan untuk irigasi, menumbuk hasil pertanian, penggilingan gandum dan pembangkit tenaga listrik. Secara umum kincir angin digolongkan menjadi duajenisnya menurut porosnya yaitu : kincir agin poros horisontal dan kincir angin poros vertikal.

2.2.1

Kincir Angin Poros Horisontal Kincir Angin Poros Horisontal atau propeler adalah kincir angin yang

memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah angin.Kincir angin Poros Horisontal ini memiliki jumlah bilah lebih dari dua, kincir angin ini dapat berputar dikarenakan adanya gaya aerodinamis yang bekerja pada suatu kincir. Beberapa jenis kincir angin poros horisontal yang telah banyak dikenal diantaranya ditunjukkan pada Gambar 2.1


Gambar 2.1 Kincir Angin Poros Horisontal (Sumber:http://www.satuenergi.com/2015/10/jenis-jenis-turbin-angin-serta.html)


Kekurangan dan kelebihan Kincir Angin Poros Horisontal. Kelebihan kincir angin poros horisontal: 1. Mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi. 2. Memiliki faktor keamanan yang lebih baik karena posisi sudu yang berada di atas menara. 3. Tidak memerlukan karateristik angin karena arah angin langsung menuju rotor. 4. Banyak digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan skala besar. Kekurangan yang dimiliki oleh kincir angin poros horisontal: 1. Kontruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah – bilah yang berat (Gearbox dan Generator). 2. Perlu adanya mekanisme tambahan untuk menyesuaikan dengan arah angin (ekor pengarah atau sensor elektrik).

2.2.2

Kincir Angin Poros Vertikal Kincir angin poros vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT)

adalah salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan arah angin atau dengan kata lain kincir jenis ini dapat mengkonversi tenaga angin dari segala arah kecuali arah angin dari atas atau bawah. Kincir jenis ini menghasilkan torsi yang lebih besar dari pada kincir angin poros horisontal. Beberapa jenis kincir angin poros vertikal yang telah banyak dikenal diantaranya ditunjukkan pada Gambar 2.2


a. Kincir angin Darrieus

b. Kincir angin Savonius

Gambar 2.2 Kincir Angin Poros Vertikal (Sumber:http://www.satuenergi.com/2015/10/jenis-jenis-turbin-angin-serta.html)

Kekurangan dan kelebihan kincir angin poros vertikal Kelebihan kincir angin poros vertikal : 1. Dapat menerima arah angin dari segala arah. 2. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar. 3. Dapat bekerja pada putaran rendah. 4. Memiliki torsi yang besar pada putaran rendah. 5. Tidak perlu mengatur sudut – sudut untuk menggerakan sebuah generator. Kelemahan kincir angin poros vertikal : 1. Bekerja pada putaran rendah, sehingga energi angin yang dihasilkan kecil.


2. Hanya dapat mengkonfersi energi angin 50% dikarenakan adanya gaya drag tambahan. 3. Bekerja pada putaran rendah, sehingga energi angin yang dihasilkan kecil. 4. Dipasang ditempat rendah maka faktor keselamatan perlu diperhatikan.

2.3 Grafik Hubungan Antara Cp Terhadap Tsr Menurut Albert Betz Ilmuan Jerman bahwa koefisien daya maksimal dari kincir angin adalah sebesar 59% seperti yang terlihat pada Gambar 2.3 Batas maksimal tersebut di namai dengan Betz limit. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat p

Gambar 2.3 Grafik Hubungan Antara Koefisien Daya (Cp) dengan Tips SpeedRatio (TSR) dari beberapa jenis kincir. (Sumber :www.gunturcuplezt.com) diakses Mei 2016)


2.4

Kincir Angin Propeler Dalam tugas akhir ini akan dibahas mengenai kincir angin poros horisontal

atau Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) jenis propeler. Kincir angin propeler merupakan kincir angin yang konvensional dimana suatu putaran tegak lurus dengan arah angin dengan jumlah sudu dua, tiga atau pun lebih yang berpenampang airfoil. Kelebihan kincir angin propeler 1. Mampu menghasilkan daya yang besar. 2. Mampu berputar dengan kecepatan tinggi. 3. Kontruksi kincir lebih sederhana. 4. Penempatannya jauh dari permukaan tanah sehingga memiliki faktor keamanan yang cukup tinggi.

2.5

Komposit Dalam tugas akhir ini bahan untuk membuat kincir angin adalah bahan

komposit. Komposit adalah material yang tersusun atas campuran dua atau lebih material dengan sifat kimia dan fisika berbeda, dan menghasilkan sebuah material baru yang memiliki sifat-sifat berbeda dengan material-material pengusunnya. Material komposit tersusun atas dua tipe material penyusun yakni matriks dan penguat (reinforcement). Keduanya memiliki fungsi yang berbeda, fiber berfungsi sebagai material rangka yang menyusun komposit, sedangkan matriks berfungsi untuk merekatkan fiber dan menjaganya agar tidak berubah posisi. Campuran keduanya akan menghasilkan material yang keras, kuat, namun ringan.


Gambar 2.4 Sketsa fiber dan Matriks (http://artikel-teknologi.com/pengertian-material-komposit/)

Gambar 2.5 Fiber dan matriks (resin) (http://artikel-teknologi.com/pengertian-material-komposit/)

Komposit yang diaplikasikan pada kincir angin terbuat dari bahan fiberglass, serat karbon, dan kayu. Matriks pengikat yang digunakan yaitu polyester, epoxy, dan vinyl ester. Komposit yang paling umum diterapkan yaitu jenis GRP (fiberglass reinforced plastic). Pada sistem kincir angin, komposit biasanya digunakan sebagai bahan pembuat sudu, tetapi pada bagian lain pun dapat digunakan seperti misalnya pada nacelle cover. Keunggulan utama


menggunakan material komposit yaitu : (1) pabrikasi yang mudah walaupun berbentuk aerodinamika, (2) memiliki kekuatan yang tinggi,(3) memiliki perbandingan tingkat kekakuan yang tinggi terhadap beratnya. Bahan ini pun lebih tahan terhadap korosi, merupakan isolator listrik, tahan terhadap degradasi lingkungan dan fleksibel dalam variasi metode pembuatan.

2.5.1. Fiberglass Fiberglass dibentuk dengan cara memilin kaca menjadi benang yang panjang. Jenis fiberglass yang paling umum yaitu E-glass yang terbuat dari calcium aluminosilicate glass. Material ini memiliki kekuatan tarik yang baik dan ekonomis. Jenis lain fiberglass yang umum digunakan yaitu S-glass yang terbuat dari calcium-free aluminosilicate glass. Serat jenis ini memiliki kekuatan tarik 2530% lebih tinggi dibanding jenis E-glass, akan tetapi tidak seekonomis jenis Eglass karena harganya >200% harga E-glass. Fiberglass terkadang langsung digunakan untuk proses produksi, akan tetapi lebih umum dikombinasikan terlebih dahulu menjadi bentuk yang lain. Biasanya fiberglass dianyam atau dirajut menjadi helai kain, dibentuk menjadi lembaran yang kontinyu atau lembaran yang acak(kusut) atau dipersiapkan sebagai bentuk yang tercacah. Apabila diinginkan material dengan kekuatan tarik tinggi, maka jenis yang dipilih yaitu unidirectional atau jenis lembaran yang acak.


Gambar 2.6 Contoh jenis fiberglass

Komposit serat (fiber-matrik composites) dibedakan menjadi; 1. Fibre composites (komposit serat) adalah gabungan serat dengan matrik. 2. Flake composites adalah gabungan serpih rata dengan matrik. 3. Particulate composites adalah gabungan partikel dengan matrik. 4. Filled composites adalah gabungan matrik continous skeletal 5. Laminar composites adalah gabungan lapisan atau unsur pokok lamina.

2.5.2. Matriks Resin epoksi akan cenderung dibahas dalam tulisan ini. Resin epoksi mempunyai kegunaan luas dalam industri Teknik Kimia, listrik, mekanik dan sipil sebagai perekat, cat pelapis, pencetakan cord an benda-benda cetakan. 1. Proses produksi bahan Pada saat ini produknya adalah kebanyakan merupakan kondensat dari bisfenol A (4-4’ dihidroksidifenil 2,2-propanon) dan epiklorhidrin.


Bisfenol

A diganti

dengan novolak

,atau senyawa

tak jenuh,

siklopentadien, dsb. Resin epoksi bereaksi dengan pengeras dan menjadi unggul dalam kekuatan mekanik dan ketahanan kimia. Sifatnya bervariasi bergantung pada jenis, kondisi dan pencampuran dengan pengerasnya. Banyaknya campuran dihitung dari ekivalen epoksi (banyaknya resin yang mengandung 1 mol gugus epoksi dalam gram). 2. Sifat-sifat bahan a) Resin bisfenol A Kelekatannya terhadap bahan lan banyak sekali. Bahan ini banyak digunakan dalam cat untuk logam, perekat, pelapis dengan serat gelas, dsb. Pada pengawetan tak dihasilkan produk tambahan seperti air, dan penyusutan volume kurang. Kestabilan dimensinya baik. Sangat tahan terhadap zat kimia dan stabil terhadap banyak asam kecuali asam pengoksid yang kuat, dan asam alifatik rendah, alkali dan garam. Karena tak di serang oleh hampir semua pelarut, bahan ini baik digunakan sebagai yang non-korosif. b) Resin sikloalifatik Bahan ini viskositsanya rendah dan ekivalensi epoksinya kecil. Bahan

berguna

sebagai

pengencer

bisfenol

karena

mudah

penanganannya. Karena kaku dan rapuh, bahan terutama digunakan untuk alat isolasi listrik yang diperkuat dengan serat gelas. Ketahanan busur dan sifat anti alurnya baik.


3. Pencetakan bahan a) Pengecoran Digunakan untuk produksi perkakas dan pembenam komponen listrik. b) Pencetakan lapisan Digunakan untuk produksi pelapis resin epoksi-serat gelas. Ada metode laminasi basah(pengeras diletakkan dalam resin cair dan ditambah pengecer atau pembasah, viskositasnya menurun), metoda laminasi kering (resin padat dilarutkan dalam pelarut seperti aseton, dan pengeras yang tak bereaksi pada suhu rendah, ditambahkan kemudian, dalam masa serat gelas dijenuhkan dan dikeringkan), dan metoda penggulungan filamen (serat gelas yang jenuh digulung pada inti dan diawetkan dengan pemanasan). 4. Penggunaan bahan a) Perekat Hampir semua plastik dapat melekat cukup kuat kecuali resin silicon, fluoresin, polietilen dan polipropilen. Jenis yang lain adalah jenis yang paling sering dipakai.

Paling luas

digunakan

dalam

industry

penerbangan, konstruksi dan listrik. b) Cat Bahan cat dapat dipakai terhadap berbagai bahan, dan secara luas digunakan karena pelapisannya kuat, unggul dalam ketahanan air dan ketahanan kimia.


c) Pencetakan coran Kebanyakan digunakan dalam industri listrik

Pada tahun 1987 matriks adalah bahan yang memberikan rupa bentuk dan memegang bahan pengukuh dalam komposit secara umum, matriks jenis polimer terbagi menjadi jenis termoplastik dan termoset. Menurut Schwartz

( 1997)

peranan matriks adalah memegang agen pengukuh, memindahkan tegasan yang dikenakan kepada pengisi dan sebagai bahan yang akan memberikan rupa bentuk akhir komposit.

Gambar 2.7 Kekuatan Stress- Strain. (Sumber: tekim.undip.ac.id/staf/ratnawati/files/2011/.../COMPOSITE-21.pptx)

Pada Gambar 2.8 memperlihatkan kurva tegangan/regangan untuk suatu sistem matriks ideal. Kurva untuk matriks menunjukkan kekuatan puncak tinggi, kekakuan tinggi (ditunjukkan dengan kemiringan awal) dan regangan tinggi terhadap kegagalan. Hal ini berarti bahwa matriks pada awalnya kaku tetapi pada waktu yang sama tidak akan mengalami kegagalan getas.


Gambar 2.17 Kurva Tegangan/Regangan Sistem Matriks Ideal. (Sumber:http://3.bp.blogspot.com/_94hwoBHsxoY/S4b1FWp50I/AAAAAAAAACU/75rb0kxiHCk/s1600-h/teg-reg-komposit.jpg)

Gambar 2.18 Kurva Tegangan/Regangan Terhadap Kegagalan Serat. (Sumber:http://3.bp.blogspot.com/_94hwoBHsxoY/S4b3OLg_7I/AAAAAAAAACc/zT2_cKYQ5lU/s1600-h/images.jpg)


2.6

Rumus Perhitungan Berikut ini adalah rumus–rumus yang digunakan untuk melakukan

perhitungan dan analisis kerja kincir angin yang diteliti.

2.6.1

Rumus Energi Kinetik Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda yang

bergerak. Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik, sehingga dapat dirumuskan : (1) dengan : Eк

: energi kinetik

m

: massa udara

v

: kecepatan angin

Daya adalah energi persatuan waktu, sehingga dapat dituliskan dengan rumus sebagai berikut : (2) dengan : Pin

: daya angin (watt).

m

: massa udara yang mengalir pada satuan waktu (kg/s).

dimana : m=𝝆Av

(3)


dengan :

𝝆

: massa jenis udara (kg/m³)

A

: luas penampang sudu (m²)

Dengan mengunakan persamaan (3), maka daya angin dapat dirumuskan menjadi : , yang dapat disederhanakan menjadi : Pin =

2.6.2

(4)

Rumus Tip Speed Ratio (tsr) Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu

kincir angin dengan kecepatan angin. Kecepatan diujung sudu (Vt)dapat dirumuskan sebagai : Vt = ω r

(5)

dengan : Vt

: kecepatan ujung sudu.

ω

: kecepatan sudut (rad/s).

r

:jari – jari kincir (m).

sehingga tsr-nya dapat dirumuskan sebagai berikut: (6)


dengan :

2.6.3

r

: jari – jari kincir (m).

n

: putaran poros kincir tiap menit (rpm).

v

: kecepatan angin (m/s).

Rumus Torsi Torsi adalah hasil kali dari gaya pemebebanan (F) dengan panjang lengan

torsi (l). Perhitungan torsi dapat dirumuskan sebagai berikut : T=Fl

(7)

dengan :

2.6.4

F

: gaya pembebanan (N).

l

: panjang lengan torsi ke poros (m).

Rumus Daya Daya yang dihasilkan kincir (Pout ) adalah daya yang dihasilkan kincir

akibat adanya angin yang melintasi sudu kincir. Sehingga daya kincir yang dihasilkan oleh gerakan melingkar kincir dapat dirumuskan : Pout = T ω dengan : T

: torsi dinamis (N.m).

ω

: kecepatan sudut didapatkan dari

ω

=

(8)


= =

Dengan ini untuk daya yang dihasilkan kincir dapat dinyatakan dengan persamaan (7), yaitu : Pout= T ω (9) dengan : Pout

: Daya yang dihasilkan oleh kincir angin (watt).

n

: Putaran poros (rpm)

Untuk menentukan daya output elektris digunakan persamaan : VI

(10)

dengan keterangan V sebagai tegangan output generator, I sebagai arus output generator.

2.6.5

Koefisien Daya (Cp ) Koefisien Daya (Cp) adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukkan

perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir (Pout) dengan daya yang disediakan oleh angin (Pin). Sehingga Cp dapat dirumuskan : (11)


dengan : Cp

: Koefisien Daya, %

Pout

: daya yang dihasilkan kincir.

Pin

: daya yang disediakan oleh angin.


BAB III METODE PENELITIAN 3.1

Diagram Penelitian Langkah- langkah kerja di dalam diagram penelitian ini merupakan salah

satu untuk menganalisis sebuah penelitian untuk mendapatkan data yang kita inginkan. Di bawah ini merupakan langkah kerja dalam suatu penelitian :

Mulai

Perancangan kincir angin empat sudu.

Pembuatan kincir angin

berbahan komposit dengan panjang sudu

berdiameter 1m dengan lebar poros maksimal 10 cm dari pusat poros.

Pengambilan data, untuk mengetahui kecepatan putaran kincir, kecepatan angin dan data pembebanan dengan lampu pada kincir angin.

Pengolahan data untuk mencari : 1. koefisien daya (Cp) 2. Tip speed ratio (tsr) 3. Membandingan koefisien daya dan tip speed ratio pada masing – masing variasi kecepatan angin

A

23

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 24 A

Analisa dan pembahasan data dan pembuatan laporan

selesai

Ada 3 macam jenis metode untuk melakukan sebuah penelitian : 1. Pembuatan Alat Pembuatan alat uji kincir angin tipe propeler dilakukan di Laboratorium Konversi Energi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. Kincir yang sudah jadi dipasang pada wind tunnel dan motor listrik sebagai sumber tenaga untuk memutar fan blower yang menghasilkan tenaga angin untuk memutar kincir 2. Pengamatan Secara Langsung (Observasi) Metode observasi ini dilakukan dengan mengamati secara langsung terhadap objek yang diteliti yaitu kincir angin jenis propeler pada wind tunnel. 3. Penelitian Kepustakaan (Library Research) Penelitian kepustakaan dilakukan dengan membaca literatur –literatur yang berhubungan dengan penulisan tugas akhir ini serta dapat dipertanggung jawabkan kebenarannya.

3.2 Alat dan Bahan kincir angin. Model kincir angin propeler dengan bahan komposit. Kincir ini dibuat dengan diameter 100 cm dan lebar maksimal 12 cm.


1. Sudu kincir angin. Ukuran panjang sudu kincir menentukan daerah sapuan angin yang menerima energi angin sehingga dapat membuat dudukan sudu atau turbin berputar. Serta lekukan sudu kincir angin juga menentukan stat kincir angin saat berputarnya kincir tersebut. Semua sudu memiliki bentuk dan ukuran yang sama, sudu kincir angin yang dibuat dapat dilihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Sudu Kincir Angin.

2. Dudukan sudu( hub) Dudukan sudu yang merupakan bagian komponen yang berfungsi untuk pemasangan sudu dan juga untuk mengatur kemiringan sudu. Dudukan sudu ini memiliki dua belas buah lubang untuk pemasangan sudu,untuk mengatur sudu kemiringan cukup memutar kemiringan plat dudukan sudu. Posisi plat dudukan dapat disesuaikan dengan kebutuhan yang diperlukan Dudukan sudu . Dudukan sudu ini juga berfungsi sebagai


alat penyambung kincir angin dengan dinamo. Untuk menyambungkan dinamo dengan dudukan kincir angin perlu poros kincir dengan diameter kurang lebih ¾” dan dapat dilihat pada Gambar 3.2.

Gambar 3.2 Dudukan Sudu Kincir Angin

3. Dinamo sepeda listrik Merupakan

alat

yang

kita

butuhkan

sebagai

alat

untuk

mengeluarkan aliran listrik saat kincir angin berputar. Kita menggunakan dinamo sepeda dengan arus DC . Tipe generator yang dipakai adalah generator DC Permanent Magnet dengan tegangan kerja 48 volt dan 18 Ampere .Dapat dilihat pada Gambar 3.3.


Gambar 3.3 Dinamo sepeda listrik

4. Fan blower. Fan blower berfungsi untuk menghisap udara memutar kincir angin, fan blower dengan power sebesar 15 Hp. Gambar 3.4 akan menunjukan bentuk dari fan blower.

Gambar 3.4 Fan blower


5. Anemometer. Anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan angin, dan juga digunakan untuk mengukur suhu angin di sekitar lingkungan. Gambar 3.5 menunjukan bentuk dari anemometer.

Gambar 3.5 Anemometer

6. Tachometer. Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putaran poros kincir yang dinyatakan dalam satuan rpm (rotation per minute). Jenis tachometer yang digunakan adalah digital light, cara kerjanya cukup sederhana meliputi 3 bagian, yaitu: Sensor, pengolah data dan penampil. Gambar 3.6 menunjukan bentuk tachometer.


Gambar 3.6 Tachometer

7. Timbangan Digital. Timbangan Digital digunakan untuk mengetahui beban generator pada saat kincir angin berputar dan diberi beban lampu. Gambar 3.7 menunjukan bentuk dari timbangan digital yang digunakan dalam penelitian. timbangan digital ini diletakan pada bagian lengan generator serta kita perlu mengetahui jarak peletakan timbangan dengan poros generator pada lengan beban/generator.

Gambar 3.7 Timbangan digital


8. Voltmeter. Voltmeter digunakan untuk mengukur tegangan beban lampu yang dihasilkan kincir angin oleh setiap variasinya. Gambar voltmeter seperti ditunjukan oleh Gambar 3.8

Gambar 3.8 Voltmeter 9. Amperemeter. Ampermeter digunakan untuk mengukur arus yang dihasilkan oleh Kincir Angin dengan setiap variasinya. Gambar ampermeter seperti ditunjukan oleh Gambar 3.9.


Gambar 3.9 Ampermeter

10. Pembebanan. Pembebanan

yang

dilakukan

dengan

menggunakan

lampu

bermaksud untuk mengetahui performa kincir angin. Variasi jumlah lampu yang diberikan berjumlah 12 biji bermaksud supaya data yang dihasilkan lebih bervariasi sehingga kita memperoleh 12 data variasi beban dapat dilihat pada gambar 3.10.

Gambar 3.10 Lampu pembebanan


Merupakan skema instalasi beban lampu dari generator serta penetapan voltmeter dan amperemeter.

Gambar 3.11 Skema intalasi beban

Gambar 3.12 Pembebanan lampu

3.3 Desain kincir angin Desain kincir angin yang dibuat dari pipa PVC 8’’ seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.13 dan Gambar 3.14. Gambar tersebut menunjukan bahwa kincir angin yang dibuat panjang diameternya berukuran 1 m dengan lebar maksimum


Gambar 3.13 Desain awal / molding sudu Kincir Angin Poros horisontal empat sudu dari bahan komposit berdiameter 1 meter dengan posisi lebar poros maksimal 10 cm dari pusat poros terbuat dari PVC 8’’

Gambar 3.14 Desain Kincir Angin poros horisontal empat sudu dengan bahan komposit, berdiameter 1 meter dengan posisi lebar poros maksimal 10 centimeter dari pusat poros.


Gambar 3.15 Desain Kincir Angin poros horisontal empat sudu dari bahan komposit, berdiameter 1 meter denggan posisi lebar poros maksimal 10 cm diatas pusat poros.

3.4 Pembuatan Sudu / Blade Kincir Angin 3.4.1 Alat dan Bahan Pembuatan sebuah sudu / blade merupakan proses yang dilakukan secara bertahap serta membutuhkan alat dan bahan, seperti yang ditunjukkan oleh tabel 1 Tabel 3.1 Alat dan Bahan Pembuatan Sudu / Blade Alat

Bahan

Gergaji besi

Pipa peralon PVC 8’’

Gerindra

Resin

Amplas

Serat Kaca


Timbangan

Dempul

Bor

Plat besi 7 cm

Kuas

Cat Hardener Alumunium foil Baut

3.4.2 Proses Pembuatan Sudu / Blade Dalam proses pembuatan sudu / blade dilakukan dengan beberapa tahapan. tahapan – tahapan pembuatan sudu seperti berikut: A. Pembuatan Cetakan Pipa: 1. Memotong pipa 8 inchi dengan panjang 50 cm. Pipa 8 inchi berfungsi sebagai mal / cetakan dari proses pembuatan sudu blade kincir angin yang mana bahan yang digunakan adalah komposit. Proses memotong menggunakan gerinda dengan panjang pipa yang diinginkan adalah 50 cm. Setelah pipa dipotong, kemudian pipa di belah dua. Hal ini bertujuan pada saat pembentukan pipa dengan membuat pola langsung di pipa tersebut. 2. Menghaluskan pipa. Setelah pipa yang telah dibentuk sesuai dengan bentuk dari mall yang kita buat di pipa sesuai ukuran yang kita perlukan, kemudian pinggiran pipa dihaluskan. Hal ini bertujuan untuk mencapai sebuah presisi ukuran dan estetika dari pipa.


B. Mencetak blade/ sudu a) Menyiapkan semua alat dan bahan b) Potong lembaran serat glas kaca sesuai ukuran sudu atau balde, c) Sebeleum melalukan pencetakan perlu terlebih dahulu melapisi balde dengan alumunium oil berserta oli/ pelumas. Fungsi dari alumunium foil berserta oli supaya komposit tidak menyatu dengan cetakan. d) Siapakan cairan komposit beserta katalis/hardaner, aduk merata dan dilakukan dengan cepat . serta penpaduan dua cairan tersebut harus tepat supaya tidak cepat kering, contoh misalkan hadaner terlalu banyak akan mudah kering. e) Lakukan pencetakan sebanyak 5 lapisan serat.

3.5. Langkah Pengambilan Data Langkah langkah pengambilan data yang akan dilakukan yaitu dengan memasangkan sistem kincir angin yang dapat beroperasi sebagai pembangkit listrik di depan blower yang sudah ditentukan range kecepatan anginnya. Lalu melakukan variasi kecepatan angin untuk mendapatkan karakteristik kincir angin propeller empat sudu yang akan diteliti. Sebagai langkah penelitian untuk pengambilan data, dilakukan dengan cara sebagai berikut a) Langkah awal dari percobaan yaitu mempersiapkan alat-alat penunjang pengambilan

data

seperti

timbangan,

takometer,

multitester,

anemometer, beban lampu, obeng, terminal, dan sudu kincir angin.


b) Memasang anemometer di depan blower lalu menentukan jarak antara kincir angin dan blower yang arahnya tegak lurus agar berada pada range kecepatan angin yang diinginkan untuk pengambilan data. Jika ingin mengatur kecepatan angin silahkan geser kerangka kincir lebih mundur. c) Memasang timbangan yang dihubungkan dengan lengan generator yang posisinya tegak lurus. d) Memasang sudu kincir angin. e) Memasang multitester untuk mengukur tegangan dan arus keluaran generator, kemudian dihubungkan dengan beban lampu.

Gambar 3.16 Skema pembebanan Kincir angin poros horizontal empat sudu dengan bahan komposit,berdiameter 1 meter dengan posisi lebar poros maksimal 10 cm dari pusat poros


f) Setelah semua terpasang dan sudah siap, maka blower dinyalakan. g) Posisi kincir dikalibrasi kembali dan apabila telah memenuhi range kecepatan angin yang ditentukan, maka pengambilan data dapat dilakukan. h) Awal pengambilan data dilakukan dari beban lampu nol atau tanpa beban. Dilakukan 12 variasi beban lampu dan dimulai dengan pencatatan data kecepatan angin, putaran rotor yaitu dengan mengarahkan takometer tegak lurus dengan casing generator, gaya pengimbang, tegangan keluaran generator, dan arus keluaran generator. i) Langkah tersebut diulangi sampai mendapatkan beban maksimum pada setiap variasi kecepatan angin dan pengambilan data dilakukan pada 3 variasi kecepatan angina yang berbeda.

3.6. Pengolahan Data Setelah dilakukan pengambilan data, akan diolah lebih lanjut mengenai daya kincir, daya listrik, koefisien performansi / Coeficient of Performance (CP) dan juga pengolahan data putaran kincir yang akan dikalkulasi menjadi data Tip Speed Ratio( TSR) sehingga didapat grafik perbandingan antara CP dan TSR. Selanjutnya

membandingkan grafik-grafik yang dihasilkan dari

penelitian dan akan diperoleh karakteristik kincir angin yang telah didesain


dan akan mengetahui unjuk kerja yang paling optimal apabila kincir ini akan diterapkembangkan menjadi sistem pembangkit skala lapangan.


BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Hasil Penelitian Di bawah ini merupakan data hasil penelitian kincir angin poros horizontal dengan variasi kecepatan angin 9,5 m/s , 8 m/s dan 7 m/s. Tabel 4.1 Hasil dari pengambilan data dengan kecepatan angin rata-rata 9,5 m/s. No

Beban 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Putaran rotor 773 751 736 728 711 701 690 666 644 621 617 592 547

Timbangan Tegangan I gram Volt ampere 60 50 0 90 49,5 0,08 110 47,8 0,19 160 46,2 0,31 170 45,9 0,42 180 46,3 0,47 200 43,6 0,57 230 43,1 0,68 250 41,1 0,78 290 39,9 0,89 320 37,9 0,97 340 37,5 1,05 350 34,9 1,15

Tabel 4.2 Hasil dari pengambilan data dengan kecepatan angin rata-rata 8 m/s. No

Beban 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Putaran rotor 714 686 670 645 616 607 591 573 564 540 523 494 462

40

Timbangan gram 70 100 130 160 180 200 220 240 270 290 300 330 350

Tegangan Volt 45,7 43,8 43,3 41,5 40,5 38,8 34,4 36,6 35,5 33,7 30,6 31,1 29,4

I ampere 0 0,11 0,22 0,33 0,43 0,53 0,6 0,72 0,84 0,91 0,97 1,06 1,15


Tabel 4.3 Hasil dari pengambilan data dengan kecepatan angin rata-rata 6,9 m/s No

Beban 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Putaran rotor

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

608 580 570 551 534 521 503 478 461 446 444 404 330

Timbangan gram 60 100 120 150 180 190 200 220 250 260 270 290 290

Tegangan Volt 36,8 36,7 35,4 34,3 31,8 32,7 32,7 30,2 28,2 28,3 23,3 22,5 20,5

I ampere 0 0,11 0,21 0,3 0,4 0,46 0,53 0,62 0,71 0,79 0,83 0,9 0,9

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan Dalam proses pengolahan data dan penghitungan data ini ada beberapa angkah-langkah perhitungan dan dapat dilihat pada sampel data yang diambil dari Tabel diatas dan akan dirinci sebagai berikut 4.2.1 Perhitungan Daya Angin Sebagai contoh perhitungan diambil dari Tabel 4.1 baris nomor 7. Dalam perhitungan ini dapat mengetahui berapa Daya angin pada saat proses pengambilan data :


4.2.2 Perhitungan Daya Kincir Sebagai contoh perhitungan diambil dari Tabel 4.1 baris nomer 7. Dalam perhitungan ini kita dapat mengetahui daya yang dikeluarkan oleh kincir angin saat melakukan proses pengambilan data :

4.2.3 Perhitungan Torsi Sebagai contoh perhitungan diambil dari Tabel 4.1 baris nomer 7. Dalam perhitungan ini kita dapat mengetahui Torsi yang dikeluarkan oleh kincir angin saat melakukan proses pengambilan data :

4.2.4 Perhitungan CP Sebagai contoh perhitungan diambil dari Tabel 4.1 baris nomer 7. Dalam perhitungan ini kita dapat mengetahui koefesien daya (Cp) yang dikeluarkan oleh kincir angin saat melakukan proses pengambilan data :


4.2.5 Perhitungan Tip Speed Ratio Sebagai contoh perhitungan diambil dari Tabel 4.1 baris nomer 7. Dalam perhitungan ini kita dapat mengetahui Tip Speed Ratio (TSR) yang dikeluarkan oleh kincir angin saat melakukan proses pengambilan data :

4.3 Data Hasil Perhitungan Hasil yang kita dapatkan dari penelitian diolah menggunakan software Microsoft Excel untuk menampilkan grafik hubungan antara RPM dengan torsi yang dihasilkan, grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) dengan Tip Speed Ratio (TSR), dan grafik hubungan antara daya dengan torsi yang dihasilkan untuk tiga variasi kecepatan angin dan 4 sudu kincir angin.


Tabel 4.4 hasil data penghitungan kincir angin dengan variasi kecepatan angin (v)= 9,5 m/s

No

Timbangan Tegangan I v w gram Volt ampere m/s rad/s 773 60 50 0 9,5 80,9 751 90 49,5 0,08 9,5 78,6 736 110 47,8 0,19 9,5 77,1 728 160 46,2 0,31 9,5 76,2 711 170 45,9 0,42 9,5 74,5 701 180 46,3 0,47 9,5 73,4 690 200 43,6 0,57 9,5 72,3 666 230 43,1 0,68 9,5 69,7 644 250 41,1 0,78 9,5 67,4 621 290 39,9 0,89 9,5 65 617 320 37,9 0,97 9,5 64,6 592 340 37,5 1,05 9,5 62 547 350 34,9 1,15 9,5 57,3

Beban Putaran rotor 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Torsi Nm

TSR 0,16 0,24 0,29 0,42 0,45 0,48 0,53 0,61 0,66 0,77 0,85 0,90 0,93

4,26 4,14 4,06 4,01 3,92 3,86 3,80 3,67 3,55 3,42 3,40 3,26 3,01

Pin Po mekanis Pout v rotor CPl CPm watt watt watt m/s 404,03 12,86 0,00 3,18 40,47 0,00 404,03 18,75 3,96 4,64 39,32 0,98 404,03 22,46 9,08 5,56 38,54 2,25 404,03 32,31 14,32 8,00 38,12 3,54 404,03 33,53 19,28 8,30 37,23 4,77 404,03 35,00 21,76 8,66 36,70 5,39 404,03 38,28 24,85 9,47 36,13 6,15 404,03 42,49 29,31 10,52 34,87 7,25 404,03 44,66 32,06 11,05 33,72 7,93 404,03 49,95 35,51 12,36 32,52 8,79 404,03 54,76 36,76 13,55 32,31 9,10 404,03 55,83 39,38 13,82 31,00 9,75 404,03 53,10 40,14 13,14 28,64 9,93

44


Tabel 4.5 hasil data penghitungan kincir angin dengan variasi kecepatan angin (v)= 8 m/s

No

Timbangan Tegangan I v w gram Volt ampere m/s rad/s 714 70 45,7 0 8 74,8 686 100 43,8 0,11 8 71,8 670 130 43,3 0,22 8 70,2 645 160 41,5 0,33 8 67,5 616 180 40,5 0,43 8 64,5 607 200 38,8 0,53 8 63,6 591 220 34,4 0,6 8 61,9 573 240 36,6 0,72 8 60 564 270 35,5 0,84 8 59,1 540 290 33,7 0,91 8 56,5 523 300 30,6 0,97 8 54,8 494 330 31,1 1,06 8 51,7 462 350 29,4 1,15 8 48,4


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Torsi Nm

TSR 0,19 0,26 0,34 0,42 0,48 0,53 0,58 0,64 0,72 0,77 0,79 0,87 0,93

4,67 4,49 4,39 4,22 4,03 3,97 3,87 3,75 3,69 3,53 3,42 3,23 3,02

Pin Po mekanis Pout v rotor CPl CPm watt watt watt m/s 241,27 13,86 0,00 5,75 37,38 0,00 241,27 19,03 4,82 7,89 35,92 2,00 241,27 24,16 9,53 10,01 35,08 3,95 241,27 28,62 13,70 11,86 33,77 5,68 241,27 30,75 17,42 12,75 32,25 7,22 241,27 33,67 20,56 13,96 31,78 8,52 241,27 36,06 20,64 14,95 30,94 8,55 241,27 38,14 26,35 15,81 30,00 10,92 241,27 42,24 29,82 17,51 29,53 12,36 241,27 43,44 30,67 18,00 28,27 12,71 241,27 43,52 29,68 18,04 27,38 12,30 241,27 45,22 32,97 18,74 25,87 13,66 241,27 44,85 33,81 18,59 24,19 14,01 45


Tabel 4.6 hasil data penghitungan kincir angin dengan variasi kecepatan angin (v)= 7 m/s

No

Timbangan Tegangan I v w gram Volt ampere m/s rad/s 608 60 36,8 0 7 63,7 580 100 36,7 0,11 7 60,7 570 120 35,4 0,21 7 59,7 551 150 34,3 0,3 7 57,7 534 180 31,8 0,4 7 55,9 521 190 32,7 0,46 7 54,6 503 200 32,7 0,53 7 52,7 478 220 30,2 0,62 7 50,1 461 250 28,2 0,71 7 48,3 446 260 28,3 0,79 7 46,7 444 270 23,3 0,83 7 46,5 404 290 22,5 0,9 7 42,3 330 290 20,5 0,9 7 34,6


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Torsi Nm

TSR 0,16 0,26 0,32 0,40 0,48 0,50 0,53 0,58 0,66 0,69 0,72 0,77 0,77

4,55 4,34 4,26 4,12 3,99 3,90 3,76 3,58 3,45 3,34 3,32 3,02 2,47

Pin Po mekanis Pout v rotor CPl CPm watt watt watt m/s 161,63 10,12 0,00 6,26 31,83 0,00 161,63 16,09 4,04 9,95 30,37 2,50 161,63 18,97 7,43 11,74 29,85 4,60 161,63 22,92 10,29 14,18 28,85 6,37 161,63 26,66 12,72 16,49 27,96 7,87 161,63 27,46 15,04 16,99 27,28 9,31 161,63 27,90 17,33 17,26 26,34 10,72 161,63 29,17 18,72 18,05 25,03 11,58 161,63 31,97 20,02 19,78 24,14 12,39 161,63 32,16 22,36 19,90 23,35 13,83 161,63 33,25 19,34 20,57 23,25 11,96 161,63 32,50 20,25 20,11 21,15 12,53 161,63 26,54 18,45 16,42 17,28 11,41 46


Grafik dari hasil pengolahan data kincir angin poros horizontal emapt sudu dari bahan komposit berdiameter 1 meter dengan posisi lebar poros maksimal 10 centimeter diatas pusat poros dengan tiga variasi kecepatan kincir angin yaitu 9,8 m/s , 8 m/s dan 7 m/s. 900 800

rpm

700 600

kec angin 9,5

500

kec angin 8

400

kec angin 7

300

Linear (kec angin 9,5) Linear (kec angin 8)

200

Linear (kec angin 7) 100

0 0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

torsi (Nm)

Gambar 4.1 Grafik hubungan atara putaran poros (RPM) dengan Torsi Gambar 4.1. memperlihatkan bahwa semakin besar torsi yang dihasilkan maka kecepatan putar kincir semakin kecil.


45,00 40,00

daya(watt)

35,00 30,00

kec angin 9,5

25,00

kec angin 8

20,00

kec angin 7

15,00

Poly. (kec angin 9,5)

10,00

Poly. (kec angin 8)

5,00

Poly. (kec angin 7)

0,00 -5,00 0,00

0,20

0,40 0,60 torsi (Nm)

0,80

1,00

Gambar 4.2. Grafik memperlihatkan hubungan daya dengan torsi elektris. 60,00 50,00

daya(watt)

40,00

kec angin 9,5 kec angin 8

30,00

kec angin 7 Poly. (kec angin 9,5)

20,00

Poly. (kec angin 8) 10,00

Poly. (kec angin 7)

0,00 0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

torsi (Nm)

Gambar 4.3. Grafik memperlihatkan hubungan daya dengan torsi mekanis Gambar 4.2 dan gambar 4.3 memperlihatkan bahwa semakin besar torsi yang dikeluarkan maka semakin besar daya yang dihasilkan oleh kincir.


25,00 20,00

Cp(%)

kec angin 9,5 15,00

kec angin 8 kec angin 7

10,00

Poly. (kec angin 9,5) Poly. (kec angin 8)

5,00

Poly. (kec angin 7) 0,00 0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

TSR

Gambar 4.3. Grafik memperlihatkan hubungan koefesien daya (Cp) dengan Top Speed Ratio ( TSR) mekanis

Gambar 4.3 dalam grafik diatas bahwa semakin besar tsr kincir maka semakin besar Cp yang dihasilkan hingga pada keadaan maksmimalnya, koefisien daya (Cp) mulai mengecil.

4.4 Pembahasan Dalam pembahasan dalam pengambilan data , selanjutnya kita dapat mengolah data dengan software Microsoft Excel . jika hasil data yang kita peroleh dan sudah diolah sudah dinyatakan benar apabila hubungan grafik antara cp dengan TSR sudah menunjukan angka yg maksimal dan menghasilkan grafik dengan bentuk parabola/ trenlide parabolik pangakt dua yang tertutup degan mengarahkan bentuk trendline kebawah dan posisi puncak parabola dibagian atas.


Apabila hasil data yang telah dicatat dan sudah menunjukan kurva yang sesuai, maka analisis data dapat dilanjutkan. Diperlihatkan juga grafik hubungan antara rpm dengan torsi yang dihasilkan dan grafik hubungan daya keluaran dengan torsi yang dihasilkan. Selanjutnya dari ketiga grafik tesebut telah dihasilkan dan telah dinyatakan benar , maka kincir angin 4 sudu yang sudah kita buat telah diketahui rpm,torsi dan koefesien daya ( Cp) pada variasi kecepatan angin. Pada kincir angin 4 sudu ini kita juga dapat mengetahui berapa beban setiap variasi kecepatan angin jika akan melakukan penerapan di masyarakat sebagai pembangkit listrik tenaga angin


BAB V KESIMPULAN

5.1 Kesimpulan Setelah melakukan proses pembuatan dan pengambilan data kincir angin dengan 4 sudu dan pajang maksimal kincir angin 1 m dan lebar sudu 12 cm. a) Telah menyelesaikan pembuatan dan pengambialan data kincir 4 sudu angin dengan bahan kompsit dan ukuran panjang 1 m dan lebar sudu maksimal 12 cm. b) Koefisien daya tertinggi yang didapat yaitu sebesar 19,30% pada tsr 3,06 dengan kecepatan angin 8 m/s. c) Torsi terbesar yang dihasilkan oleh kincir angin yaitu 0,93 Nm pada kecepatan putar kincir 462 rpm terjadi pada kecepatan angin 8 m/s. d) Daya terbesar yang dapat dihasilkan dari kincir angin yang dibuat yaitu 53,10watt pada torsi 0,93 Nm dan kecepatan angina 9,5 m/s.

49


5.2 Saran Dalam proses dan pengambilan data kincir angin 4 sudu ini memberi saran bahwa : a)

Perlu adanya penambahan variasi pada kincir angin 4 sudu ini,

b) Perlu adanya percobaan dan pengambilan data dengan kecepatan angin yg lebih tinggi dan rendah untuk menghitung berapa beban yang dihasilkan. c) Dalam proses pembuatan perlu ada pengamatan dan pembuatan secara teliti serta dalam proses pembuatan harus lebih seimbang supaya putaran setabil. d) Perlu penambahan ekor pada sudu , supaya bisa mengetahui karakteristik kincir angin tersebut.


Daftar Pustaka Grogg,Kira., 2005, The Physics of Wind Turbines,Carlenton College. Menwell,J,F ., J, G. Mcgowan, A,L,Rogers,2009,Wind Energy Explained ; Theory, Desain and application,Second Edition,John Wiley, USA. http://www.alpensteel.com/article, 2013 www.fineartamerica.com http://wikipedia.org/Kincir_angin http://www.intechopen.com,2013 http://artikel-teknologi.com/pengertian-material-komposit/ Sumber:http://3.bp.blogspot.com/_94hwoBHsxoY/S4b1FWp5 0I/AAAAAAAAACU/75rb0kxiHCk/s1600-h/teg-reg-komposit.jpg. Diakses Juni 2016. Sumber:http://3.bp.blogspot.com/_94hwoBHsxoY/S4b3OLg_7I/AAAAAAAAACc/zT2_cKYQ5lU/s1600-h/images.jpg. diakses Juni 2016.


LAMPIRAN

49


900 800 700

rpm

600 500 400

9,5

300

Linear (9,5)

200 100 0 0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

torsi (Nm)

Gambar L. 1 Grafik hubungan antara Putaran Poros ( rpm ) dengan Torsi pada kecepatan angin 9,5 m/s. 800 700 600

rpm

500 400

8

300

Linear (8)

200 100

0 0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

torsi (Nm)

Gambar L.2 Grafik hubungan anatara Putaran Rotasi (rpm) dengan Torsi pada kecepatan angin 8 m/s.


700 600

rpm

500 400 7

300

Linear (7)

200 100 0 0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

torsi (Nm)

Gambar L. 3 Grafik hubungan antara Putaran Poros (rpm) dengan Torsi Pada kecepatan angin 7 m/s. 45,00 40,00

Daya elektris(watt)

35,00 30,00 25,00 20,00

9,5 elektris

15,00

Poly. (9,5 elektris)

10,00 5,00 0,00 -5,00 0,00

0,20

0,40 0,60 Torsi (Nm)

0,80

1,00

Gambar L.4 Grafik hubungan antara Daya elektris dengan Torsi pada kecepatan angin 9,5 m/s.


40,00 35,00 Daya elektris(watt)

30,00 25,00

20,00

8 elektris

15,00

Poly. (8 elektris)

10,00 5,00 0,00 -5,00

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

Torsi (Nm)

Gambar L. 5 Grafik hubungan antara Daya elektris dengan Torsi Pada kecepatan angin 8 m/s. 25,00

Daya elektris(watt)

20,00 15,00

7 elektris

10,00

Poly. (7 elektris) 5,00 0,00 0,00 -5,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

Torsi (Nm)

Gambar L. 6 Grafik hubungan antara Daya elektris dengan Torsi pada kecepatan angin 7 m/s.


60,00

Daya mekanis (watt)

50,00 40,00 30,00

9,5 mekanis

20,00

Poly. (9,5 mekanis)

10,00 0,00 0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

Torsi (Nm)

Gambar L.7 Grafik hubungan antara Daya mekanis dengan Torsi pada kecepatan angin 9,5 m/s.

50,00 45,00 Daya mekanis(watt)

40,00 35,00

30,00 25,00

8 mekanis

20,00

Poly. (8 mekanis)

15,00 10,00 5,00 0,00 0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

Torsi (Nm)

Gambar L.8 Grafik hubungan antara Daya mekanis dengan Torsi pada kecepatan angin 8 m/s.


35,00

Daya mekanis(watt)

30,00

25,00 20,00 7 mekanis

15,00

Poly. (7 mekanis)

10,00 5,00 0,00 0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

Torsi

Gambar L.9 Grafik hubungan antara Daya mekanis dengan Torsi pada kecepatan angin 7 m/s. 12,00 10,00

Cp elektris(%)

8,00 6,00 9,5 elektris 4,00

Poly. (9,5 elektris)

2,00 0,00

0,00 -2,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

TSR

Gambar L.10 Grafik hubungan antara Koefesien daya (Cp) elektris dengan Tip Speed Ratio (tsr) pada kecepatan angin 9,5 m/s.


16,00 14,00

Cp elektris(%)

12,00 10,00

8,00

8 elektris

6,00

Poly. (8 elektris)

4,00 2,00 0,00 -2,00

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

TSR

Gambar L.11 Grafik hubungan antara koefesien Daya (Cp) elektris dengan Tip Speed Ratio (tsr) pada kecepatan angin 8 m/s. 16,00 14,00

Cp elektris(%)

12,00

10,00 8,00

7 elektris

6,00

Poly. (7 elektris)

4,00 2,00 0,00 -2,00

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

TSR

Gambar L.12 Grafik hubungan antara Koefesien daya (Cp)elektris dengan Tip Speed Ratio (tsr) pada kecepatan angin 7 m/s.


16,00 14,00 Cp mekanis(%)

12,00 10,00 8,00

9,5 Mekanis

6,00

Poly. (9,5 Mekanis)

4,00 2,00 0,00 0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

TSR

Gambar L.13 Grafik hubungan antara Koefesien Daya (Cp) mekanis dengan Tip Speed Ratio (tsr) pada kecepatan angin 9,5 m/s. 20,00 18,00

Cp mekanis (%)

16,00 14,00 12,00 10,00

8 mekanis

8,00

Poly. (8 mekanis)

6,00 4,00 2,00 0,00 0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

TSR

Gamabar L.14 Grafik hubungan antara Koefesien Daya (Cp) mekanis dengan Tip Speed Ratio (tsr) pada kecepatan angin 8 m/s.


25,00

Cp mekanis (%)

20,00 15,00 7 mekanis

10,00

Poly. (7 mekanis)

5,00 0,00 0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

TSR

Gambar L.15 Grafik hubungan antara Koefesien Daya (Cp) mekanis dengan Tip Speed Ratio (tsr) pada kecepatan angin 7 m/s.

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN POROS HORIZONTAL EMPAT SUDU DARI BAHAN KOMPOSIT, BERDIAMETER 1 METER DENGAN POSISI LEBAR POROS MAKSIMAL 10 SENTIMETER

Recommend Documents