UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT DENGAN POSISI LEBAR MAKSIMAL SUDU 10 SENTIMETER DARI PUSAT POROS SKRIPSI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT DENGAN POSISI LEBAR MAKSIMAL SUDU 10 SENTIMETER DARI PUSAT POROS

SKRIPSI Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin

Diajukan Oleh: BERNARDUS MORGAN WIJAYANTO NIM : 125214094

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

i


THE PERFORMANCE OF THREE BLADED PROPELLER COMPOSITE WIND TURBINE WITH THE MAXIMUM WIDTH POSITION IS 10 CENTIMETER FROM THE MAIN SHAFT

FINAL PROJECT Presented as partitial fullfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering

By : BERNARDUS MORGAN WIJAYANTO Student Number : 125214094 MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2016

ii



Disusun Oleh : BERNARDUS MORGAN WIJAYANTO NIM : 125214094

Telah Disetujui Oleh :

Dosen Pembimbing :

Doddy Purwadianto, S.T., M.T.

iii



Yang dipersiapkan dan disusun oleh : NAMA : BERNARDUS MORGAN WIJAYANTO N.I.M

: 125214094 Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji pada tanggal 21 Juli 2016 Susunan Dewan Penguji

Nama Lengkap

Tanda Tangan

Ketua

: Budi Setyahandana, S.T., M.T.

……………………

Sekretaris

: Ir. Rines, M.T.

…………………….

Anggota

: Doddy Purwadianto, S.T., M.T.

…………………….

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

Yogyakarta, 21 Juli 2016 Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

Sudi Mungkasi, Ph.D.

iv


PERNYATAAN KEASLIAN KARYA Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir yang telah dipersiapkan sebagai syarat untuk memperoleh gelar sarjana, tidak terdapat karya yang pernah diajukan dan dibuat dengan judul yang sama oleh perguruan tinggi manapun kecuali saya mengambil atau mengutip data dari buku yang tertera pada daftar pustaka. Sehingga yang saya buat ini adalah asli karya penulis.

Yogyakarta, 21 Juli 2016

Bernardus Morgan Wijayanto

v


LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

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

: BERNARDUS MORGAN WIJAYANTO

Nomor Mahasiswa

: 125214094

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah dengan judul :


Dengan demikian saya memberikan kepsa Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalty kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis. . Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal, 21 Juli 2016 Yang menyatakan

Bernardus Morgan Wijayanto

vi


INTISARI Energi sudah menjadi kebutuhan sehari-hari bagi manusia pada zaman modern ini. Kincir angin dapat menjadi alternatif energi terbarukan sebagai pembangkit listrik. Umumnya kincir angin menggunakan bahan komposit. Tujuan tugas akhir ini adalah mengetahui koefisien daya kincir angin propeler 3 sudu dengan bahan komposit. Tugas akhir ini menggunakan model kincir angin berbahan komposit dengan posisi lebar maksimal 10 cm dari pusat poros. Penelitian dimulai dari pembuatan cetakan kincir, pembuatan sudu komposit, uji coba dan pengambilan data performa kincir angin. Kincir angin ini memiliki diameter 100 cm dan diuji di depan blower dengan 3 variasi kecepatan angin untuk mengetahui daya kincir, torsi, koefisien daya dan tip speed ratio. Hasil penelitian kincir angin ini menunjukkan bahwa dengan kecepatan angin 7 m/s didapatkan koefisien daya yang lebih besar daripada ketika kecepatan angin 8 dan 9,5 m/s. Koefisien daya tertinggi yang didapat yaitu sebesar 19,6% pada tsr 3,6 dengan kecepatan angin 7 m/s. Pada kecepatan angin 9,5 m/s, torsi terbesar yang dihasilkan oleh kincir angin yaitu 0,9 Nm dengan kecepatan putar kincir 465 rpm. Pada kecepatan angin 9,5 m/s, daya terbesar yang dapat dihasilkan dari kincir angin yaitu 44,88 watt dengan torsi 0,77 Nm. Kata kunci : koefisien daya, tip speed ratio

vii


ABSTRACT Energy is the main necessity for people in this modern era. Wind turbine could be an alternative of renewable source to generate electricity. Wind turbine commonly made from a composite material. The main objective of this final project was knowing power coefficient of three bladed propeller composite wind turbine. In this final project used a composite wind turbine model with the maximum width position is 10 centimeter from the main shaft. This research were started from making wind turbine mold, making composite blade, running test and taking the wind turbine performance data. This wind turbine had 100 cm in diameter and this experiment were done in front of axial blower with 3 variation of wind speed to knowing the wind turbine power, torque, power coefficient and tip speed ratio. The results of this study showed that wind turbine with wind speed of 7 m/s obtained power coefficient greater than when the wind speed 8 m/s and 9,5 m/s . The highest power coefficient obtained in the amount of 19.6 % in TSR 3.6 with wind speed of 7 m/s. At a wind speed of 9,5 m/s , the largest torque generated by the wind turbine is 0,9 Nm at 465 rpm. At a wind speed of 9,5 m/s , the greatest power that can be generated from a wind turbine is 44,88 watts with a torque of 0,77 Nm . Keyword : power coefficient, tip speed ratio

viii


KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan berkat-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi. Skripsi ini berjudul “UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT

DENGAN

POSISI

LEBAR

MAKSIMAL

SUDU

10

SENTIMETER DARI PUSAT POROS“. Penulisan skripsi ini merupakan syarat demi kelulusan mata kuliah praskripsi di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Melalui mata kuliah praskripsi ini, mahasiswa diharapkan dapat mempersiapkan tugas akhir yang akan ditindaklanjuti untuk diteliti dan menjadi acuan untuk skripsi. Dalam penyusunan skripsi ini penulis tidak lepas dari bimbingan, batuan, dukungan dan kerjasama dari semua pihak. Maka dengan kerendahan hati, penulis mengucapkan terima kasih. Khususnya pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Sudi Mungkasi,Ph.D. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. 2. Ir. P.K. Purwadi, M.T. selaku Ketua Prodi Teknik Mesin dan sebagai dosen pembimbing akademik, Universitas Sanata Dharma. 3. Doddy Purwadianto,S.T.,M.T. selaku dosen pembimbing tugas akhir dan sebagai Kepala Laboratorium Konversi Energi. 4. Stephanus Yeriko dan Kukuh Wahyu Aji sebagai rekan seperjuangan dalam penelitian yang dilakukan beserta rekan-rekan lain yang juga meneliti pada bidang konversi energi khususnya energi angin. 5. Bapak dan Ibu dosen, serta seluruh staf karyawan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma atas semua bantuan dan pelayanan yang telah diberikan selama masa perkuliahan di Universitas Sanata Dharma. 6. Orangtua penulis yaitu FL. Amin Widodo dan Lydia Yuliati dan kakak penulis Blessia Elmena Illyastuti yang selalu memberi kasih sayang, mendukung,

ix


memberi semangat, membiayai serta doa restu sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 7. Keluarga besar dan rekan-rekan Teknik Mesin atas kasih sayang, perhatian, doa yang dipanjatkan, dan dukungan yang selalu diberikan.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini jauh dari sempurna karena keterbatasan kemampuan dan pengetahuan

penulis.

Untuk itu penulis

mengharapkan kritik dan saran yang mendukung dan membangun demi perbaikan dari skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap agar skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.

Yogyakarta, 21 Juli 2016

Penulis

x


DAFTAR SIMBOL

Simbol

Keterangan

Satuan

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 kinetik

J

𝑉𝑜𝑙

Volume

m3

V

Tegangan

Volt

I

Arus Ampere

𝑆

Panjang

m

𝑡

Waktu

s

𝑣𝑡

Kecepatan di ujung sudu kincir

m/s

xi

-


DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL....................................................................................

i

TITLE PAGE ..............................................................................................

ii

HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................

iii

DAFTAR DEWAN PENGUJI ...................................................................

iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ........................................

v

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS .......................................

vi

INTISARI....................................................................................................

vii

ABSTRACT ..................................................................................................

viii

KATA PENGANTAR ................................................................................

ix

DAFTAR SIMBOL ....................................................................................

xi

DAFTAR ISI ..............................................................................................

xii

DAFTAR GAMBAR .................................................................................

xiv

DAFTAR TABEL ......................................................................................

xvi

BAB I PENDAHULUAN ..........................................................................

1

Latar Belakang ...........................................................................................

1

Rumusan Masalah ......................................................................................

2

Tujuan Penelitian ........................................................................................

2

Batasan Masalah ........................................................................................

3

Manfaat Penelitian .....................................................................................

3

BAB II DASAR TEORI ............................................................................

5

2.1 Tipe Kincir Angin ................................................................................

5

2.1.1 Kincir Angin Poros Horisontal ..........................................................

5

2.1.2 Kincir Angin Poros Vertikal ..............................................................

8

2.2 Daya Angin ...........................................................................................

10

2.3 Daya Kincir ...........................................................................................

11

2.4 Bet’z Limit ............................................................................................

12

2.5 Tip Speed Ratio ....................................................................................

13

2.6 Koefisien Daya.......................................................................................

14

xii


2.7 Komposit ...............................................................................................

14

2.7.1 Fiberglass ............................................................................................

15

2.7.2 Matriks ................................................................................................

17

BAB III METODE PENELITIAN...............................................................

20

3.1 Diagram Alir ..........................................................................................

20

3.2 Alat dan Bahan ......................................................................................

21

3.2.1 Alat .....................................................................................................

21

3.2.2 Bahan ..................................................................................................

26

3.3 Desain Kincir .........................................................................................

26

3.4 Variabel Penelitian ................................................................................

31

3.5 Variabel yang Diukur ............................................................................

32

3.6 Parameter yang Dihitung .......................................................................

32

3.7 Langkah Pengambilan Data ..................................................................

32

3.8 Pengolahan Data ...................................................................................

34

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ...................................

35

4.1. Data Hasil Penelitian............................................................................

35

4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan .......................................................

37

4.3 Data Hasil Perhitungan .........................................................................

38

4.4 Pembahasan...........................................................................................

46

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .....................................................

47

5.1 Kesimpulan ...........................................................................................

48

5.2 Saran .....................................................................................................

48

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................

49

xiii


DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Kincir angin jenis American Multiblade ................................

6

Gambar 2.2. Kincir angin jenis Dutch Four Arm ........................................

7

Gambar 2.3. Kincir angin jenis propeller 3 sudu .........................................

7

Gambar 2.4. Kincir angin jenis Savonius.....................................................

8

Gambar 2.5. Kincir angin jenis Darrieus......................................................

9

Gambar 2.6. Kincir angin jenis H-rotor .......................................................

10

Gambar 2.7. Grafik hubungan antara koefisien daya (CP) dengan Tip Speed Ratio (TSR) dari jenis-jenis kincir angin............................

13

Gambar 2.8. Grafik perbandingan tegangan-regangan matriks, reinforceent dan komposit......................................................................

15

Gambar 2.9. Ragam bentukan fiberglass (National Research Council 1991)……………………………………………..........................

16

Gambar 3.1. Sudu berbahan komposit yang diteliti ....................................

21

Gambar 3.2. Hub kincir angin (konfigurasi saat akan digunakan 4 sudu)...

22

Gambar 3.3. Generator Brushess DC permanent magnet ...........................

23

Gambar 3.4 Lampu pijar sebagai beban ......................................................

23

Gambar 3.5 Anemometer .............................................................................

24

Gambar 3.6 Multitester ................................................................................

24

Gambar 3.7 Takometer ...............................................................................

25

Gambar 3.8 Timbangan ...............................................................................

25

Gambar 3.9 Blower. ....................................................................................

25

Gambar 3.10 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu........

27

Gambar 3.11 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu dibagi menjadi 18 bagian..............................................................

27

Gambar 3.12 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu disketsa dengan ukuran spesifik. ...............................................

28

Gambar 3.13 Skema penampang silindris 8 inchi setelah dipotong sesuai ukuran spesifik……………………………..……………….

28

Gambar 3.14 Dimensi kincir angin, ukuran dalam satuan sentimeter (a)....

28

xiv


Gambar 3.15 Dimensi kincir angin dalam penelitian, ukuran dalam satuan vvvvvvvvvvvsentimeter (b)……………………………………………….

28

Gambar 3.16 Posisi lebar maksimal sudu pada saat pengaplikasian dan penelitian .................................................................................

29

Gambar 3.17 Skematik dimensi kincir angin .............................................

29

Gambar 3.18 Proses pembuatan cetakan kincir angin. ...............................

30

Gambar 3.19 Proses pelapisan cetakan sudu kincir angin dengan aluminium foil.................................................................................

30

Gambar 3.20 Proses pembuatan sudu kincir angin komposit.....................

31

Gambar 3.21 Skematik susunan alat penelitian .........................................

32

Gambar 3.22 Skematik pembebanan kincir angin .....................................

33

Gambar 4.1. Grafik hubungan antara putaran poros dan torsi kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter pada variasi kecepatan angin 9,5 m/s, 8 m/s, dan 7 m/s.............................................................

42

Gambar 4.2. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 9,5 m/s……………………………………............

42

Gambar 4.3. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 8 m/s.. ...........................................................................

43

Gambar 4.4. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar vvvv maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 9,5 m/s.....................................................................................

43

Gambar 4.5. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada kecepatan angin 9,5 m/s............................................................

44

Gambar 4.6. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada kecepatan angin 8 m/s. .............................................................. Gambar 4.7. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada ke-

xv

44


cepatan angin 7 m/s................................................................

45

Gambar 4.8. Grafik hubungan antara Cp mekanis dan TSR kincir angin poros horisontal tiga sudu diameter 1 meter berbahan komposit dengan posisi lebar maksimal 10 cm di atas pusat poros. ......................................................................................

xvi

45


DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Mechanical properties for reinforcement composite ................

16

Tabel 2.2 Mechanical properties of matrix composite .............................

19

Tabel 4.1 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 9,5 m/s ..........

35

Tabel 4.2 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 8 m/s..............

36

Tabel 4.3 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 7 m/s. ............

36

Tabel 4.4 Data perhitungan data kincir angin poros horisontal 3 sudu pada kecepatan angin 9,5 m/s.........................................................

39

Tabel 4.5 Data perhitungan data kincir angin poros horisontal 3 sudu pada kecepatan angin 8 m/s ...........................................................

40

Tabel 4.6 Data perhitungan data kincir angin poros horisontal 3 sudu pada kecepatan angin 7 m/s............................................................

xvii

41


BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah Energi sudah menjadi kebutuhan sehari-hari bagi manusia pada zaman modern ini. Semakin tinggi taraf kehidupan manusia, maka kebutuhan energi akan meningkat. Perkembangan alat elektronika yang begitu pesat pun menuntut adanya peningkatan suplai energi listrik yang berkesinambungan. Berbagai jenis pembangkit listrik telah dibangun untuk memenuhi kebutuhan masyarakat, namun sejauh ini listrik hanya dapat dinikmati di daerah yang mudah diakses jaringan listrik Perusahaan Listrik Negara (PLN). Indonesia memiliki garis pantai yang membentang dari Sabang sampai Merauke, tentunya sangat mungkin bahwa Indonesia memiliki potensi angin untuk dijadikan sumber energi terbarukan. Hal itu sudah dibuktikan dengan terselenggarakannya Kompetisi Kincir Angin Indonesia (KKAI) selama 3 tahun terakhir dengan berbagai kincir angin karya anak bangsa yang dapat menghasilkan energi alternatif. Oleh karena itu, apabila dilakukan peninjauan potensi angin yang berhembus sepanjang tahun, maka akan ada sumber energi pembangkit listrik tenaga angin yang dapat terapkan di negeri ini. Tingkat kesadaran masyarakat akan green energy dirasa masih kurang. Disaat negara-negara maju seperti di Eropa dan Amerika sudah jauh-jauh hari menyadari akan pentingnya menjaga kelestarian lingkungan, di Indonesia masih tetap acuh akan hal tersebut. Masyarakat Indonesia tinggal di daerah tropis 1

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 2

dimana tumbuh-tumbuhan dan pohon dapat tumbuh dengan rindangnya. Daundaun hijaunya dapat menyerap karbon yang dihasilkan emisi bahan bakar fosil, berbeda dengan masyarakat Eropa dan Amerika yang tinggal di daerah dengan 4 musim. Hal itulah yang menyebabkan masyarakat Indonesia masih cenderung acuh tak acuh akan pentingnya menjaga bumi ini dari pemanasan global. Pembangkit listrik pada umumnya menggunakan bahan bakar minyak sebagai sumber energi, walaupun beberapa pembangkit listrik telah menggunakan tenaga air, panas bumi dan gas. Untuk membangun suatu pembangkit listrik dibutuhkan investasi yang cukup besar. Isu pemanasan global juga menuntut adanya pengolahan energi yang dihasilkan oleh alam sehingga pembangkit listrik tidak lagi bergantung pada minyak sebagai bahan bakar utama.

1.2. Perumusan Masalah Dari latar belakang di atas maka didapat suatu rumusan masalah yaitu bagaimana cara memperoleh kincir angin yang dapat digunakan sebagai pembangkit listrik dengan efisiensi yang cukup tinggi.

1.3. Tujuan Penelitian Tujuan dilaksanakannya penelitian ini adalah sebagai berikut. 1. Membuat kincir angin poros horisontal tiga sudu. 2. Mengetahui koefisien daya kincir angin poros horisontal. 3. Mengetahui torsi yang dihasilkan oleh kincir angin. 4. Mengetahui daya yang dihasilkan kincir angin.


1.4. Batasan Masalah Batasan-batasan yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Kincir angin menggunakan bahan komposit. 2. Kincir angin menggunakan desain bilah dari penampang silindris berdiameter 8 inch dengan lebar sudu maksimal 10 cm dari pusat poros. 3. Diameter kincir yang dirancang hanya skala laboratorium yaitu berdiameter 100cm. 3. Dilakukan 3 variasi kecepatan angin yaitu pada kecepatan angin 9,5 m/s , 8 m/s, dan 7 m/s. 4. Mekanisme pembebanan (dump load) pada sistem kincir angin pada penelitian ini yaitu menggunakan beban lampu pijar sebanyak 12 buah. 5. Digunakan generator DC magnet permanen dengan efisiensi 70% sebagai alat penunjang penelitian. 6. Penelitian dilaksanakan dengan cara meletakkan sistem kincir di depan blower 15 HP 1450 rpm dan volume 2250 m3/m. 7. Penelitian dilaksanakan di laboratorium konversi energi Universitas Sanata Dharma.

1.5. Manfaat Penelitian Kegunaan yang diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut. a. Menghasilkan kincir angin yang dapat digunakan sebagai pembangkit listrik.


b. Memberikan informasi bagi masyarakat mengenai unjuk kerja kincir angin dengan desain bilah dari penampang silindris berdiameter 8 inch. c. Turut peran serta dalam pengembangan teknologi energi baru terbarukan demi masa depan yang lebih baik.


BAB II DASAR TEORI

Kincir angin mengkonversi energi angin tersebut menjadi energi mekanik yang dapat dimanfaatkan kembali untuk memutar generator sebagai pembangkit listrik ataupun pompa air. Kincir angin dibedakan menjadi 2 jenis yaitu HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) yaitu kincir angin dengan poros horizontal dan VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) yaitu kincir angin dengan poros vertikal. Dibandingkan dengan sistem pembangkit listrik lainnya, kincir angin unggul dari segi ketersediaan energi pendukung karena berasal dari energi angin yang benarbenar melimpah. Namun, perlu untuk memahami karakter cuaca di Indonesia (distribusi potensi angin) agar sistem yang akan dibuat dapat tepat sasaran.

2.1. Tipe Kincir Angin 2.1.1. Kincir Angin Poros Horisontal Ada beberapa kincir angin tipe HAWT yang biasa diterapkan, yaitu : 1. Tipe American Multiblade Kincir angin American multiblade adalah salah satu jenis kincir angin yang mempunyai jumlah sudu yang banyak, biasanya kincir angin ini memiliki jumlah sudu lebih dari tiga buah. Gambar kincir angin American multiblade dapat dilihat pada Gambar 2.1. Sesuai dengan namanya, kincir angin ini banyak ditemukan di negara Amerika Serikat dan biasa digunakan untuk memompa air, menggiling biji-bijian dan sebagai pembangkit listrik.

5


\

Gambar 2.1. Kincir angin jenis American Multiblade (sumber : www.kanoroutes.nl)

2. Tipe Dutch Four Arm Kincir angin Dutch four arm memiliki jumlah sudu 4 buah. Gambar kincir angin Dutch four arm dapat dilihat pada Gambar 2.2. Kincir angin ini biasanya digunakan oleh negara Belanda untuk menggerakan pompa agar dapat mengeringkan lahan dengan cara memompa air tanah keluar lahan yang biasa disebut polder. Adanya angin secara teratur, dapat menjamin pompa tersebut untuk berfungsi secara terus menerus sehingga pompa pun dapat terus beroperasi. Sudah berabad-abad kincir jenis ini digunakan oleh negara Belanda untuk menggiling gandum dan untuk memompa air demi mengeringkan negerinya yang lebih rendah daripada laut.


Gambar 2.2 . Kincir angin jenis Dutch four arm (sumber : www.dreamstime.com) 3. Tipe Propeler Kincir angin jenis propeler ini biasanya memiliki jumlah sudu 2 atau 3 bilah. Kincir angin jenis propeler memiliki efisiensi yang cukup baik. Pada umumnya, untuk sistem pembangkit listrik tenaga angin digunakan jenis ini karena karakteristiknya yang unggul. Kincir angin jenis propeler dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3. Kincir angin jenis propeler 3 sudu


2.1.2. Kincir Angin Poros Vertikal Ada beberapa kincir angin tipe VAWT yang biasa diterapkan, yaitu : 1. Tipe Savonius Kincir angin tipe Savonius ini diciptakan oleh seorang insinyur Finlandia SJ Savonius pada tahun 1929, dan diaplikasikan pada tahun 1931. Kincir VAWT ini merupakan jenis yang paling sederhana dan menjadi versi besar dari anemometer. Kincir Savonius dapat berputar karena adanya gaya dorong dari angin, sehingga putaran rotorpun tidak akan melebihi kecepatan angin. Koefisien daya untuk jenis Savonius biasanya tidak lebih dari 25%. Jenuis kincir ini cocok untuk aplikasi daya yang rendah. Kincir angin jenis Savonius dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Kincir angin jenis Savonius (sumber : www.pinterest.com) 2. Tipe Darrieus Kincir angin tipe Darrieus ditemukan oleh seorang insinyur Perancis George Jeaans Maria Darrieus yang dipatenkan pada tahun 1931. Ia memiliki 2 bentuk turbin yang digunakan diantaranya adalah “Eggbeater/Curved Bladed” dan “Straight-bladed” VAWT. Kincir angin Darrieus mempunyai sudu yang disusun dalam posisi simetri dengan poros. Pengaturan ini cukup efektif untuk


menangkap berbagai arah angin. Berbeda dengan Savonius, kincir angin Darrieus bergerak dengan memanfaatkan gaya angkat yang terjadi ketika angin bertiup. Bilah sudu turbin Darrieus bergerak berputar mengelilingi sumbu. Kincir angin jenis Savonius dapat dilihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Kincir angin jenis Darrieus (sumber: www.commons.wikimedia.org) 3. Tipe H-rotor Kincir angin jenis ini dikembangkan di Inggris melalui penelitian yang dilakukan selama 1970-1980an, diuraikan bahwa mekanisme yang digunakan pada sudu berbilah lurus (straight-bladed) Darrieus VAWT tidak diperlukan,


ternyata ditemukan bahwa efek hambatan yang diciptakan oleh sebuah sudu akan membatasi kecepatan aliran angin. Oleh karena itu, H-rotor akan mengatur setiap variasi kecepatan angin untuk dapat mencapai kecepatan putaran optimalnya. Kincir angin jenis H-rotor dapat dilihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6. Kincir angin jenis H-rotor (sumber : www.archiexpo.com) 2.2. Daya Angin Energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan , maka energi itu kekal. Udara yang bergerak, mempunyai energi kinetik. Angin merupakan salah satu jenis energi. Udara bergerak akibat perbedaan tekanan. Udara mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan yang rendah dan biasa kita kenal sebagai angin Energi kinetik dirumuskan sebagai : 1

𝐸𝑘 = 2 𝑚𝑣 2 ,

(2.1)

dengan keterangan Ek sebagai energi kinetik , 𝑚 sebagai massa udara, dan 𝑣 sebagai kecepatan angin. Mengingat 𝑚 = 𝜌 𝑉𝑜𝑙 , maka persamaan (2.1) menjadi :


1

𝐸𝑘 = 2 𝜌 𝑉𝑜𝑙 𝑣 2 ,

(2.2)

dengan keterangan 𝜌 sebagai massa jenis udara, 𝑉𝑜𝑙 sebagai volume.

A

𝑣 S

Dari gambar disamping, dapat dirumuskan : 𝑉𝑜𝑙 = 𝐴𝑆 𝑆

= 𝑣𝑡 , maka

𝑉𝑜𝑙 = 𝐴𝑣𝑡.

(2.3)

Lalu persamaan (2.2) dan (2.3) dapat dibentuk menjadi : 1

𝐸𝑘 = 2 𝜌𝐴𝑣 3 𝑡 ,

(2.4)

dengan keterangan A sebagai luas penampang dan 𝑡 sebagai waktu. Karena daya merupakan energy per satuan waktu, maka persamaan (2.4) dapat dirumuskan menjadi : 𝑃𝑖𝑛 =

𝐸𝑘 𝑡

1

= 2 𝜌𝐴𝑣 3 ,

(2.4)

dengan keterangan 𝑃𝑖𝑛 sebagai daya yang tersedia dari energi angin per satuan waktu, 𝜌 sebagai massa jenis udara, 𝐴 sebagai luas sapuan kincir angin dan 𝑣 sebagai kecepatan angin.

2.3. Daya Kincir Pada penelitian ini, penulis menggunakan generator sebagai alat untuk mengetahui prestasi kincir angin yang dibuat. Dengan menggunakan generator, penulis dapat menentukan daya output kincir secara mekanis dan elektris.


Umumnya perhitungan daya mekanis dapat dituliskan dengan persamaan : 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇𝜔

,

dengan keterangan T sebagai torsi dinamis (Nm), 𝜔 sebagai kecepatan sudut (rad/s). Untuk menentukan kecepatan sudut, digunakan persamaan : 𝜔=𝑛 =

2 𝜋 𝑟𝑎𝑑 60

𝜋𝑛 30

,

𝑠

𝑟𝑎𝑑/𝑠

,

dengan demikian daya yang dihasilkan oleh kincir angin dinyatakan dengan persamaan : 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇 𝜔 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇

𝜋𝑛 30

, 𝑤𝑎𝑡𝑡

,

Pout sebagai daya yang dihasilkan kincir angin (watt), n sebagai putaran poros (rpm).

Untuk menentukan daya output elektris digunakan persamaan : 𝑃𝑜 = 𝑉 𝐼

,

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

2.4. Bet’z Limit Bet’s limit diterbitkan pada tahun 1919 oleh fisikawan Jerman Albert Betz. Bet’z limit merupakan perhitungan daya maksimum dari energi angin yang dapat dikonversi menjadi energi mekanik pada kincir angin. Hukum tersebut berasal dari prinsip-prinsip konservasi massa dan momentum aliran udara yang mengalir


melalui "aktuator disk" ideal yang mengkonversi energi dari aliran angin. Menurut hukum Betz, tidak ada turbin dapat menangkap lebih dari 16/27 (59,3%) dari energi kinetik angin. Faktor 16/27 (0,593) dikenal sebagai koefisien Betz.

Gambar 2.7. Grafik hubungan antara koefisien daya (CP) dengan Tip Speed Ratio (TSR) dari jenis-jenis kincir angin. (sumber : www.mcensustainableenergy.pbworks.com) 2.5. Tip Speed Ratio Tip Speed Ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin dengan kecepatan angin. Untuk mencari nilai kecepatan di ujung sudu kincir angin digunakan persamaan : 𝑣𝑡 = 𝜔𝑟

,

dengan keterangan 𝑣𝑡 sebagai kecepatan ujung sudu, 𝜔 sebagai kecepatan sudut (rad/s), dan r sebagai jari-jari kincir (m). Maka TSR dirumuskan menjadi :


𝑇𝑆𝑅 =

𝑣𝑡

𝑇𝑆𝑅 =

𝜔𝑟

𝑇𝑆𝑅 =

𝜋𝑟𝑛

,

𝑣

,

𝑣

30 𝑣

,

dengan keterangan 𝜔 sebagai kecepatan sudut (rad/s), dan r sebagai jari-jari kincir (m) dan 𝑣 sebagai kecepatan angin (m/s).

2.6. Koefisien Daya Koefisien daya (CP) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir angin (Pout) dengan daya yang disediakan oleh angin (Pin), maka koefisien daya dapat dirumuskan sebagai : 𝐶𝑝 =

𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛

100%

,

dengan keterangan CP sebagai koefisien daya (%), 𝑃𝑜𝑢𝑡 sebagai daya yang dihasilkan oleh kincir (watt), 𝑃𝑖𝑛 sebagai daya yang tersedia dari angin (watt).

2.7. Komposit Komposit merupakan material yang terdiri dari paling sedikit 2 material yang berbeda jenis dan pada umumnya seperti serat fiber (reinforcement) yang diikat oleh matriks. Bahan reinforcement yang biasa 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.

Gambar 2.8 Grafik perbandingan tegangan-regangan matriks, reinforcement dan komposit (sumber : www.mse.mtu.edu) 2.7.1. 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 25-


30% lebih tinggi dibanding jenis E-glass, akan tetapi tidak seekonomis jenis E-glass karena harganya >200% harga E-glass.

Tabel 2.1 Mechanical properties for reinforcement composite

(sumber : www.advtechconsultants.com) 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 2.9 Ragam bentukan fiberglass (National Research Council 1991)


2.7.2. Matriks Resin epoksi akan cenderung dibahas dalam tulisan ini. Resin epoksi mempunyai kegunaan luas dalam industry teknik kimia, listrik, mekanik dan sipil sebagai perekat, cat pelapis, pencetakan cor dan 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 diserang oleh hamper semua pelarut, bahan ini baik digunakan sebagai yangnon-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. Adametoda 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 Pada umumnya digunakan dalam industri elektronika.

Tabel 2.2 Mechanical properties of matrix composite Young Modulus

(sumber : www.advtechconsultants.com)


BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Diagram Alir Langkah kerja dalam penelitian yang dilaksanakan tersaji dalam diagram alir sebagai berikut :

Mulai Perancangan sudu kincir angin

Persiapan alat dan bahan

Pembuatan sudu kincir angin

Perakitan kincir angin

Uji coba kincir angin dengan pembebanan TIDAK

Kincir dapat bekerja sesuai kriteria

Pengambilan data ( 𝑣, n, F, V, I)

Pengolahan data

Analisis serta pembahasan

Selesai

20

YA


3.2 Alat dan Bahan Untuk melakukan penelitian ini, diperlukan sejumlah alat dan bahan. 3.2.1 Alat Alat-alat yang dibutuhkan untuk menunjang penelitian yaitu : 1. Sudu Kincir Angin Sudu kincir angin yang akan dipakai untuk penelitian, akan berjumlah 3 sudu, berjenis propeller, memakai bahan komposit dari epoxy dan serat kaca sebagai serat penguatnya. Dimensi dari kincir angin yang dipakai yaitu memiliki radius 50 cm, lebar pangkal 15 cm dan lebar ujung sudu 3 cm. Dengan dimensi tersebut, diharapkan kincir angin yang diteliti menghasilkan TSR 6 sehingga berada pada effisiensi terbaik untuk jenis propeller.

Gambar 3.1 Sudu berbahan komposit yang diteliti

2. Hub Kincir Angin


Untuk bagian hub kincir angin, akan digunakan piringan besi pejal dengan tebal 4 cm berbentuk bulat, yang dibentuk menjadi segi 12 kemudian dilubangi agar kincir angin dapat dipasang dengan konfigurasi 2 sudu, 3 sudu dan 4 sudu. Kemudian, penulis juga akan menggunakan besi siku sebagai pemegang antara sudu dan hub. Penulis berharap agar dengan digunakan model hub yang seperti ini dapat dilakukan variasi jumlah sudu pada penelitian pembanding.

Gambar 3.2 Hub kincir angin (konfigurasi saat akan digunakan 4 sudu) 3. Poros Poros kincir angin yang akan digunakan, terbuat dari besi dengan ukuran 1 inch, dan akan dihubungkan dengan DC permanent magnet generator tanpa transmisi (tanpa inkrisi maupun decrease putaran output kincir) sehingga daya keluaran kincir dapat langsung didefinisikan sebagai daya listrik. 4. Generator Pada penelitian ini akan digunakan generator DC Permanent Magnet dengan tegangan kerja 48 volt, dan arus 18 ampere. Generator yang digunakan


merupakan motor listrik magnet permanen yang biasa digunakan pada sepeda listrik.

Gambar 3.3 Generator Brushess DC permanent magnet 5. Lampu pijar Lampu pijar digunakan apabila sistem pembangkit mengalami kekurangan load atau beban, sehingga sistem pembangkit dapat bekerja secara optimal.

Gambar 3.4 Lampu pijar sebagai beban

6. Anemometer Anemometer digunakan untuk mengetahui data kecepatan angin, sehingga data putaran pada kincir dapat diolah menjadi data Tip Speed Ratio.


Gambar 3.5 Anemometer 7. Multitester Multitester pada penelitian ini digunakan untuk melakukan pengururan terhadap tegangan dan arus keluaran dari generator.

Gambar 3.6 Multitester 8. Tachometer Tachometer digunakan untuk mengetahui putaran/rotasi sudu yang dihasilkan, sehingga data putaran pada kincir dapat diolah menjadi data tip Speed Ratio dan daya kincir.


Gambar 3.7 Takometer 9. Timbangan Timbangan yang digunakan yaitu timbangan digital untuk mengetahui gaya pengimbang yang dihasilkan.

Gambar 3.8 Takometer 10. Blower Blower digunakan untuk merekayasa sumber angin yang dibutuhkan kincir angin agar dapat bekerja sebagaimana mestinya.

Gambar 3.9 Blower


3.2.2 Bahan Bahan-bahan yang dibutuhkan untuk menunjang penelitian yaitu: 1. Pipa PVC 8 inch Pipa pvc 8 inch dipotong sesuai penampang kincir angin yang diinginkan, dan pipa hasil potongan ini dijadikan cetakan (dies) untuk mencetak komposit. 2. Fiberglass Fiberglass merupakan serat kaca sebagai reinforcement atau penguat bahan komposit. 3. Resin Epoksi Resin Epoksi merupakan matriks pengisi komposit. 4. Baut metric Baut metric digunakan untuk pemegang besi beton dibagian sudu dan juga bagian hub. 5. Plat besi Plat besi digunakan sebagai rangka penguat konstruksi komposit pada sudu kincir angin yang akan diteliti. Plat besi diletakan pada pangkal sudu kincir angin sebagai penampang yang akan dilubangi untuk baut pemegang sudu dengan hub. Plat besi yang digunakan memiliki ketebalan 4cm.

3.3 Desain Kincir Proses pembuatan blade 1. Desain cetakan


Desain

sudu

yang

akan

diteliti

didapat

dari

website

http://www.warlock.com.au/ dan merupakan pendekatan ukuran airfoil NACA 2412. Terdapat ukuran-ukuran spesifik pada setiap jarak dari pangkal hingga ujung sudu. Lebar maksimal sudu yaitu 15 cm dan lebar ujung sudu 3 cm. Desain yang didapat kemudian disketsa pada pipa pvc 8 inci untuk mempermudah

proses

pembuatan

sudu

mengingat

penelitian

menggunakan penampang silindris 8 inci.

Gambar 3.10 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu.

Gambar 3.11 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu dibagi menjadi 18 bagian.

ini


Gambar 3.12 Skema penampang silindris 8 inchi sebagai bahan sudu disketsa dengan ukuran spesifik.

Gambar 3.13 Skema penampang silindris 8 inchi setelah dipotong sesuai ukuran spesifik.

Gambar 3.14 Dimensi kincir angin, ukuran dalam satuan sentimeter (a)


Gambar 3.15 Dimensi kincir angin dalam penelitian, ukuran dalam satuan sentimeter (b)

Gambar 3.16 Posisi lebar maksimal sudu pada saat pengaplikasian dan penelitian.

Gambar 3.17 Skematik dimensi kincir angin


2. Pemotongan cetakan Setelah sketsa dibuat pada pipa, maka proses pemotongan pipa dapat dilakukan sesuai dengan ukuran spesifiknya.

Gambar 3.18 Proses pembuatan cetakan kincir angin. 3. Pembuatan sudu komposit Pembuatan sudu komposit dimulai dengan menempelkan aluminium foil pada cetakan diseluruh permukaannya lalu diberikan oli atau minyak pelumas agar mempermudah proses pelepasan sudu komposit yang sudah terbentuk. Kemudian komposit dicetak dengan komposisi resin 1 liter dan katalis 10 ml lalu dilapis dengan serat fiber sebanyak 4 lapis. Apabila sudah merata, campuran resin dan serat tersebut dijemur dan ditunggu hingga kering.

Gambar 3.19 Proses pelapisan cetakan sudu kincir angin dengan aluminium foil


Gambar 3.20 Proses pembuatan sudu kincir angin komposit 4. Finishing sudu Sudu yang sudah kering kemudian dilepas dari cetakannya. Bagianbagian yang tidak diperlukan dibuang sehingga bentuk sudu sesuai dengan bentuk cetakan. Kemudian dilakukan pengecekan ukuran panjang, lebar dan juga berat sudu. Semua sudu yang akan diteliti harus memiliki ukuran, bentuk dan sudut yang sama. Apabila sudah sesuai, maka selanjutnya sudu dilubangi sesuai dengan ukuran pemegang sudu yang akan dipasang pada hub kincir angin. 5. Uji coba Sudu yang telah berhasil dibuat diuji coba di depan blower untuk melihat performanya apakah sudah ridig, balance, dan sudah memungkinkan untuk diambil data performanya.

3.4. Variabel Penelitian 1. Variasi kecepatan angin dilakukan dengan cara penempatan rangkaian kincir angin pada 3 posisi yang berbeda di depan blower. 2. Variasi pembebanan dilakukan sampai menemukan beban maksimum.


3.5. Variabel yang Diukur 1. Kecepatan angin 2. Kecepatan putar rotor kincir angin 3. Gaya pengimbang 4. Tegangan dan Arus output generator

3.6. Parameter yang Dihitung 1. Daya angin 2. Daya kincir 3. Daya listrik 4. Kecepatan sudut 5. Torsi 6. Koefisien daya (CP) mekanis 7. Tip Speed Ratio (TSR)

3.7. Langkah Pengambilan Data

Gambar 3.18 Skematik susunan alat penelitian


Prosedur 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. Pada penelitian ini akan dilakukan variasi kecepatan angin untuk mendapatkan karakteristik kincir angin propeller tiga sudu yang akan diteliti.

Sebagai langkah penelitian untuk

pengambilan data, dilakukan dengan cara sebagai berikut 1. Langkah awal dari percobaan yaitu mempersiapkan alat-alat penunjang pengambilan data seperti timbangan, takometer, multitester, anemometer, beban lampu, obeng, terminal, dan sudu kincir angin 2. 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. 3. Memasang timbangan yang dihubungkan dengan lengan generator yang posisinya tegak lurus. 4. Memasang sudu kincir angin, kemudian memasang multitester untuk mengukur tegangan dan arus keluaran generator, kemudian dihubungkan dengan beban lampu. Generator

A V Beban lampu Gambar 3.19 Skematik pembebanan kincir angin


5. Setelah semua terpasang dan sudah siap, maka blower dinyalakan. 6. Posisi kincir dikalibrasi kembali dan apabila telah memenuhi range kecepatan angin yang ditentukan, maka pengambilan data dapat dilakukan. 7. 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. 8. Langkah tersebut diulangi sampai mendapatkan beban maksimum pada setiap variasi kecepatan angin dan pengambilan data dilakukan pada 3 variasi kecepatan angin yang berbeda.

3.8. 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. Penulis akan membandingkan grafik-grafik yang dihasilkan dari penelitian dan akan diperoleh karakteristik kincir angin yang telah didesain dan penulis mengetahui unjuk kerja yang paling optimal apabila kincir ini akan diterapkan menjadi sistem pembangkit skala lapangan.


BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Hasil Penelitian Data penelitian diambil dalam 3 variasi kecepatan angin. Data yang diperoleh meliputi : kecepatan angin (m/s), gaya pengimbang (N), kecepatan putar rotor (rpm), Tegangan output generator (Volt), Arus output generator (Ampere).

Tabel 4.1 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 9,5 m/s.

putaran gaya V I No beban rotor pengimbang (rpm) (gram) (Volt) (Ampere) 1 0 720 70 48,4 0 2 1 716 90 47 0,08 3 2 680 130 46,3 0,19 4 3 672 150 44,2 0,3 5 4 646 170 40,8 0,4 6 5 641 180 41,4 0,46 7 6 624 210 48,9 0,56 8 7 594 230 38 0,65 9 8 577 250 36,6 0,76 10 9 558 290 35,7 0,84 11 10 530 300 33,4 0,94 12 11 481 320 31,1 1,02 13 12 465 340 29,8 1,06

35

v (m/s) 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5


Tabel 4.2 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 8 m/s. putaran No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

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

rotor (rpm) 721 704 689 623 615 600 583 533 514 491 427 406 338

gaya pengimbang (gram) 80 110 120 150 170 210 230 240 260 280 290 310 310

V

I

v

(Volt) (Ampere) (m/s) 44,4 0 8 44,6 0,11 8 43,5 0,22 8 41,5 0,31 8 38,6 0,42 8 39,2 0,52 8 35,5 0,58 8 33,4 0,67 8 32 0,81 8 31,1 0,88 8 25,5 0,91 8 28,1 0,93 8 19 0,93 8

Tabel 4.3 Data percobaan kincir dengan kecepatan angin 7 m/s. putaran No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

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

rotor (rpm) 686 633 617 607 569 551 546 508 505 489 478 402 365

gaya pengimbang (gram) 80 90 100 120 150 180 200 210 220 230 240 250 260

V

I

v

(Volt) (Ampere) (m/s) 44,7 0 7 41,3 0,07 7 40,4 0,14 7 38,2 0,25 7 32,2 0,33 7 34,8 0,46 7 32,9 0,54 7 33,2 0,55 7 30,1 0,57 7 27,1 0,62 7 29,5 0,68 7 26,5 0,72 7 20,9 0,76 7


4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan Langkah-langkah perhitungan dapat dilihat pada sampel data yang diambil dari table dan akan dirinci sebagai berikut :

a. Perhitungan Daya Angin Sample data untuk contoh perhitungan diambil dari tabel 4.3 pada baris nomor 9. 𝑃𝑖𝑛 =

1 𝜌𝐴𝑣 3 2

𝑃𝑖𝑛 =

1 𝑥 1,2 𝑥 𝜋 𝑥 0,52 𝑥 73 2

𝑃𝑖𝑛 = 161,7 𝑤𝑎𝑡𝑡

b. Perhitungan Daya Kincir 𝜔=

𝜋𝑛 𝑟𝑎𝑑/𝑠 30

𝑇=𝐹𝑥𝑟

𝜔=

𝜋 505 𝑟𝑎𝑑/𝑠 30

𝑇 = 𝑚. 𝑔 𝑥 𝑟

𝜔 = 52,90 𝑟𝑎𝑑/𝑠

𝑇=

220 9,81 𝑥 0,27 𝑁𝑚 1000

𝑇 = 0,58 𝑁𝑚 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇 𝜔 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 0,58 𝑥 52,88 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 30,82 𝑤𝑎𝑡𝑡

c. Perhitungan CP


𝐶𝑝 =

𝑃𝑜𝑢𝑡 100% 𝑃𝑖𝑛

𝑃𝑜 = 𝑉 𝐼

𝐶𝑝 =

30,82 100% 161,7

𝑃𝑜 = 30,1 𝑥 0,57 𝑤𝑎𝑡𝑡

𝐶𝑝 = 19,06(mekanis)

𝐶𝑝 =

𝑃𝑜 100% 𝑃𝑖𝑛

𝐶𝑝 =

17,16 100% 162,33

𝑃𝑜 = 17,16 𝑤𝑎𝑡𝑡

𝐶𝑝 = 10,57 % (elektris)

d. Perhitungan Tip Speed Ratio 𝑇𝑆𝑅 =

𝜋𝑟𝑛 30 𝑣

𝑇𝑆𝑅 =

𝜋 𝑥 0,5 𝑥 505 30 𝑥 7,1

𝑇𝑆𝑅 = 3,72

4.3 Data Hasil Perhitungan Parameter yang telah didapat dari penelitian diolah dengan software Microsoft Excel untuk menampilkan grafik hubungan antara putaran rotor dengan torsi yang dihasilkan, grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio, dan grafik hubungan antara daya dengan torsi yang dihasilkan untuk tiga variasi kecepatan angin.

gaya putaran I V No beban rotor pengimbang (gram) (Volt) (Ampere) (rpm) 0 48,4 70 720 0 1 0,08 47 90 716 1 2 46,3 0,19 130 680 2 3 0,3 44,2 150 672 3 4 0,4 40,8 170 646 4 5 41,4 0,46 180 641 5 6 48,9 0,56 210 624 6 7 0,65 38 230 594 7 8 36,6 0,76 250 577 8 9 35,7 0,84 290 558 9 10 33,4 0,94 300 530 10 11 31,1 1,02 320 481 11 12 29,8 1,06 340 465 12 13 T (Nm) 0,19 0,24 0,34 0,40 0,45 0,48 0,56 0,61 0,66 0,77 0,79 0,85 0,90

w (rad/s) 75,398 74,979 71,209 70,372 67,649 67,125 65,345 62,204 60,423 58,434 55,501 50,37 48,695

v (m/s) 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 3,96 3,93 3,74 3,69 3,55 3,52 3,43 3,26 3,17 3,07 2,91 2,64 2,55

TSR (watt) 407,87 407,87 407,87 407,87 407,87 407,87 407,87 407,87 407,87 407,87 407,87 407,87 407,87

Pin (watt) 13,98 17,87 24,52 27,96 30,46 32,00 36,35 37,89 40,01 44,88 44,10 42,69 43,85

(watt) 0,00 3,76 8,80 13,26 16,32 19,04 27,38 24,70 27,82 29,99 31,40 31,72 31,59

Po mekanis Pout

CP CP v rotor elektris mekanis (m/s) 0,00 37,70 3,43 0,92 37,49 4,38 2,16 35,60 6,01 3,25 35,19 6,85 4,00 33,82 7,47 4,67 33,56 7,85 6,71 32,67 8,91 6,06 31,10 9,29 6,82 30,21 9,81 7,35 11,00 29,22 7,70 10,81 27,75 7,78 10,47 25,19 7,74 10,75 24,35

Tabel 4.3 Data perhitungan data kincir angin poros horisontal 3 sudu pada kecepatan angin 9,5 m/s


gaya putaran T w v I V No beban rotor pengimbang (gram) (Volt) (Ampere) (m/s) (rad/s) (Nm) (rpm) 8 75,503 0,21 0 44,4 80 721 0 1 8 73,723 0,29 44,6 0,11 110 704 1 2 8 72,152 0,32 43,5 0,22 120 689 2 3 8 65,24 0,40 41,5 0,31 150 623 3 4 8 64,403 0,45 38,6 0,42 170 615 4 5 8 62,832 0,56 39,2 0,52 210 600 5 6 8 61,052 0,61 35,5 0,58 230 583 6 7 8 55,816 0,64 33,4 0,67 240 533 7 8 8 53,826 0,69 0,81 32 260 514 8 9 8 51,417 0,74 31,1 0,88 280 491 9 10 8 44,715 0,77 25,5 0,91 290 427 10 11 8 42,516 0,82 28,1 0,93 310 406 11 12 8 35,395 0,82 0,93 19 310 338 12 13 4,74 4,63 4,53 4,09 4,04 3,94 3,83 3,50 3,38 3,23 2,81 2,67 2,22

TSR (watt) 238,57 238,57 238,57 238,57 238,57 238,57 238,57 238,57 238,57 238,57 238,57 238,57 238,57

Pin (watt) 16,00 21,48 22,93 25,92 29,00 34,95 37,19 35,48 37,07 38,13 34,35 34,91 29,06

(watt) 0,00 4,91 9,57 12,87 16,21 20,38 20,59 22,38 25,92 27,37 23,21 26,13 17,67

Po mekanis Pout


Tabel 4.4 Data perhitungan data kincir angin poros horisontal 3 sudu pada kecepatan angin 8 m/s


gaya putaran T w v I V No beban rotor pengimbang (gram) (Volt) (Ampere) (m/s) (rad/s) (Nm) (rpm) 7 71,838 0,21 0 44,7 80 686 0 1 7 66,288 0,24 41,3 0,07 90 633 1 2 7 64,612 0,26 40,4 0,14 100 617 2 3 7 63,565 0,32 38,2 0,25 120 607 3 4 7 59,586 0,40 32,2 0,33 150 569 4 5 7 57,701 0,48 34,8 0,46 180 551 5 6 7 57,177 0,53 32,9 0,54 200 546 6 7 7 53,198 0,56 33,2 0,55 210 508 7 8 7 52,883 0,58 30,1 0,57 220 505 8 9 7 51,208 0,61 27,1 0,62 230 489 9 10 7 50,056 0,64 29,5 0,68 240 478 10 11 7 42,097 0,66 26,5 0,72 250 402 11 12 7 38,223 0,69 20,9 0,76 260 365 12 13 5,12 4,73 4,61 4,53 4,25 4,12 4,08 3,79 3,77 3,65 3,57 3,00 2,73

TSR (watt) 162,33 162,33 162,33 162,33 162,33 162,33 162,33 162,33 162,33 162,33 162,33 162,33 162,33

Pin (watt) 15,22 15,80 17,11 20,20 23,67 27,51 30,29 29,59 30,82 31,20 31,82 27,88 26,32

(watt) 0,00 2,89 5,66 9,55 10,63 16,01 17,77 18,26 17,16 16,80 20,06 19,08 15,88

Po mekanis Pout


Tabel 4.3 Data perhitungan data kincir angin poros horisontal 3 sudu pada kecepatan angin 7 m/s



Gambar 4.1. Grafik hubungan antara putaran poros dan torsi kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter pada variasi kecepatan angin 9,5 m/s, 8 m/s, dan 7 m/s.

Gambar 4.1. memperlihatkan bahwa semakin besar torsi yang dihasilkan maka kecepatan putar kincir semakin kecil. Torsi statis yang dihasilkan sebesar 0,9

%

Nm pada kecepatan putar kincir 465 rpm terjadi pada kecepatan angin 9,5 m/s.

Gambar 4.2. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 9,5 m/s.


%

43

%

Gambar 4.3. Grafik hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 8 m/s.

Gambar 4.4. Grafik hubungan antara koefisien daya mekanis dengan tip speed ratio kincir angin bersudu 3 diameter 1 meter dengan posisi lebar maksimal sudu 10 cm dari pusat poros pada kecepatan angin 7 m/s.


Gambar 4.2.- gambar 4.4 memperlihatkan bahwa semakin besar tsr kincir maka semakin besar Cp yang dihasilkan hingga pada keadaan maksmimalnya, kemudian koefisien daya (Cp) mulai mengecil. Dari gambar diatas hubungan Cp dengan tsr menunjukan prestasi terbaik pada saat kecepatan angin 7 m/s yaitu dengan Cpmax 12,41% pada tsr 3,58.

Gambar 4.5. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada kecepatan angin 9,5 m/s.

Gambar 4.6. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada kecepatan angin 8 m/s.


Gambar 4.7. Grafik hubungan antara daya dan torsi kincir angin pada kecepatan angin 7 m/s.

Gambar 4.5 - gambar 4.7 memperlihatkan bahwa semakin besar torsi yang dihasilkan maka semakin besar pula daya yang dihasilkan oleh kincir. Daya

%

maksimal yang dicapai yaitu 31,72 watt pada torsi 0,85 Nm.

Gambar 4.8. Grafik hubungan antara Cp dan TSR kincir angin poros horisontal tiga sudu diameter 1 meter berbahan komposit dengan posisi lebar maksimal 10 cm di atas pusat poros.


4.4 Pembahasan Setelah penulis melakukan pengambilan data, maka pengolahan data dapat dilakukan dengan software Microsoft Excel. Perlu diperhatikan bahwa data hasil pengamatan yang dilakukan dapat dinyatakan benar apabila hasil grafik hubungan antara koefisien daya dan tip speed ratio sudah menunjukan nilai maksimal nya dan menghasilkan grafik dengan trendline parabolik pangkat dua yang tertutup (mengarah kebawah dengan posisi puncak parabola dibagian atas). Apabila hasil data yang telah dicatat dan sudah menunjukan kurva yang sesuai, maka analisis data dapat dilanjutkan. Ditunjukan pula grafik hubungan antara putaran rotor dengan torsi yang dihasilkan dan juga grafik hubungan antara daya keluaran dengan torsi yang dihasilkan. Dari ketiga grafik yang telah dihasilkan, maka karekteristik dari desain kincir angin yang diteliti dapat diketahui. Sudah tersaji torsi, putaran rotor, dan koefisien daya pada masing-masing variasi kecepatan angin. Terdapat perbedaan prestasi yang ditunjukan pada hasil data kincir angin antara daya output mekanis dan daya output elektris. Torsi awalan kincir angin dan effisiensi kincir angin menjadi faktor yang mempengaruhi hasil data tersebut. Dilihat dari gambar 4.1, sangat terlihat bahwa garis hubungan rpm dan torsi tidak dimulai dari titik 0 sumbu x sehingga hal tersebut menjadi bukti bahwa generator memerlukan torsi awalan untuk dapat diputar oleh kincir. Selain itu dapat dilihat pula gambar 4.5 – gambar 4.7 bahwa perbedaan prestasi sangat jelas berbeda antara daya output mekanis dan daya output elektris. Jika ditinjau dari data hasil perhitungan daya kincir dengan daya output generator, terjadi penurunan nilai daya ketika torsi yang


dihasilkan digunakan untuk menghasilkan listrik. Hal itu dapat membuktikan bahwa effisiensi generator menjadi faktor perbedaan prestasi antara daya output mekanis dan daya output elektris. Ditinjau dari data prestasi Cp dan TSR yang dihasilkan dari data penelitian, yang terbaik justru pada kecepatan angin 7 m/s. Menurut penulis, hal ini menunjukan suatu karakteristik yang dimiliki oleh setiap desain sudu kincir angin. Setiap desain sudu pasti memiliki batasan maksimal prestasinya masing-masing.


BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan Setelah melakukan pengambilan data, pengolahan dan analisis data dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Telah berhasil dibuat kincir angin poros horizontal 3 sudu dengan desain dari penampang silindris 8 inch. 2. Koefisien daya tertinggi yang didapat yaitu sebesar 19,6% pada tsr 3,6 dengan kecepatan angin 7 m/s. 3. Pada kecepatan angin 9,5 m/s, torsi terbesar yang dihasilkan oleh kincir angin yaitu 0,9 Nm pada kecepatan putar kincir 465 rpm. 4. Pada kecepatan angin 9,5 m/s, daya terbesar yang dapat dihasilkan dari kincir angin yang dibuat yaitu 44,88 watt pada torsi 0,77 Nm.

5.2 Saran 1. Perlu dilakukan uji coba dengan variasi kecepatan angin yang lebih rendah mengingat karakteristik angin di Indonesia cenderung rendah.

48


DAFTAR PUSTAKA

Grogg, Kira., 2005, The Physics of Wind Turbines, Carleton College. Martono, Tjukup.,2011, Peningkatan Effisiensi Kincir Angin Poros Vertikal Melalui Sistem Buka-Tutup Sirip pada 3 Sudu Schubel, Peter J., Richard J. Crossley. 2012.Wind Turbine Blade Design, Faculty of Engineering, Division of Material. University of Nottingham. University Park. Nottingham NG7 2RD. United Kingdom Manwell, J.F., J.G. McGowan, A.L. Rogers. 2009. Wind Energy Explained : Theory, Design and Application, Second Edition. John Wiley. USA Surdia, T. 2005. Pengetahuian Bahan Teknik. Jakarta : Pradnya Paramita

49

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU BERBAHAN KOMPOSIT DENGAN POSISI LEBAR MAKSIMAL SUDU 10 SENTIMETER DARI PUSAT POROS SKRIPSI

Recommend Documents