UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU DATAR DARI BAHAN TRIPLEK DENGAN SUDUT PATAHAN 10 LEBAR 10,5 CM DENGAN EMPAT VARIASI PERMUKAAN SUDU

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU DATAR DARI BAHAN TRIPLEK DENGAN SUDUT PATAHAN 10° LEBAR 10,5 CM DENGAN EMPAT VARIASI PERMUKAAN SUDU TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin

Disusun Oleh : FRANCISCUS BAYU WIHARNO NIM : 115214047

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


THE PERFORMANCE MODEL OF THREE FLAT BLADE WIND MILL PROPELLER FROM PLYWOOD MATERIAL WITH 10° ANGLE FAULT WIDTH 10,5 CM WITH FOUR VARIATION BLADE SURFACE FINAL PROJECT Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering

By : FRANCISCUS BAYU WIHARNO NIM : 115214047

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

ii






ABSTRAK Kebutuhan akan energi saat ini terus meningkat seiring dengan perkembangan zaman. Pemanfaatan energi angin merupakan pemanfaatan energi terbarukan paling berkembang saat ini. Penelitian ini bertujuan untuk membuat model kincir angin propeler dengan tiga sudu datar dari bahan triplek, mengetahui unjuk kerja dari setiap variasi kincir dan mengetahui koefisien daya (C p ) terbaik dari salah satu variasi kincir angin. Model kincir angin yang diteliti adalah kincir angin propeler poros horisontal dengan tiga sudu datar lebar 10,5 cm berdiameter 80 cm dengan sudut patahan 10° menggunakan bahan dasar triplek. Pengujian kincir dilakukan dengan menghubungkan poros kincir ke mekanisme pengereman yang berfungsi sebagai variasi beban pada putaran kincir. Besarnya beban kincir dapat dilihat pada neraca pegas. Putaran kincir angin diukur mengunakan tachometer dan kecepatan angin diukur menggunakan anemometer. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin (wind tunnel) di laboratorium konversi energi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Dari hasil penelitian ini, menunjukan bahwa kincir angin dengan variasi sudu tanpa lapisan menghasilkan koefisien daya (C p ) maksimal sebesar 9,58 % pada tip speed ratio 2,59. Kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu menghasilkan koefisien daya (C p ) maksimal sebesar 7,84 % pada tip speed ratio 2,15. Kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu menghasilkan koefisien daya (C p ) maksimal sebesar 13,57 % pada tip speed ratio 2,57. Kincir angin dengan variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu menghasilkan koefisien daya (C p ) maksimal sebesar 9,95 % pada tip speed ratio 2,61. Dari keempat model kincir angin yang sudah diteliti, kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium dibagian depan dan belakang sudu menghasilkan koefisien daya (C p ) terbaik yaitu sebesar 13,57 % pada tip speed ratio 2,57.

Kata kunci: koefisien daya, tip sped ratio, daya kincir.

vii


KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat serta kasihNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang mengambil judul “Unjuk Kerja Model Kincir Angin Propeler Tiga Sudu Datar Dari Bahan Triplek Dengan Sudut Patahan 10° Lebar 10,5 cm Dengan Empat Variasi Permukaan Sudu”.

Tujuan penulisan skripsi ini untuk memenuhi sebagian syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik (S.T) bagi mahasiswa program S-1 di program studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh sebab itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak demi kesempurnaan skripsi ini.

Terselesaikannya skripsi ini tidak terlepas dari bantuan banyak pihak, sehingga pada kesempatan ini dengan segala kerendahan hati dan penuh rasa hormat penulis menghaturkan terima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan bantuan moril maupun materil baik langsung maupun tidak langsung dalam penyusunan skripsi ini hingga selesai, terutama kepada yang saya hormati: 1. Sudi Mungkasi, S.Si, M.Math.Sc., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta 2. Ir. PK. Purwadi, S.T,M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. 3. Ir. Rines, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik dan Dosen Pembimbing TA. 4. Kedua Orang Tua saya yang tercinta, Bapak Hasan Umar dan Ibu Sri Hartati yang telah memberi dukungan baik material maupun spiritual. 5. Rekan-rekan mahasiswa Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

viii



DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ............................................................................................... i TITLE PAGE .......................................................................................................... ii HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................... iii DAFTAR DEWAN PENGUJI .............................................................................. iv PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR .................................................... v LEMBAR PUBLIKASI ......................................................................................... vi ABSTRAK ............................................................................................................ vii KATA PENGANTAR ......................................................................................... viii DAFTAR ISI ........................................................................................................... x DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiii DAFTAR TABEL ................................................................................................ xvi DAFTAR SIMBOL ............................................................................................ xvii

BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang ................................................................................................. 1 1.2 Perumusan Masalah ......................................................................................... 2 1.3 Batasan Masalah .............................................................................................. 3 1.4 Tujuan Penelitian ............................................................................................ 4 1.5 Manfaat Penelitian ........................................................................................... 4

BAB II DASAR TEORI ......................................................................................... 5 2.1

Landasan Teori............................................................................................... 5

2.1.1 Kincir Angin Poros Horisontal ...................................................................... 5 2.1.2 Kincir Angin Poros Vertikal .......................................................................... 7 2.2

Rumus-rumus Perhitungan ............................................................................. 9

2.2.1 Torsi Kincir Angin ......................................................................................... 9 2.2.2 Daya Angin .................................................................................................. 10 2.2.3 Daya Kincir Angin ....................................................................................... 11 2.2.4 Tip Speed Ratio ............................................................................................ 11 x


2.2.5 Koefisien DayaC p ........................................................................................ 12 2.3 Hubungan antara Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio .......................... 12

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................................. 14 3.1 Metode Penelitian ......................................................................................... 14 3.2 Peralatan Pengujian ....................................................................................... 15 3.3 Prosedur Penelitian ....................................................................................... 20 3.4 Variabel Penelitian ....................................................................................... 24 3.5 Variabel yang diukur ..................................................................................... 25 3.6 Parameter yang dihitung ............................................................................... 25 3.7 Pengujian dan Pengambilan Data ................................................................. 25 3.8 Pengolahan Data dan Pembahasan Hasil Penelitian ..................................... 27

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ............................................. 29 4.1

Data Hasil Penelitian.................................................................................... 29

4.2

Perhitungan .................................................................................................. 33

4.2.1 Torsi Kincir .................................................................................................. 33 4.2.2 Daya Kincir .................................................................................................. 34 4.2.3 Daya Angin .................................................................................................. 34 4.2.4 Tip Speed Ratio ............................................................................................ 35 4.2.5 Koefisien Daya Kincir ................................................................................. 35 4.3 Data Hasil Perhitungan ................................................................................ 36 4.4

Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan.................................................. 38

4.4.1 Grafik Untuk Variasi Sudu Tanpa Lapisan .................................................. 39 4.4.2 Grafik Untuk Variasi Lapisan Pelat Aluminium pada Bagian Depan Sudu 41 4.4.4 Grafik Untuk Variasi Lapisan Pelat Aluminium pada Bagian Depan dan Belakang Sudu…… ..................................................................................... 43 4.4.5 Grafik Untuk Variasi Lapisan Anyaman Bambu pada Bagian Depan dan Lapis Pelat Aluminium pada Bagian Belakang Sudu .................................. 45 4.5

Grafik dari Hasil Perhitungan Empat Variasi Lapisan Sudu ....................... 47

xi


BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................... 48 5.1 Kesimpulan ................................................................................................... 48 5.2 Saran ............................................................................................................. 49 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 50 LAMPIRAN .......................................................................................................... 51

xii


DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1

Kincir Angin American Windmill

Gambar 2.2

Kincir Angin Dutch Four Arm

Gambar 2.3

Kincir Angin Savonius

Gambar 2.4

Kincir Angin Darrieus

Gambar 2.5

Grafik hubungan C p dengan tsr untuk berbagai tipe kincir angin

Gambar 3.1

Hub yang digunakan dalam penelitian

Gambar 3.2

Terowongan angin tempat pengujian kincir

Gambar 3.3

Fan blower

Gambar 3.4

Anemometer untuk mengukurkecepatanangin

Gambar 3.5

Tachometer untuk mengukur kecepatan putaran poros kincir

Gambar 3.6

Neraca pegas

Gambar 3.7

Mekanisme pengereman

Gambar 3.8

Desain sudu kincir yang diamati dalam penelitian

Gambar 3.9

Bentuk sudu kincir yang diamati dalam penelitian

Gambar 3.10 Skema alat-alat pengujian kincir angin Gambar 4.1

Hubungan putaran poros kincir dengan beban torsi pada variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

Gambar 4.2

Hubungan antara daya output dengan beban torsi pada variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

Gambar 4.3

Hubungan antara koefisien daya (C p ) dengan tip speed ratio (tsr) pada variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

Gambar 4.4

Hubungan putaran poros dengan beban torsi pada variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

Gambar 4.5

Hubungan antara daya output dan torsi untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

xiii


Gambar 4.6

Hubungan antara C p dan tsr untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

Gambar 4.7

Hubungan putaran poros dengan beban torsi pada variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

Gambar 4.8

Hubungan antara daya output dan torsi untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

Gambar 4.9

Hubungan antara C p dan tsr untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

Gambar 4.10 Hubungan putaran poros dengan beban torsi pada variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.11 Hubungan antara daya output dan torsi untuk variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.12 Hubungan antara C p dan tsr untuk variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm Gambar 4.13 Hubungan koefisien daya (C p ) dan tip speed ratio (tsr) untuk empat variasi lapisan sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm Gambar L.1

Sudu kincir tanpa lapisan

Gambar L.2

Sudu kincir variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapis pelat aluminium pada bagian belakang sudu

Gambar L.3

Kincir angin propeler tanpa lapisan

xiv


Gambar L.4

Kincir angin propeler variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapis pelat aluminium pada bagian belakang sudu

Gambar L.5

Kincir angin propeler variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu

Gambar L.6

Proses pembuatan sudu kincir

xv


DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Data penelitian kincir dengan variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.2. Data penelitian kincir dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan tanpa lapisan dibagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.3 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan pelat aluminium dibagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.4 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan anyaman bambu dibagian depan dan lapisan pelat aluminium dibagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.5 Data pendukung perhitungan Tabel 4.6 Hasil perhitungan kincir angin variasi tanpa lapisan dengan sudut patahan 10ºdan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.7 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium dibagian depan dan tanpa lapisan dibagian belakang sudu dengan sudut patahan 10°dan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.8 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium dibagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm Tabel 4.9 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan anyaman bambu dibagian depan dan lapisan pelat aluminium dibagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

xvi


DAFTAR SIMBOL

Simbol

Keterangan

T

Torsi (N.m)

F

Gaya pengimbang (N)

𝑙

Jarak lengan torsi ke poros (m)

𝑚

Massa (kg)

𝐸𝑘

Energi kinetik (joule)

𝑣

Kecepatan angin (m/s)

P in

Daya angin (watt)

ṁ

Massa udara yang mengalir dalam

𝜌

Massa jenis udara (kg/m³)

waktu tertentu (kg/s)

𝐴

Luas penampang yang membentuk

𝑃𝑜𝑢𝑡

Daya yang dihasilkan kincir angin

𝜔

Kecepatan sudut (rad/s)

𝑣𝑡

Kecepatan ujung sudu

sebuah lingkaran (m2)

(watt)

𝑛

Putaran poros (rpm)

tsr

Tip speed ratio

𝑟kincir

Jari-jari kincir (m)

𝐶𝑝

Koefisien daya (%)

xvii


1

BAB I PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang Seiring dengan perkembangan zaman yang terus meningkat, kebutuhan akan

energi juga semakin meningkat, sehingga energi merupakan suatu unsur yang sangat penting dalam pengembangan suatu negara atau suatu daerah. Oleh karenanya pemanfaatan energi secara tepat guna akan menjadi suatu cara yang ampuh dalam perkembangan zaman tersebut. Gas alam diprediksi para ahli akan habis lebih kurang 100 tahun lagi, sedangkan cadangan batu bara akan habis lebih kurang 200 sampai 300 tahun yang akan datang. Kondisi ini sangat mengkhawatirkan terutama bagi kelangsungan kehidupan manusia (Nursuhud dan Pudjanarsa, 2008). Pemanfaatan energi pada masa sekarang ini sudah diarahkan pada penggunaan energi terbarukan yang ada di alam. Misalnya energi air, energi angin, energi matahari, panas bumi, dan nuklir. Hal ini karena energi terbarukan cukup mudah didapat dan bisa didaur ulang bila dibandingkan dengan energi fosil seperti minyak bumi dan batu bara. Pemanfaatan energi angin merupakan pemanfaatan energi terbarukan paling berkembang sekarang. Amerika Serikat, Spanyol dan China merupakan negaranegara terdepan dalam pemanfaatan energi angin baik secara teknologi maupun ilmu pengetahuan.

1


2

Indonesia sebagai negara kepulauan yang dua per tiga wilayahnya adalah lautan dan mempunyai garis pantai terpanjang kedua di dunia yaitu ± 80.791,42 km merupakan wilayah potensial untuk pengembangan pembangkit listrik tenaga angin., demikian juga potensi kecepatan angin yang dimiliki berkisar 5-8 m/s. (Tri, 2014) (Winda, 2014). Energi listrik dapat dihasilkan dengan bantuan sebuah alat. Alat yang digunakan untuk menunjang terjadinya energi terbarukan dari alam terutama angin adalah kincir angin. Energi angin yang memutar sudu-sudu kincir angin akan menggerakkan generator yang nantinya akan menghasilkan energi listrik. Pada penelitian untuk bahan tugas akhir ini penulis mengambil topik tentang kincir angin poros horisontal tipe propeler dari bahan dasar kayu triplek. Penulis menggunakan pelat aluminium dan anyaman bambu sebagai variasi permukaan sudu. Bahan-bahan lokal sengaja dipilih karena cukup ekonomis dan mudah didapat.

1.2

Perumusan Masalah Berdasarkan uraian di atas maka masalah-masalah yang ingin diteliti dalam

tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Indonesia memiliki wilayah yang potensial untuk memanfaatkan energi angin. 2. Energi angin dapat dimanfaatkan untuk menggerakan sebuah kincir angin untuk pembangkit listrik.


3

3. Sebuah kincir angin dapat dibangun dari bahan baku lokal dan ekonomis. 4.

Unjuk kerja dari kincir angin dipengaruhi oleh bentuk sudu yang dapat diperoleh dari penelitian.

1.3

Batasan Masalah Pembuatan kincir angin dengan memperhatikan batasan-batasan sebagai

berikut : 1. Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin poros horisontal dengan jumlah sudu tiga dan mengunakan bahan dasar kayu triplek, dengan sudut patahan sudu 10°. 2. Ukuran kincir angin sudah ditetapkan yakni berdiameter 80 cm dan lebar sudu 10,5 cm. 3. Variasi yang diambil adalah lapisan permukaan sudu yaitu sudu tanpa lapisan, lapisan pelat aluminium di bagian depan sudu, lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu, lapisan anyaman bambu di bagian depan dan lapis pelat aluminium di bagian belakang sudu. 4. Pengujian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin (wind tunnel) di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma. 5. Data yang diambil pada saat penelitian adalah kecepatan angin, putaran poros kincir, dan gaya pengimbang torsi.


4

1.4

Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Membuat model kincir angin propeler dengan tiga sudu datar yang terbuat dari bahan triplek dengan empat variasi lapisan sudu yaitu tanpa lapisan, lapisan pelat aluminium di bagian depan sudu, lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu, lapisan anyaman bambu dibagian depan dan lapisan pelat aluminium di bagian belakang sudu. 2. Mengetahui unjuk kerja dari setiap variasi kincir angin yang diteliti. 3. Mendapatkan nilai C p terbaik dari salah satu variasi lapisan permukaan sudu model kincir angin yang diteliti.

1.5

Manfaat Penelitian Manfaat pembuatan kincir angin adalah sebagai berikut : 1. Mengembangkan pengetahuan mengenai energi terbarukan khususnya energi angin dan pemanfaatannya. 2. Menawarkan sebuah alternatif pemanfaatan sumber energi terbarukan dengan memakai kincir angin yang lebih ramah lingkungan. 3. Memperluas dan menambah pengetahuan tentang pembuatan kincir angin dengan bahan triplek, aluminium dan anyaman bambu. 4. Memacu pengembangan energi angin dengan bahan yang sederhana dan murah.


5

BAB II DASAR TEORI

2.1

Landasan Teori Angin merupakan udara yang berhembus dari daerah yang bersuhu rendah

ke daerah yang bersuhu tinggi akibat adanya perbedaan tekanan udara. Angin yang bertiup di permukaan bumi ini terjadi akibat adanya perbedaan penerimaan radiasi surya, sehingga mengakibatkan perbedaan suhu udara. Adanya perbedaaan suhu tersebut meyebabkan perbedaan tekanan, akhirnya menimbulkan gerakan udara. (Simbolon, 2012). Turbin angin atau kincir angin adalah alat yang digunakan untuk mengkonversi tenaga angin menjadi tenaga listrik. Cara kerjanya cukup sederhana, energi angin yang memutar kincir angin, diteruskan untuk memutar rotor pada generator, sehingga akan menghasilkan energi listrik. Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dibedakan menjadi dua kelompok utama, yaitu : kincir angin poros horisontal dan kincir angin poros vertikal. 2.1.1 Kincir Angin Poros Horisontal Kincir angin poros horisontal atau Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah angin. Kincir ini terdiri dari sebuah menara sedangkan kincir berada pada puncak menara tersebut. Poros kincir dapat berputar 3600 terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin. Beberapa jenis kincir angin horisontal yang sudah umum dikenal, dapat dilihat pada Gambar 2.1 dan Gambar 2.2.

5


6

Gambar 2.1 Kincir Angin American Windmill (Sumber : www.satuenergi.com, diakses 8 Maret 2016)

Gambar 2.2 Kincir Angin Dutch Four Arm (Sumber : kompetiblog2013.wordpress.com, diakses 8 Maret 2016)


7

Kelebihan kincir angin sumbu horisontal diantaranya adalah : a. Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat. b. Mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi. c. Memberikan kinerja yang lebih baik pada produksi energi dibandingkan dengan turbin angin dengan sumbu vertikal. Kincir angin sumbu horisontal juga memiliki kekurangan, yaitu : a. Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkut sehingga membutuhkan derek yang sangat tinggi dan mahal serta para operator yang terampil. b. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator. c. Memerlukan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk membelokkan kincir kearah angin. 2.1.2 Kincir Angin Poros Vertikal Kincir angin poros vertikal atau Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) memiliki poros atau sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah kincir tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. Kincir ini mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah. Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Beberapa jenis kincir angin horisontal yang sudah umum dikenal dan dikembangkan, dapat dilihat pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4.


8

Gambar 2.3 Kincir Angin Savonius (Sumber : www.newenergi.blogspot.co.id, diakses 8 Maret 2016)

Gambar 2.4 Kincir Angin Darrieus (Sumber : www.commons.m.wikimedia.org, diakses 8 Maret 2016)


9

Kelebihan kincir angin sumbu vertikal di antaranya adalah : a. Menerima angin dari segala arah. b. Komponen-komponennya dapat dipasang dekat dengan permukaan tanah. c. Mudah dirawat dan diperbaiki menara lebih ringan. d. Secara teoritis menggunakan sedikit material. Kincir angin sumbu vertikal juga memiliki kekurangan, yaitu : a. Karena umum dipasang di dekat dengan permukaan tanah maka kualitas angin yang didapat kurang bagus. b. Gaya sentrifugal membuat sudu-sudu mengalami tegangan. c. Kurang mampu mengawali putaran sendiri. d. Keseluruhan rotor harus dilepas untuk penggantian bantalan. e. Performa dan keandalannya kurang bagus.

2.2

Rumus-rumus Perhitungan Rumus-rumus yang digunakan dalam melakukan perhitungan dan analisa

dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 2.2.1 Torsi Kincir Angin Torsi adalah momen putar yang bekerja pada poros yang dihasilkan oleh gaya dorong pada sumbu kincir, dimana gaya dorong ini memiliki jarak terhadap sumbu poros yang berputar, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut : 𝑇=𝐹𝑙

(1)


10

Dengan, 𝑇 adalah torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros (Nm), 𝐹 adalah gaya pada poros akibat puntiran (N), 𝑙 adalah jarak lengan torsi ke poros (m). 2.2.2 Daya Angin Energi yang terdapat pada angin merupakan energi kinetik, sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut : 𝐸𝑘 = 0,5 𝑚 𝑣 2

(2)

dengan, 𝐸𝑘 adalah energi kinetik (joule), 𝑚 adalah massa (kg),

𝑣 adalah kecepatan angin (m/s).

Daya adalah energi per satuan waktu, sehingga dapat dituliskan sebagai berikut : 𝑃𝑖𝑛 = 0,5 ṁ 𝑣 2

(3)

dengan, 𝑃𝑖𝑛 adalah daya angin (watt)

ṁ adalah massa udara yang mengalir dalam waktu tertentu (kg/s)

yang dalam hal ini :

ṁ=𝜌𝐴𝑣

(4)

dengan, 𝜌 adalah massa jenis udara (kg/m3),

𝐴 adalah luas penampang yang membentuk sebuah lingkaran (m2).

Dengan menggunakan persamaan (4), maka daya angin (𝑃𝑖𝑛 ) dapat

dirumuskan menjadi :

𝑃𝑖𝑛 = 0,5 (𝜌 𝐴 𝑣 )𝑣 2

yang dapat di sederhanakan menjadi :


11

2.2.3 Daya Kincir Angin

𝑃𝑖𝑛 = 0,5 𝜌 𝐴 𝑣 3

(5)

Daya kincir angin adalah daya yang dibangkitkan oleh rotor kincir angin akibat mendapatkan daya dari hembusan angin. Daya yang dihasilkan dapat di hitung dengan rumus : 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇 𝜔

(6)

dengan, 𝑃𝑜𝑢𝑡 adalah daya yang dihasilkan kincir angin (watt), 𝑇 adalah torsi dinamis (Nm),

𝜔 adalah kecepatan sudut (rad/s), yang didapatkan dari 𝜔 = 𝑛 rpm

putaran menit 2 𝜋 𝑛 rad = 60 s 𝑛𝜋 = rad/s 30 =𝑛

(7)

dengan, 𝑛 adalah putaran poros (rpm).

2.2.4 Tip Speed Ratio

Tip speed ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan linier ujung sudu kincir angin terhadap kecepatan angin. Kecepatan diujung sudu (𝑣𝑡 ) dapat dirumuskan sebagai berikut :

𝑣𝑡 = 𝜔 𝑟

dengan, 𝑣𝑡 adalah kecepatan ujung sudu,

𝜔 adalah kecepatan sudut (rad/s), 𝑟 adalah jari-jari kincir (m).

Dengan demikian tip speed ratio dapat dirumuskan menjadi :


12

𝑡𝑠𝑟 =

𝜔 𝑟kincir 𝑣

(8)

dengan, 𝜔 adalah kecepatan sudut (rad/s), 𝑟𝑘𝑖𝑛𝑐𝑖𝑟 adalah jari-jari kincir (m), 𝑣 adalah kecepatan angin (m/s).

2.2.5 Koefisiensi Daya (𝑪𝒑 )

Koefisien daya (𝐶𝑝 ) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh

kincir (𝑃𝑜𝑢𝑡 ) dengan daya yang disediakan oleh angin (𝑃𝑖𝑛 ), sehingga dapat

dirumuskan sebagai berikut :

𝐶𝑝 =

dengan, 𝐶𝑝 adalah koefisien daya (%),

𝑃𝑜𝑢𝑡 100% 𝑃𝑖𝑛

(9)

𝑃𝑜𝑢𝑡 adalah daya yang dihasilkan oleh kincir (watt),

𝑃𝑖𝑛 adalah daya yang disediakan oleh angin (watt). 2.3

Hubungan antara Koefisien Daya dengan Tip Speed Ratio Tip speed ratio mempengaruhi besarnya koefisien daya. Hubungan ini

digambarkan sebagai berikut : 1. Koefisien daya bergantung pada ujung sudu. 2. Ditandai dengan kurva koefisien daya berbanding dengan perbandingan kurva tip speed ratio.


13

Grafik batas Betz (betz limit diperkenalkan oleh ilmuan Jerman, Albert Betz) berikut akan menunjukan hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio dari berbagai jenis kincir angin yang dapat dilihat pada Gambar 2.5.

American Multiblade

Gambar 2.5 Grafik hubungan C p dengan tsr untuk berbagai tipe kincir angin (Sumber : Johnson, 2006, diakses 8 Maret 2016)


14

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Metode Penelitian Dalam penelitian ini data yang diperlukan dapat diperoleh melalui beberapa metode yaitu : 1. Penelitian Kepustakaan (Library Research) Penelitian kepustakaan dilakukan dengan membaca literatur-literatur yang berhubungan dengan penulisan tugas akhir ini serta dapat dipertanggungjawabkan kebenarannya. 2. Pembuatan Alat Pembuatan model kincir angin propeler dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma. Kincir angin yang sudah jadi dipasang pada wind tunnel yang dilengkapi dengan blower dan motor listrik sebagai sumber tenaga untuk menghasilkan tenaga angin untuk memutar kincir. 3. Pengamatan Secara Langsung (Observasi) Metode observasi ini dilakukan dengan mengamati secara langsung terhadap objek yang diteliti yaitu model kincir angin propeler pada wind tunnel.

14


15

3.2

Peralatan Pengujian Peralatan yang digunakan untuk mendukung kinerja dari model kincir angin

propeler ini antara lain adalah : 1. Hub Hub adalah komponen yang berfungsi untuk pemasangan sudu dan juga untuk mengatur kemiringan sudu. Hub yang digunakan berbentuk prisma segi tiga dengan luas setiap sisinya adalah p x l = 10 cm x 8 cm. Hub ini memiliki tiga buah klem untuk menjepit sudu. Gambar hub yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada Gambar 3.1. 2. Terowongan angin (wind tunnel) Terowongan angin (wind tunnel) adalah sebuah lorong angin dengan tinggi 1,2 m, lebar 1,2 m, dan panjang 2,4 m. Gambar 3.2 menunjukan bentuk dari terowongan angin. Terowongan angin ini berfungsi sebagai tempat angin bergerak dengan kecepatan tertentu dan juga sebagai tempat pengujian kincir angin. Terowongan angin ini dapat diatur kecepatan anginnya dengan cara mengatur jarak antara wind tunnel dengan fan blower sesuai keinginan, dengan cara menarik fan blower mengunakan troli.


16

Gambar 3.1 Hub yang digunakan dalam penelitian

Gambar 3.2 Terowongan angin tempat pengujian kincir


17

3. Fan blower Fan blower

berfungsi

untuk

menghisap

udara yang

akan

disalurkan ke wind tunnel, dengan daya penggerak motor 5,5 kW. Gambar 3.3 akan menunjukan bentuk dari fan blower.

Gambar 3.3 Fan blower 4. Anemometer Anemometer berfungsi untuk mengukur kecepatan angin, dan juga digunakan untuk mengukur suhu angin di sekitar lingkungan. Gambar 3.4 menunjukan bentuk dari anemometer. 5. Tachometer Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan putaran poros kincir yang dinyatakan dalam satuan rpm (revolutions per minute). Jenis tachometer yang digunakan adalah digital light tachometer, cara kerjanya cukup sederhana meliputi 3 bagian, yaitu


18

sensor, pengolah data dan penampil. Gambar 3.5 menunjukan bentuk dari tachometer.

Gambar 3.4 Anemometer untuk mengukur kecepatan angin

Gambar 3.5 Tachometer untuk mengukur kecepatan putaran poros kincir


19

6. Neraca pegas Neraca pegas digunakan untuk mengetahui beban pengereman pada kincir pada saat kincir angin berputar. Neraca pegas ini diletakan pada bagian sistem pengereman dan dihubungkan dengan kopling dengan jarak yang telah disesuaikan. Gambar 3.6 menunjukan bentuk dari neraca pegas.

Gambar 3.6 Neraca pegas 7. Mekanisme pengereman Mekanisme

pengereman

ini

berfungsi

sebagai

beban

pada

perputaran kincir, yang dimana kincir diberi beban berupa karet pada sistem pengereman tersebut untuk mengetahui besarnya torsi dan kecepatan putaran kincir angin. Gambar 3.7 menunjukan bentuk dari mekanisme pengereman.


20

Gambar 3.7 Mekanisme pengereman

3.3

Prosedur Penelitian Langkah-langkah dalam pembuatan kincir angin untuk penelitian ini adalah

sebagai berikut : 1. Menyiapkan bahan-bahan pembuatan kincir angin Bahan-bahan yang diperlukan dalam pembuatan kincir angin ini adalah : a. Papan triplek (plywood) Papan triplek atau plywood digunakan sebagai bahan utama dalam pembuatan sudu kincir. Papan triplek yang digunakan memiliki ketebalan 8 mm. b. Pelat aluminium Pelat aluminium digunakan untuk melapisi permukaan sudu kincir. Pelat yang digunakan memiliki ketebalan 0,3 mm.


21

c. Anyaman bambu Anyaman bambu digunakan sebagai bahan lapisan permukaan sudu kincir. d. Kawat Kawat digunakan untuk mengikat kedua segmen sudu kincir. e. Serbuk kayu halus Serbuk kayu halus digunakan untuk mingisi celah yang kosong diantara kedua segmen sudu kincir. f. Bahan perekat Bahan perekat yang digunakan adalah lem G dan lem fox. 2. Menyiapkan alat-alat pembuatan kincir angin Alat-alat yang digunakan dalam pembuatan kincir angin meliputi : a. Mesin bor b. Mata bor 10 mm c. Mesin gerinda d. Alat tekuk pelat e. Gergaji kayu f. Gunting seng g. Tang h. Palu i. Amplas j. Mal atau cetakan sudu dengan sudut 10°


22

3. Pembuatan kincir Berikut ini adalah proses pembuatan kincir angin : 1. Menyiapkan papan triplek sebagai bahan dasar pembuatan kincir. 2. Menggambar pola pada papan triplek sesuai ukuran yang diinginkan. 3. Memotong pola sesuai dengan pola yang dibuat sebelumnya dengan menggunakan gergaji kayu. 4. Pola yang sudah dipotong yaitu kedua segmen sudu, di beri lubang dengan diameter 10 mm pada tepi bagian dalam sudu sebagai tempat untuk mengikat kedua segmen sudu dengan kawat. 5. Setelah diikat dengan kawat sudu kincir di letakkan pada mal atau cetakan agar sudu membentuk sudut 10°, lalu sudu diikat pada mal sehingga hasilnya lebih presisi. 6. Setelah diikat dengan kawat celah antara dua segmen sudu ditaburi serbuk kayu halus lalu diratakan. 7. Setelah diratakan serbuk kayu tadi ditetesi lem G dan tunggu hingga mengering. 8. Sudu dengan variasi pertama pun jadi, yaitu sudu kincir angin triplek tanpa lapisan. Desain sudu kincir digambarkan pada Gambar 3.8 dan Gambar 3.9.


23

350 mm

30 mm

105 mm

45 mm

8 mm

300 mm 10°

Gambar 3.8 Desain sudu kincir yang diamati dalam penelitian

Gambar 3.9 Bentuk sudu kincir yang diamati dalam penelitian


24

9. Langkah selanjutnya membuat variasi lapisan sudu kincir lainnya. Pembuatan kincir mengikuti langkah sebelumnya namun yang membedakan di bagian akhir proses pembuatan. Sudu kincir diberi lem fox untuk merekatkan kincir dengan bahan lapisan yaitu pelat aluminium di bagian depan sudu, untuk variasi kedua dilapisi pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu, untuk variasi ketiga dilapisi anyaman bambu dibagian depan dan dilapisi pelat aluminium dibagian belakang sudu. 10. Setelah lem mengering dan lapisan merekat dengan sempurna, langkah

selanjutnya

yaitu

menghaluskan

tepi

sudu

kincir

menggunakan mesin gerinda. 11. Sudu dengan empat veriasi lapisan pun sudah jadi.

3.4

Variabel Penelitian Beberapa variabel penelitian yang harus ditentukan sebelum melakukan

penelitian adalah sebagai berikut : 1. Variasi kecepatan angin dalam penelitian ini adalah: 8-9 m/s. 2. Variasi lapisan permukaan sudu kincir yaitu tanpa lapisan, lapisan pelat aluminium hanya pada bagian depan sudu, lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu, dan lapisan anyaman bambu pada bagian depan sudu dan lapisan pelat aluminium di bagian belakang sudu.


25

3.5

Variabel yang diukur Variabel yang akan diukur adalah sebagai berikut : 1. Kecepatan angin (v) 2. Gaya pengimbang (F) 3. Putaran poros kincir (n)

3.6

Parameter yang dihitung Untuk

mendapatkan

karakteristik

yang

didapat

dalam

penelitian

menggunakan parameter sebagai berikut : 1. Daya kincir (𝑃𝑜𝑢𝑡 )

2. Daya angin (𝑃𝑖𝑛 )

3. Koefisien daya (Cp) 4. Tip Speed Ratio (tsr)

3.7

Pengujian dan Pengambilan Data Langkah pertama pengujian adalah memasang kincir angin variasi pertama

di dalam terowongan angin dengan cara menghubungkan poros penghubung kincir dengan mekanisme pengereman yang terletak di bagian depan terowongan angin. Setelah semua terpasang, fan blower dihidupkan untuk menghembuskan angin pada terowongan angin. Proses pengambilan data mulai dilakukan ketika putaran kincir sudah stabil. Parameter yang divariasikan adalah beban yang diberikan pada mekanisme pengereman. Gaya tangensial akibat aksi pengereman diatur besarnya dengan


26

menggunakan neraca pegas. Pada neraca pegas dipasang tali yang dihubungkan dengan sistem pembebanan, dengan demikian beban torsi yang diberikan pada poros kincir dapat diukur besarnya. Putaran poros kincir diukur dengan menggunakan tachomter sedangkan kecepatan angin diukur dengan menggunakan anemometer yang dipasang sekitar 1 meter di depan rotor kincir. Dalam satu siklus pengujian selalu diawali dari tanpa beban atau tanpa pengereman. Beban pengereman menggunakan karet yang ditambahkan secara berkala sampai kincir berhenti berputar. Untuk satu model variasi lapisan kincir dilakukan tiga kali pengembalian data. Proses pengujian dan pengambilan data kincir angin dilakukan sebanyak empat kali karena jumlah variasi lapisan sudu ada empat variasi lapisan, yaitu sudu tanpa lapisan, dilapisi pelat aluminium hanya di bagian depan sudu, dilapisi pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu, dilapisi anyaman bambu dibagian depan dan pelat aluminium di bagian belakang sudu. Skema susunan alat-alat pengujian dan pengambilan data dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 3.10.


27

Gambar 3.10 Skema alat-alat pengujian kincir angin

3.8

Pengolahan Data dan Pembahasan Hasil Penelitian Pengolahan data dilakukan dengan mengolah data yang diperoleh lalu

dirata-rata dengan menggunakan program Microsoft Excel. Data yang dicari yaitu: 1. Data dari beban neraca pegas dapat digunakan untuk mencari beban torsi dengan menggunakan persamaan (1). 2. Dari data kecepatan angin dan luasan kincir angin didapatkan daya angin (P in ) dengan menggunakan persamaan (5). 3. Data putaran poros dan torsi dapat digunakan untuk mencari daya yang dihasilkan kincir angin (P out ) dengan menggunakan persamaan (6). 4. Perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir (𝜔) dengan kecepatan angin maka dapat diperoleh tip speed ratio (tsr) dengan menggunakan persamaan (8).


28

5. Dengan membandingkan antara daya yang dihasilkan oleh kincir (P out ) dengan daya yang disediakan oleh angin (P in ) maka koefisien daya (C p ) dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (9). 6. Diagram hubungan antara beban torsi dan rpm. 7. Diagram hubungan antara beban torsi dan P out . 8. Diagram hubungan antara C p dan tsr.


29

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1

Data Hasil Penelitian Data hasil pengujian kincir angin meliputi putaran poros kincir (rpm), gaya

pengimbang (N)

dan kecepatan angin (m/s), dengan variasi lapisan sudu yaitu

tanpa lapisan, lapisan pelat aluminium di bagian depan sudu, lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu, dan lapis anyaman bambu di bagian depan dan lapis pelat aluminium di bagian belakang sudu. Data yang diperoleh dapat dilihat pada Tabel 4.1, Tabel 4.2, Tabel 4.3 dan Tabel 4.4. Tabel 4.1 Data penelitian kincir dengan variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm No

Gaya pengimbang F (N)

1

0

2

0,29

3

0,59

4

0,88

5

1,18

6

1,37

7

1,67

Siklus

Putaran kincir n (rpm)

Kecepatan angin v (m/s)

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2

782 772 765 721 723 736 717 694 689 677 653 647 601 616 611 576 551 593 529 542

8,55 8,84 8,75 8,74 8,60 8,63 8,60 8,45 8,50 8,54 8,42 8,30 8,18 8,43 8,50 8,48 8,45 8,50 8,73 8,71

29


30

Tabel 4.1 Data penelitian kincir dengan variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm (Lanjutan) No

8


1,96

Siklus



3 1 2 3

544 449 417 372

8,70 8,91 8,88 8,67

Tabel 4.2 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan tanpa lapisan di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm No


1

0

2

0,29

3

0,49

4

0,78

5

1,08

6

1,28

7

1,47

8

1,67

9

1,86

Siklus



1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

790 799 806 753 770 769 747 746 752 662 658 672 637 636 609 548 549 541 520 522 533 450 452 448 406 350 375

8,60 8,03 8,63 8,84 8,77 8,68 8,75 8,74 8,73 8,80 8,78 8,79 8,89 9,09 8,95 8,71 8,60 8,71 8,80 8,85 8,92 8,75 8,78 8,88 9,32 8,72 8,97


31

Tabel 4.2 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan tanpa lapisan di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm (Lanjutan) No


Siklus



10

2,06

1 2 3

334 335 328

8,79 9,04 8,76

Tabel 4.3 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm No


1

0

2

0,29

3

0,78

4

0,98

5

1,18

6

1,37

7

1,57

8

1,77

9

1,96

Siklus



1 2 3 1 2 3 1 2 3

991 960 980 874 900 930 823 825 836

8,71 8,13 8,65 8,11 8,75 8,18 8,71 8,68 8,44

1

782

8,71

2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

807 803 759 760 752 712 719 731 690 694 699 653 648 639 615 600 606

8,83 8,59 8,73 8,45 8,85 8,72 8,18 8,43 8,50 8,18 8,80 8,87 8,65 8,74 8,81 8,62 8,73


32

Tabel 4.3 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm (Lanjutan) No


10

2,16

11

2,35

12

2,45

Siklus



1 2 3 1 2 3 1 2 3

562 557 563 517 535 542 499 489 491

8,93 8,74 8,85 8,65 8,61 8,74 8,79 8,76 8,65

Tabel 4.4 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan anyaman bambu di bagian depan dan lapisan pelat aluminium di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm No


1

0

2

0,29

3

0,49

4

0,78

5

1,98

6

1,28

7

1,47

Siklus



1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

788 790 791 736 761 751 728 716 731 687 689 697 664 660 660 592 596 579 555 560 565

8,66 8,53 8,66 8,37 8,81 8,51 8,88 8,84 8,79 8,66 8,16 8,49 8,57 8,54 8,72 8,43 8,57 8,54 8,79 8,53 8,45


33

Tabel 4.4 Data penelitian kincir dengan variasi lapisan anyaman bambu di bagian depan dan lapisan pelat aluminium di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm (Lanjutan) No

4.2


8

1,67

9

1,86

Siklus



1 2 3 1 2 3

528 535 541 450 451 443

8,63 8,51 8,62 8,89 8,65 8,84

Perhitungan Langkah-langkah perhitungan dapat dilihat pada contoh sampel yang di

ambil dari Tabel 4.1 variasi sudu tanpa lapisan pada pembebanan kedua dan siklus percobaan pertama, dengan data pendukung yang dapat dilihat pada Tabel 4.5. Diameter kincir Panjang lengan torsi

(𝐷) (𝑙)

0,8 m 0,2 m

Densitas udara Swept area Jari-jari kincir

(𝜌)

1,18 kg/m3 0,503 m2 0,4 m

(𝐴) (𝑟kincir )

Tabel 4.5 Data pendukung perhitungan 4.2.1 Torsi Kincir Dari data yang diperoleh, besaran gaya pengimbang dalam satuan Newton (F) adalah 0,29 N dan jarak lengan torsi ke poros (𝑙) sebesar 0,2 m. Nilai torsi yang dihasilkan kincir dapat dicari dengan menggunakan persamaan (1).


34

𝑇=𝐹𝑟

= 0,29 × 0,2 = 0,06 Nm

Jadi, nilai torsi yang dihasilkan kincir adalah sebesar 0,06 Nm. 4.2.2 Daya Angin Daya angin (P in ) yang dihasilkan pada kincir dengan kecepatan angin 8,74 m/s, dapat dicari dengan menggunakan persamaan (5). 𝑃𝑖𝑛 = 0,5 𝜌𝐴𝑣 3

= 0,5 × 1,18 × 0,503 × (8,74)3 = 197,99 watt

Jadi, daya angin yang dihasilkan adalah sebesar 197,99 watt. 4.2.3 Daya Kincir Daya yang dihasilkan oleh kincir angin (P out ) dapat dicari dengan menggunakan persamaan (6), namun sebelumnya harus diketahui terlebih dahulu kecepatan sudut (𝜔), sehinggga perlu dicari terlebih dahulu menggunakan persamaan (7). 𝜔= =

𝑛𝜋 rad/s 30

721 𝜋 rad/s 30

= 75,5 rad/s


35

𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇 𝜔

= 0,06 × 75,5 = 4,44 watt

Jadi, nilai kecepatan sudut yang dihasilkan kincir adalah sebesar 75,5 rad/s, dan nilai dari daya kincir adalah sebesar 4,44 watt. 4.2.4 Tip Speed Ratio Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan di ujung kincir terhadap kecepatan angin atau tip speed ratio dapat dicari dengan menggunakan persamaan (8). 𝑡𝑠𝑟 =

𝜔 𝑟kincir 𝑣

=

75,5 × 0,4 8,74

= 3,46

Jadi, nilai tip speed ratio yang diperoleh adalah sebesar 3,46. 4.2.5 Koefisien Daya Kincir Koefisien daya kincir (C p ) dapat dicari dengan menggunakan persamaan (9). 𝐶𝑝 = =

𝑃𝑜𝑢𝑡 100% 𝑃𝑖𝑛

4,44 100% 197,99

= 2,24%

Jadi, nilai koefisien daya kincir yang diperoleh adalah sebesar 2,24%.


36

4.3

Data Hasil Perhitungan Parameter yang diperoleh dari penelitian diolah dan dirata-rata dengan

menggunakan program Microsoft Excell. Hasil perhitungan masing-masing variasi lapisan sudu kincir dapat dilihat pada Tabel 4.6 sampai dengan Tabel 4.9. Tabel 4.6 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi tanpa lapisan dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

No

Kec.

Gaya

Putaran

Angin

pengimbang

kincir

Torsi (T)

Kec.

Daya

Daya

Sudut

angin

kincir tsr

Cp

ω

P in

P out

Nm

rad/s

watt

watt

773,00

0

80,95

196,19

0

3,72

0

0,29

726,67

0,06

76,10

192,38

4,48

3,52

2,33

8,52

0,59

700,00

0,12

73,30

183,20

8,63

3,44

4,71

4

8,42

0,88

659,00

0,18

69,01

177,03

12,19

3,28

6,88

5

8,37

1,18

609,33

0,24

63,81

173,90

15,02

3,05

8,64

6

8,48

1,37

573,33

0,27

60,04

180,63

16,49

2,83

9,13

7

8,71

1,67

538,33

0,33

56,37

196,19

18,80

2,59

9,58

8

8,82

1,96

412,67

0,39

43,21

203,48

16,96

1,96

8,33

(v)

(F)

(n)

m/s

N

Rpm

1

8,71

0

2

8,66

3

(%)

Tabel 4.7 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan tanpa lapisan di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm Kec.

Gaya

Putaran

Kec.

Daya

Daya

Angin

pengimbang

kincir

Sudut

angin

kincir

(v)

(F)

(n)

ω

P in

P out

m/s

N

Rpm

Nm

rad/s

watt

watt

1

8,42

0

798,33

0

83,60

177,03

0

3,97

0

2

8,76

0,29

764,00

0,06

80,01

199,58

4,71

3,65

2,36

3

8,74

0,49

748,33

0,10

78,37

197,99

7,69

3,59

3,88

4

8,79

0,78

664,00

0,16

69,53

201,41

10,91

3,16

5,42

5

8,98

1,08

627,33

0,22

65,69

214,52

14,18

2,93

6,61

6

8,67

1,28

546,00

0,26

57,18

193,50

14,58

2,64

7,54

No

Torsi (T)

tsr

Cp (%)


37

Tabel 4.7 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan tanpa lapisan di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm (Lanjutan)

No

Kec.

Gaya

Putaran

Angin

pengimbang

kincir

Torsi (T)

Kec.

Daya

Daya

Sudut

angin

kincir tsr

Cp

ω

P in

P out

Nm

rad/s

watt

watt

525,00

0,29

54,98

206,03

16,18

2,48

7,85

1,67

450,00

0,33

47,12

200,50

15,72

2,15

7,84

9,00

1,86

377,00

0,37

39,48

216,44

14,72

1,75

6,80

8,86

2,06

332,33

0,41

34,80

206,49

14,34

1,57

6,94

(v)

(F)

(n)

m/s

N

Rpm

7

8,86

1,47

8

8,78

9 10

(%)

Tabel 4.8 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm Kec.

Gaya

Putaran

Kec.

Daya

Daya

Angin

pengimbang

kincir

Sudut

angin

kincir

(v)

(F)

(n)

ω

P in

P out

m/s

N

rpm

Nm

rad/s

watt

watt

1

8,50

0

977,00

0

102,31

181,91

0

4,82

0

2

8,35

0,29

901,33

0,06

94,39

172,45

5,56

4,52

3,22

3 4

8,61

0,78

828,00

0,16

86,71

189,29

13,61

4,03

7,19

8,71

0,98

797,33

0,20

83,50

195,96

16,38

3,83

8,36

5

8,68

1,18

757,00

0,24

79,27

193,72

18,66

3,65

9,63

6

8,44

1,37

720,67

0,27

75,47

178,51

20,73

3,58

11,61

7

8,49

1,57

694,33

0,31

72,71

181,70

22,83

3,42

12,56

8

8,75

1,77

646,67

0,35

67,72

198,90

23,92

3,09

12,02

9

8,72

1,96

607,00

0,39

63,56

196,64

24,94

2,92

12,68

10

8,84

2,16

560,67

0,43

58,71

204,87

25,34

2,66

12,37

11

8,67

2,35

531,33

0,47

55,64

193,05

26,20

2,57

13,57

12

8,73

2,45

493,00

0,49

51,63

197,54

25,32

2,36

12,82

No

Torsi (T)

tsr

Cp (%)


38

Tabel 4.9 Hasil perhitungan kincir angin dengan variasi lapisan anyaman bambu di bagian depan dan lapisan pelat aluminium di bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm Kec.

Gaya

Putaran

Kec.

Daya

Daya

Angin

pengimbang

kincir

Sudut

angin

kincir

(v)

(F)

(n)

ω

P in

P out

m/s

N

rpm

Nm

rad/s

watt

watt

1

8,62

0

789,67

0

82,69

189,73

0

3,84

0

2

8,56

0,29

749,33

0,06

78,47

186,23

4,62

3,67

2,48

3

8,84

0,49

725,00

0,10

75,92

204,64

7,45

3,44

3,64

4

8,44

0,78

691,00

0,16

72,36

178,09

11,36

3,43

6,38

5

8,61

0,98

661,33

0,20

69,25

189,29

13,59

3,22

7,18

6

8,51

1,28

589,00

0,26

61,68

182,99

15,73

2,90

8,60

7

8,59

1,47

560,00

0,29

58,64

187,97

17,26

2,73

9,18

8

8,59

1,67

534,67

0,33

55,99

187,75

18,67

2,61

9,95

9

8,79

1,86

448,00

0,37

46,91

201,64

17,49

2,13

8,67

No

4.4

Torsi (T)

tsr

Cp (%)

Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan Data-data hasil perhitungan diolah kembali dalam bentuk grafik untuk

mengetahui hubungan antara torsi (Nm) dengan putaran poros kincir (rpm), hubungan daya yang dihasilkan kincir (P out ) dengan putaran poros kincir (rpm) dan hubungan koefisien daya kincir (C p ) dengan tip speed ratio (tsr). Grafikgrafik untuk setiap variasi lapisan sudu kincir angin akan dijelaskan sebagai berikut :


39

4.4.1 Grafik Untuk Variasi Sudu Tanpa Lapisan

Putaran poros, n (rpm)

800

600

400

200

0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

Torsi, T (Nm)

Gambar 4.1 Hubungan putaran poros kincir dengan beban torsi pada variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

Daya output, Pout (watt)

20

15

10

5

0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

Torsi, T (Nm)

Gambar 4.2 Hubungan antara daya output dengan beban torsi pada variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm


40

12

Koefiisien daya, Cp (%)

10 8 6 4

Cp = -6,945λ2 + 34,87λ - 33,56

2 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

Tip speed ratio, tsr

Gambar 4.3 Hubungan antara koefisien daya (C p ) dengan tip speed ratio (tsr) pada variasi sudu tanpa lapisan dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

Pada Gambar 4.1 menunjukan bahwa semakin kecil kecepatan putaran kincir angin maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Torsi maksimal yang dihasilkan adalah sebesar 0,39 Nm dengan putaran kincir sebesar 412,67 rpm pada kecepatan angin 8,82 m/s. Pada Gambar 4.2, dapat dilihat bahwa semakin besar torsi yang dihasilkan maka semakin besar juga daya kincir atau daya output (P out ) yang didapat sampai kondisi maksimal kemudian daya mengecil. P out maksimal dicapai pada torsi 0,33 Nm yaitu sebesar 18,80 watt. Pada Gambar 4.3, dapat dilihat bahwa semakin kecil nilai tsr maka semakin besar nilai C p yang dihasilkan, sampai kondisi maksimal kemudian nilai C p mengecil. Hubungan antara C p dengan tsr menunjukkan nilai maksimal C p sebesar 9,58 % pada tip speed ratio 2,59.


41

4.4.2 Grafik Untuk Variasi Lapisan Pelat Aluminium pada Bagian Depan Sudu


1000 800 600 400 200 0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

Torsi, T (Nm)

Gambar 4.4 Hubungan putaran poros dengan beban torsi pada variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm


20

15

10

5

0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

Torsi, T (Nm)

Gambar 4.5 Hubungan antara daya output dan torsi untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm


42

Koefisien daya, Cp (%)

10 8 6 4 2

Cp = -2,620λ2 + 11,8λ - 5,427 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5


Gambar 4.6 Hubungan antara C p dan tsr untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

Pada Gambar 4.4, menunjukan bahwa semakin kecil kecepatan putar kincir angin maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Torsi maksimal yang dihasilkan adalah sebesar 0,41 Nm dengan kecepatan putar kincir sebesar 332,33 pada kecepatan angin 8,86 m/s. Pada Gambar 4.5, dapat dilihat bahwa semakin besar nilai torsi yang dihasilkan maka nilai P out yang didapat juga semakin besar sampai kondisi maksimal kemudian daya mengecil. P out maksimal yang dicapai adalah sebesar 16,18 watt dengan nilai torsi sebesar 0,29 Nm. Pada Gambar 4.6, dapat dilihat bahwa semakin kecil nilai tsr maka semakin besar nilai C p yang dihasilkan, sampai kondisi maksimal kemudian C p mengecil. Hubungan antara C p dengan tsr menunjukkan nilai maksimal C p 7,85 % pada tip speed ratio 2,48.


43

4.4.3 Grafik Untuk Variasi Lapisan Pelat Aluminium pada Bagian Depan dan Belakang Sudu

Kecepatan poros, n (rpm)

1200 1000 800 600 400 200 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Torsi, T (Nm)

Gambar 4.7 Hubungan putaran poros dengan beban torsi pada variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm


30 25 20 15 10 5 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Torsi, T (Nm)

Gambar 4.8 Hubungan antara daya output dan torsi untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm


44

14


12 10 8 6 4

Cp = -2,792λ2 + 14,76λ - 6,462

2 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5


Gambar 4.9 Hubungan antara C p dan tsr untuk variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

Pada Gambar 4.7, semakin kecil kecepatan putar kincir angin maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Torsi maksimal yang dihasilkan sebesar 0,49 Nm dengan kecepatan putar kincir sebesar 493 rpm pada kecepatan angin 8,73 m/s. Pada Gambar 4.8, menunjukan bahwa semakin besar nilai torsi yang dihasilkan maka nilai P out yang didapat juga semakin besar sampai kondisi maksimal kemudian daya mengecil. P out maksimal dicapai pada torsi 0,47 Nm yaitu sebesar 26,20 watt. Pada Gambar 4.9, dapat dilihat bahwa semakin kecil nilai tsr maka semakin besar nilai C p yang dihasilkan, sampai kondisi maksimal kemudian C p mengecil. Hubungan antara C p dengan tsr menunjukkan nilai maksimal C p sebesar 13,57 % pada tip speed ratio 2,57.


45

4.4.4

Grafik Untuk Variasi Lapisan Anyaman Bambu pada Bagian Depan

dan Lapis Pelat Aluminium pada Bagian Belakang Sudu


800

600

400

200

0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

Torsi, T (Nm)

Gambar 4.10 Hubungan putaran poros dengan beban torsi pada variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm


20

15

10

5

0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

Torsi, T (Nm)

Gambar 4.11 Hubungan antara daya output dan torsi untuk variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm


46

12


10 8 6 4 2

Cp = -5,615λ2 + 28,44λ - 26,41

0 0

0,5

1

1,5

2

2,5


3

3,5

4

4,5

Gambar 4.12 Hubungan antara C p dan tsr untuk variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm

Pada Gambar 4.10, menunjukan bahwa semakin kecil kecepatan putar kincir angin maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Torsi maksimal yang dihasilkan sebesar 0,37 Nm dengan kecepatan putar kincir sebesar 448 rpm pada kecepatan angin 8,79 m/s. Pada Gambar 4.11, dapat dilihat bahwa semakin besar nilai torsi yang dihasilkan maka nilai P out yang didapat juga semakin besar sampai kondisi maksimal kemudian daya mengecil. P out maksimal dicapai pada torsi 0,33 Nm yaitu sebesar 18,67 watt. Pada Gambar 4.12, dapat dilihat bahwa semakin kecil nilai tsr maka semakin besar nilai C p yang dihasilkan, sampai kondisi maksimal kemudian C p mengecil. Hubungan antara C p dengan tsr menunjukkan nilai maksimal C p 9,95 % pada tip speed ratio 2,61.


47

4.5

Grafik Dari Hasil Perhitungan Empat Variasi Lapisan Sudu Dari hasil perhitungan dan grafik yang sudah dibahas sebelumnya,

memperlihatkan bahwa koefisien daya (C p ) yang terbaik diperoleh pada variasi lapisan pelat aluminium dibagian depan dan belakang sudu, yaitu 13,57 % pada tip speed ratio 2,57 dengan kecepatan angin 8,67 m/s. Variasi lapian pelat aluminium dibagian depan dan belakang sudu merupakan variasi yang terbaik dibandingkan dengan variasi lapisan sudu lainnya. Gambar 4.13 akan menunjukan hubungan antara C p dan tsr dari empat variasi permukaan sudu. 14


12

Tanpa lapisan

10 Lapis aluminium bagian depan

8 6

Lapis aluminium depan belakang

4 Lapis anyaman bambu bagian depan dan lapis aluminium bagian belakang

2 0 0

1

2

3

4

5

6


Gambar 4.13 Hubungan koefisien daya (C p ) dan tip speed ratio (tsr) untuk empat variasi lapisan sudu dengan sudut patahan 10° dan lebar sudu 10,5 cm


48

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1

Kesimpulan Dari penelitian kincir angin poros horisontal dengan tiga sudu datar, lebar

10,5 cm berdiameter 80 cm dengan sudut patahan 10° menggunakan bahan dasar triplek dengan empat variasi permukaan sudu, dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Telah berhasil dibuat kincir angin propeler dengan tiga sudu datar dari bahan dasar triplek dengan empat variasi lapisan sudu yaitu tanpa lapisan, lapisan pelat aluminium di bagian depan sudu, lapisan pelat aluminium di bagian depan dan belakang sudu, lapisan anyaman bambu di bagian depan dan lapisan pelat aluminium di bagian belakang sudu. 2. Kincir angin dengan variasi sudu tanpa lapisan menghasilkan koefisien daya (C p ) maksimal sebesar 9,58 % pada tip speed ratio 2,59. Kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan sudu menghasilkan koefisien daya (C p ) maksimal sebesar 7,84 % pada tip speed ratio 2,15. Kincir angin dengan variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu menghasilkan koefisien daya (C p ) maksimal sebesar 13,57 % pada tip speed ratio 2,57. Kincir angin dengan variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapisan pelat aluminium pada bagian belakang sudu menghasilkan koefisien daya (C p ) maksimal sebesar 9,95 % pada tip speed ratio 2,61.

48


49

3. Dari keempat variasi kincir angin yang sudah diteliti, koefisien daya (C p ) terbaik diperoleh pada variasi lapisan pelat aluminium dibagian depan dan belakang sudu, yaitu sebesar 13,57 % pada tip speed ratio 2,57. 5.2

Saran Setelah melakukan penelitian ini ada beberapa hal yang dapat menjadi

saran untuk penelitian-penelitian selanjutnya, yaitu : 1. Lebih teliti dalam proses pembuatan kincir angin agar bentuk yang diperoleh lebih presisi. 2. Usahakan sudu-sudu kincir memiliki berat yang sama agar putaran kincir angin seimbang. 3. Perbanyak variasi lapisan sudu

agar memperoleh data yang lebih

bervariatif. 4. Gunakan alat ukur yang kondisinya baik agar data yang diperoleh lebih akurat. 5. Kondisikan blower dan terowongan angin yang digunakan agar kecepatan angin yang dihasilkan lebih stabil.


DAFTAR PUSTAKA

Anonim 1. (2015). www.satuenergi.com/2015/10/jenis-jenis-turbin-angin-serta. html. Diakses tanggal 8 Maret 2016. Anonim 2. (2010). www.commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Darrieus_rotor 00.jpg. Diakses tanggal 8 Maret 2016. Anonim 3. (2010). www.kompetiblog2013.wordpress.com. Diakses tanggal 8 Maret 2016. Johnson, Gary.L. (2006). “Wind Energy System”. Wind Energi. Nursuhud, dan Pudjanarsa. (2008). “Mesin Konversi Energi”. ANDI, Yogyakarta. Raharja, M. (2015). Tentang Pembangkit Tenaga Listrik Tenaga Angin. Alamat web

:

https://www.newenergi.blogspot.co.id/2015_11_05_archive.

html. Diakses tanggal 8 Maret 2016. Simbolon, L. (2012). Angin Darat dan Angin Laut.

Alamat web : https://

www.blogs.unpad.ac.id. Diakses tanggal 31 April 2016. Tri, H. (2014). Pemanfaatan angin sebagai sumber energi alternatif. Alamat web : https://www.bersosial.com. Diakses tanggal 11 April 2016. Winda. (2014). Pemanfaatan Energi Angin Belum Optimal. Alamat web : http://www.technology-indonesia.com. Diakses tanggal 11 Maret 2016.

50


51

LAMPIRAN

50

Gambar L.1 Sudu kincir tanpa lapisan

Gambar L.2 Sudu kincir variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapis pelat aluminium pada bagian belakang sudu

51


52

Gambar L.3 Kincir angin propeler tanpa lapisan

Gambar L.4 Kincir angin propeler variasi lapisan anyaman bambu pada bagian depan dan lapis pelat aluminium pada bagian belakang sudu


53

Gambar L.5 Kincir angin propeler variasi lapisan pelat aluminium pada bagian depan dan belakang sudu

Gambar L.6 Proses pembuatan sudu kincir

UNJUK KERJA MODEL KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU DATAR DARI BAHAN TRIPLEK DENGAN SUDUT PATAHAN 10 LEBAR 10,5 CM DENGAN EMPAT VARIASI PERMUKAAN SUDU

Recommend Documents