7
Kelebihan kincir angin poros horizontal adalah : 1. Mampu mengkonversi energi angin pada kecepatan tinggi.
2. Banyak digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan skala besar. 3. Material yang digunakan lebih sedikit.
4. Memiliki faktor keamanan yang lebih baik karena posisi sudu yang berada diatas menara.
5. Kecepatan putar lebih besar dari pada kecepatan angin yang diakibatkan gaya angkat atau lift force oleh angin.
Adapun kelemahan yang dimiliki oleh kincir angin poros horizontal adalah : 1. Kontruksi yang tinggi dapat menyulitkan dalam pemasangan kincir.
2. Perlu adanya mekanisme tambahan untuk menyesuaikkan denga arah angin.
3. Biaya pemasangannya mahal.
2.2.2. Kincir Angin Poros Vertikal
Kincir angin poros vertikal adalah salah satu jenis kincir angin yang posisi porosnya tegak lurus dengan arah angin atau dengan kata lain kincir jenis ini dapat
mengkonversi tenaga angin dari segala arah kecuali arah angin dari atas atau bawah.Kincir jenis ini menghasilkan torsi yang besar daripada kincir angin poros
horisontal. Kelebihan kincir angin poros vertikal adalah :
1. Dapat menerima arah angin dari segala arah.
8
2. Memiliki torsi yang besar pada putaran rendah. 3. Dapat bekerja pada putaran rendah.
4. Tidak memerlukan mekanisme yaw. 5. Biaya pemasangan lebih murah.
Sedangkan kelemahan dari kincir angin poros vertikal adalah sebagai berikut : 1. Karena memiliki torsi awal yang rendah, diperlukan energi untuk mulai
berputar. 2. Bekerja pada putaran rendah, sehingga energi angin yang dihasilkan kecil.
3. Dari konstruksinya berat poros dan sudu yang bertumpu pada bantalan merupakan beban tambahan.
Beberapa jenis kincir angin poros vertikal yang ada di sekitar kita diantaranya seperti terlihat pada Gambar 2.2
a. Kincir angin Darrieus b. Kincir angin Savonius Gambar 2.2 Kincir Angin Poros Vertikal Sumber :
http:wikipedia.orgKincir_angin
, diakses 22 Februari 2012
9
Dalam tugas akhir yang saya buat ini akan membahan mengenai kincir angin poros horisontal tiga sudu dengan jenis American Wind Mill.
2.2.3. Kincir Angin American Wind Mill
Kincir angin jenis american wind mill merupakan salah satu dari kincir angin poros horisontal yang biasanya bersudu dua,tiga,empat,atau juga bersudu
banyak.Kincir jenis ini dapat bekerja pada putaran yang tinggi sehingga dapat menghasilkan daya listrik yang besar.
2.2.4. Faktor yang mempengaruhi kincir angin
1. Energi potensial yang terdapat pada angin dapat memutarkan sudu- sudu yang terdapat pada kincir angin tersebut.
2. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat gerakan benda tersebut, yang dapat dirumuskan :
Energi kinetik = ½ m.V
2
…………………………1 m
= massa kg V
= kecepatan dari benda yang bergerak 3. Daya angin
adalah daya yang dibangkitkan oleh angin pada tiap luasan sudu, yang dapat dirumuskan :
= ½
.A.V
3
………………………………. 2 = massa jeni s udar a kg
A = luas penampang sudu m
10
V = kecepatan alir an angin m s
4. Tip speed r atio
tsr adalah per bandingan kecepatan pada ujung-
ujung sudu yang ber putar , tsr dapat dir umuskan :
=
. . . .
……………………………… 3
r = jari jari lingkaran penampang sudu kincir.
n = putaran kincir.
5. Daya yang dihasilkan kincir adalah daya yang dihasilkan kincir
akibat adanya angin yang melintasi sudu kincir. Sehingga daya kincir yang dihasilkan oleh gerakkan melingkar kincir dapat dirumuskan :
=
T . ω
……………………………… 4 T
= tor si
ω
= kecepatan sudut
6. Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros dihasilkan oleh gaya dorong pada sudu kincir yang dikurangi dengan gaya hambat gaya
yang berlawanan arah. Gaya dorong ini memiliki jarak terhadap sumbu poros kincir yang berputar, untuk perhitungan torsi dapat
dihitung dengan menggunakan rumus :
T =
F . r …………………………… 5
F = gaya N
r = panjang lengan torsi m
11
7. Kecepatan sudut kincir adalah kecepatan putar kincir dalam satuan radian per detik. Kecepatan sudut dapat dihitung dengan menggunakan
rumus : =
.
.….……………….6
8. Power coefficient adalah bilangan tak berdimensi yang
menunjukkan perbandingan antara daya yang dihasilkan kincir dengan daya yang dihasilkan oleh angin . Sehingga C
P
dapat dirumuskan : =
………………......7
C
p
dari suatu kincir angin juga dapat ditentukan dengan grafik Hubungan antara C
p
dan tsr dari beberapa jenis kincir.
Gambar 2.3 Grafik Hubungan antara C
p
dan tsr dari beberapa jenis kincir . Sumber : Wind Energy System by Dr. Gary L . Johnson
12
BAB III METODE PENELITIAN
3.1. Diagram alir penelitian. Langkah kerja dalam penelitian ini disajikan dalam diagram alir sebagai
berikut :
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian MULAI
Perancangan kincir angin poros horizontal.
Pembuatan kincir angin poros horizontal berbahan PVC. Variasi sudut potong 60,75, dan 90 derajat dengan bentuk yang sama.
Pengambilan data mencari kecepatan angin, nilai putaran poros kincir dan gaya pengimbang pada kincir angin.
Pengolahan data mencari daya angin, daya kincir, C
P
, dan tsr,kemudian membandikan antara daya kincir, C
P,
dan tsr pada masing- masing variasi sudut potong kincir angin.
Analisis serta pembahasan data dan pembuatan laporan.
Selesai
13
3.2. Objek penelitian
Objek penelitian ini adalah kincir angin poros horizontal tiga sudu berdiameter enam inchi dengan variasi sudut potong 60,75,dan 90 derajat,
dengan bentuk yang sama.
3.3. Waktu dan tempat penelitian
Proses pembuatan kincir, pengambilan data, dan penelitian dimulai pada semester ganjil tahun ajaran 20122013 di Laboratorium Konversi Energi Jurusan
Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3.4. Alat dan bahan
Model kincir angin dengan bahan bahan pipa PVC ukuran 6 inchi 15cm dapat dilihat pada Gambar 3.2
Gambar 3.2 Konstruksi kincir angin.
14
Kincir angin tersebut memiliki beberapa bagian penting yaitu : 1. Sudu Kincir
Sudu kincir berfungsi untuk menangkap angin yang datang, terbuat dari pipa PVC ukuran 6 inchi dengan tebal 3 mm. Banyak sudu yang dipakai
tiga buah. Ada tiga macam variasi sudut potong yaitu sudut potong 60, 75, dan 90 derajat, Untuk lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Sudu kincir
15
2. Piringan kincir Piringan berfungsi sebagai dudukan sudu. Piringan terbuat dari plastik
dengan ukuran diameter 30 cm. Sudu ditempelkan pada piringan kincir kemudian dibaut, seperti pada Gambar 3.4 dan Gambar 3.5
Gambar 3.4 Piringan kincir
Gambar 3.5 Kincir angin
16
3. Poros penopang kincir untuk menopang piringan kincir agar dapat berputar
Gambar 3.6 Poros penopang kincir
4. Poros penyangga berfungsi sebagai penyangga mekanisme kincir keseluruhan.
5. Poros pada ujung kincir dan poros pada sistem pengereman dihubungkan dengan menggunakan poros penyambung, kemudian sistem pengereman
diberi beban berupa karet untuk mengetahui besarnya torsi dan putaran kincir angin. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 3.7 dan Gambar
3.8.
17
Gambar 3.7. Poros penyambung dihubungkan ke poros ujung kincir
Gambar 3.8. Poros penyambung dihubungkan ke sistem pengereman Dalam pengambilan data digunakan beberapa peralatan penunjang,
diantaranya : 1. Terowongan Angin
Terowongan angin atau wind tunnel adalah sebuah lorong berukuran 1,2 m × 1,2 m × 2,4 m yang berfungsi sebagai tempat dimana
angin bergerak dengan kecepatan tertentu sekaligus merupakan tempat
18
pengujian kincir angin, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.9. Di dalam lorong udara tekanannya dibuat lebih rendah dari tekanan lingkungan
sekitar, tujuannya agar udara bergerak dengan kecepatan tertentu. Kecepatan angin dapat diatur dengan cara mengatur jarak antara wind
tunnel dan blower sesuai keinginan.
Gambar 3.9 Terowongan Angin atau Wind Tunel
2. Blower Blower adalah alat yang digunakan untuk menurunkan tekanan di dalam
terowongan angin sehingga angin dapat berhembus dengan kecepatan tertentu. Blower digerakkan oleh motor listrik berdaya 5,5 kW, dapat dilihat
pada gambar 3.10.
19
Gambar 3.10. Blower 3. Takometer
Takometer tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur putaran poros kincir angin sebagai data yang dibutuhkan. Jenis tachometer
yang digunakan adalah digital light takometer, prinsip kerjanya berdasarkan pantulan yang diterima sensor dari reflektor, reflektor ini berupa benda warna
yang dapat memantulkan cahaya dan dipasang pada poros.Takometer ditunjukkan pada Gambar 3.11.
Gambar 3.11 Takometer
20
4. Anemometer Anemometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan
angin sesuai dengan data yang dibutuhkan. Anemometer diletakkan didepan terowongan angin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.12.
Gambar 3.12 Anemometer
5. Neraca Pegas Neraca pegas digunakan untuk mengukur gaya pengimbang torsi kincir
angin saat kincir berputar. Neraca pegas dihubungkan pada kopling dengan jarak yang telah ditentukan. Neraca pegas ditunjukkan pada Gambar 3.13.
Gambar 3.13 Neraca Pegas
21
3.5. Variabel penelitian : Variabel dalam penelitian ini adalah :
1. Variasi sudu dengan tiga macam sudut potong 60, 75, 90 derajat sudut potong dengan bentuk yang sama.
2. Variasi pembebanan yaitu dari posisi kincir berputar maksimal sampai posisi kincir diam.
3. Variasi kecepatan angin dilakukan dengan 5 posisi variasi kecepatan angin yang dilakukan di dalam terowongan angin.
3.6. Parameter yang diukur : Parameter yang diukur dalam penelitian ini adalah :
1. Kecepatan angin, ms
2. Gaya pengimbang, N 3. Putaran kincir, rpm
3.7. Langkah percobaan
Pengambilan data kecepatan angin, beban, dan kecepatan putar kincir dilakukan secara bersama-sama. Hal pertama yang dilakukan adalah
memasang kincir angin pada terowongan angin. Selanjutnya untuk pengambilan data memerlukan proses sebagai berikut :
1. Memasang neraca pegas yang dihubungkan ke sistem pengereman. Seperti pada Gambar 3.14.
22
Gambar 3.14 Pemasangan neraca pegas pada sistem pengereman
2. Menempatkkan anemometer dan takometer pada tempatnya. 3. Setelah semua siap blower siap untuk dihidupkan
4. Pengaturan kecepatan angin dilakukan dengan cara menggeser blower dengan troli pada angka kecepatan angin yang diinginkan.
5. Setelah mendapatkan kecepatan angin yang konstan kemudian dimulai mengukur kecepatan putaran, kecepatan angin, dan besarnya torsi.
6. Langkah tersebut diulangi sampai kondisi kincir berhenti, dengan lima variasi kecepatan angin.
3.8. Langkah pengolahan data.
Dari data yang telah didapat, maka data tersebut dapat diolah dengan langkah-langkah sebagai berikut :
23
1. Setelah diketahui kecepatan angin V dan luasan kincir A, maka dapat dicari daya angin P
in
. 2. Dari pembebanan di dapat gaya pengimbang F yang dapat digunakan
untuk mencari torsi T. 3. Data putaran poros kincir n dan torsi T dapat digunakan untuk
mencari daya kincir Pout. 4. Dengan membandingkan kecepatan keliling diujung sudu dan
kecepatan angin, maka tip speed ratio dapat dicari. 5. Dari data daya kincir P
ou t
dan daya angin P
in
maka koefisien daya C
p
dapat diketahui.
24
BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Data hasil percobaan.
Data hasil percobaan kincir angin untuk masin-masing variasi sudut potong dapat dilihat pada tabel 4.1 , 4.2 , dan 4.3, dibawah ini.
Tabel 4.1. Data percobaan kincir dengan sudut potong 60°.
Posisi beban
V m s
n rpm
F N
1 6,91
863,63 1
7,05 828,20
0,4 2
7,19 771,67
0,85 3
7,32 707,33
1,15 4
7,50 618,73
1,35 6,55
820,4 1
6,50 789,67
0,4 2
2 6,85
718,13 0,8
3 7,14
632,27 1,1
3 6,41
758,70 1
6,45 723,33
0,3 2
6,14 607,10
0,8 4
5,59 696,57
1 6,10
593,33 0,6
2 6,14
492,87 0,8
5 6,23
646,43 1
5,30 525,57
0,6 2
5,44 428,53
0,75
25
Tabel 4.2. Data percobaan kincir dengan sudut potong 75°.
Posisi beban
V N
F
1 m s
rpm N
6,98 1170,67
1 7,12
1083,33 1,38
2 6,98
1018,67 2,03
3 6,64
990,97 2,71
4 7,15
953,30 3,25
5 6,91
893,50 4
6 7,09
848,07 4,6
7 6,78
796,00 5,06
8 7,43
762,63 5,55
2 6,80
1089,67 1
6,22 1033,33
0,9 2
7,38 974,67
1,65 3
6,55 920,67
2,63 4
6,23 832,40
3,45 5
6,35 787,50
4,1 6
6,43 736,63
4,65 7
6,42 636,40
5
3 5,99
968,97 1
5,72 890,83
0,95 2
6,24 828,10
1,93 3
6,12 780,60
2,5 4
6,21 726,17
3,05 5
6,29 669,43
3,73 6
6,19 603,93
4,33
4 5,85
887,83 1
5,82 828,20
0,8 2
5,74 734,83
1,95 3
5,99 654,67
2,81 4
5,96 595,23
3,6
5 5,46
796,50 1
5,37 756,37
0,9 2
5,57 685,97
1,5 3
5,42 595,07
2,4 4
5,79 490,83
3,11
26
Tabel 4.3. Data percobaan kincir dengan sudut potong 90°.
Posisi beban
V N
F
1 m s
rpm N
6,80 858,00
1 7,05
844,40 0,6
2 7,18
836,03 1,15
3 6,86
798,43 1,8
4 7,36
763,83 2,45
5 7,26
753,43 2,75
6 6,77
715,70 3,15
7 6,94
712,50 3,65
8 6,87
692,40 4,1
9 6,92
644,90 4,65
10 6,71
634,60 5,05
11 6,04
561,67 5,8
12 6,95
579,90 6
2 6,76
766,00 1
7,00 793,67
0,55 2
6,48 760,20
1,05 3
6,97 744,97
1,6 4
6,63 728,37
1,95 5
6,39 678,27
2,75 6
6,73 659,63
3,1 7
6,57 642,80
3,35 8
6,93 640,60
3,7 9
6,70 602,37
4,05 10
6,57 577,80
4,5 11
6,53 541,13
4,9 12
6,84 518,20
5,3 13
6,04 494,17
5,5 14
6,44 450,93
5,8
3 6,15
724,83 1
5,99 709,20
0,5 2
6,09 666,20
1 3
6,11 661,60
1,35 4
5,98 644,80
1,75 5
5,99 629,40
2,1 6
6,40 608,33
2,45 7
6,36 595,30
2,7 8
6,39 580,73
2,95
27
Lanjutan tabel 4.3.
Posisi beban
V m s
n rpm
F N
3 9
5,98 562,93
3,4 10
6,23 558,50
3,45 11
6,13 548,83
3,7 12
6,28 493,40
3,9 13
5,92 498,37
4,3 14
6,03 487,60
4,45 15
6,45 451,10
4,92
4 5,96
669,10 1
5,76 636,47
0,75 2
6,03 613,00
1,35 3
6,18 573,53
1,85 4
5,97 560,07
2,2 5
5,79 537,70
2,5 6
5,75 532,10
2,75 7
6,08 516,33
2,9 8
6,20 500,07
3,1 9
5,82 456,00
3,3 10
5,98 450,57
3,55 11
5,97 439,37
3,85 12
6,19 405,43
3,95
5 5,79
623,93 1
5,72 582,60
0,75 2
5,42 544,20
1,45 3
5,50 504,73
1,95 4
5,48 487,47
2,4 5
5,32 471,13
2,6 6
5,40 454,90
2,85 7
5,63 438,13
3,03 8
5,66 407,20
3,25 9
5,74 391,50
3,5
Data dari hasil percobaan kincir tiga sudu dengan jarak pembebanan dari sistem pengereman ke sumbu poros kincir adalah 0,1 m dan luas penampang
kincir 0,5 m. Percobaan dilakukan tiap lima kali variasi kecepatan angin dengan
28
variasi sudut potong kincir yang berbeda. Percobaan dilakukan sampai kincir berhenti berputar pada setiap variasi kecepatan angin.
4.2. Pengolahan data dan perhitungan.
1. Besarnya daya angin P
in
yang diterima kincir dengan luas penampang 0,5 m dengan kecepatan angin 6,95 ms. Maka daya angin dapat dicari dengan
Persamaan 2 : = ½
.A.V
3
= 1,17 . 0,5 m . 6,95ms
3
= 97,98 watt Jadi daya yang tersedia pada angin adalah 97,98 watt
2. Besarnya daya kincir P
out
dapat dicari dengan persamaan 4 dengan terlebih dahulu mencari kecepatan sudut dan torsi, yang dicari dengan Persamaan 5 dan 6 :
= .
= .579,9
= 60,7
Maka kecepatan sudut yang didapatkan adalah 60,7 rads T = F . r
= 6 N . 0,1 m = 0,6 N.m
Sehingga torsi yang didapatkan adalah 0,6 N.m Maka daya yang dihasilkan kincir adalah
P
out
= T . ω
29
= 0,6 N.m . 60,7 rads = 36,42 watt
Sehingga daya yang dihasilkan oleh kincir adalah 36,42 watt.
3. Besarnya tsr tip speed ratio dapat dicari dengan Persamaan 3, jadi besarnya tsr
adalah :
tsr =
. . . .
=
. . ,
. ,
. ,
= 3,5
Sehingga tsr yang didapatkan 3,5
4. Besarnya Koefisien daya C
p
dapat dicari dengan Persamaan 7, jadi besarnya C
p
adalah :
C
p
= =
, ,
= 0,37
Maka C
p
yang dihasilkan adalah 0,37
4.3. Hasil perhitungan .
Dari percobaan yang telah dilakukan dengan memvariasikan sudut potong kincir dan kecepatan angin.Maka data perhitungan diperoleh sebagai berikut
30
4.3.1. Data perhitungan kincir angin dengan variasi sudut pemotongan 60°.
Data perhitungan kincir angin dengan sudut pemotongan 60° dapat dilihat pada tabel 4.4 sampai dengan tabel 4.8.
Tabel 4.4. Data perhitungan pada posisi pertama dengan kecepatan angin 7,19 ms.
No V
n F
jarak
ρ
A r
Torsi
ω
P
out
P
in
C
p
t sr m s
Rpm N
m m
m N.m
rad s w at t
w at t 1
6,91 863,63 0,1
1,17 0,5
0,4 90,39
96,30 5,24
2 7,05 828,20
0,4 0,1
1,17 0,5
0,4 0,04
86,68 3,47
102,27 0,03
4,92 3
7,19 771,67 0,85
0,1 1,17
0,5 0,4
0,09 80,77
6,87 108,72
0,06 4,49
4 7,32 707,33
1,15 0,1
1,17 0,5
0,4 0,12
74,03 8,51
114,73 0,07
4,05 5
7,50 618,73 1,35
0,1 1,17
0,5 0,4
0,14 64,76
8,74 123,40
0,07 3,45
Tabel 4.5. Data perhitungan pada posisi kedua dengan kecepatan angin 6,76 ms.
No V
n F
jarak
ρ
A r
Torsi
ω
P
out
P
in
C
p
t sr m s
rpm N
m m
m N.m
rad s w at t
w at t 1
6,55 820,4
0,1 1,17
0,5 0,4
85,87 82,20
5,24
2
6,50 789,67 0,4
0,1 1,17
0,5 0,4
0,04 82,65
3,31 80,33
0,04 5,09
3
6,85 718,13 0,8
0,1 1,17
0,5 0,4
0,08 75,16
6,01 94,02
0,06 4,39
4
7,14 632,27 1,10
0,1 1,17
0,5 0,4
0,11 66,18
7,28 106,24 0,06 3,71
Tabel 4.6. Data perhitungan pada posisi ketiga dengan kecepatan angin 6,33 ms.
No V
n F
jarak
ρ
A r
Torsi
ω
P
out
P
in
C
p
t sr m s
rpm N
m m
m N.m
rad s w at t
w at t 1
6,41 758,70 0,1
1,17 0,5
0,4 79,41
77,04 4,96
2
6,45 723,33 0,3
0,1 1,17
0,5 0,4
0,03 75,71
2,27 78,31
0,02 4,70
3
6,14 607,10 0,8
0,1 1,17
0,5 0,4
0,08 63,54
5,08 67,71
0,07 4,14
Tabel 4.7. Data perhitungan pada posisi keempat dengan kecepatan angin 5,94 ms.
31 No
V n
F jarak
ρ
A r
Torsi
ω
P
out
P
in
C
p
t sr m s
rpm N
m m
m N.m
rad s w at t
w at t 1
5,59 696,57 0,1
1,17 0,5
0,4 72,91
51,09 5,22
2
6,10 593,33 0,6
0,1 1,17
0,5 0,4
0,06 62,10
3,73 66,23
0,05 4,08
3
6,14 492,87 0,8
0,1 1,17
0,5 0,4
0,08 51,59
4,13 67,71
0,06 3,36
Tabel 4.8. Data perhitungan pada posisi kelima dengan kecepatan angin 5,66 ms.
No V
n F
jarak
ρ
A r
Torsi
ω
P
out
P
in
C
p
t sr m s
rpm N
m m
m N.m
rad s w at t
w at t 1
6,23 646,43 0,1
1,17 0,5
0,4 67,66
70,73 4,34
2
5,30 525,57 0,6
0,1 1,17
0,5 0,4
0,06 55,01
3,3 43,55
0,07 4,15
3
5,44 428,53 0,75
0,1 1,17
0,5 0,4
0,08 44,85
3,36 46,96
0,07 3,3
4.3.2. Data perhitungan untuk kincir variasi sudut pemotongan 75°.
