12
2. American Windmill
American Windmill atau Wind Engine dirancang oleh Daniel Halladay pada tahun 1854. Sebagian besar digunakan untuk mengangkat air dari sumur,
sedangkan untuk versi yang lebih besar digunakan untuk penembakan dan penggilingan gabah serta memotong jerami. Gambar 2.5 menunjukan bentuk
dari kincir angin American Windmill.
Gambar 2.5 American Windmill Sumber : xaharts.org
3. Dutch Four Arm
Desain kincir angin ini tergolong sederhana, dan mungkin awal dari rancangan kincir angin di Eropa, karena bentuk dan bahan materialnya pun
dari kayu dan tanah liat serta jumlah sudunya model ini sangat terkenal di Belanda. Pada Gambar 2.6 dapat dilihat bentuk kincir angin Ducth Four Arm.
Gambar 2.6 Dutch Four Arm Sumber : travelwriterstales.com
13
2.2.2 Kincir Angin Sumbu Vertikal
Kincir Angin Sumbu Vertikal adalah salah satu jenis kincir angin yang bisa menangkap atau mengkonversi angin dari segala arah, sudunya yang tegak lurus
arah angin akan memutar kincir dengan orientasi arah kincir horizontal. Berikut adalah tipe-tipe dari Kincir Angin Sumbu Vertikal :
1. Kincir Angin Savonius
Kincir Angin Savonius pertama kali ditemukan oleh Sigurd J Savonius yang berasal dari Negara Finlandia sekitar tahun 1922. Savonius menggunakan
sudu dengan cara memotong silinder Fletter menjadi 2 paruhan sepanjang garis pusat dan memposisikan 2 pruhan te
rsebut membentuk seperti huruf ‘S” yang diletakan pada lingkaran batas sudu seperti yang ditunjukan Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Skema Kincir Angin Savonius Sumber : www.ecosources.info
2. Kincir Angin Darrieus
Darrius sama seperti model Savonius namun desain sudu blades menggunakan sistem aerofoil. Desain ini dipatenkan oleh Georges Darrieus,
seorang insinyur aeronautika dari Perancis pada tahun 1927. Bentuk kincir angin ini dapat dilihat pada Gambar 2.8
14
Gambar 2.8 Kincir Angin Darrieus Sumber : www.wind-works.org
3. Kincir Angin Giromill
Kincir angin giromill merupakan modifikasi dari kincir angin darrieus, diciptakan dan dipatenkan oleh Georges Darrieus pada tahun 1927. Desain kincir
angin giromill mempunyai kemiripan dengan H-Rotor dan Darrieus, di sudu yang berbentuk aerodinamis serta menggunakan airfoil, seperti yang dapat dilihat pada
Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Kincir Angin Giromill Sumber : www.wind-works.org
15
2.3 Rumus-Rumus Perhitungan
Berikut ini adalah rumus-rumus yang dipergunakan dalam perhitungan unjuk kerja kincir angin :
2.3.1 Energi dan Daya Angin
Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetic yang dirumuskan berikut ini :
1 dengan
adalah energi kinetic joule, adalah massa , dan adalah
kecepatan angin Dari persamaan 1 , dapat diketahui daya adalah energi per satuan waktu
Js maka persamaan tersebut dapat ditulis menjadi : 2
dengan adalah daya yang dihasilkan angin Js = watt ,
adalah massa udara yang mengalir per satuan waktu kgs , dan
adalah kecepatan angin ms.
Dengan : 3
dimana adalah massa jenis udara 1.18 kg
, adalah luas frontal kincir
.
Dengan substitusi, persamaan 2 dan persamaan 3, daya angin dapat
dirumuskan menjadi :
Yang dapat disederhanakan menjadi : PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
16
4
2.3.2 Torsi Kincir Angin
Torsi adalah sebuah gaya yang bekerja pada poros yang dihasilkan olah gaya dorong pada sumbu kincir, dimana gaya dorong ini memiliki jarak
terhadap sumbu poros yang berputar. Torsi sebuah kincir angin dapat dihitung menggunakan persamaan Yanus A. Cengel, 2006 :
5 dengan
adalah torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros Nm , adalah gaya pengimbang atau gaya pada poros akibat dari puntiran N, dan
adalah jarak lengan torsi ke poros m.
2.3.3 Daya Kincir Angin
Daya kincir angin adalah daya yang dihasilkan oleh poros kincir akibat energi angin yang melintasi sudu-sudu kincir. Berdasarkan penelitan yang
dilakukan oleh seorang ilmuan Jerman bernama Albert Betz, didapatkan efisiensi maksimum kincir angin, yaitu sebesar 59,3 angka ini disebut Betz
Limit. Gambar 2.10 menunjukan karakteristik dari beberapa tipe kincir :
Gambar 2.10 Diagram Cp dan tip speed ratio λ
Sumber : http:www.intechopen.com PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
17
Rumusan teori daya kincir yang dihasilkan oleh gerak melingkar pada poros kincir angin adalah :
6
Dengan adalah daya yang dihasilkan kincir angin watt ,
adalah torsi dinamis Nm, dan
adalah kecepatan sudut rads. Kecepatan sudut
dapat didapat dari :
rad s
Dengan demikian daya yang dihasilkan oleh kincir dinyatakan dengan persamaan :
= =
7 dengan
adalah daya yang dihasilkan kincir angin watt, adalah
putaran poros rpm.
2.3.4 Tip Speed Ratio tsr
Tip Speed Ratio tsr adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu kincir angin yang berputar melingkar dengn kecepatan angin yang
melewatinya. Rumus kecepatan di ujung sudu
adalah : PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
18
dengan adalah kecepatan ujung sudu,
adalah kecepatan sudu rads, dan adalah jari-jari kincir m.
Sehingga dapat dirumuskan dengan :
Yang dapat disederhanakan menjadi : 8
dengan adalah jari-jari kincir m, adalah putaran poros rpm ,dan
adalah kecepatan angin ms.
2.3.5. Koefisien Daya Cp
Koefisien daya atau power coefficience adalah perbandingan antara
daya yang dihasilkan oleh kincir angin dengan daya yang dihasilkan
oleh angin . Sehingga dapat dirumuskan:
9 dengan
adalah daya yang dihasilkan kincir watt, adalah daya yang
dihasilkan angin watt.
2.4 Tinjauan Pustaka
Giromill sangat terkenal untuk bentuk dan desain sudu yang sederhana Mathew, 2006, perbedaan kincir angin giromill dengan Darrieus terletak pada
sudu yang melengkung dari sumbu atas sampai bawah, sedangkan giromill bentuk sudu yang vertikal dengan penopang atas dan bawah sudu, untuk perbedaan
19
dengan H-Rotor adalah batang penyangga sudu yang diletakkan diporos utama. Beberapa penelitian yang dilakukan dengan kincir angin giromill menggunakan
bentuk sudu airfoil yang simetris seperti NACA 0015 dan NACA 0018, mendapatkan daya output yang besar di tip speed ratio yang rendah Prathamesh
Despande et al, 2013. Cara kerja kincir angin giromil tidak berbeda dengan kincir angin Darrieus, angin yang datang akan langsung mendorong sudu, sudu yang
aerodinamis akan lebih berpengaruh terhadap gaya dorong sudu Richard Smith, 2007.
Pada tahun 2010, M Samanaudy, Ghorab dan Youssef meneliti tentang kincir angin giromill dengan variasi sudut pemasangan, jumlah sudu, model airfoil
NACA 0024 NACA 4420 NACA 4520 dan panjang chord. dalam penelitian yang dilakukan M Samanaudy, Ghorab dan Youssef koefisien daya maksimum
sebesar 25 menggunakan tipe airfoil simetris NACA 0024 dengan panjang chord 15 cm , sudut pemasangan 10
o
dan menggunakan empat sudu. Untuk airfoil simetris seperti NACA 0024 dalam pengujian ini diperoleh koefisien daya
maksimum sebesar 25 pada tip speed ratio optimal 1,4 dengan variasi pitch angle 10
,dan menggunakan empat sudut, sedangkan untuk penelitian variasi model airfoil non simetris NACA 4420, pada kondisi yang sama diperoleh
koefisien daya maksimum 16 pada tip speed ratio optimal 1,2 , dan pengujian NACA 4520 diperoleh koefisien daya maksimal 13 pada tip speed ratio
optimal 1.1. penelitian yang dilakukan oleh M Samanaudy, Ghorab dan Youssef menunjukan bahwa airfoil simetris bisa mencapai koefisien daya tertinggi
dibandingkan dengan airfoil non simetris seperti NACA 4420 dan NACA 4520. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
20
Pada penelitian yang dilakukan oleh Indra Siregar pada tahun 2012 menggunakann tipe kincir angin H-Rotor dengan model penampang airfoil NACA
0018 variasi penelitian dalam kecepatan angin 3 ms dan 3,67 dan sudut pitch angle 15
, 20 , 25
dengan pembebanan 300, 200 dan 50 gram. Pada penelitian ini diperoleh koefisien daya maksimum 7,8 pada tip speed ratio 1,25 dengan
variasi kecepatan angin 3 ms menggunakan tiga sudu dan pada pitch angle 15 .
21
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Diagram Penelitian
Langkah kerja dalam penelitian ini dimulai dari perencanaan hingga analisis data. Dapat ditujukan dalam diagram alir seperti dalam Gambar 3.1:
Gambar 3.1 Diagram alir metode penelitian kincir angin Perencanaan Kincir Angin Giromill dengan
Sudu NACA 0015 Mulai
Pembuatan Kincir Angin berbahan dasar triplek polywood dan dibungkus dengan pelat seng
Pengambilan data, untuk mengetahui kecepatan kincir, kecepatan angin dan beban pengereman pada kincir angin
Pengolahan data untuk mencari hubungan putaran poros dan torsi, daya output dan torsi serta koefisien daya dan tip speed ratio
Analisa serta pembahasan data dan pembuatan laporan
Selesai PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
22
Ada tiga jenis perlakuan metode untuk melakukan penelitian ini, 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 alat uji kincir angin giromill dilakukan di Laboratorium Konversi
Energi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta. Kincir yang sudah jadi dipasang 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 kincir angin giromill.
3.2 Bahan Untuk Penelitian
Bahan- bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut a.
Bahan untuk sudu kincir angin Sudu-sudu menggunakan bahan papan triplek polywood ukuran 12
mm yang sudah dipotong dengan pola NACA 0015 dan disusun menggunakan rangka alumunium dan stainless steel dengan ketinggian 80
cm, untuk lebih kuat bagian sela antara triplek polywood satu dengan lain PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
23
diberi potongan triplek polywood dengan ketebalan 4 mm. Bentuk sudu dapat dilihat pada Gambar 3.2.
a b
Gambar 3.2 Bentuk sudu kincir angin giromill a rangka sudu, b rangka sudu yang sudah dilapisi triplek polywood
b. Bahan untuk pengikat ujung sudu kincir.
Dimasing- masing ujung sudu terdapat alumunium dengan ketebalan 5 mm dan panjang 20 cm digunakan untuk mengikat sudu dengan dudukan
sudu, seperti yag ditunjukan pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Pengikat sudu dengan dudukan sudu PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
24
c. Bahan untuk dudukan sudu
Dudukan sudu yang merupakan komponen yang berfungsi sebagai pengikat dan pemasangan sudu. Dudukan sudu memiliki lubang disetiap
sudutnya, ada enam lubang disetiap satu sudu kemudian dimur untuk mengikat sudu dengan dudukan sudu, terdapat dua dudukan sudu untuk
atas dan bawah. Bentuk dudukan sudu dapat dilihat pada Gambar 3.4, dudukan sudu terbuat dari papan triplek polywood dengan ketebalan 12
mm diameter 70 cm dan 50 cm.
Gambar 3.4 Dudukan sudu ukuran 50 cm
d. Bahan untuk poros utama kincir
Poros utama kincir terpasang pada bagian tengah dudukan sudu dari bawah sampai atas dengan ditahan oleh bantalan atas dan bantalan bawah
25
pada tiang penahan kincir. Bahan poros utama adalah pipa pvc dengan ukuran 1” dengan panjang 90 cm dan dilapisi dengan potongan pipa pvc
untuk menahan dudukan sudu dibagian antar dudukan atas dan bawah.
3.3 Alat Untuk Penelitian
Alat-alat yang digunakan untuk pembuatan kincir angin dan penelitian meliputi beberapa bagian, yaitu :
a. Alat kerja utama :
1. Mesin bor
2. Hand bor
3. Mesin Gerinda
4. Gergaji
5. Palu
b. Alat kerja tambahan dan alat bantu pengukuran :
1. Fan Blower
Fan Blower berfungsi untuk menghisap udara masuk kedalam wind tunnel dan mengeluarkannya dibagian belakang seperti yang
ditunjukan pada Gambar 3.6, Fan Blower ini mempunyai daya penggerak motor 5.5 kW.
