KARAKTER TURBIN ANGIN BERSUDU PROPELER TUGAS AKHIR - Karakter turbin angin bersudu propeler - USD Repository

  KARAKTER TURBIN ANGIN BERSUDU PROPELER TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin Oleh: Nama : Benny Wijaya NIM : 045214083 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA

  

CHARACTER OF PROPELLER WIND TURBINE

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

To Obtain the Sarjana Teknik Degree

  

In Mechanical Engineering Study Program

By:

Name : Benny Wijaya

  

Student ID Number : 045214083

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

  Yogyakarta, 26 Agustus 2008 Penulis

  Beny Wijaya

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH

UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Beny Wijaya Nomor Mahasiswa : 045214083 Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

KARAKTER TURBIN ANGIN BERSUDU PROPELER

  beserta perangkat yang diperlukan ( bila ada ). Dengan demikian saya memberikan kepada 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 royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

  Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal : 26 Agustus 2008 Yang menyatakan Beny Wijaya

  

INTISARI

  Tugas akhir ini pembuatan kincir pada turbin angin. Penelitian bertujuan untuk mengetahui jumlah sudu dan besar sudut kemiringan sudu yang menghasilkan efisiensi tertinggi, Cl (coefficient of lift) tertinggi, Cd (coefficient of drag) terendah, dan daya yang dikeluarkan ( P ) tertinggi. _out

  Kincir dibuat dengan posisi poros horizontal dan sudu kincir terbuat dari kipas angin. Sudu kincir di desain agar sudu dapat dibongkar – pasang sehingga jumlah sudu dan besar sudut kemiringan sudu dapat diubah-ubah. Jumlah sudu yang digunakan dalam penelitian ini adalah 2 sudu, 3 sudu, dan 6 sudu, sedangkan besar sudut kemiringan sudu divariasikan 30°, 45°, dan 60°. Percobaan dilakukan dalam wind tunnel agar kecepatan angin dapat diatur.

  Dari percobaan tersebut diketahui bahwa efisiensi tertinggi diperoleh dari kincir 2 sudu pada sudut kemiringan sudu 60° dengan besar 39,5946. Cl tertinggi diperoleh dari kincir 2 sudu pada sudut kemiringan sudu 45° dengan besar 0,2365. Cd terendah diperoleh dari kincir 6 sudu pada sudut kemiringan sudu 30° dengan besar 0,0099. P tertinggi diperoleh dari kincir 6 sudu pada sudut kemiringan sudu 60° _out dengan besar 17,8025 Watt.

  Kata kunci : Sudu, wind tunnel, Cl (coefficient of lift), Cd (coefficient of drag) .

KATA PENGANTAR

  Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas berkat dan rahmat-Nya, sehingga penulis akhirnya dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.

  Dalam penulisan tugas akhir ini penulis menyadari bahwa ada begitu banyak pihak yang telah memberikan bimbingan, dorongan, tenaga, perhatian dan bantuan sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Oleh karena itu dengan segala kerendahan hati penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

  1. Ir. Greg. Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku Dekan Fakultas Teknik.

  2. Budi Sugiharto, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin.

  3. Ir.Y.B.Lukiyanto, M.T. selaku pembimbing terima kasih telah bersedia meluangkan waktu serta memberikan bimbingan dan saran yang tentunya sangat berguna untuk tugas akhir ini.

  4. Seluruh dosen Teknik Mesin atas ilmu yang telah diberikan selama kuliah di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  5. Segenap karyawan Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma yang telah membantu dalam hal fasilitas dan administrasi.

  6. Kedua orang tua penulis, Bapak Santiko dan Ibu Yani Lestari atas semua dukungan yang sudah diberkan baik jasmani maupun rohani.

  8. Dan seluruh pihak yang telah ambil bagian dalam proses penulisan tugas akhir ini yang terlalu banyak jika disebutkan satu-persatu.

  Dengan rendah hati penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu berbagai kritik dan saran untuk perbaikan tugas akhir ini sangat diharapkan. Akhir kata, semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak. Terima kasih.

  Yogyakarta,

  26 Agustus 2008 Beny Wijaya

  DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ............................................................................................... i

HALAMAN JUDUL BAHASA INGGRIS ........................................................... ii

HALAMAN PERSETUJUAN .............................................................................. iii

HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................ iv

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN .......................................................... v

  

INTISARI ............................................................................................................... vii

KATA PENGANTAR ............................................................................................ viii

DAFTAR ISI ........................................................................................................... x

DAFTAR GAMBAR............................................................................................... xiii DAFTAR TABEL ................................................................................................... xvi

  

BAB I PENDAHULUAN........................................................................................ 1

  1.1 Latar Belakang ........................................................................................ 1

  1.2 Perumusan Masalah ................................................................................ 2

  1.3 Tujuan Penelitian .................................................................................... 2

  1.4 Manfaat Penelitian .................................................................................. 3

  1.5 Batasan Masalah ..................................................................................... 3

  1.6 Langkah Perancangan ............................................................................. 4

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

  2.1 Tipe Turbin Angin .................................................................................. 5

  2.1.1 Keuntungan dari pemilihan HAWT (Horizontal-Axis Wind Turbines) ..................................................................................... 5

  2.1.2 Kerugian dari pemilihan HAWT (Horizontal-Axis Wind Turbines) .................................................................................... 6

  2.2 Gerak Turbin .......................................................................................... 6

  2.3 Gaya dan Torsi Aerodinamik pada Kincir Angin ................................... 8

  2.3.1 Perolehan Gaya menurut Teori ...................................................... 8

  2.3.2 Penjabaran Gaya pada Sudu........................................................... 11

  2.3.3 Dasar Teori untuk perolehan Efisiensi Turbin dan Suhu ............... 15

  2.4 Tip Speed Ratio....................................................................................... 18

  2.5 Angle of Attack ....................................................................................... 21

  2.6 Chord Line .............................................................................................. 22

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................................. 26

  3.1 Sarana Penelitian..................................................................................... 26

  3.2 Peralatan Penelitian................................................................................. 26 3.3 Tujuan Penelitian ....................................................................................

  28 3.4 Analisa Data ............................................................................................

  28

  3.5 Langkah Penelitian.................................................................................. 29

  3.6 Cara kerja Alat ........................................................................................ 34

  BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ............................................... 36

  4.1 Data Penelitian ........................................................................................ 36

  4.1.1 Data yang diperoleh pada saat percobaan dengan menggunakan jumlah sudu yang berbeda ............................................................. 36

  4.2 Pengolahan data dan Perhitungan ........................................................... 37

  4.2.1 Pehitungan dengan kincir yang berbeda jumlah sudu dengan variasi Sudu ...............................................................................................

  37

  4.3 Pembahasan dana Perihal lain yang mempengaruhi Cl .......................... 43

  4.3.1 Tip Speed Ratio dan Chord ............................................................ 43

  4.3.2 Alternator dan Beban ..................................................................... 44

  4.4 Grafik Hasil Perhitungan......................................................................... 45

  4.4.1 Grafik Hasil Perhitungan berdasarkan Angle of Attack ................ 45

  4.4.2 Grafik Perhitungan berdasarkan Jumlah Sudu............................... 53

  4.4.3 Grafik Hasil Perhitungan Lain ....................................................... 58

  BAB V PENUTUP................................................................................................... 63 5.1 Kesimpulan .............................................................................................

  63 5.2 Saran........................................................................................................

  64 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................. 65

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Contoh suatu Drag dan Lift yang terjadi pada kapal ................... 7Gambar 2.2. Lift dan Drag pada sudu turbin angin .......................................... 8Gambar 2.3. Resultan gaya aerodimamik dan momen pada body.................... 10Gambar 2.4. Resultan gaya aerodinamik dan komponen yang telah diuraikan 10Gambar 2.5. Resultan gaya aerodinamik pada sebuah sudu yang posisinya 90° terhadap sudut datang angin.......................................................... 12Gambar 2.6. Resultan gaya aerodinamik yang terurai secara sederhana pada sudu yang berbentuk plat .............................................................. 12Gambar 2.7. Contoh Chord pada 2 bidang yang berbeda ................................. 16Gambar 2.8. Contoh grafik antara Lift dan Sudut kemiringan dengan airfoil bentuk NACA 4412........................................................................ 18Gambar 2.9. Penentuan tip speed ratio pada tiap jumlah sudu berbeda ........... 19Gambar 2.10. Sebuah bentuk sudu, arah aliran udara dan α sebagai angle of

  attack ............................................................................................. 22

Gambar 2.11. Contoh sebuah Chord pada NACA 4412 ..................................... 23Gambar 2.12. Hubungan antara Chord dan Tip speed ratio ............................... 24Gambar 3.1. Turbin angin secara utuh tanpa kelistrikan .................................. 31Gambar 3.2. Bagian – bagian dari kelistrikan................................................... 31Gambar 3.3. Penampang Sudu dan sekrup pengatur kemiringan ..................... 32Gambar 4.2. Grafik hubungan Besar Cl dengan Angle of Attack .................... 45Gambar 4.3. Grafik hubungan Besar Cd dengan Angle of Attack ................... 46Gambar 4.4. Grafik hubungan antara P dengan Angle of Attack .................. 47 inGambar 4.5. Grafik hubungan Efisiensi dengan Angle of Attack .................... 48Gambar 4.6. Grafik hubungan antara Perbandingan Cl dan Cd dengan

  Angle of Attack ............................................................................ 49

Gambar 4.7. Grafik hubungan antara Tip Speed Ratio dengan

  Angle of Attack ............................................................................ 50

Gambar 4.8. Grafik hubungan antara Besar Cl berdasarkan pada perhitungan

  

Chord dengan Angle of Attack ..................................................... 51

Gambar 4.9. Grafik hubungan antara Besar Cl dengan Jumlah sudu ............... 52Gambar 4.10. Grafik hubungan antara Besar Cd dengan Jumlah sudu .............. 53Gambar 4.11. Grafik hubungan antara dengan Jumlah Sudu ....................... 54

  P _in

Gambar 4.12. Grafik hubungan antara Efisiensi dengan Jumlah sudu ............... 55Gambar 4.13. Grafik hubungan antara Tip Speed Ratio dengan Jumlah sudu.... 56Gambar 4.14. Grafik hubungan antara besar Cl berdasarkan perhitungan Chord dengan Jumlah sudu ...................................................................... 57Gambar 4.15. Grafik hubungan antara Tip Speed Ratio dengan

  Efisiensi Turbin............................................................................ 58

Gambar 4.16. Grafik hubungan antara Tip Speed Ratio dengan Perbandingan ClGambar 4.18. Grafik hubungan antara Efisiensi SKEA dengan Perbandingan Cl dan Cd ........................................................................................... 60Gambar 4.19. Grafik hubungan antara Efisiensi SKEA dengan berdasarkan jumlah sudu ................................................................................... 61

  ^out

  P

Gambar 4.19. Grafik hubungan antara Efisiensi SKEA dengan berdasarkan

  angle of attack ............................................................................... 62 ^out P

  

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Data perolehan dari kincir 6 sudu. ............................................... 36Tabel 4.2. Data perolehan dari kincir 3 sudu ................................................ 36Tabel 4.3. Data perolehan dari kincir 2 sudu. ............................................... 37Tabel 4.4. Tabel perolehan S, P , dan P pada kincir 6 sudu ................... 40 in outTabel 4.5. Tabel perolehan S, P , dan P pada kincir 3 sudu ................... 40 in outTabel 4.6. Tabel perolehan S, P , dan P pada kincir 2 sudu ................... 40 in outTabel 4.7. Data perolehan Lift dan Drag, P dan F sudu 6 ..................... 41 out outTabel 4.8. Data perolehan Lift dan Drag, P dan F sudu 3 ..................... 41 out outTabel 4.9. Data perolehan Lift dan Drag, P dan F sudu 2 ..................... 41 out outTabel 4.10. perolehan hasil efisiensi dan coeffisien Lift dan Drag pada kincir 6 sudu.................................................................................. 42Tabel 4.11. perolehan hasil efisiensi dan coeffisien Lift dan Drag pada kincir 3 sudu.................................................................................. 42Tabel 4.12. perolehan hasil efisiensi dan coeffisien Lift dan Drag pada kincir 2 sudu.................................................................................. 43Tabel 4.13. Besar Tip Speed Ratio dan Chord 6 sudu................................... 43Tabel 4.14. Besar Tip Speed Ratio dan Chord 3 sudu................................... 43Tabel 4.15. Besar Tip Speed Ratio dan Chord 2 sudu................................... 44

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Dewasa ini kebutuhan akan energi listrik terus meningkat. Namun energi listrik tidak dapat kita peroleh begitu saja dari alam. Diperlukan suatu proses tertentu untuk mendapatkannya karena alam tidak menyediakan energi listrik secara langsung. Energi listrik diperoleh dengan mengubah energi yang ada di alam misalnya, energi gerak, energi kimia, energi panas dan sebagainya, dengan suatu alat tertentu dan proses tertentu diubah menjadi energi lisrik. Dalam proses-proses tersebut membutuhkan alat-alat tertentu yang dapat mengubah ataupun mengkonversi suatu bentuk energi ke bentuk energi lain.

  Angin merupakan energi yang sangat besar, tetapi angin juga mempunyai kelemahan karena sifatnya yang tidak konstan atau dinamis.

  Namun hanya angin saja belum cukup, kita harus mengolahnya lagi dengan bantuan kincir yang ditransmisikan ke generator, sehingga dapat menghasilkan energi listrik. Oleh karena itu perlu diteliti dengan sebuah alat tentang karakteristik kincir angin. Alat ini menekankan tentang besar daya yang dikeluarkan dan efektif atau tidaknya alat tersebut.

  2

  1.2 Perumusan Masalah

  Permasalahan yang dapat dirumuskan pada pembuatan alat ini adalah sebagai berikut: 1) Indonesia mempunyai potensi angin yang banyak. 2) Alternatifnya dibuat desain alat yang sederhana dan mudah mendapatkannya, seperti kincir angin dengan sudu berupa fan (terbuat dari kipas angin ).

  1.3 Tujuan Penelitian

  1. Memperoleh data tentang koefisien Drag dan Lift suatu kincir dengan variasi sudut sudu.

  2. Memperoleh data tentang koefisien Drag dan Lift suatu kincir dengan variasi jumlah sudu.

  3. Memperoleh data tentang Efisiensi alat tersebut dari variasi besar sudut sudu, dan variasi jumlah sudu.

  4. Memperoleh data besar gaya yang dihasilkan dari sebuah generator listrik, yang dapat dibandingkan dengan besar variasi sudut sudu dan jumlah sudu.

  3

  1.4 Manfaat Penelitian

  Manfaat dari penulisan Laporan Tugas Akhir ini adalah: 1) Dapat dipergunakan sebagai sumber informasi pada daerah berangin yang kekurangan sumber tenaga listrik, karena dapat digunakan membangkitkan tenaga listrik. 2) Dapat menambah literatur (pustaka) tentang turbin angin sebagai pembangkit listrik.

  1.5 Batasan Masalah

  Agar permasalahan yang ada tidak berkembang menjadi luas, maka perlu adanya batasan terhadap permasalahan yang akan dibuat yaitu: 1) Pengendalian kecepatan angin menggunakan Wind Tunnel. 2) Jumlah sudu yang digunakan ialah 2 sudu, 3 sudu, 6 sudu. 3) Perubahan besar sudut adalah 30°, 45°, 60° 4) Data energi yang masuk pada alat adalah energi yang disebabkan oleh adanya angin.

  5) Data energi yang keluar dari alat adalah energi listrik.

  1.6 Langkah Perancangan

  Sebelum memulai perancangan, terlebih dahulu harus diketahui kecepatan angin yang diperlukan dan daya yang dihasilkan generator. Dalam

  4 Torsi, penulis dapat menentukan diameter poros yang dibutuhkan. Untuk selanjutnya poros disambungkan ke generator sehingga menghasilkan energi listrik.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Tipe Kincir Angin

  Kincir angin poros horizontal adalah kincir dengan poros utama horizontal dan generator pembangkit listrik pada puncak menara. Sedangkan kincir angin poros vertikal adalah kincir dengan poros vertikal sepanjang menara dan mempunyai generator pembangkit listrik dibawah poros.

  Kincir angin modern yang sering dilihat saat ini adalah kincir dengan tiga sudu, terkadang 2 sudu atau bahkan 1 sudu (dengan counter-balanced), dan tertuju pada angin dengan motor computer-controlled. Menurut Danish turbin manufaktur, kincir tiga sudu mempunyai Tip speed ratio yang tinggi, efisiensi tinggi, dan mempunyai reaksi torsi rendah yangsering dipergunakan. Tipe ini biasanya diletakkan pada ketinggian 200 sampai 295 kaki. Terkadang tipe ini berputar pada 16.6 rpm dengan dipercepat gearbox, sehingga komponen generator dapat berputar hingga 2200 rpm.

2.1.1 Keuntungan dari pemilihan HAWT (Horizontal-Axis Wind Turbines)

  ™ Seluruhnya self-starting ™ Dapat lebih murah karena menghasilkan volume produksi relatif tinggi, bentuk lebih besar dan effisiensi yang lebih tinggi.

  ™ Dengan adanya menara yang tinggi mempermudah pemasangannya di daratan atau dilepas pantai.

  ™ Menara yang tinggi menyebabkan perolehan angin lebih banyak. Dari tiap kenaikan menara ± 10 meter, dapat meningkatkan kecepatan angin sebesar 20 % dan tenaga keluaran sekitar 34 %.

2.1.2 Kerugian dari pemilihan HAWT (Horizontal - Axis Wind Turbines) ™ Harga dari HAWT menjadi kendala pembuatannya.

  ™ Kincir ini juga mengganggu kinerja radar angkatan udara. ™ Apabila sudu terlalu dekat dengan tanah sulit pengoperasiannya, karena kincir ini lebih mementingkan aliran laminer daripada aliran turbulen kincir. ™ Apabila dioperasikan dilepas pantai menyebabkan radar pada kapal- kapal yang lewat terganggu.

2.2 Gerak Kincir

  Pada intinya kincir angin mentransmisikan energi angin dan mengubahnya melalui generator yang ada menjadi energi listrik. Energi angin yang diterima oleh sudu akan membuat suatu aliran angin, sebagai contoh pada obyek yang bergerak searah aliran angin, menghasilkan gaya yang disebut “drag” atau gaya seret. Gaya seret digunakan terlebih dahulu pada kincir angin. Drag mudah bekerja sangat pelan dan sudu yang bergerak berlawanan arah angin pada umumnya memperlambat perputaran rotor. Gaya Drag adalah gaya dari angin yang mendorong searah arah aliran angin, tetapi ada juga gaya lain yang disebut “lift”. Gaya lift selalu bekerja tegak lurus arah aliran angin, dan gaya ini perputaran rotornya berlawanan dengan drag yaitu semakin mempercepat perputaran rotor.

  Karakteristik sudu memerlukan spesifikasi lebar dan sudut kemiringan sudu pada tiap sudunya, dimana spesifikasi lebar dan sudut kemiringan berpengaruh sepanjang sudu. Gaya drag melawan arah gerak kincir, sedangkan gaya Lift menyokong arah gerak kincir. Hal mengenai lift dan drag dapat dilihat dari gambar 2.1. Angin mendorong layar maka akan menyeret kapal dan disebut drag, tetapi hal tersebut berbeda pada kincir yang diperlihatkan pada

gambar 2.2 yang memperlihatkan bahwa angin mendorong sudu disebut LiftGambar 2.1 Contoh suatu Drag dan Lift yang terjadi pada kapal

  (Sumber : The Encyclopedia of Alternative Energy and Sustainable

  

Living, A resource of The Worlds of David Darling )

Gambar 2.2 Lift dan Drag pada sudu kincir angin.

  (Sumber : The Encyclopedia of Alternative Energy and Sustainable

  Living, A resource of The Worlds of David Darling )

2.3 Gaya dan Torsi Aerodinamik pada Kincir Angin

2.3.1 Perolehan Gaya menurut Teori

  Gaya angkat dan gaya seret tergantung pada koefisien CL dan Cd, yang tiap saat tergantung pada potongan melintang sudu yang digunakan, dan pada sudut α dimana angin menabrak sudu. Persamaan untuk Lift dan Drag adalah; ₂ Lift = Cl ( ρ / 2 ) SV ..................................... (2.1)

  ∞ ₂

  ( / 2 ) ..................................... (2.2)

  Drag = Cd ρ SV ∞

  

(Sumber : Engineering Fluid Mechanics, halaman 71 )

  Dengan:

  3

  ρ =Densitas Udara / massa jenis udara, kg/m

  3

  = 1,225 kg/m

  2 A = luas penampang melintang arus angin, m =

  V ∞

  kecepatan angin, m/s Cl = Koefisien Lift

  Cd

  = Koefisien Drag Pada intinya betapa komplek bentuk sudu atau sayap, gaya aerodinamik dan momen sepanjang body merupakan 2 sumber dasar. Hanya mekanisme yang menghubungkan gaya pada body dengan tekanan fluida, yang didistribusikan ketegangan pada permukaan body. Efek dari tekanan ( p ) dan distribusi tegangan ( τ ) diintegrasikan menjadi resultan ( R ) dan momen ( M ). Resultan gaya aerodinamik dan momen dapat ditunjukan pada Gambar 2.3

Gambar 2.3 Resultan gaya aerodimamik dan momen pada body.

  (Sumber : Fundamental of Aerodynamics, halaman 14)

  Sudut datang didefinisikan sebagai sudut antara Chord ( C ) dan V .

  α ∞

  Karena itu juga merupakan sudut antara lift ( L ) dan gaya normal ( N ). dan

  α

  antara drag ( D ) dan gaya aksial ( A ). Hubungan geometri antara dua bentuk komponen ditunjukan pada Gambar 2.4, dan gambar tersebut menjelaskan berputarnya poros dikarenakan gaya dorong lift terhadap sudu.Sehingga akan diperoleh torsi pada poros tersebut.

Gambar 2.4 Resultan gaya aerodinamik dan komponen yang telah diuraikan.

  (Sumber : Fundamental of Aerodynamics halaman 14) Persamaan yang terbentuk dari gambar di atas adalah:

  L = N cos α − A sin α ................................ (2.3)

• D = N sin α A cos α ................................ (2.4)

  (Sumber : Fundamental of Aerodynamics, rumus 1.1, halaman 14)

  Dengan: N = Gaya Normal Sudu ( N ) A = Gaya Aksial Sudu ( N ) dan drag diperoleh dari dua komponen, yaitu perpaduan antara gaya

  Lift

  normal dan gaya aksial sudu pada baling – baling kincir atau sayap pada pesawat, dimana komponen R ( resultan ) terjadi karena adanya 2 gaya tersebut.

2.3.2 Penjabaran Gaya pada sudu

  Dari data hasil percobaan Prof. John D. Anderson yang terdapat pada

Gambar 2.5 dapat memudahkan kita untuk mencari lift dan drag, yaitu dengan

  mengalikan gaya Normal dan dengan besar variabel sudut. Gaya aerodinamik pada sudu dengan sudut 90° dapat dilihat pada Gambar 2.6

Gambar 2.5 Resultan gaya aerodinamik pada sebuah sudu yang posisinya 90° terhadap sudut datang angin.

  α β ∞

  V D

  L N

Gambar 2.6 Resultan gaya aerodinamik yang terurai secara sederhana pada sudu yang berbentuk plat.

  Rumus yang terbentuk dari gambar diatas adalah: α

  N cos L = ............................... (2.5)

  α sin N D = ............................... (2.6) Dengan: α = Sudut antara arah datang angin dengan kemiringan sudu (°) N = F = Gaya keluaran. _out

Gambar 2.6 menjelaskan resultan gaya aerodinamik yang terurai. Resultan

  gaya aerodinamik yang terurai merupakan hasil penjabaran dari kincir yang berbentuk plat. Dari persamaan 2.5 dan persamaan 2.6 dapat diperoleh CL dan Cd, dengan memasukkan hasil perolehan L dan D ke dalam persamaan 2.1 dan 2.2.

  Perolehan gaya N atau gaya normal yang disebutkan sama dengan F _out gaya keluaran. Gaya tersebut merupakan hasil bagi P dengan _out

  V ∞

  Sehingga perolehan F dapat dicari denagn persamaan 2.7; _out

  P _out

  ............................. (2.7)

  F = _out

  V ∞

  Dengan: _{2 3} =( atau ) ............................. (2.8)

  P = _out V ×

  I J S Kg ⋅ m S

  V = Tegangan ( Volt ) I = Arus (ampere)

  = Gaya ( N )

  F _out Dari persamaan 2.8 diatas dapat diperoleh torsi yaitu dengan persamaan;

  F _out Torsi = .............................(2.9) R

  Dengan : R = Jari jari sudu ( m )

  Torsi = Gaya Puntir ( N m )

  Untuk gaya yang masuk atau yang menggerakkan kincir adalah P dan _in persamaan untuk P adalah: _in

  1 ³ P = ρ ⋅ S ⋅ _in V ...........................(2.10)

  ∞

  2 ₃ = .

  6 S ⋅ V ⋅

  ∞

  Dengan;

  P = Daya masukan dari angin. (Watt) _{in 3}

  ρ Massa jenis udara (standar = 1.225 = Kg m ) Kecepatan angin ( )

  V = m s ∞ ₂ S = Luas sudu terpasang dengan pengaruh angle of attack ( m )

2.3.3 Dasar teori untuk perolehan efisiensi kincir dan sudu

  Tegangan dan arus listrik diperoleh dari besar listrik yang dihasilkan oleh generator ( alternator ). Hasil tersebut juga dapat digunakan untuk mencari besar momen yang terjadi pada sudu. Efisiensi sebuah sudu dapat ditentukan dengan membandingkan besar lift dan drag, sedang efisiensi kincir ditentukan dari membandingkan besar P dan P . _{in out}

  Dynamics Pressure

  Dalam perkembangan aerodinamika,akan lebih jelas dimana jumlah luas dari sebuah benda datar lebih bersifat mendasar daripada gaya aerodinamik dan momen itu sendiri. Dalam persamaan Fundamental of Aerodynamics,

  ρ adalah

  ∞

  densitas udara, dan

  V adalah kecepatan sebuah udara, yang masing – masing ∞

  dalam aliran bebas berada sampai ujung dari sebuah body. Maka banyaknya ukuran disebut juga aliran dynamics pressure Dengan persamaan 2.9 dibawah ini.

  1 ₂

  q = ρ V ............................ (2.11) ∞ ∞ ∞

  2

  ⎛ lb N ⎞

  mempunyai satuan tekanan . Dengan

  Dynamics pressure atau _{2 2} ⎜⎜ ⎟⎟ ft m

  ⎝ ⎠

  tambahannya, S merupakan Luas area dan l merupakan panjang. Maka koefisien lift dan drag dapat ditentukan pada persamaan-persamaan dibawah ini.

  S q L C _L

  ∞

  = ........................... (2.12)

  S q D C d

  ∞ =

  ........................... (2.13) Pada persamaan koefisien 2.12 dan 2.13, merupakan koefisien pada sebuah bentuk body; pada bentuk yang berbeda, A dan l mungkin saja dapat berbeda arti. Contoh seperti pada sayap pesawat, S adalah luas sayap dan l adalah panjang Chord. Seperti pada Gambar 2.6

Gambar 2.7 Contoh chord pada 2 bidang yang berbeda

  

(Sumber : Fundamental of Aerodynamics, halaman 18) Efisiensi kincir ditentukan dengan persamaan 2.13 sedang efisiensi kincir dengan persamaan 2.14.

  C _L

  Perbandingan Cl dan Cd = ......................... (2.14)

  C _d P _out

  Efisiensi Sistem Konversi Energi Angin (SKEA) = × 100 % ..(2.15)

  P _in

  Berdasarkan gaya-gaya yang sudah diperoleh yaitu lift dan drag, semuanya tergantung terhadap besar sudut α dan dipengaruhi oleh luas penampang melintang sudu yang digunakan, dimana angin tersebut menumbuk sudu. Kita tidak dapat menghitung koefisien lift dan drag, koefisien tersebut dapat diukur melalui percobaan dalam Wind Tunnel, dan dicatat. Berikut adalah grafik antara Lift dengan sudut kemiringan sudu (

  α ). Semakin α meningkat Lift juga meningkat hingga sampai pada titik dimana sudu mengalami perlambatan.

  Stall

  Pada Aerodinamik, perlambatan itu disebut Stall, dimana hal tersebut mereduksi gaya Lift yang dihasilkan oleh sebuah airfoil. Ini terjadi ketika sudut datang kritis dari airfoil melebihi batas, biasanya terjadi pada sudut 14 sampai 16 derajat.Contoh stall dapat dilihat Gambar 2.7

Gambar 2.8 Contoh grafik antara Lift dan Sudut kemiringan dengan

  airfoil bentuk NACA 4412

  )

2.4 Tip Speed Ratio

  Efisiensi tertinggi dari kincir dengan tiga sudu mempunyai tip speed ratio

  5. Pada umumnya Tip speed ratio yang tinggi lebih baik, tetapi tidak berarti dimana mesin bertambah berisik dan terlalu tegang. Tip speed ratio akan menentukan berapa cepat kincir angin yang diinginkan akan berputar dan juga sebagai implikasi untuk alternator yang dapat digunakan. contoh tip speed ratio dapat ditunjukan pada Gambar 2.9;

Gambar 2.9 Penentuan tip speed ratio pada tiap jumlah sudu berbeda.

  (Sumber : Http://www.hugh.piggott@enterprise.net) Kincir angin modern dibuat untuk berputar pada kecepatan bervariasi.

  Menggunakan aluminium dan komposit pada sudu – sudunya menghasilkan putaran inertia rendah, yang mana kincir angin yang baru dapat dengan mudah mempercepat putaran jika angin dapat mengangkat, dan menjaga tip speed ratio lebih mendekati konstan. Pengoperasian mendekati pada optimalnya tip speed saat hembusan keras dari angin mengizinkan kincir angin untuk

  ratio

  meningkatkan energi yang ditangkap dari hembusan keras yang tiba – tiba adalah merupakan tipe di tempat berpopulasi.

  Sebaliknya, bentuk lama kincir angin dibuat dengan sudu besi yang berat, dimana lebih memiliki inertia yang besar, dan berputar pada kecepatan, berpengaruh atas frekuensi AC (Alterning Current) pada hasil daya. Inertia yang tinggi menahan perubahan dalam kecepatan putaran dan itu membuat daya keluaran lebih stabil.

  Pada intinya aspek ratiosangat penting dan merupakan indikator dari liftdan drag pada sudu yang terbentuk. Di sebuah pesawat yang mempunyai tinggi – dengan sayap lebar dan tipis – akan menyebabkan drag

  aspek rasio berkurang, dimana keadaannya didominasi dengan angin kecepatan rendah.

  Itulah mengapa Para Gliders mempunyai sayap yang panjang.

  Tip speed ratio ditentukan sendiri tetapi bila perlu dapat diperhitungkan

  dengan rumusan;

  nr

  .......................... (2.16) λ = _r

  V ∞

  λ adalah local speed ratio pada sebuah sudu r dapat disebut sebagai tip _r jari-jari sudu dengan r = R sehingga;

  nR

  λ = .......................... (2.17)

  V ∞

  Dengan : λ = Tip speed ratio

  R = Jari jari sudu n = kecepatan putar kincir

  (Sumber : Wind Energy Handbook , Tony Burton halaman 49)

2.5 Angle of Attack

  Pada teori tentang aerodinamik Angle of attack dapat dideskripsikan sebagai sudut antara airfoil dengan chord line (garis penghubung antara leading

  edge dengan trailing edge) dan relativitas aliran angin, yang mengarahkan

  secara efektif gerak sudu. Ini dapat dideskripsikan sebagai sudut antara ujung sayap / sudu dan kemana arah bergerak.

  Angle of attack sering disalah artikan dengan sudut pancang. Angle of attack tidak dapat diukur dari batas horizon, atau tanah; dimana sudut pancang

  tersebut didapat. Ditunjukan pada Gambar 2.10 Apabila jumlah lift dihasilkan dengan hubungan angle of attack, maka lebih besar sudut yang dihasilkan maka makin besar pula lift yang dihasilkan

  (juga tidak ketinggalan pula Drag). Yang lainnya tergantung pada titik pereduksi atau Stall, dimana lift mulai berkurang karena pemisahan aliran. Hal ini jika terjadi pada pesawat terbang maka akan membuat pesawat tersebut sulit berakselerasi, dan mungkin akan berkurang kecepatannya.

Gambar 2.10 S ebuah bentuk sudu, arah aliran udara dan α sebagai angle of attack .

  ( Sumber : "

2.6 Chord Line

   Chord sebuah sudu harus dioptimalkan untuk memberikan tenaga

  maksimum terutama pada tip speed ratio dalam hubungannya dengan

  

Coefficient lift , mengabaikan drag dan tip loss atau kerugian-kerugian pada

  ujung. Maka bentuk persamaan chord yang optimal seperti pada persamaan.Gambar 2.11 adalah sebuah contoh sebuah chord bentuk NACA 4412

Gambar 2.11 Contoh sebuah Chord pada NACA 4412

  (Sumber : Http://www.hugh.piggott@enterprise.net)

  Dari Gambar 2.11 dapat diperlihatkan juga Chord berlaku untuk sepanjang sudu dan berikut adalah hubungannya dengan Tip speed ratio seperti pada gambar 2.12;

  R r

  16 ₂ ⋅

  Cl R B c

  ............................. (2.18b) Sehingga menjadi ;

  ( )

  μ π

  λ μ

  1

  9

  ⋅ ⋅ =

  2 ) (

  B Cl R c ........................... (2.18c)

  ( )

  π μ

  1

  9

  16 ₂ ⋅

  =

  = ⋅ ⋅

  8

Gambar 2.12 Hubungan antara Chord dan Tip speed ratio

  2 ) (

  (Sumber : Http://www.hugh.piggott@enterprise.net)

Gambar 2.12 menghasilkan persamaan 2.17a seperti dibawah ini;

  λμ λ

  π μ

  λ σ

  9

  8

  = ⋅ ⋅

  9

  = Cl

  R B c Cl _r

  .............................. (2.18a) Dari persamaan 2.17a dapat disederhanakan menjadi dengan mengabaikan

  Cl _r

  λ σ maka; λμ

  λ π

  μ

  R c ........................... (2.18d) Pada ( ) μ c terdapat unsur Cl (coefficient of lift), maka dari itu Chord dapat mempengaruhi kincir angin. Dan untuk mencari Cl (coefficient of lift) dapat menggunakan persamaan;

  ( ) μ μ λ

  π

  1

  9

  16 ₂ ⋅

  ⋅ ⋅ ⋅ =

  B c R Cl ........................... (2.18e)

  Dengan : c = Chord (m) μ =

  R r

  = Posisi radial non-dimensional = B

  Jumlah sudu yang terpasang

  

(Sumber : Wind Energy Handbook , Tony Burton halaman 338)

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

  3.1 Sarana Penelitian Sarana yang digunakan untuk penelitian adalah Kincir angin yang terbuat

dari Kipas angin gantung dengan memvariasikan sudut dan jumlah sudu kipas

tersebut, yang akan menghasilkan daya masukan yang berbeda.

  3.2 Peralatan Penelitian

Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian tersebut adalah :

1.

  Alternator Alat ini berfungsi sebagai alat yang mengubah gaya gerak menjadi listrik. Alternator menghasilkan arus listrik dan tegangan listrik yang berfungsi untuk mencari besar daya yang dikeluarkan.

2. Tachometer Alat ini digunakan untuk mengukur putaran poros motor DC.

  Tachometer yang digunakan tachometer jenis digital light tachometer, yang prinsip kerjanya dengan memancarkan sinar untuk membaca sensor yang berupa pemantul cahaya (contoh alumunium foil) yang dipasang pada poros.

  3. Wind Tunnel Alat ini berfungsi sebagai lorong yang menangkap dan mengumpulkan angin dan menghembuskannya pada kincir yang juga diletakkan didalam Wind Tunnel tersebut, pengaturan kecepatan angin dilakukan dialat ini.

  4. Fan / Blower Alat ini menghembuskan angin yang akan disalurkan ke Wind Tunnel .

  5. Accu Sebagai sumber arus listrik. Pada alternator, listrik dari accu digunakan sebagai pemancing magnet agar alternator dapat terus menghasilkan listrik saat accu dimatikan.

  6. Multimeter

Alat ukur untuk mengukur kelistrikan pada beban yang diberikan.

  7. Lampu / beban Berfungsi sebagai beban dalam percobaan ini dan beban ini yang akan diukur.

  8. Anemometer Berfungsi sebagai alat pengukur kecepatan angin.

  3.3 Tujuan Penelitian Adapun variabel yang digunakan dalam pengujian yaitu: a.

  Sudut sudu Variasi sudut sudu yang diambil sebanyak tiga variasi, yaitu 30°, 45° , 60°. Sudut sudu ini diambil dari sudut tegak lurus sudu terhadap fan, jadi dapat dibilang sudut 0° sama dengan 90° sudu terhadap fan.

  Variasi ini merupakan variasi pertama untuk mencari efisiensi b. Jumlah sudu Variasi jumlah sudu yang diambil sebanyak 3 kali dengan jumlah 2 sudu, 3 sudu, 6 sudu. Jumlah ini merupakan variasi kedua dalam mencari efisiensi.

  3.4 Analisa Data Data yang diambil dari percobaan ini adalah sebagai berikut : a.

  Putaran poros kincir dan Alternator yang dihasilkan ( n ).

b. V ) dan Arus ( I ) listrik pada Lampu.

  Tegangan ( L L c. V ) yang digunakan didapat dari pengukuran Kecepatan angin ( ∞ Anemometer yang diletakan didepan Wind Tunnel.

  d. P maka haruslah mendapatkan S yang didapat Untuk mendapatkan in dari luasan ( A ) seluruh kincir dan dikalikan dengan besar sudu dan jumlah sudu.

  e. P diperoleh dari pengkalian tegangan ( V ) dan Arus ( I ) listrik _{out L L} f.

  Dari hasil out P diperoleh _Alt F yang merupakan gaya alternator.

  Selanjutnya ditentukan efisiensi turbin dan efisiensi kincir dengan menggunakan persamaan 2.13 dan 2.14

  Setelah semua siap. Blower dihidupkan untuk menghembuskan angin

  d.

  Didepan kincir angin dipasang anemometer untuk mengetahui besar angin yang ada dalam Wind Tunnel.

  c.

  Pada hubungan seri accu diberi saklar, untuk memutus dan menyambungkan arus listrik.

  Puli besasr kincir angin dihubungkan dengan alternator, kemudian dihubungkan pada accu secara seri, lampu dihubungkan secara paralel.

  b.

  Kincir angin dipasang didalam Wind Tunnel dan dibaut supaya tidak bergerak sedikitpun.

  C dan _d C menggunakan persamaan 2.11 dan 2.12. j.

  g.

  ρ , maka dapat diperoleh _L

  1 _{∞ ∞ ∞} = V q

  2

  Dengan menggunakan persamaan 2.9 dengan ²

  Gambar 2.5, dan dengan menggunakan persamaan 2.5 dan 2.6 maka didapatkan Lift ( L ) dan Drag ( D ). i.

  Dari Alt F yang sudah didapat maka dapat diuraikan seperti pada

  h.

  Gaya alternator tersebut bila dikalikan dengan ( r ) yang merupakan jari-jari maka didapatkan torsi alternator tersebut.

3.5 Langkah Penelitian a.

  e.

  

Setelah angin dapat memutar kincir pada kecepatan maksimum dan