Unjuk kerja Dutch Windmill dengan variasi lebar sudu - USD Repository

  

UNJUK KERJA DUTCH WINDMILL DENGAN VARIASI LEBAR SUDU

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  

Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh:

JEFFRY YOHANES FRANCISCO

  

NIM : 055214023

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2010

  

THE PERFORMANCE OF DUTCH WINDMILL WITH WIDTH OF BLADE

  

VARIATION

Final Project

Presented as partitial fulfilment of the requirement

to obtain the Sarjana Teknik degree

in Mechanical Engineering

  

By:

JEFFRY YOHANES FRANCISCO

Student Number : 055214023

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

  

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2010

  

TUGAS AKHIR

UNJUK KERJA DUTCH WINDMILL DENGAN VARIASI LEBAR SUDU

  Yogyakarta, 10 Agustus 2010 Pembimbing

  Ir. YB. Lukiyanto, M.T

  

TUGAS AKHIR

UNJUK KERJA DUTCH WINDMILL DENGAN VARIASI LEBAR SUDU

  

PERNYATAAN

  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, 10 Agustus 2010 Jeffry Yohanes Francisco

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Sanata Dharma : Nama : Jeffry Yohanes Francisco NIM : 055214023

  Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

  

UNJUK KERJA DUTCH WINDMILL DENGAN VARIASI LEBAR SUDU

  beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengolahnya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikan di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya atau pun memberikan royalti kepada saya selama masih tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

  Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Yogyakarta, 10 Agustus 2010

  Yang Menyatakan, Jeffry Yohanes Francisco

  INTISARI

  Kebutuhan energi saat ini meningkat seiring dengan kemajuan teknologi karena hampir semua peralatan rumah tangga, perkantoran, dan industri menggunakan listrik. Untuk itulah penelitian tentang energi terbarukan pada umumnya dan penelitian tentang Dutch Windmill pada khususnya yang penulis lakukan dalam tugas akhir penulis dengan tujuan membuat model kincir angin jenis Dutch windmill untuk mendapatkan grafik hubungan efisiensi SKEA (Sistem Konversi Energi Angin) dengan TSR (Tip Speed Ratio) dan grafik hubungan daya keluaran dengan kecepatan angin.

  Model kincir angin Dutch Windmill dengan jari-jari sudu 43 cm berbentuk persegi panjang plat datar dengan variasi lebar sudu berturut-turut 10 cm, 15 cm, dan 20 cm. Diuji dalam lorong angin dengan memvariasikan kecepatan angin serta dengan menggunakan beban berupa lampu bohlam 8 watt berjumlah 27 buah, dimana setiap pengujian dilakukan pengukuran kecepatan angin, putaran poros, tegangan, dan arus. Sehingga dari variabel yang diukur dari percobaan dapat dilakukan perhitungan untuk mendapatkan Tip Speed Ratio dan efisiensi SKEA.

  Setelah percobaan dilakukan dan mendapatkan data-data serta telah melakukan perhitungan didapatkan efisiensi SKEA maksimal berturut-turut sebesar 0,018 dengan Tip Speed Ratio 1,06 untuk lebar sudu 10 cm, 0,037 dengan Tip Speed Ratio 1,24 untuk lebar sudu 15 cm, dan 0,044 dengan Tip Speed Ratio 1,35 untuk lebar sudu 20 cm.

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yesus Kristus atas setiap waktu yang telah diberikan serta semangat, harapan baru yang berlimpah dan tiada henti di dalam penulisan tugas akhir ini hingga selesai.

  Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi bagi mahasiswa Teknik Mesin sebelum dinyatakan lulus sebagai Sarjana Teknik. Dalam pelaksanaan dan penulisan tugas akhir ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak, baik berupa materi, bimbingan, kerja sama serta dukungan moril. Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada :

  1. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  2. Ir. YB. Lukiyanto, M.T., selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan, dorongan serta meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

  3. Seluruh dosen, staf dan karyawan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta atas kuliah, bimbingan , serta fasilitas yang diberikan selama masa kuliah.

  4. Kepada kedua orang tua, atas dukungan moral, finansial, doa dan motivasi yang tiada henti hingga tugas akhir ini bisa selesai.

  5. Kepada saudari Dian Lestari Utami, Amd, atas dukungan semangat dan fasilitas sehingga proses pengerjaan skripsi lancar.

  6. Segenap teman-teman Teknik Mesin terutama angkatan 2005 dan yang masih tersisa, banyak pembelajaran yang penulis dapatkan bersama kalian.

  7. Saudara-saudara penulis dan teman-teman penulis yang tidak dapat disebutkan oleh penulis satu per satu.

  Saya menyadari penulisan Tugas Akhir ini banyak kekurangan, dengan sedikit inspirasi ini dapat menjadi jalan menuju suatu hal yang lebih baik untuk penulisan tugas akhir teman-teman nantinya serta melanjutkan ke arah penelitian dan penciptaan demi kemajuan Universitas kita.

  DAFTAR ISI Hal.

  HALAMAN JUDUL ... i …………..………………………………………...... ii

  TITLE PAGE………………………………………………………………… HALAMAN PENGESAHAN PEMBIMBING iii .…………………………...... iv HALAMAN PENGESAHAN PENGUJI DAN DEKAN ………................... HALAMAN PERNYATAAN v .………………………………….................... LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA

  ILMIAH vi .…………………………………....................................................... vii

  INTISARI …………………………………………………………………… KATA PENGANTAR viii …………………………………...………………….. DAFTAR ISI x …………………………………………………….................... DAFTAR TABEL

  ……………………………………………………………. xiii DAFTAR GAMBAR

  ………………………………………………………… xiii

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

  1.1. Latar Belakang ..............

  1 ……………...……………..................

  1.2.

  4 Batasan Masalah ……………………………………………….

  1.3.

  4 Tujuan Penelitian ………………………………………............

  1.4.

  4 Manfaat Penelitian ……………………………………………..

  BAB II LANDASAN TEORI 6 …………….......…….…………………...........

  2.1. Pengertian Energi Angin 6 ………..…………………………….

  2.2. Jenis-jenis Kincir Angin ............................................................

  7 2.3. Gaya-Gaya Yang Berkerja Pada Kincir Angin .........................

  11 2.4. Perumusan...... 12 ………………………………………………....

  12 2.4.1. Luasan Tegak Lurus Dengan Arah Angin…..………......

  2.4.2. Laju Aliran Massa.............................................................

  13 2.4.3. Daya Angin.......................................................................

  13 2.4.4. Daya Keluaran Listrik.......................................................

  14 2.4.5. Kecepatan Ujung Sudu.....................................................

  15 2.4.6. Tip Speed Ratio (TSR)......................................................

  15 2.4.7. Efisiensi SKEA (Sistem Konversi Energi Angin).............

  16 BAB III

  18 METODE PENELITIAN…………………………………………...

  3.1. Metode Penelitian........................................................................

  18 3.1.1. Dimensi Dutch Windmill...................................................

  18 3.1.2. Proses Pembuatan Dutch Windmill...................................

  18 3.1.3. Proses Penelitian Dan Pengambilan Data.........................

  20 3.2. Alat Dan Bahan...........................................................................

  22 3.2.1. Sudu atau Blade.................................................................

  22 3.2.2. Poros..................................................................................

  23 3.2.3. Bantalan atau Bearing.......................................................

  23 3.2.4. Dudukan Sudu...................................................................

  24 3.2.5. Puli Dan Sabuk..................................................................

  24

  3.2.6. Generator...........................................................................

  25 2.2.7. Multimeter.........................................................................

  26 2.2.8. Anemometer......................................................................

  26 2.2.9. Tachometer........................................................................

  27 2.2.10. Beban lampu....................................................................

  29 2.2.11. Wind Tunnel....................................................................

  29 2.2.12. Peralatan Lain..................................................................

  30 3.3. Variabel Yang Dibutuhkan.....

  30 ……………………..…………...

  3.4. Langkah-

  31 Langkah Penelitian…………………………………...

  BAB IV

  35 PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN.......... …...………............

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

  35 4.2.

  35 Pembahasan……………………………………………………

  35

  4.2.1. Luas Permukaan…………………………………………

  35 4.2.2. Daya Keluaran Listrik…………………………………...

  36

  4.2.3. Daya Angin………………………………………………

  4.2.4. Tip Speed Ratio 37 ………………………………………….

  4.2.5. Efisiensi SKEA 37 (Sistem Konversi Energi Angin)…….....

  4.3. Grafik Dan Hasil Perhitungan

  38 ………………………..…...…… BAB V PENUTUP ..........................................................................................

  41 5.1. Kesimpulan .................................................................................

  41 5.2. Saran ...........................................................................................

  42

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

  Bagian-Bagian Dutch Windmill ………………………………..... Bagian-Bagian Dutch Windmill ……………………………….....

  24 Gambar 3.7 Puli Dan Sabuk............................................................................... 24

  23 Gambar 3.6 Dudukan Sudu...............................................................................

  22 Gambar 3.4 Poros.. .............…….…………………………………………….. 23 Gambar 3.5 Bearing ..........................................................................................

  22

  Sudu atau Blade ...…………………….………………....………. Sudu atau Blade ...…………….………………………....……….

  22 Gambar 3.3a Gambar 3.3b

  21

  Kerangka....……………........................................……………… 20 Gambar 3.2a Gambar 3.2b

  44 LAMPIRAN......................................................................................................

  Pada Tiap Jumlah Sudu Berbeda..…. 17 Gambar 3.1

Gambar 2.6 Penentuan Tip Speed Ratio

  Gaya Yang Berkerja Pada Sudu Kincir Angin.............………….. 12

  .........…....................….. 10 Gambar 2.5

  9 Gambar 2.3 Jenis Kincir Angin Poros Vertikal................................................. 10 Gambar 2.4 Diagram hubungan Cp dengan tsr ..........

Gambar 2.1 Perpindahan Udara......................................................................... 9 Gambar 2.2 Jenis Kincir Angin Poros Horisontal.............................................

  46 DAFTAR GAMBAR Hal

Gambar 3.8 Generator........................................................................................ 25Gambar 3.9 Multimeter...................................................................................... 27

  Gambar 3.10 Gambar 3.11a

  Gambar 3.11b Gambar 3.12 Gambar 3.13 Gambar 3.14 Gambar 3.15

Gambar 3.16 Anemometer...................................................................................

  Digital light Tachometer ................................................................ Digital Tachometer ........................................................................

  Beban Lampu.................................................................................

  Wind Tunnel ...................................................................................

  Rangkaian Multimeter.................................................................... Bagian-Bagian Kincir Angin......................................................... Posisi Kincir Angin........................................................................

  27

  28

  28

  29

  30

  32

  33

  34

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Saat ini kebutuhan energi terus meningkat karena sebagian besar peralatan

  rumah tangga, perkantoran, sekolah, industri dan tempat-tempat lain tidak pernah lepas dari penggunaan listrik diperkirakan mencapai 40% per tahun dan akan semakin meningkat seiring dengan waktu, hal ini dikarenakan semakin banyak populasi penduduk dan hampir semua peralatan yang ada untuk kebutuhan hidup manusia menggunakan listrik, dari alat telekomunikasi, transportasi, dan yang lainnya. Saat ini energi juga dapat digolongkan sebagai barang yang mahal, hal ini dapat terlihat dari bagaimana cara masyarakat memperoleh energi. Masyarakat seringkali harus mengeluarkan biaya untuk memperoleh energi yang dibutuhkan, dan dari pada itu juga karena bahan bakar fosil yang saat ini merupakan sumber energi utama menipis ketersediaannya sehingga terjadi lonjakan harga yang tinggi.

  Untuk masyarakat yang berada di perkotaan atau di desa-desa yang terjangkau oleh listrik masih bisa menikmati listrik akan tetapi sebagian orang di daerah pedalaman yang belum terjangkau oleh listrik masih belum bisa menikmati listrik sehingga masyarakat masih tertinggal karena belum terjangkau listrik dan belum mampu memanfaatkan energi alam secara maksimal.

  Sebenarnya masih banyak sumber energi lain dari alam yang pemanfaatannya belum maksimal. Misalnya saja energi angin, energi air, biogas dan energi surya yang mudah kita dapat. Dengan mempergunakan peralatan tertentu, kedua energi tersebut dapat dikonversi menjadi suatu energi yang siap pakai. Meskipun saat ini biaya yang harus dikeluarkan untuk pembuatan alat pengkonversi energi-energi alam masih relatif mahal misalnya besi untuk kincir angin, solar cell untuk pengonversi energi surya turbin air yang masih mahal biaya pembuatannya dan biaya operasionalnya serta untuk dibeberapa daerah bahan-bahan tersebut sulit didapatkan. Akan tetapi jika pemerintah dan masyarakat fokus pada pengembangan enargi alternatif penulis rasa kita mampu untuk mengembangkan alat-alat pengonversi energi alternatif tersebut.

  Macam-macam energi alternatif tersebut dapat dikonversi menjadi energi listrik yang akan sangat berguna bagi kahidupan masyarakat. Energi surya dapat dikonversi menjadi energi listrik melalui suatu alat yang disebut solar

  

cell . Energi angin dapat dikonversi menjadi energi listrik menggunakan kincir

  angin. Energi Air dapat dikonversi dengan menggunakan kincir air atau turbin air. Biogas dikonversi menjadi listrik dengan membuat pembangkit yang disebut digester serta menggunakan generator bahan bakar gas metan.

  Energi angin dapat dengan mudah diperoleh di daerah pantai. Indonesia yang memiliki garis pantai yang panjang sebenarnya juga sangat mendukung dipergunakannya energi angin sebagai sumber energi. Dengan tambahan transmisi untuk menambah kecepatan putaran poros dari kincir dan sedikit modifikasi tambahan, dan generator listrik dapat dimanfaatkan sebagai penghasil energi listrik.

  Energi listrik yang dihasilkan dapat digunakan sebagai sumber energi untuk penerangan dan pemenuhan kebutuhan lain dalam rumah tangga. Biaya yang seharusnya dikeluarkan masyarakat untuk membayar listrik, dapat digunakan untuk keperluan yang lain. Karena di negara-negara lain seperti negara Denmark lebih dari 0% listriknya dihasilkan dari kincir-kincir angin yang dipasang di lepas pantai atau ladang-ladang kincir sedangkan Inggris memiliki target sekitar 10% listrik berasal dari energi terbarukan. Saat ini banyak terdengar berita tentang pemanasan global yang menjadi topik utama oleh karena gas-gas yang merusak lapisan ozon seperti CFC / Freon, karbondioksida, karbonmonoksida serta lainnya yang merupakan hasil dari pembuangan pembakaran pada mesin bakar serta listrik yang kita gunakan pun masih sebagian besar dihasilkan dari diesel atau mesin-masin yang masih menggunakan bahan bakar fosil. Oleh sebab itu dengan adanya hal-hal tersebut mulai dilakukan penelitian tentang energi alternatif khususnya energi angin yang lebih dikenal sebagai SKEA (Sistem Konversi Energi Angin). Letak geografis Indonesia sangat mendukung perkembangan teknologi ini dan sebagai bentuk dari ikut serta dalam perkembangan energi angin maka penulis melakukan penelitian alat konversi angin yaitu kincir angin jenis poros horisontal (Dutch windmill).

  1.2. Batasan Masalah

  Penelitian kincir dutch windmill yang memiliki empat buah sudu berbentuk segi empat dengan variasi lebar sudu yaitu 10 cm, 15cm, 20cm yang masing- masing sudu terpasang pada poros yang dihubungkan pada generator menggunakan sabuk dan puli. Pengujian kincir angin dilakukan didalam lorong angin untuk mendapatkan data-data yang dibutuhkan untuk menghitung efisensi SKEA (Sistem Konversi Energi Angin).

  1.3. Tujuan penelitian 1 Membuat model Dutch windmill.

  2 Mendapatkan hubungan daya dengan kecepatan angin untuk tiga variasi lebar sudu yaitu lebar sudu 10 cm, lebar sudu 15 cm, dan lebar sudu 20 cm.

  3 Membuat grafik hubungan efisiensi dengan TSR (Tip speed ratio) pada ketiga variasi lebar sudu.

  1.4. Manfaat penelitian a. Mahasiswa memiliki pengalaman membuat kincir angin.

  b. Mahasiswa mampu menggambarkan grafik unjuk kerja model dutch windmill . c. Menambah kepustakaan tentang energi terbarukan sehingga dapat dikembangkan dalam sekala besar.

BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Pengertian Energi Angin Angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke

  tekanan udara yang lebih rendah. Terjadinya perbedaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara karena pemanasan atmosfer yang tidak merata oleh sinar matahari. Dan karena perbedaan temperatur inilah udara bergerak yang mengakibatkan angin memilik energi kinetik. Didaerah katulistiwa udara menjadi panas mengembang dan menjadi ringan naik keatas dan bergerak ke daerah yang lebih dingin. Sebaliknya di daerah kutub yang dingin, udara menjadi dingin dan turun kebawah. Sehingga terjadi perputaran udara, berupa perpindahan udara dari kutub utara menuju garis katulistiwa menyusuri permukaan bumi demikian juga sebaliknya perpindahan udara dari garis katulistiwa kembali menuju kutub utara melalui lapisan udara yang lebih tinggi dapat dilihat pada Gambar 2.1.

  Energi angin dapat dikonversi menjadi energi lain seperti energi mekanik dan energi listrik jika menggunakan alat pengonversi yaitu kincir angin atau turbin angin, oleh karena itu kincir angin sering di sebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA).

2.2. Jenis-jenis Kincir Angin

  Jenis-jenis kincir angin dibagi menjadi dua kelompok berdasarkan arah sumbunya yaitu :

a) Poros horisontal (horizontal axis wind turbine)

  Turbin angin sumbu horisontal memilki sudu yang berputar dalam bidang vertikal seperti halnya propeller (baling-baling) pesawat terbang.

  Turbin angin biasanya memiliki sudu dengan bentuk irisan melintang khusus dimana aliran udara pada salah satu sisinya bergerak lebih cepat dari aliran udara pada sisi yang lain ketika angin melewatinya. Fenomena ini menimbulkan daerah tekanan rendah pada bagian belakang sudu dan daerah tekanan tinggi pada depan sudu, perbedaan ini yang menyebabkan kincir dapat berputar. Biasanya kincir angin jenis poros horisontal digunakan untuk pembangkit energi listrik karena dapat berputar dengan kecepatan tinggi sehingga cocok untuk daerah yang memiliki kecepatan angin yang besar misalnya dilepas pantai akan tetapi memerlukan menara yang tinggi serta perawatan yang lebih mahal karena posisinya yang tinggi, contohnya adalah: American multiblade, dutch windmill, high

  speed propeller, cretan windmill, dan lain-lain, dapat dilihat pada Gambar 2.2.

b) Poros vertikal (Vertical axis wind turbine)

  Turbin angin dengan sumbu vertikal bekerja dengan prinsip yang sama dengan kincir angin poros horisontal, namun sudunya berputar pada bidang yang paralel dengan tanah, biasanya generatornya berada dibawah kincir. Kincir angin poros vertikal memiliki beberapa kelebihan antara lain adalah: a. Tidak membutuhkan menara yang besar.

  b. Perawatan lebih mudah karena kincir angin poros vertikal dapat diletakan dekat dengan tanah.

  c. Pada umumnya kincir angin poros vertikal masih dapat berputar dengan kecepatan angin rata-rata rendah (4 m/s sampai 0,5 m/s), sehingga cocok dengan keadaan di Indonesia yang rata-rata kecepatan anginnya rendah.

  d. Tidak perlu merubah posisi jika arah angin berubah sehingga lebih mudah.

  Akan tetapi selain itu kincir angin poros vertikal memiliki beberapa kekurangan antara lain sebagai berikut: a. Memiliki torsi awal yang rendah dan membutuhkan energi untuk mulai berputar. b. Pada umumnya hanya mampu menghasilkan energi 50% dibanding kincir angin poros horisontal karena adanya gaya drag tambahan. Contoh kincir angin poros vertikal adalah savonius wind mill, darrieus

  wind mill , dapat dilihat pada Gambar 2.3

Gambar 2.1 Perpindahan udaraGambar 2.2 Jenis kincir poros horisontal

  (

  http://www.ifb.uni-stuttgart.de)

Gambar 2.3 Jenis kincir angin poros vertikal (http://2.bp.blogspot.com)

  Setiap jenis kincir angin memiliki ukuran dan efisiensi berbeda-beda. Pada umumnya kincir angin yang memiliki jumlah sudu banyak (soliditas tinggi) akan memiliki torsi yang besar, kincir angin jenis ini biasanya digunakan untuk keperluan mekanikal seperti pompa air, pengolah hasil pertanian, aerasi tambak dan lain-lain, dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Diagram hubungan Cp dengan tsr (http://www.windturbine- analysis.com/)

  Jika dikaitkan dengan sumber daya angin, turbin angin dengan jumlah sudu banyak lebih cocok digunakan pada daerah dengan potensi energi angin yang rendah karena rated wind speed-nya tercapai pada putaran rotor dan kecepatan angin yang tidak terlalu tinggi. Sedangkan turbin angin dengan sudu sedikit (untuk pembangkitan listrik) tidak akan beroperasi secara efisien pada daerah dengan kecepatan angin rata-rata kurang dari 4 m/s. Dengan demikian daerah- daerah dengan potensi energi angin rendah, yaitu kecepatan angin rata-rata kurang dari 4 m/s, lebih cocok untuk dikembangkan turbin angin keperluan mekanikal. Jenis turbin angin yang cocok untuk keperluan ini antara lain american tipe multi blade , cretan sail dan savonius.

2.3. Gaya-gaya yang berkerja pada kincir angin

  Pada setiap sudu kincir angin ada gaya-gaya yang berkerja, ada tiga jenis gaya antara lain: a. Gaya aksial (a) : gaya yang searah dengan arah datangnya angin.

  b. Gaya sentrifugal (s) : gaya yang meninggalkan pusat kincir angin.

  c. Gaya tangensial (t) : gaya yang menghasilkan momen, bekerja pada radius dan merupakan gaya produktif.

Gambar 2.5 Gaya yang bekerja pada sudu kincir angin

  (http://elearning.gunadarma.ac.id) 2.4.

   Perumusan

  Adapun beberapa persamaan yang akan digunakan antara lain sebagai berikut:

2.4.1. Luasan tegak lurus dengan arah angin

  Luasan permukaan kincir yang tegak lurus dengan arah datang angin dapat dihitung dengan persamaan: ............................(1.1) dengan:

  A : Luas permukaan (m²) r : Jari-jari (m)

2.4.2. Laju aliran massa

  Berdasarkan hukum pertama termodinamika, dimana udara bergerak mengandung energi kinetik dan udara yang bergerak tersebut memiliki massa m yang melewati suatu sistem dengan luas A sehingga memiliki laju aliran massa

  , sehingga persamaannya: ............................(1.2) dengan:

  : laju aliran massa (kg/s) luas penampang (m²)

  ѵ : kecepatan angin (m/s) t : waktu (s) ρ : kepadatan udara

  (kg/m³) 2.4.3.

   Daya Angin

  Energi yang tersedia secara teoritis diandaikan semua energi kinetik dapat diubah menjadi kerja maka,

  (asumsi massa jenis udara standar pada temperatur 27⁰, tekanan 1 atm) sehingga daya yang tersedia oleh angin adalah,

  ............................(1.3) dengan: : Daya angin (watt) : laju aliran massa (kg/s)

  

ѵ : kecepatan angin (m/s)

ѵ i

  : kecepatan angin masuk kincir angin (m/s)

  ѵ e

  : kecepatan angin keluar kincir angin (m/s)

  

A : Luas penampang (m²)

ρ

  : massa jenis udara (kg/m³) 2.4.4.

   Daya keluaran Listrik

  Daya keluaran merupakan daya yang dihasilkan oleh kincir angin hasil dari pengonversian dari energi angin menjadi putaran poros yang dirubah menjadi energi listrik oleh generator yang dihitung dengan alat ukur multimeter, dan persamaan yang digunakan adalah:

  ............................(1.4) dengan:

  P out

  = Daya keluaran (Watt)

  V = Tegangan (volt)

  I = Arus (Ampere) 2.4.5.

   Kecepatan Ujung Sudu

  Kecepatan kincir angin biasanya diukur berdasarkan kecepatan putaranya dengan satuan rpm (revolutions per minute, simbol n) atau berdasarkan kecepatan sudutnya, dengan satuan rad s

• 1 (radian per detik), symbol Ω dan ω.

  atau, ............................(1.5) dengan:

  u = kecepatan ujung sudu (m/s)

  π = phi (3,14)

  n = putaran kincir (rpm) r = jari-jari terluar sudu (m)

2.4.6. Tip Speed Ratio (TSR)

  TSR adalah salah satu faktor penentu dalam mengetahui kinerja kincir angin karena dari nilai TSR dapat diketahui seberapa baik kincir yang dirancang, jika kincir angin memiliki nilai TSR tinggi umumnya kincir angin menghasilkan putaran tinggi sebagai contoh high speed propeller 3 sudu memiliki nilai rasio

  5. Jadi selain untuk merencanakan seberapa cepat kincir yang dirancang akan berputar, Dan juga sebagai implikasi altenator yang akan digunakan pada kincir angin. Nilai TSR dari beberapa jumlah sudu kincir angin dapat dilihat pada Gambar 2.6. Persamaan Tips Speed Ratio:

  ............................(1.6) dengan :  = Tip speed ratio

  u = kecepatan ujung sudu (m/s) v = kecepatan angin (m/s)

2.4.7. Efisiensi SKEA (Sisitem Konversi Energi Angin)

  Unjuk kerja suatu kincir angin merupakan hasil perbandingan dari daya yang di keluarkan kincir P out berbanding dengan daya angin P in .

  ................(1.7) dengan: ηSKEA = Efisiensi Sistem Konversi Energi Angin

  out = Daya keluaran (W) P P in = Daya angin (W)

Gambar 2.6 Penentuan tip speed ratio pada tiap jumlah sudu berbeda

  (www.daviddarling.info)

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Metode Penelitian

  3.1.1 Dimensi Dutch windmill

  Dimensi Dutch windmill percobaan secara lengkap dapat dilihat sebagai berikut: r = Jari - jari sudu = 0,43 m θ = Sudut kemiringan sudu = 60⁰

  poros

  L = Panjang poros kincir = 0,6 m

  poros

  D = diameter poros kincir = 0,025 m

   puli kecil

  D = diameter puli kecil = 0,08 m

  puli besar

  D = diameter puli besar = 0,4 m

  3.1.2 Proses pembuatan model Dutch Windmill

  Menyiapkan bahan-bahan:

  1. Triplek

  2. Besi pejal untuk poros

  3. Besi plat L untuk dudukan kincir angin

  4. Dudukan sudu berbahan besi ringan

  5. Bearing

  6. Baut dan mur

  7. Generator

  8. Puli dan sabuk Proses pembuatan kincir angin yaitu membuat dudukan kincir angin atau kerangka dengan cara memotong besi L kemudian di sambung menggunakan las listrik, bentuk disesuaikan gambar disain dapat dilihat pada Gambar 3.1, setelah jadi membuat lubang dengan cara di bor untuk memasang baut pada

  

bearing yang berjumlah dua buah. Selanjutnya adalah membuat poros dari besi

  pejal yang berukuran panjang 60 cm dan diameter 25 mm, di bagian ujung di perkecil diameternya dengan cara dibubut menjadi 23 mm disesuaikan dengan lubang dudukan sudu-sudu tidak lupa juga diberi lubang sekitar 2 mm untuk pengunci. Kemudian poros tersebut disatukan dengan dudukan sudu, pemasangan poros dengan dudukan sudu dikunci dengan membautnya. Pada ujung poros yang lainnya dihubungkan dengan puli yang berdiameter 40 cm dan dibaut agar tidak bergeser.

  Proses selanjutnya adalah membuat sudu-sudu kincir angin dengan bahan triplek dengan cara memotong dengan menggunakan gergaji besi kerena hasil potongan lebih halus jika dipotong dengan menggunakan gergaji kayu maka hasil potongan kasar. Bentuk sudu adalah persegi panjang pada salah satu ujung di potong setengah lingkaran karena disesuaikan dengan dudukan sudu yang berbentuk lingkaran. Dan disetiap potongan setengah lingkaran diberi lubang untuk baut yang ukurannya disesuaikan dengan lubang baut pada dudukan sudu.

  Selanjutnya adalah membuat dudukan generator yang akan terpasang pada dudukan kincir angin, bahan yang digunakan adalah plat besi L dengan panjang 15 cm yang di beri lubang untuk baut sebagai pengunci dengn generator. Kemudia dudukan generator dilas pada salah satu plat dudukan kincir angin dengan posisi membentuk suduk kurang lebih 60º. Dan kemudian generator dipasang pada dudukannya yang membutuhkan dua buah baut. Dan selanjutnya generator yang memiliki diameter puli 8 cm dihubungkan dengan sabuk ke puli kincir angin.

Gambar 3.1 Kerangka

3.1.3 Proses Penelitian dan pengambilan data

  Proses yang dilakukan untuk mendapatkan daya dari kincir dilakukan dalam alat penguji kincir angin wind tunnel. Wind tunnel dapat bekerja secara maksimum menghasilkan kecepatan angin kurang lebih 8,5 m/s. Kincir angin yang digunakan adalah jenis dutch windmill dengan empat sudu dengan profil plat datar persegi panjang, diameter kincir 86 cm. Disini kincir angin diletakan diatas rangka besi dengan diameter poros kincir 2,5 cm dan panjangnya 60 cm. Poros dihubungkan dengan trasmisi, transmisi menggunakan sabuk dan puli. Dimana ukuran diameter puli 40 cm. Kemudian puli dihubungkan dengan generator yang memiliki diameter puli 8 cm. Generator merupakan alat pengonversi energi mekanik menjadi energi listrik yang mana dari generator didapatkan arus keluaran I, dan tegangan V. Sehingga dapat mengetahui berapa daya yang dihasilkan oleh kincir.

  Dari model yang penulis buat diharapkan agar nantinya pada penelitian selanjutnya dapat dikembangkan lebih baik untuk kepentingan masyarakat dan dapat dikembangkan untuk sekala besar, dan untuk gambaran detail dari model dutch windmill dapat dilihat pada Gambar 3.2a dan Gambar 3.2b.

  Gambar 3.2a. Bagian-bagian dutch windmill

  Gambar 3.2b. Bagian-bagian dutch windmill 3.2.

   Alat dan Bahan

  Bahan dan peralatan yang digunakan dalam pembuatan dutch windmill adalah sebagai berikut:

3.2.1. Sudu atau Blade

  Terbuat dari bahan triplek dengan ketebalan 5 mm dengan bentuk persegi panjang datar. Panjang sudu 35 cm dengan lebar 10 cm, 15 cm, dan 20 cm. di pilih triplek karena bahan yang ringan dan kuat serta mudah didapat, bentuk sudu dapat dilihat pada Gambar 3.3a dan Gambar 3.3b.

• - Gambar 3.3a Sudu kincir angin Gambar 3.3b Sudu kincir angin

3.2.2. Poros Poros terbuat dari besi pejal berdiameter 2,5 cm dan panjangnya 60 cm.

  disalah satu ujungnya terpasang dudukan sudu dan di ujung lainnya terhubung dengan puli, lihat pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4 Poros 3.2.3.

   Bantalan atau Bearing

  Bearing atau bantalan yang dibutuhkan sebanyak dua buah terbuat dari baja bermutu tinggi, pemilihan bantalan merupakan hal yang penting karena jika bantalan tidak bekerja dengan baik maka gesekan atau rugi-rugi akan semakin besar sehingga mengurangi putaran yang dihasilkan oleh kincir angin, lihat pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5 Bearing

3.2.4. Dudukan sudu

  Dudukan sudu merupakan tempat dimana sudu-sudu terpasang, terbuat dari besi yang ringan kuat serta memiliki pengunci pada poros agar tidak bergeser saat kincir beroperasi dan kemiringan sudut tiap sudu adalah 60⁰, lihat pada Gambar 3.6.

  .

Gambar 3.6 Dudukan sudu 3.2.5.

   Puli dan Sabuk

  Transmisi yang digunakan adalah dengan menggunakan puli dan sabuk. Puli pada kincir angin berdiameter 40 cm terbuat dari alumunium sedangkan puli generator berdiameter 8 cm berbahan sama dengan puli kincir angin, dan sabuk jenis V sebagai penghubung dengan generator, lihat pada Gambar 3.7.

Gambar 3.7. Puli dan sabuk

3.2.6. Generator

  Generator digunakan sebagai pengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Putaran poros dari kincir angin yang ditransmisikan menggunakan sabuk sehingga memutar generator yang bekerja dengan prinsip tegangan yang dihasilkan selalu bolak-balik jika ada generator yang bekerja menghasilkan tegangan searah karena telah melalui proses penyearahan. Jadi secara sederhana tegangan di induksikan pada konduktor, apabila konduktor bekerja pada medan magnet sehingga memotong garis-garis gaya. Untuk mengetahui arah gayanya biasanya mengunakan kaidah tangan kanan Fleming akan tetapi penulis tidak membahas secara detail. Dari generator dapat di ketahui tegangan serta arus keluaran hasil dari pengonversian dari putaran kincir. Diameter puli generator adalah 0,08 m dengan baut 10 sebagai pengunci, serta terdapat dudukan yang terbuat dari plat besi yang rancangannya disesuaikan dengan rangka kincir angin. Generator yang digunakan merk THOSIBA lihat pada Gambar 3.8.

Gambar 3.8. Generator

  3.2.7. Multimeter

  Merupakan alat pengukur tegangan dan arus yang dihasilkan dari generator, multimeter memiliki jarum penunjuk dimana ada beberapa sekala yang tertera antara lain skala tegangan, arus, hambatan. Dan untuk menggunakan cukup dengan merangkai kabel positif dan negatifnya secara paralel untuk mengetahui berapa tegangannya dan rangkaian seri untuk mengetahui arus. Multimeter yang digunakan bermerk SUNWA GE-360TR untuk lebih jelasnya lihat pada Gambar 3.9.

  3.2.8. Anemometer

  Anemometer adalah alat ukur kecepatan angin, diletakan di ujung lorong angin/wind tunnel. Anemometer merk LUTRON AM-4206 terdiri dari dua komponen utama yaitu kincir angin yang dapat berputar dan modul digital sebagai layar yang menampilkan data berupa angka digital, kincir angin akan berputar jika ada aliran angin yang melaluinya kemudian kincir angin terhubung dengan modul digital yang merupakan perangkat elektonik berfungsi sebagai penterjemah putaran kincir akibat angin yang memutarnya yang kemudian diproses dan ditampilkan pada layar digital, lihat pada Gambar 3.10.

Gambar 3.9. MultimeterGambar 3.10. Anemometer 3.2.9.

   Tachometer Tachometer digunakan untuk mengukur putaran poros pada kincir angin.

  Jenis tachometer yang digunakan adalah jenis digital light tachometer lihat pada Gambar 3.11a, merk CHECK LINE DIGITAL TACHOMETER, prinsip kerjanya berdasarkan pantulan yang diterima oleh sensor dari reflektor

  (alumunium foil atau benda dengan warna terang yang dapat memantulkan cahaya) yang di pasang pada poros. Berbeda jika menggunakan tachometer jenis digital tachometer lihat pada Gambar 3.11b, prinsip kerjanya dengan cara menghubungkan bagian rotor tachometer yang dapat berputar ke poros yang diberi lubang, sehingga dapat diketahui berdasarkan putaran dari rotor tachometer akan tetapi tachometer ini memliki beberapa kekurangan antara lain: saat akan menghitung putaran, rotor tachometer harus berhubungan langsung dengan poros sehingga mendapat kesulitan saat mengambil data, serta jika saat menghubungkan berubah posisi tidak tepat pada pusat poros maka data yang didapat juga berubah. Jadi untuk menghitung dipilih menggunakan tachometer jenis digital light tachometer karena mempertimbangkan keakuratan pengukuran.

  Gambar 3.11a Digital light tachometer Gambar 3.11b Digital tachometer

3.2.10. Beban Lampu

  Beban yang digunakan adalah berupa lampu bohlam 8 watt yang disusun secara paralel. Lampu bohlam berjumlah 27 buah. Bahan terbuat dari teriplek yang dilubangi sebagai tempat lampu dan saklar-saklar dan ada juga kutub positif dan negatif yang nantinya akan terhubung dengan generator, lihat pada Gambar 3.12.

Gambar 3.12. Beban lampu 3.2.11.

   Wind tunnel

  adalah alat untuk menguji kincir angin, berbentuk lorong

  Wind tunnel

  dengan blower untuk menghisap udara masuk sehingga kincir angin dapat berputar karena ada aliran udara yang masuk dengan kecepatan tertentu. Wind

  

tunnel menggunakan motor induksi tiga fase sebagai penggerak yang

  dihubungkan dengan sabuk dan puli ke baling-baling, kecepatan anginnya dapat diatur dengan cara memajukan atau memundurkan lorong sehingga jarak lorong

  blower dengan lorong kincir angin berubah sesuai keinginan untuk kecepatan

  angin maksimum yang dapat di hasilkan dari wind tunnel adalah sekitar 8,5 m/s

  wind tunnel memiliki tombol ON/OFF serta pembalik putaran jadi saat

  beroperasi bisa menghembuskan angin dan menghisap angin tergantung keinginan pengguna.

Gambar 3.13 Wind tunnel 3.2.12.

   Peralatan lain