Unjuk kerja kincir angin tipe savonius dengan tiga sudu lengkung yang dapat membuka dan menutup secara otomatis - USD Repository
UNJUK KERJA KINCIR ANGIN TIPE SAVONIUS DENGAN TIGA SUDU
LENGKUNG YANG DAPAT MEMBUKA DAN MENUTUP SECARA
OTOMATIS
No : 748/TA/FST-USD/ TM/ Agustus/2008
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin Disusun oleh :
Yosef Benyamin M. Ray
NIM : 045214066
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
THE PERFORMANCE OF SAVONIUS WIND MILL WITH AUTOMATIC THREE - BEND BLADE
No : 748/TA/FST-USD/ TM/ Agustus/2008
Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain then Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering
By :
Yosef Benyamin M. Ray Student Number : 045214066 MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
Puji Syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat Sarjana S-1 pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Isi Tugas Akhir ini adalah mengenai unjuk kerja kincir angin tipe savonius dengan empat sudu lengkung yang dapat membuka dan menutup secara otomatis.
Dalam kesempatan ini penulis menyadari bahwa dalam proses belajar di Program Studi Teknik Mesin, sejak awal studi sampai berakhirnya studi melibatkan banyak hal. Atas segala saran, bimbingan, dukungan dan bantuan, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Dr. Ir. Paulus Wiryono Priyotamtama, SJ. Rektor Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Yosef Agung Cahyanta, S.T.,M.T. Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Budi Sugiharto, S.T., M.T. Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
4. Ir.Rines., M.T. Dosen Pembimbing Tugas Akhir 1.
5. Ir.YB Lukiyanto, M.T. Dosen Pembimbing Tugas Akhir 2
7. Seluruh Dosen dan Staf Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah memberikan berbagai pengetahuan kepada penulis dan membantu selama proses belajar di Jurusan Teknik Mesin.
8. Teman teman yang telah membantu dalam menyelesaikan skripsi ini, yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu.
9. Bapak, Ibu, dan Kakak saya yang selalu memberikan dukungan moril maupun materil.
10. Teman-teman seperjuangan di Teknik Mesin yang selalu mendorong dan memberi dukungan dalam penyelesaian tugas akhir ini.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Meskipun demikian penulis berharap bahwa penulisan Tugas Akhir ini dapat memberikan kontribusi dalam pengembangan ilmu khususnya mengenai perancangan turbin aliran silang. Atas kritik dan saran yang bersifat membangun guna sempurnanya karya tulis ini penulis mengucapkan terima kasih.
Yogyakarta, 18 Mei 2009
INTISARI
Kebutuhan energi di dunia pada umumnya dan di Indonesia pada khususnya terus meningkat sejalan dengan pertumbuhan penduduk, pertumbuhan ekonomi dan perkembangan teknologi. pembangunan kelistrikan Indonesia cukup pesat perkembangannya, namun pada kenyataannya belum dapat menjangkau desa-desa terpencil. Hal ini dikarenakan biaya untuk pembangunan jaringan transmisi listrik ke desa-desa terpencil jauh lebih mahal dari pada pendapatan yang diperoleh dari pelanggan di desa-desa terpencil tersebut. Indonesia sebagai negara kepulauan dan tercatat sebagai negara dengan garis pantai terpanjang di dunia memiliki potensi terbesar akan salah satu sumber energi terbarukan yaitu angin, angin merupakan sumber energi yang tersedia sepanjang tahun baik di darat maupun di lautan. Oleh sebab itu suatu pembangkit listrik tenaga angin (PLTAn) berskala kecil dengan konstruksi sederhana dan mudah pemeliharaannya namun memiliki koefisien daya yang tinggi merupakan solusi dan memungkinkan dioperasikan sendiri oleh masyarakat pedesaan. Kajian mengenai kincir angin yang memiliki unjuk kerja yang tinggi masih terus dilakukan.
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan torsi dan koefisien daya yang dihasilkan oleh kincir angin tipe Savonius dengan 3 sudu lengkung yang dimodifikasi pada mekanisme gerakan sudu-sudunya yang dapat membuka dan menutup secara otomatis. Koefisien daya dan torsi dari kincir angin tipe Savonius dengan 3 sudu lengkung akan ditentukan dengan cara menentukan besarnya daya yang diberikan oleh angin pada kincir angin tersebut di dalam sebuah terowongan angin. Ukuran dari kincir ini adalah tinggi 60 cm dan berdiameter 50 cm. Daya output kincir dihitung dengan cara mengukur kuat arus dan tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator DC yang dihubungkan ke poros kincir, sedangkan torsi ditentukan berdasarkan daya output yang dihasilkan oleh kincir dan putaran poros pada kincir. Adapun variasi kecepatan angin yang ditetapkan, yaitu 4 m/s, 4,5 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s, 6 m/s, 6,5 m/s, 6 m/s, 6,5 dan 7 m/s. Koefisien daya kincir ditentukan berdasarkan daya output yang dihasilkan oleh kincir dan daya teoritis yang dihasilkan oleh angin.
Selanjutnya dilakukan analisis karakteristik kincir yang dituangkan dalam bentuk grafik-grafik hubungan antara kecepatan angin dengan koefisien daya yang dihasilkan oleh kincir angin dan kecepatan angin dengan torsi yang dihasilkan oleh kincir angin Savonius 3 sudu lengkung. Nilai maksimum dari koefisien daya yang dihasilkan oleh kincir angin 3 sudu lengkung sebesar 9,92 % terjadi pada tip speed ratio 0,07 atau pada kecepatan angin 4 m/s. Selain itu nilai maksimum dari torsi yang dihasilkan oleh kincir angin Savonius 3 sudu lengkung sebesar 1,03 Nm pada kecepatan angin 4 m/s.
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ...................................................................................... i
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ......................................... iii HALAMAN PENGESAHAN........................................................................ iv HALAMAN PERNYATAAN ....................................................................... v HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI .............................................. vi KATA PENGANTAR.................................................................................... viiINTISARI ...................................................................................................... ix
DAFTAR ISI .................................................................................................. x
BAB I PENDAHULUAN ......................................................................... 1 1.1 LATAR BEKAKANG ...........................................................1 1.2 PERUMUSAN MASALAH ...................................................
5 1.3 TUJUAN .................................................................................
6 1.4 MANFAAT .............................................................................
6 1.5 BATASAN MASALAH .........................................................
7 BAB II DASAR TEORI ............................................................................. 8 2.1. TIPE KINCIR ANGIN ATAU TURBIN ANGIN ...................
8 2.1.1 Kelebihan Turbin Angin Sumbu Vertikal .......................
8
2.1.2 Kekurangan Turbin Angin Sumbu Vertikal .................... 10
2.2. GERAK KINCIR ..................................................................... 10
2.3. PERHITUNGAN PADA KINCIR .......................................... 11
2.3.1. Perolehan Daya Menurut Teori ................................... 11
2.3.2. Perhitungn Daya Keluaran Kincir ................................ 13
2.3.3. Perhitungan Koefisien Daya ......................................... 13
2.3.4. Perhitungan Torsi ......................................................... 14
2.3.5. Perhitungan tip speed ratio........................................... 14
BAB III METODE PENELITIAN ............................................................. 16 3.1. SARANA PENELITIAN ........................................................
16 3.2. PERALATAN PENELITIAN .................................................
16 3.3. ANALISA DATA ....................................................................
17 3.4. LANGKAH PENELITIAN ......................................................
18 3.5. CARA KERJA ALAT..............................................................
25 BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ..................................
27 4.1. DATA PENELITIAN ..............................................................
27
4.1.1. Hasil Pengambilan Data Penelitian dengan Tujuh Variasi Kecepatan Angin ............................................
27 4.2. PERHITUNGAN DAN PENGOLAHAN DATA ...................
34
4.3.1. Grafik Hubungan Kecepatan Angin dengan Koefisien Daya .............................................................
45
4.3.2. Grafik Hubungan Kecepatan Angin dengan Torsi .............................................................................
46
4.3.3. Grafik Hubungan Koefisien Daya dengan Tip speed ratio ............................................................. 47
4.3.4. Grafik Hubunga Kecepatan Angin dengan Koefisien Daya terhadap Kincir Angin 4 Sudu Datar..
48
4.3.5. Grafik Hubungan Kecepatan Angin dengan Torsi Terhadap Kincir Angin 4 Sudu Datar ..........................
49 BAB V KESIMPULAN .............................................................................
51 5.1. Kesimpulan ..............................................................................
51 5.2. Saran ........................................................................................
52 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 53
1.1 LATAR BELAKANG Kebutuhan energi di Indonesia khususnya dan di dunia pada umumnya terus meningkat karna pertambahan penduduk, pertumbuhan ekonomi dan pola konsumsi energy itu sendiri yang senantiasa meningkat. Sedangkan energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi utama ketersediaannya sangat terbatas dan terus mengalami deplesi (depletion: kehabisan, menipis) dan proses alam memerlukan waktu yang cukup lama untuk dapat kembali menyediakan energi fosil ini.( sumber: DESDM 2005 )
Pemakaian energi di dunia dalam jangka waktu mendatang seperti yang diperkirakan oleh lembaga Energy Information Administration (EIA) hingga tahun 2025 masih didominasi oleh bahan bakar fosil seperti minyak bumi, gas alam dan batubara, sedangkan penggunaan energi terbarukan masih relatif sedikit. Di samping itu, dari segi pemakaian, sumber energi minyak secara global didominasi untuk kepentingan transportasi, dan hingga awal tahun 2025 diperkirakan masih akan terus meningkat, sedangkan untuk daerah komersial dan tempat tinggal dapat dikatakan tidak akan terjadi perubahan yang signifikan.
Kebutuhan listrik dunia diproyeksikan akan meningkat dari 14.275 milyar watt pada tahun 2002 melonjak menjadi 26.018 milyar watt pada tahun 2025,
2 dan untuk mendapatkan energi listrik tersebut sebagian besar diperoleh dari batubara yaitu hampir 40%, diikuti oleh gas.
Penggunaan energi di Indonesia secara umum meningkat pesat sejalan dengan pertumbuhan penduduk, pertumbuhan perekonomian maupun perkembangan teknologi. Dari data pemakaian energi di Indonesia hingga saat ini lebih dari 90% penduduk Indonesian masih menggunakan energi yang berbasis fosil, yaitu minyak bumi 54,4%, gas 26,5% dan batubara 14,1%. Untuk energi dengan panas bumi 1,4%, PLTA 3,4%, sedangkan energi baru dan terbarukan (EBT) lainnya 0,2%.
Negara Indonesia tercatat sebagai negara dengan garis pantai terpanjang di dunia. Ini berarti bahwa Indonesia memiliki potensi terbesar akan salah satu sumber energi terbarukan yaitu angin. Energi angin merupakan energi terbarukan yang sangat fleksibel. Energi angin dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan misalnya memompa air untuk irigasi, pembangkit listrik, pengering atau pencacah hasil panen, irigasi tambak/udang, pendingin ikan pada perahu-perahu nelayan dan lain-lain. Selain itu, pemanfaatan energi angin dapat dilakukan di mana-mana, baik di daerah landai maupun di daerah tinggi, bahkan dapat diterapkan di laut, berbeda halnya dengan energi air.
Pemanfaatan energi angin ini, selain dapat mengurangi ketergantungan terhadap energi fosil, di harapkan juga dapat meningkatkan efektifitas dan efisiensi sistem pertanian yang pada gilirannya akan meningkatkan produktifitas
3 Walaupun pemanfaatan energi angin dapat di lakukan dimana saja, daerah-daerah yang memiliki potensi energi angin yang tinggi tetap perlu diidentifikasi agar pemanfaatan energi angin ini lebih kompetitif di bandingkan dengan energi angin lainnya. Oleh karena itu, studi potensi pemanfaatan energi angin ini sangat tepat di lakukan guna mengidentifikasi daerah-daerah berpotensi. Angin selama ini di pandang sebagai proses alam biasa yang kurang memiliki nilai ekonomis bagi kegiatan produktif masyarakat.
Secara umum, pemanfaatan tenaga angin di indonesia memang kurang mendapat perhatian. Dari data yang diperoleh, potensi energi angin di Indonesia tercatat 9268,61 MW, namun hingga tahun 1999, kapasitas yang terpasang hanya 0,888 MW atau prosentase pemanfaatannya baru 0,00956 %. Energi angin yang tersedia berlimpah, tidak habis-habis, dan tersebar luas. Penggunaan energi angin memiliki beberapa keunggulan yakni bersih dan tidak menimbulkan efek rumah kaca. Pernyataan diatas berdasarkan sumber dari website resmi lemhanas RI , yang diakses pada bulan november 2008.
Kebanyakan energi angin modern dikonversikan ke dalam bentuk energi listrik dengan cara mengubah gerak rotasi sudu turbin menjadi arus listrik dengan menggunakan generator listrik Pada kincir angin, energi angin pada umumnya digunakan untuk memutar peralatan mekanik guna melakukan kerja fisik, seperti menggiling ataupun memompa air.
4 Tabel 1. Data angin yang telah dihimpun oleh Pusat Meteorologi dan Geofisika tentang daerah yamg mempunyai kecepatan angin rata-rata 3.5 m/s atau lebih.
4.03
51.3
8 Iswahyudi
5.15
95.5
9 Kalianget
4.15
65.6
10 Denpasar
59.5
7 Semarang
11 Pasir Panjang
4.95
66.7
12 Kupang/Penfui
5.75
78.6
13 Waingapu
3.65
3.90
84.8
No Nama Daerah Kecepatan Rata-rata
3 Tanjung Pandang
(m/s) Masa Bertiup Angin
Di atas 4.0 m/s (%)
1 Blang Bintang
3.50
42.6
2 Tanjung Pinang
3.75
62.5
4.35
5.30
75.0
4 Pondok Betung
3.70
25.0
5 Margahayu
4.30
90.0
6 Rendole/Pati
32.7 Sumber : Pusat Meteorologi dan Geofisika, 2000 Dari data yang dipaparkan di atas, dengan menganggap kecepatan rata- rata angin adalah 3,5 m/s, dapat ditarik suatu kesimpulan pula bahwa kincir
5 angin yang sesuai dengan keadaan angin di indonesia adalah kincir angin savonius. Kincir angin Savonius yang dikembangkan dapat digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga angin dan untuk kepentingan memompa atau menaikkan air.
Kincir angin yang telah dibuat selama ini dinilai masih kurang berfungsi secara optimal. Oleh karena itu, melalui modifikasi pada mekanisme gerakan sudu-sudu pada kincir angin Savonius tiga sudu lengkung yang dapat membuka dan menutup secara otomatis ini diharapkan dapat memberikan koefisien daya yang semakin meningkat.
1.2 PERUMUSAN MASALAH Permasalahan yang dapat dirumuskan pada pembuatan kincir angin
Savonius 3 sudu lengkung adalah sebagai berikut: 1) Indonesia mempunyai potensi angin yang banyak tetapi pada umumnya berkecepatan rendah.
2) Kebutuhan masyarakat akan energi pada saat ini terus meningkat sedangkan energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi utama ketersediaannya mulai menipis, untuk itu di butuhkan energi alternatif yang salah satunya adalah energi angin.
3) Kebutuhan akan kincir angin yang sederhana dan murah tetapi memiliki efisiensi yang tinggi.
6 4) Kincir angin yang penulis teliti ini adalah kincir angin tipe Savonius tiga sudu lengkung yang sudu – sudunya dapat membuka dan menutup secara otomatis, dengan diameter kincir 50 cm dan tinggi kincir 60 cm.
1.3 TUJUAN Adapun tujuan yang hendak dicapai dalam pembuatan kincir angin tipe Savonius 3 sudu lengkung ini adalah: 1. Mendapatkan hubungan koefisien daya terhadap kecepatan angin.
2. Mendapatkan hubungan torsi terhadap kecepatan angin.
3. Mendapatkan hubungan koefisien daya yang didapat terhadap tip speed ratio .
4. Membandingkan koefisien daya terhadap kecepatan angin dengan hasil penelitian sejenis.
1.4 MANFAAT Manfaat dari penelitian tentang pembuatan kincir angin tipe Savonius 3 sudu lengkung adalah:
1. Dapat dipergunakan sebagai sumber informasi bagi masyarakat Indonesia, terutama yang tinggal di daerah yang kekurangan sumber tenaga listrik,
7 untuk dapat di kembangkan sebagai alternatif sebagai pembangkit tenaga listrik.
2. Menambah kepustakaan pada bidang energi terbarukan.
1.5 BATASAN MASALAH Agar permasalahan yang ada tidak berkembang menjadi luas, maka perlu adanya batasan terhadap permasalahan yang akan dibuat yaitu:
1) Kecepatan angin di variasikan dengan mengatur jarak terowongan angin dari blower.
2) Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin tipe Savonius satu tingkat berukuran 60 cm x 50 cm yang sudu kincirnya dapat membuka dan menutup secara otomatis. 3) Sudu yang dipilih berbentuk lengkung berjumlah tiga sudu. 4) Kisaran kecepatan angin mulai dari 4 m/s, 4,5 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s, 6 m/s, dan 7 m/s.
5) Parameter – parameter yang diperoleh berupa hubungan antara koefisien daya dengan kecepatan angin dan hubungan torsi pada kincir angin dengan kecepatan angin dan hubungan antara koefisien daya dengan tip speed ratio.
2.1 TIPE KINCIR ATAU TURBIN ANGIN Secara umum, kincir atau turbin angin di bedakan dalam dua jenis berdasarkan kedudukan porosnya, yaitu :
1. Turbin angin poros vertical atau VAWT ( Vertical Axis Wind Turbine ).
Turbin angin poros vertical adalah turbin dengan poros vertical dan mempunyai generator pembangkit listrik dibawah poros.
2. Turbin angin poros horizontal atau HAWT ( Horisontal Axis Wind Turbine ).
Turbin angin poros horizontal adalah turbinndengan poros utama horizontal dan mempunyai generator pembangkit listrik diatas puncak menara.
Salah satu turbin angin poros vertical adalah turbin angin Savonius. Turbin angin Savonius pertama kali di ciptakan di negara Finlandia dan berbentuk-S apabila dilihat dari atas. Pada umumnya, turbin angin jenis VAWT bergerak lebih perlahan di bandingkan dengan jenis HAWT, tetapi menghasilkan torsi yang lebih tinggi.
2.1.1 Kelebihan Turbin Angin Sumbu Vertikal Adapun kelebihan dari turbin angin sumbu vertikal ini, yaitu : 1. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.
2. Karena sudu pada rotornya berbentuk vertikal, tidak dibutuhkan mekanisme yaw.
3. Sebuah VAWT bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat
4. VAWT memiliki sudut airfoil (bentuk bilah sebuah baling-baling yang terlihat secara melintang) yang lebih tinggi, memberikan keaerodinamisan yang tinggi sembari mengurangi drag pada tekanan yang rendah dan tinggi.
5. Desain VAWT berbilah lurus dengan potongan melintang berbentuk kotak atau empat persegi panjang memiliki wilayah tiupan yang lebih besar untuk diameter tertentu daripada wilayah tiupan berbentuk lingkarannya HAWT.
6. VAWT memiliki kecepatan awal angin yang lebih rendah daripada HAWT. Biasanya VAWT mulai menghasilkan listrik saat kecepatan angin 10 km/jam (6 m.p.h.)
7. VAWT biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung sebuah bilah dengan laju sebenarnya angin) yang lebih rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin berhembus sangat kencang.
8. VAWT bisa didirikan pada lokasi-lokasi dimana struktur yang lebih tinggi dilarang dibangun.
9. VAWT yang ditempatkan di dekat tanah bisa mengambil keuntungan dari berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin (seperti gunung atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit),
10. VAWT tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.
11. Kincir pada VAWT mudah dilihat dan dihindari burung.
12. Cara membuat VAWT mudah dan murah dari segi biaya
2.1.2 Kekurangan Turbin Angin Sumbu Vertikal Dan ada pula kekurangan dari turbin angin sumbu vertikal ini, yaitu : 1.
Kebanyakan VAWT memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi HAWT karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.
2. VAWT tidak mengambil keuntungan dari angin yang melaju lebih kencang di elevasi yang lebih tinggi.
3. Kebanyakan VAWT mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.
4. Sebuah VAWT yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya
memberi tekanan pada bantalan dasar karena semua berat rotor dibebankan pada bantalan. Kabel yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup.
2.2 GERAK KINCIR Pada dasarnya rotor kincir angin mengambil tenaga dari angin dan membuatnya menjadi lebih pelan, dan menghasilkan tenaga.
Ini dapat dilihat dengan adanya gaya yang diterapkan yaitu gaya yang diberikan oleh angin kepada kincir. Obyek yang bergerak searah aliran angin, menghasilkan gaya yang disebut gaya dorong.
Prinsip kerja kincir angin savonius adalah mengkonversikan energi angin menjadi energi mekanis dalam bentuk gaya dorong. Sebagian sudu mengambil energi angin dan sebagian sudu lagi melawan angin. Sudu yang mengambil energi angin disebut downwind sedangkan sudu yang melawan angin disebut upwind. Sudu
upwind ini dapat mengurangi kecepatan rotor. Besarnya torsi pada rotor dan
kecepatan rotor (rpm) tergantung pada selisih drag force sudu upwind dengan gaya dorong sudu downwind.
ARAH PUTARAN DOWNWIND UPWIND ARAH ANGIN
Gambar 2.1 Arah gerak kincir2.3 PERHITUNGAN PADA KINCIR
2.3.1 Perolehan Daya Menurut Teori Daya teoritis yang tersedia angin dapat dihitung dari perkalian masa jenis udara dikalikan luas penampang frontal kincir angin dikalikan kecepatan angin pangkat tiga dan dibagi dua, sehingga rumus untuk menghitung daya teoritis adalah :
1 3
( 2.1 )
p = ρ Av (watt)
in2 dengan : = Daya teoritis (watt)
3
ρ = Densitas udara / massa jenis udara, kg/m
3
= 1,225 kg/m
2 A = Luas penampang frontal kincir ( m ) v = Kecepatan angin (m/det)
Pada Gambar 2.2 ditunjukkan bahwa, daya angin yang dapat dimanfaatkan dengan menggunakan turbin angin dengan propeller yang ideal maksimum 59 % dari daya yang disediakan angin. Sementara ini, daya efektif yang dapat dicapai oleh sebuah kincir (atau turbin) angin tipe Savonius hanya mencapai 30% dari daya yang disediakan angin.
Ideal Propeller High Speed Propeller Savonius Darrieus American multiblade Dutch Four Arm
Gambar 2.2 Grafik hubungan daya, Cp dan rasio kecepatan keliling tepi2.3.2 Perhitungan Daya Keluaran yang dihasilkan oleh kincir ( ) Perhitungan Daya Keluaran yang dihasilkan oleh kincir ( ) dihitung berdasarkan hasil perkalian dari tegangan (V) dan kuat arus (I) output generator yang digunakan sehingga dapat dituliskan menurut persamaan berikut :
P V .
I ( watt
out = ( 2.2 ) )dengan :
P = Daya yang dihasilkan oleh kincir ( watt ) out V = Tegangan ( volt ) I = Arus ( ampere )
2.3.3 Perhitungan Koefisien Daya (C ) kincir :
p
Perhitungan koefisien daya pada kincir dapat dihitung dari hasil pembagian daya keluaran yang dihasilkan oleh kincir ( ) dengan daya teoritis ( ) yang disediakan oleh angin dikali 100% sehingga dapat di peroleh persamaan sebagai berikut :
P out C = × 100 % p
( 2.3 )
P in dengan :
C p = Koefisien daya kincir = Daya keluaran yang dihasilkan oleh Kincir ( watt )
= Daya Teoritis ( watt )
2.3.4 Perhitungan Torsi Untuk perhitungan torsi, diperoleh dari hasil pembagian antara daya keluaran yang dihasilkan oleh kincir dan putaran poros pada kincir sehingga diperoleh rumus untuk menghitung torsi adalah:
( Nm ) ( 2.4 ) dengan : t
M = Torsi ( Nm )
= Daya output ( watt )
n = Putaran poros ( rpm )
2.3.5 Perhitungan tip speed ratio ( tsr ) Perhitungan tip speed ratio diperoleh dari hasil pembagian antara kecepatan keliling ujung kincir dengan kecepatan angin sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut :
( 2.5 ) dengan : tsr = tip speed ratio D = Diameter kincir ( m )
Kecepatan angin ( m/s ) Putaran poros kincir angin ( rpm )
3.1. SARANA PENELITIAN Sarana yang di gunakan untuk penelitian adalah kincir angin vertical dengan sudu yang dapat membuka dan menutup. Selanjutnya kincir angin tersebut akan dicari unjuk kerjanya pada kecepatan angin yang bervariasi sehingga mendapatkan daya keluaran yang berbeda.
3.2. PERALATAN PENELITIAN Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian tersebut adalah :
1. Generator Alat ini berfungsi sebagai alat yang mengubah gaya gerak menjadi listrik.
Generator menghasilkan arus listrik dan tegangan listrik yang digunakan 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 aluminium foil) yang dipasang pada poros.
3. Wind Tunnel ( terowongan angin ) Alat ini berfungsi sebagai lorong yang menangkap dan mengumpulkan angin dan menghembuskannya pada kincir yang diletakkan didalam terowongan angin tersebut, pengaturan kecepatan angin dilakukan dialat ini.
4. Fan / Blower Alat ini menghisap angin yang akan disalurkan melalui terowongan angin
5. Multimeter Alat ukur untuk mengukur kelistrikan pada beban yang diberikan.
6. Lampu Lampu ini berfungsi sebagai beban dalam pengukuran tegangan dan arus dari alternator.
7. Anemometer Anemometer ini berfungsi sebagai alat pengukur kecepatan angin.
3.3. ANALISA DATA Data yang diambil dari percobaan ini adalah sebagai berikut : a. Putaran poros kincir yang dihasilkan ( rpm ).
b. Tegangan dan arus listrik pada lampu. (
V ) dan ( L L I )
c. Kecepatan angin ( v ) yang digunakan didapat dari pengukuran anemometer
∞
yang diletakan di depan terowongan angin d. P didapat dari hasil perkalian antar massa jenis udara dengan luas penampang
in
kincir dan kecepatan angin dipangkatkan tiga ,dan hasilnya dibagi dua, dengan menggunakan Persamaan 2.1.
I
e. P diperoleh dari hasil perkalian antara tegangan ( out
V ) dan arus ( ) listrik yang dihasilkan dari lampu, dengan menggunakan Persamaan 2.2.
f. Selanjutnya ditentukan efisiensi kincir yang didapat dari hasil pembagian daya keluaran yang dihasilkan oleh kincir terhadap daya teoritis dikali 100%, dengan menggunakan Persamaan 2.3.
g. Untuk mencari torsi didapat dari hasil pembagian antara daya keluaran yang dihasilkan oleh kincir dan putaran poros pada kincir,dengan menggunakan Persamaan 2.4.
h. Dan untuk mencari tip speed ratio didapat dari hasil perkalian dari ,diameter kincir dan putaran poros dan dibagi dengan hasil perkalian 60 dan kecepatan angin, pada Persamaan 2.5.
3.4. LANGKAH PENELITIAN Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini adalah :
a. Kincir angin dipasang didalam terowongan angin dan dibaut supaya poros tidak bergeser .
b. Pada poros atas kincir diberi bantalan agar putarannya menjadi ringan, kemudian bagian bawah poros dihubungkan dengan alternator.
c. Selanjutnya generator diberi beban berupa lampu.
d. Di depan kincir angin dipasang anemometer untuk mengetahui kecepatan angin e. Setelah semua siap, blower dihidupkan untuk menghisap angin masuk kedalam terowongan angin.
f. Ketika generator berputar maka lampu akan menyala sehingga dapat diukur tegangan dan arusnya.
g. Bersamaan dengan pengukuran tegangan dan arus, diukur juga putaran porosnya.
h. Jalannya percobaan a-g dilakukan berulang dengan variasi kecepatan angin yaitu dari kecepatan angin terkecil kincir bisa berputar sampai kecepatan maksimal kincir mampu berputar (4-7 m/s).
Gambar 3.1 Kincir angin savonius tiga sudu lengkungKeterangan Gambar 3.1 :
1. Poros Poros yang digunakan merupakan poros pejal dengan diameter 0,016 m dan panjang 1,29 m . Poros tersebut berfungsi sebagai tumpuan kincir saat didirikan dan berputar. Pada ujung poros ini tedapat lubang yang dibuat untuk penghubung kincir dengan alternator yang berdiameter 8 mm.
Gambar 3.3 Lubang pena penahan poros2. Penutup atas Penutup atas terbuat dari bahan mika, penutup atas berfungsi untuk menahan angin agar tetap mendorong sudu dan tidak terhambur keluar tepi atas kincir.
Penutup atas mempunyai diameter yang sama dengan diameter luar kincir yaitu 0,5 m.
Gambar 3.4 Penutup atas kincir3. Penahan bilah sudu Penahan sudu mengunakan baut dengan diameter 12 mm. Fungsinya untuk
o o
180 maka sudu tidak dapat berbalik lagi karena terdorong angin, itu berarti di tengan sudu terdapat lubang yang membuat angin lolos dan tidak termanfaatkan secara maksimal.
Gambar 3.5 Penahan sudu kincir4. Dudukan poros sudu Dudukan ini terbuat dari kayu yang berfungsi sebagai dudukan atau tempat menempelnya poros pada sudu, dan sebagai penghubung antara sudu-sudu dengan poros utama.
Gambar 3.6 Dudukan poros sudu pada kincir5. Poros penahan sudu Poros penahan terbuat dari besi cor dengan diameter 8 mm. Fungsinya untuk menahan agar poros sudu atas dan bawah tetap sejajar atau dengan kata lain untuk menahan beban puntir pada kincir akibat dorongan angin.
Gambar 3.7 Poros penahan sudu pada kincir6. Sudu Pada kesempatan ini kincir yang dibuat adalah kincir Savonius dengan sudu melengkung. Sudu terbuat dari mika yang mempunyai beben yang ringan, berfungsi untuk mempermudah saat sudu membuka dan menutup. Panjang sudu adalah 0,6 m dengan jari-jari lengkungan 0,07 m.
Gambar 3.8 Sudu lengkung pada kincir7. Poros sudu Poros sudu berfungsi untuk tumpuan sudu saat berputar dan berfungsi sebagai penghubung antara sudu dengan poros utama.
Gambar 3.9 Poros sudu8. Penutup bawah Penutup bawah bahan dan ukurannya sama, fungsinya pun sama dengan penutup atas yaitu untuk menahan angin agar tidak terhempas keluar melewati tepi bawah kincir.
Gambar 3.10 Penutup bawah kincir3.5. CARA KERJA ALAT Cara kerja kincir angin adalah sebagai berikut : 1. Kincir dipasang pada terowongan angin.
2. Pemasangan Anemometer diletakan pada terowongan angin bagian depan.
3. Kincir dihubungkan dengan alternator untuk menghasilkan listrik
4. Pada alternator diberi beban berupa lampu, yang akan diukur keluaran listriknya.
5. Pada saat angin berhembus pada terowongan angin, maka akan mendorong sudu
6. Setelah lampu dapat menyala dengan stabil dapat dilakukan pengukuran terhadap tegangan listrik, arus listrik, putaran generator. Setelah selesai pengukuran, angin berhenti dihembuskan, supaya tidak ada magnet pada generator.
7. Setelah selesai melakukan pengukuran pada salah satu kecepatan angin, maka dilakukan perubahan kecepatan angin dengan menggeser terowongan angin .
4.1 DATA PENELITIAN Pengambilan data yang dilakukan dengan memvariasikan kecepatan angin yaitu dimulai dari kecepatan angin 4 m/s sampai 7 m/s. Variasi minimum diambil 4 m/s karena kecepatan ini adalah kecepatan angin minimum kincir dapat berputar, sedangkan kecepatan maksimum diambil 7 m/s, karena pada terowongan angin yang digunakan dapat menyedot udara dengan kecepatan maksimal 7,5 m/s, maka diambil 7 m/s untuk variasi kecepatan angin maksimal. Pengambilan data dilakukan pada tiap 1 menit sebanyak 20 kali untuk tiap variasi.
4.1.1 Hasil Pengambilan Data Penelitian dengan Tujuh Variasi Kecepatan Angin.
Berikut adalah keterangan simbol-simbol pada tabel :
V = tegangan listrik pada kincir (volt) I = arus listrik (ampere) n= putaran poros kincir (rpm)
28 Tabel 4.1 Data penelitian pada kecepatan angin variabel 4 m/s NO V I n volt ampere rpm
1 2,70 0,43 10,00 2 3,20 0,37 12,40 3 3,30 0,30 9,90 4 3,80 0,36 10,20 5 3,50 0,39 11,60 6 3,70 0,35 12,30 7 3,80 0,37 13,00 8 3,60 0,33 11,80 9 3,60 0,35 10,80 10 3,70 0,32 11,80
11 3,80 0,35 10,50 12 3,20 0,34 9,60 13 3,00 0,34 10,00 14 3,40 0,34 11,80 15 3,60 0,35 11,40 16 3,60 0,32 10,30 17 3,30 0,32 10,80 18 3,60 0,36 10,60 19 3,20 0,33 11,40 20 3,40 0,32 11,20
29 Tabel 4.2 Data penelitian pada kecepatan angin variabel 4,5 m/s NO V I n volt ampere rpm
1 3,60 0,38 14,00 2 3,70 0,38 14,60 3 3,80 0,41 14,80 4 3,40 0,34 15,20 5 3,50 0,38 15,60 6 3,50 0,38 16,00 7 3,60 0,37 16,20 8 3,40 0,33 16,50 9 3,80 0,31 16,70 10 3,80 0,35 17,10
11 3,80 0,38 17,30 12 3,80 0,39 16,80 13 4,00 0,39 17,00 14 3,90 0,41 17,20 15 3,50 0,34 17,60 16 3,50 0,32 17,80 17 3,70 0,34 18,00 18 3,40 0,33 17,90 19 3,40 0,35 18,30 20 3,30 0,32 18,20
30 Tabel 4.3 Data penelitian pada kecepatan angin variabel 5 m/s NO V I n volt ampere rpm
1 4,60 0,41 19,20 2 4,10 0,38 18,00 3 3,80 0,36 18,60 4 4,40 0,38 19,60 5 4,70 0,42 20,10 6 3,70 0,36 21,80 7 3,70 0,36 22,30 8 3,70 0,37 22,50 9 4,20 0,41 22,90 10 4,50 0,43 23,00
11 4,00 0,4 23,40 12 4,10 0,43 22,80 13 3,70 0,36 23,60 14 3,90 0,37 23,40 15 4,20 0,4 24,20 16 4,00 0,39 24,50 17 4,60 0,41 23,90 18 4,10 0,4 24,50 19 4,10 0,41 24,80 20 4,60 0,43 24,90
31 Tabel 4.4 Data penelitian pada kecepatan angin variabel 5,5 m/s NO V I n volt ampere rpm
1 4,60 0,45 25,60 2 4,50 0,42 25,40 3 4,10 0,49 25,90 4 4,30 0,42 26,30 5 4,80 0,44 2670 6 4,40 0,42 26,90 7 4,70 0,46 26,50 8 4,60 0,43 27,00 9 4,30 0,40 27,10 10 4,60 0,45 27,40
11 4,40 0,40 27,70 12 4,30 0,42 27,30 13 4,40 0,44 27,80 14 4,90 0,47 28,00 15 4,70 0,46 28,30 16 5,00 0,46 28,50 17 4,70 0,44 28,80 18 4,70 0,45 28,50 19 4,80 0,44 28,30 20 4,70 0,45 29,00
32 Tabel 4.5 Data penelitian pada kecepatan angin variabel 6 m/s NO V I n volt ampere rpm
1 4,20 0,49 31,20 2 4,60 0,47 30,80 3 4,30 0,49 30,40 4 4,80 0,48 31,40 5 4,60 0,48 31,50 6 4,50 0,47 31,80 7 5,00 0,49 32,20 8 4,50 0,48 32,40 9 4,20 0,46 32,70 10 4,30 0,49 32,90
11 4,30 0,47 33,00 12 4,40 0,48 33,40 13 4,60 0,49 33,60 14 4,20 0,48 33,70 15 4,60 0,46 33,50 16 4,30 0,46 34,00 17 4,40 0,45 34,50 18 4,20 0,46 35,50 19 4,70 0,45 35,80 20 4,40 0,49 36,20
33 Tabel 4.6 Data penelitian pada kecepatan angin variabel 6,5 m/s NO V I n volt ampere rpm
1 5,80 0,54 36,70 2 6,20 0,54 37,50 3 6,20 0,56 37,80 4 6,10 0,58 38,60 5 6,60 0,48 39,00 6 5,40 0,53 39,40 7 5,00 0,49 39,90 8 5,40 0,66 40,30 9 4,60 0,41 41,60 10 4,50 0,40 41,90
11 6,30 0,47 42,30 12 6,20 0,50 42,60 13 5,70 0,52 42,80 14 5,00 0,44 43,60 15 4,80 0,41 43,80 16 5,40 0,49 44,60 17 5,90 0,49 44,70 18 6,40 0,44 45,80 19 6,00 0,53 46,40 20 5,20 0,41 47,40
34 Tabel 4.7 Data penelitian pada kecepatan angin variabel 7 m/s NO V I n volt ampere rpm
1 6,10 0,49 50,20 2 6,30 0,50 52,30 3 5,00 0,54 52,60 4 5,40 0,50 53,40 5 5,60 0,53 53,10 6 6,10 0,48 53,80 7 5,60 0,50 54,30 8 6,20 0,53 54,60 9 5,30 0,52 55,50 10 6,00 0,60 55,80
11 5,60 0,59 55,90 12 6,10 0,56 56,40 13 5,30 0,65 56,80 14 5,70 0,62 57,00 15 6,10 0,59 57,20 16 6,30 0,56 57,80 17 5,10 0,59 58,70 18 5,60 0,59 58,90 19 5,50 0,61 60,20 20 6,10 0,51 60,70
4.2 PERHITUNGAN DAN PENGOLAHAN DATA Luas penampang kincir bila dilihat dari pandangan samping berbentuk persegi, luas persegi tersebutlah yang mengalami dorongan dari angin yang mengandung energi kinetik.
35 Gambar 4.1 Penampang kincir dalam 2 dimensi
A = diameter tinggi = 0,5 m 0,6 m
2
= 0,3 m Menurut Tabel 4.1 pada nomor 1 diperoleh data sebagai berikut :
2,7 volt
V = I = 0,43 ampere n= 10 rpm
Rumus yang digunakan dalam perhitungan ini adalah rumus yang telah dijabarkan pada Bab II, sehingga penerapannya adalah sebagai berikut :
36
a. Perhitungan perolehan daya yang disediakan oleh angin secara teori menurut Persamaan 2.1
1 3 P = ρ Av in
∞
2
1 3 2 3 P = .( in 1 , 255 kg / m ).( , 3 m ).( 4 m / s )
2 P in = 12,05 watt
b. Perhitungan daya keluaran yang dihasilakn oleh kincir menurut Persamaan 2.2 P out = V I P = 2,7 V 0,43 A
out
P out = 1,16 watt
c. Perhitungan koefisien daya pada kincir menurut Persamaan 2.3
P out C 100 P = × (%) P in
1 , 16 watt
C = × 100 P
12 , 05 watt
C p = 9,64 %
37
d. Perhitungan perolehan torsi pada kincir munurut Persamaan 2.4 Nm
e. Perhitungan perolehan tip speed ratio pada kincir menurut Persamaan 2.5 tsr = 0,06 Untuk mempermudahkan perhitungan, data-data selanjutnya dihitung menggunakan EXCEL dan dinyatakan pada tabel sebagai berikut :
38 Tabel 4.8 Hasil perhitungan pada kecepatan angin variabel 4 m/s
Koefisien Pout Pin Daya torsi tsr watt watt % Nm
1,16 12,05 9,64 1,11 0,06
1,18 12,05 9,83 0,91 0,08
0,99 12,05 8,22 0,95 0,06
1,37 12,05 11,35 1,28 0,06
1,37 12,05 11,33 1,12 0,07
1,29 12,05 10,75 1,00 0,08
1,41 12,05 11,67 1,03 0,08
1,19 12,05 9,86 0,96 0,07
1,26 12,05 10,46 1,11 0,07
1,18 12,05 9,83 0,95 0,07
1,33 12,05 11,03 1,21 0,06
1,09 12,05 9,03 1,08 0,06
1,02 12,05 8,47 0,97 0,06
1,16 12,05 9,60 0,93 0,07
1,26 12,05 10,46 1,05 0,07
1,15 12,05 9,56 1,06 0,06
1,06 12,05 8,76 0,93 0,07
1,30 12,05 10,76 1,16 0,06
1,06 12,05 8,76 0,88 0,07
1,09 12,05 9,03 0,92 0,07
Rata - rata 9,92 1,04 0,0739 Tabel 4.8 Hasil perhitungan pada kecepatan angin variabel 4,5 m/s
Koefisien Pout Pin Daya torsi tsr watt watt % Nm
1,36 17,15 7,97 0,93 0,08
1,40 17,15 8,20 0,92 0,08
1,55 17,15 9,08 1,00 0,08
1,15 17,15 6,73 0,72 0,08
1,33 17,15 7,75 0,81 0,09
1,33 17,15 7,75 0,79 0,09
1,33 17,15 7,76 0,78 0,09
1,12 17,15 6,54 0,64 0,09
1,17 17,15 6,87 0,67 0,09
1,33 17,15 7,75 0,74 0,09
1,44 17,15 8,42 0,79 0,10
1,48 17,15 8,63 0,84 0,09
1,56 17,15 9,09 0,87 0,09
1,59 17,15 9,32 0,88 0,10
1,19 17,15 6,94 0,64 0,10
1,12 17,15 6,53 0,60 0,10
1,25 17,15 7,33 0,66 0,10
1,12 17,15 6,54 0,59 0,10
1,19 17,15 6,94 0,62 0,10
1,05 17,15 6,16 0,55 0,10
Rata - rata 7,615 0,76 0,1040 Tabel 4.9 Hasil perhitungan pada kecepatan angin variabel 5 m/s
Koefisien Pout Pin Daya torsi trs watt watt % Nm
1,88 23,53 8,01 0,93 0,10
1,55 23,53 6,62 0,82 0,09
1,36 23,53 5,81 0,70 0,09
1,67 23,53 7,1 0,81 0,10
1,97 23,53 8,39 0,93 0,10
1,33 23,53 5,67 0,58 0,11
1,33 23,53 5,67 0,57 0,11
1,36 23,53 5,82 0,58 0,11
1,72 23,53 7,32 0,71 0,11
1,93 23,53 8,22 0,80 0,12
1,60 23,53 6,80 0,65 0,12
1,76 23,53 7,50 0,73 0,11
1,33 23,53 5,67 0,53 0,12
1,44 23,53 6,13 0,58 0,12
1,68 23,53 7,14 0,66 0,12
1,56 23,53 6,63 0,60 0,12
1,88 23,53 8,01 0,75 0,12
1,64 23,53 6,97 0,63 0,12
1,68 23,53 7,14 0,64 0,12
1,97 23,53 8,41 0,75 0,13
Rata - rata 6,95 0,70 0,1141 Tabel 4.10 Hasil perhitungan pada kecepatan angin variabel 5,5 m/s
Koefisien Pout Pin Daya torsi trs watt watt % Nm
2,07 31,32 6,61 0,77 0,12
1,89 31,32 6,03 0,71 0,12
2,00 31,32 6,41 0,74 0,12
1,80 31,32 5,77 0,65 0,12
2,11 31,32 6,74 0,75 0,12
1,84 31,32 5,90 0,65 0,12
2,16 31,32 6,90 0,77 0,12
1,97 31,32 6,32 0,69 0,12
1,72 31,32 5,49 0,60 0,12
2,07 31,32 6,61 0,72 0,13
1,76 31,32 5,62 0,60 0,13
1,80 31,32 5,77 0,63 0,12
1,93 31,32 6,18 0,66 0,13
2,30 31,32 7,35 0,78 0,13
2,16 31,32 6,90 0,72 0,13
2,30 31,32 7,34 0,77 0,13
2,06 31,32 6,60 0,68 0,13
2,11 31,32 6,75 0,70 0,13
2,11 31,32 6,74 0,71 0,13
2,11 31,32 6,75 0,69 0,13
Rata - rata 6,44 0,70 0,1342 Tabel 4.11 Hasil perhitungan pada kecepatan angin variabel 6 m/s
Koefisien Pout Pin Daya torsi tsr watt watt % Nm
2,06 40,66 5,06 0,63 0,13
2,16 40,66 5,32 0,67 0,13
2,11 40,66 5,18 0,66 0,13
2,30 40,66 5,67 0,70 0,13
2,21 40,66 5,43 0,66 0,13
2,12 40,66 5,20 0,63 0,13
2,45 40,66 6,03 0,72 0,14
2,16 40,66 5,31 0,63 0,14
1,93 40,66 4,75 0,56 0,14
2,11 40,66 5,18 0,61 0,14