Unjuk kerja kincir angin propeler tiga sudu berbahan dasar kayu berlapis pelat seng dengan sudu - sudu dari belahan dinding silinder.

(1)

Seiring berjalannya waktu, kebutuhan energi manusia akan terus meningkat seiring meningkatnya populasi manusia. Dengan meningkatnya populasi manusia maka sumber daya energi akan lebih cepat terkuras dan lambat laun akan menipis dan akhirnya habis. Pemanfaatan energi terbarukan saat ini sangat dibutuhkan sebagai pengganti bahan bakar minyak yang semakin terbatas. Keterbatasan produksi bahan bakar minyak menjadikan harga bahan bakar naik. Salah satu energi terbarukan yang dapat dikembangkan di Indonesia adalah pemanfaatan energi angin. Tujuan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui unjuk kerja kincir angin propeler tiga sudu dengan variasi sudut sektor lingkaran pada pangkal sudu kincir, yakni 70˚, 80˚, dan 90˚. Dari model tersebut akan dicari koefisian daya maksimal yang paling baik.

Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin propeler tiga sudu mengunakan bahan triplek yang dibungkus dengan pelat seng sebagai kulit luarnya berdiameter 80 cm. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin (wind tunnel) di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma.Variasi yang diambil adalah sudut sektor lingkaran pada pangkal kincir, yakni 70˚, 80˚ dan 90˚. Data yang diambil saat penelitian adalah kecepatan angin, putaran poros dan beban torsi.

Hasil penelitian kincir angin poros horizontal dengan variasi kemiringan sudu menunjukkan bahwa kincir angin dengan sudut potong sudu 70° menghasilkan koefisien daya maksimal 30% pada tip speed ratio 2,8. Kincir angin dengan sudut potong sudu 80° menghasilkan koefisien daya maksimal 23% pada tip speed ratio 2,1. Kincir angin dengan sudut potong sudu 90° menghasilkan koefisien daya maksimal 27% pada tip speed ratio 2,4. Kincir angin dengan sudut potong 70˚ menghasilkan koefisien daya dan tip speed ratio paling tinggi dibandingkan variasi sudut potong sudu 80˚ dan 90˚ yaitu dengan Cp maksimal 30% pada tip speed ratio2,8.

(2)

Over time, human energy needs will continue to increase with increasing human population. With increasing human population, the energy resources will be quickly depleted and will gradually thins and eventually discharged. Utilization of renewable energy today is very necessary as a fuel substitute for oil is increasingly limited. Limited production of fuel makes fuel prices rise. One of the renewable energy that can be developed in Indonesia is the utilization of wind energy. The purpose of this thesis was to determine the performance of a windmill blade propeller with variable-angle three sectors of the circle at the base of the blade wheel, ie 70˚, 80˚ and 90˚. The model will be sought maximum power coefficients of the most good.

Wind mill’s model used is three-blade propeller windmill using materials plywood wrapped with zinc plate as the outer shell diameter of 80 cm. The study was conducted by using a wind tunnel (wind tunnel) in the Laboratory of Energy Conversion Sanata Dharma.Variasi taken was a circle sector angle at the base of the windmill, which is 70˚, 80˚ and 90˚. The data taken when the study is the wind speed, shaft speed and torque loads.

Research results with a horizontal axis windmill blade slope variation indicates that the windmill with blades cutting angle of 70 ° produces a maximum power coefficient of 30% on a tip speed ratio of 2.8. Windmill with a blade cutting angle of 80 ° produces a maximum power coefficient of 23% on a tip speed ratio of 2.1. Windmill with a blade cutting angle of 90 ° produces a maximum power coefficient of 27% on a tip speed ratio of 2.4. Windmill with a cut angle 70˚ generating power coefficient and tip speed ratio is the highest compared to the variation of the blade cutting angle is 80˚ and 90˚ with Cp maximum of 30% on a tip speed ratio of 2.8.

(3)

UNJUK KERJA KINCIR ANGIN PROPELER TIGA SUDU

BERBAHAN DASAR KAYU BERLAPIS PELAT SENG

DENGAN SUDU-SUDU DARI BELAHAN DINDING SILINDER

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin

Oleh :

YULIUS HENDRA FAJAR PRAMONO NIM : 125214080

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

(4)

PERFORMANCE OF PROPELLER THREE BLADES

WIND MILL WICH IS MAINLY MADE OF ZINC LAYERED

WOOD WITH A BLADE OF CYLINDER WALL CLEAVAGE

FINAL PROJECT

Presented as partitial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana S-1 degree

Student Program in Mechanical Enginering

YULIUS HENDRA FAJAR PRAMONO Student Number : 125214080

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

vii

INTISARI

tip speed ratio 2,1. Kincir angin dengan sudut potong sudu 90° menghasilkan

koefisien daya maksimal 27% pada tip speed ratio 2,4. Kincir angin dengan sudut

potong 70˚ menghasilkan koefisien daya dan tip speed ratio paling tinggi

dibandingkan variasi sudut potong sudu 80˚ dan 90˚ yaitu dengan

C

p maksimal

30% pada tip speed ratio 2,8.

(10)

viii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena rahmat yang diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.

Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Tugas Akhir ini dilaksanakan dalam rangka memenuhi syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Berkat bimbingan, dukungan dan nasihat dari berbagai pihak, akhirnya Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc. Selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Ir. PK. Purwadi, M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Ir. Rines, M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

4. Doddy Purwadianto, M.T. selaku Kepala Laboratorium Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

5. Bapak Yohanes Sukidi dan Ibu Anastasya Ruliyanti, S.Pd. selaku orang tua yang telah memberikan kasih sayang, dukungan, biaya, serta doa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat menjadi kado kecil untuk jasa besar kalian selama ini.

6. Semua sahabat saya dan Teknik Mesin USD yang sudah memotivasi dalam menulis skripsi ini dengan semangat alunan musik band metal.

7. Teman-teman angkatan 2010, 2011, 2012 dan 2014 Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma atas bantuan dan kebersamaan kita selama ini.

8. Semua pihak lain yang telah membantu dan mendukung penulis baik secara langsung maupun tidak langsung yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

(11)

(12)

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan

A Luas penampang (m2)

Cp Koefisien daya (%)

d Diameter kincir (m)

Ek Energi kinetik (joule)

F Gaya pengimbang (N)

m Massa (kg)

ṁ Massa udara yang

mengalir per satuan waktu (kg/s)

N Kecepatan putar kincir (rpm)

Pin Daya angin (watt)

Pout Daya kincir (watt)

r Panjang lengan torsi (m)

R Jari-jari

T Torsi (N.m)

tsr tip speed ratio

V Kecepatan angin(m/s)

ρ Massa jenis udara (kg/m3

(13)

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

TITLE PAGE ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

DAFTAR DEWAN PENGUJI ... iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v

LEMBAR PUBLIKASI ... vi

INTISARI ... vii

KATA PENGANTAR ... viii

DAFTAR SIMBOL ... x

DAFTAR ISI ... xi

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR TABEL ... xv

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 3

1.4 Tujuan Penelitian ... 3

1.5 Manfaat penelitian ... 4

BAB II DASAR TEORI ... 5

2.1 Konsep Dasar Angin ... 5

2.2 Kincir Angin ... 5

2.2.1 Kincir Angin Poros Horizontal ... 6

2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal ... 9

2.3 Rumus Perhitungan ... 11

2.3.1 Daya Angin ... 11

2.3.2 Torsi Kincir ... 12

(14)

xii

2.3.4 Tip Speed Ratio ... 15

2.3.5 Koefisien Daya ... 15

BAB III METODE PENELITIAN ... 16

3.1 Bahan Untuk Penelitian ... 16

3.2 Alat Untuk Penelitian ... 18

3.3 Bentuk Sudu Kincir ... 19

3.4 Variabel Penelitian ... 25

3.5 Variabel yang Diukur ... 26

3.6 Parameter yang Dihitung ... 26

3.7 Langkah Percobaan ... 26

3.8 Langkah Pengolahan Data ... 28

BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ... 30

4.1 Data Percobaan ... 30

4.2 Perhitungan ... 32

4.2.1 Perhitungan Daya Angin (Pin) ... 32

4.2.2 Perhitungan Daya Kincir (Pout) ... 33

4.2.3 Perhitungan Tip Speed Ratio ... 34

4.2.4 Perhitungan Koefisien Daya Kincir (Cp) ... 34

4.3 Data Hasil Perhitungan ... 34

4.4 Grafik Hasil Perhitungan dan Pembahasan ... 38

4.5 Grafik dari Hasil Perhitumgan 3 variasi kemiringan sudu ... 46

BAB V PENUTUP ... 47

5.1 Kesimpulan ... 47

5.2 Saran ... 48

DAFTAR PUSTAKA ... 49

(15)

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kincir Angin Propeler Tiga Sudu ... 6

Gambar 2.2 Kincir Angin Dutch four arms ... 7

Gambar 2.3 Kincir Angin American Multi Blade ... 7

Gambar 2.4 Kincir Angin Savonius ... 9

Gambar 2.5 Kincir Angin Darrieus ... 10

Gambar 2.6 Grafik hubungan antara koefisien daya (Cp) Dengan Tip Speed Ratio (tsr) dari beberapa jenis kincir ... 13

Gambar 3.1 Bentuk belahan sudu pada permukaan selimut tabung ... 20

Gambar 3.2 Bentuk sudu kincir penampang dinding silinder dengan sudut 70˚ ... 21

Gambar 3.3 Bentuk sudu kincir penampang dinding silinder dengan sudut 80˚ ... 22

Gambar 3.4 Bentuk sudu kincir penampang dinding silinder dengan sudut 90˚ ... 23

Gambar 3.5 Mal pembentukan sektor sudut kelengkungan sudu ... 24

Gambar 3.6 Model sudu dan rotor yang dirancang untuk penelitian ... 25

Gambar 3.7 Skema susunan alat untuk pengujian ... 27

Gambar 4.1 Hubungan putaran poros dan torsi pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 700 ... 38

Gambar 4.2 Hubungan daya output dan torsi pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 700 ... 39

Gambar 4.3 Hubungan koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr) pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 70˚ ... 39

Gambar 4.4 Hubungan putaran poros dan torsi pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 800 ... 41

Gambar 4.5 Hubungan daya output dan torsi pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 800 ... 41

(16)

xiv

Gambar 4.6 Hubungan koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr) pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 80˚ ... 42 Gambar 4.7 Hubungan putaran poros dan torsi pada kincir dengan

sudut sektor lingkaran pangkal sudu 900 ... 43 Gambar 4.8 Hubungan daya output dan torsi pada kincir dengan

sudut sektor lingkaran pangkal sudu 900 ... 44 Gambar 4.9 Hubungan koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr) pada

kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 90˚ ... 44 Gambar 4.10 Hubungan koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr)

untuk variasi sudut sektor lingkaran pada

(17)

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1. Data percobaan kincir dengan sudut sektor

lingkaran pangkal sudu 700 ... 30 Tabel 4.2. Data percobaan kincir dengan sudut sektor

lingkaran pangkal sudu 800 ... 31 Tabel 4.3. Data percobaan kincir dengan sudut sektor

lingkaran pangkal sudu 900 ... 31 Tabel 4.4. Data perhitungan kincir sudut sektor

lingkaran pangkal sudu 700 ... 35 Tabel 4.5. Data perhitungan kincir sudut sektor

lingkaran pangkal sudu 800 ... 36 Tabel 4.6. Data perhitungan kincir sudut sektor

(18)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pada dasarnya, kebutuhan manusia terhadap energi semakin meningkat. Setelah dimulainya revolusi industri, orang mulai menggunakan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui, sumber dayanya yaitu bahan bakar fosil, batu bara, gas alam dan minyak bumi. Bahan bakar fosil ini merupakan sumber daya energi konvensional dan tidak dapat diperbarui dan jumlahnya terbatas. Dengan hal ini, timbul kecemasan manusia terhadap sumber daya konvensional yang tidak dapat diperbarui. Untuk mempertahankan eksistensi manusia di bumi ini, harus dicari energi alternatif untuk menggantikan energi bahan bakar fosil, salah satu contoh energi alternatif pengganti fosil yaitu energi angin. (Astu Pudjanarso & Djati Nursuhud, 2006 )

Salah satu energi terbarukan yang dapat dikembangkan di Indonesia adalah pemanfaatan energi angin. Potensi pemanfaatan energi angin di Indonesia masih terbuka luas karena Indonesia merupakan negara kepulauan yang memiliki banyak

(19)

pantai di setiap pulaunya, demikian juga potensi kecepatan angin yang dimiliki juga cukup besar. Pemanfaatan energi angin di Indonesia belum optimal dan penggunaannya masih belum efektif, maka diperlukan suatu mekanisme yang tepat untuk memanfaatkan energi angin menjadi energi yang tepat guna, salah satunya adalah mengubah energi angin menjadi energi listrik.

1.2 Perumusan Masalah

Masalah yang ingin dipecahkan dalam Tugas Akhir ini adalah :

1. Angin adalah salah satu sumber energi yang berlimpah, gratis, memiliki potensi untuk dikembangkan dan tidak menimbulkan banyak dampak negatif bagi lingkungan dan manusia namun belum dimanfaatkan secara optimal.

2. Bentuk kincir dan material yang baik dengan bantuan generator akan mampu menghasilkan listrik sehingga efisiensi yang didapat bisa lebih maksimal.

3. Pengaruh besar sudut kelengkungan pada pangkal sudu kincir angin propeler tiga sudu terhadap torsi dan koefisien daya.

(20)

1.3 Batasan Masalah

Pembuatan kincir angin dengan memperhatikan batasan – batasan sebagai berikut :

1. _{Model kincir angin yang digunakan adalah kincir angin propeler tiga} sudu mengunakan bahan dasar triplek (plywood) yang dibungkus dengan pelat seng sebagai kulit luarnya dengan diameter 80 cm. 2. _{Penelitian dilakukan dengan menggunakan sebuah terowongan angin}

(wind tunnel) di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata

Dharma.

3. _{Sudu kincir dibuat dari belahan dinding silinder dengan sudut sektor} lingkaran pada pangkal sudu kincir, yakni 70˚, 80˚dan 90˚.

4. _{Data yang diambil pada saat penelitian adalah kecepatan angin,} putaran poros kincir dan gaya pengimbang torsi.

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan Tugas Akhir ini adalah :

1. Merancang dan membuat kincir angin propeler tiga sudu yang terbuat dari bahan dasar triplek (plywood) yang dibungkus dengan pelat seng. 2. Mengetahui unjuk kerja kincir angin propeler tiga sudu berdiameter

kincir 80 cm dengan sudu -sudu dibentuk dari belahan dinding silinder dengan tiga variasi sudut sektor lingkaran pada pangkal sudu kincir, yakni 70˚, 80˚, dan 90˚.

(21)

3. Mengetahui model kincir angin yang menghasilkan koefisien daya maksimal paling tinggi diantara model – model yang diteliti.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat pembuatan kincir angin adalah sebagai berikut :

1. Mengembangkan pengetahuan mengenai energi terbarukan khususnya energi angin dan pemanfaatannya.

2. Penghematan bahan bakar fosil dan penggantinya adalah kincir angin untuk menjaga dan melestarikan bumi ini.

3. Memperluas dan menambah pengetahuan tentang pembuatan kincir angindari bahan triplek dan pelat seng.

4. Memacu pengembangan energi angin dengan bahan yang murah dan sederhana.

(22)

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Konsep Dasar Angin

Energi angin merupakan energi yang berasal dari alam, angin adalah udara yang bergerak dari tekanan udara yang lebih tinggi ke tekanan udara yang lebih rendah. Perbedaan tekanan udara disebabkan oleh perbedaan suhu udara akibat pemanasan atmosfir yang tidak merata oleh sinar matahari kemudian terjadi suatu perputaran udara. Dengan demikian bisa kita analisis bahwa energi angin merupakan energi yang berasal dari perbedaan suhu antara udara panas dan dingin.

(http://afifharuka.blogspot.com/2012/12/energi-angin-sebagai-sumberdaya.html)

2.2 Kincir Angin

Kincir angin adalah sebuah alat yang mampu mengkonversi energi angin menjadi energi mekanik dalam arti lain bisa digunakan untuk menangkap atau memperoleh energi angin. Kincir angin dipergunakan tidak hanya sebagai penumbuk biji – bijian dan memompa air untuk mengairi sawah tetapi dapat juga dikonversikan menjadi tenaga listrik.

Berdasarkan posisi porosnya, kincir angin dibedakan menjadi dua kelompok utama, yaitu: kincir angin poros horizontal dan kincir angin poros vertical.

(23)

2.2.1 Kincir Angin Poros Horizontal

Kincir angin ini memiliki poros utama sejajar dengan tanah dan arah poros utama sesuai dengan arah angin. Kincir ini terdiri dari sebuah menara sedangkan kincir berada pada puncak menara tersebut. Poros kincir dapat berputar 3600 terhadap sumbu vertikal untuk menyesuaikan arah angin.

Ada beberapa jenis kincir angin horizontal yang sudah umum dikenal dan dikembangkan:

1. Kincir Angin Propeler Tiga Sudu

Gambar 2.1 Kincir Angin Propeler Tiga Sudu

(Sumber : http://nenxtyas.files.wordpress.com/2013/01/

(24)

2. Kincir Angin Dutch Four Arm

Gambar 2.2 Kincir Angin Dutch four arm (Sumber: http://en.wiktionary.org/wiki/windmill)

3. Kincir Angin American Multi Blade

Gambar 2.3 American Multi Blade

(Sumber :http://en.wikipedia.org/wiki/File:

(25)

Kelebihan dan kekurangan kincir angin poros horizontal: 1. Kelebihan

a. Dasar menara yang tinggi memberikan akses ke angin yang lebih kuat. b. Mampu mengkonversikan energi angin pada kecepatan tinggi.

c. Memberikan kinerja yang lebih baik pada produksi energi dibandingkan dengan turbin angin dengan sumbu vertikal.

2. Kekurangan

a. Menara yang tinggi serta bilah yang panjangnya bisa mencapai 90 meter sulit diangkut. Diperkirakan besar biaya transportasi bisa mencapai 20% dari seluruh biaya peralatan turbin angin.

b. Kincir yang tinggi sulit dipasang, membutuhkan derek yang sangat tinggi dan mahal serta dibutuhkan operator yang terampil.

c. Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilah-bilah yang berat, gearbox, dan generator.

d. Kincir membutuhkan mekanisme kontrol tambahan untuk membelokkan kincir ke arah angin.

(26)

2.2.2 Kincir Angin Poros Vertikal

Kincir ini memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah kincir tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. Kincir ini mampu memanfaatkan angin dari berbagai arah.

Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan.

Ada beberapa jenis kincir angin horisontal yang sudah umum dikenal dan dikembangkan:

1. Kincir Angin Savonius

Gambar 2.4 Kincir Angin Savonius

(Sumber: http://cleangreenenergyzone.com/cardboard- Savonius-wind-turbine-/)

(27)

2. Kincir Angin Darrieus

Gambar 2.5 Kincir Angin Darrieus (Sumber:http://.wikipedia.org/wiki/

Darrieus_wind_turbine)

Kekurangan dan kelebihan kincir angin poros vertikal 1. Kelebihan

a. Tidak membutuhkan struktur menara yang besar.

b. Dasar menara yang tinggi membolehkan akses ke angin yang lebih kuat di tempat-tempat yang memiliki geseran angin (perbedaan antara laju dan arah angin) antara dua titik yang jaraknya relatif dekat di dalam atmosfir bumi. Di sejumlah lokasi geseran angin, setiap sepuluh meter ke atas, kecepatan angin meningkat sebesar 20%.

c. Kincir ini tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah.

d. Kincir ini bisa diletakkan lebih dekat ke tanah, membuat pemeliharaan bagian-bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.

(28)

2. Kekurangan

a. Kebanyakan kincir ini memproduksi energi hanya 50% dari efisiensi kincir angin poros horisontal karena drag tambahan yang dimilikinya saat kincir berputar.

b. Kebanyakan kincir ini mempunyai torsi awal yang rendah, dan membutuhkan energi untuk mulai berputar.

c. Sebuah kincir angin poros vertikal 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.

2.3 Rumus-Rumus Perhitungan

2.3.1 Daya Angin

Energi yang terdapat pada angin adalah energi kinetik, sehingga secara umum disampaikan pada Persamaan (1):

E

=

m v

(1)

dengan

E

k adalah energi kinetik (J),

m

adalah massa udara (kg), dan v adalah

kecepatan angin (m/s).

Daya merupakan energi per satuan waktu, maka dari Persamaan di atas dapat dituliskan:

(29)

dengan adalah daya yang dihasilkan angin, J/s (watt),

̇

adalah massa udara yang mengalir per satuan waktu, (kg/detik), v adalah kecepatan angin, (m/detik). Massa udara yan mengalir per satuan waktu adalah:

ṁ

=

ρ

A v

(3)

dengan

ρ

adalah massa jenis udara (1,18 kg/ ) pada suhu sekitar 28˚C, A adalah luas penampang yang membentuk sebuah lingkaran (m2).

Dengan menggunakan Persamaan (3), maka daya angin (Pin) dapat dirumuskan menjadi :

P

=

(ρ

A v) v

disederhanakan menjadi :

P

=

ρ

A v

₍₄₎

2.3.2 Torsi Kincir Angin

Torsi adalah gaya yang bekerja pada poros yan dihasilkan oleh gaya dorong pada sumbu kincir, dimana gaya dorong ini memiliki jarak terhadap sumbu poros yang berputar . Persamaannya:

T = F

r

(5)

Dengan T adalah torsi dinamis yang dihasilkan dari putaran poros (Nm), F

adalah gaya pada poros akibat dari puntiran (N), dan

r

adalah jarak lengan torsi ke poros (m).

(30)

2.3.3 Daya Kincir Angin

Daya kincir angin adalah daya yang dihasilkan oleh poros kincir akibat daya angin yang melintasi sudu-sudu kincir. Pada tahun 1919 seorang fisikawan Jerman, Albert Betz, menyimpulkan bahwa tidak akan pernah ada turbin angin yang dapat mengkonversi energi kinetik angin ke dalam bentuk energi yang menggerakkan rotor (kinetik) lebih dari16/27 (59,3%). Dan hingga hari ini hal tersebut dikenal dengan Betz Limit atau Hukum Betz. Batasan ini tidak ada hubungannya dengan ketidakefisienan pada generator, tapi lebih kepada bentuk turbin angin itu sendiri. ( http://donyaenergi.blogspot.com/2013/02/betz-limit-hukum-betz-pada-energi-angin.html)

Gambar 2.6 menunjukkan karakteristik dari beberapa tipe kincir.

Gambar 2.6 Diagram Cp vstsr

(31)

Umumnya perhitungan daya gerak melingkar dapat dituliskan dengan Persamaan :

P = T.

ω

(6) dengan T adalah torsi dinamis (Nm), ωadalah kecepatan sudut (rad/s).

Kecepatan sudut (ω) didapat dari :

ω

= n.rpm =

=

rad/detik

Dengan demikian daya yang dihasilkan oleh kincir dinyatakan dengan persamaan :

P

out

= T.

ω

P

out

=

watt (7)

dengan

P

out adalah daya yang dihasilkan kincir angin (watt),

n

adalah putaran

poros (rpm).

(32)

2.3.4 Tip Speed Ratio (tsr)

Tip Speed Ratio (tsr) adalah perbandingan antara kecepatan ujung sudu

kincir angin yang berputar dengan kecepatan angin. Rumus kecepatan diujung sudu ( ) adalah:

(

) =

.r

dengan adalah kecepatan ujung sudu, adalah kecepatan sudut (rad/detik), dan adalah jari-jari kincir (m).

Sehingga tsr nya dapat dirumuskan dengan:

tsr

(8)

dengan

r

adalah jari-jari kincir angin (m), n adalah putaran poros (rpm), v adalah kecepatan angin (m/detik).

2.3.5 Koefisien Daya (Cp)

Koefisien daya (Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan oleh kincir ( ) dengan daya yang disediakan oleh angin ( ), sehingga dapat dirumuskan:

C

=

฀

(9) dengan adalah koefisien daya (%), adalah daya yang dihasilkan oleh

(33)

BAB III

METODE PENELITIAN

Pembuatan kincir dan penelitian pengambilan data dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Universitas Sanata Dharma dengan dua tahap, yaitu pembuatan kincir pada tanggal 5 Agustus 2014 – 4 Oktober 2014 dan penelitian pada tanggal 8 Oktober 2014 – 10 Oktober 2014.

3.1 Bahan Untuk Penelitian

Bahan-bahan yang diperlukan untuk penelitian ini adalah sebagai berikut: a. Bahan untuk sudu kincir.

Sudu-sudu kicir angin terbuat dari kayu, tepatnya dari papan triplek (plywood)

dengan ketebalan 3 mm.

b. Bahan untuk pengikat pangkal sudu kincir.

Pengikat pangkal-pangkal sudu sebagian besar menggunakan kayu atau tripleks dengan ketebalan 10 mm, kemudian dilapisi dengan cairan resin agar lebih padat dan keras.

c. Bahan untuk poros utama kincir.

Poros utama kincir yang dipasang tetap pada naf kincir dan ditahan oleh dua bantalan tiang penahan pada tiang penahan kincir, menggunakan pipa pejal silinder dari alumunium berdiameter ¾ inchi.

(34)

d. Bahan-bahan untuk tiang penahan kincir.

Tiang penahan kincir dibuat dari pipa baja berdiameter 1 inci. Di tengah-tengah tiang terdapat rumah bantalan untuk tumpuan poros kincir dengan desain dari papan baja dengan ketebalan 6 mm.

e. Bahan untuk pelapis sudu.

Sudu-sudu yang dibuat dilapisi dengan papan seng tipis berukuran 0.25 mm, supaya menahan triplek yang sudah dibentuk lengkungan agar lebih kuat. f. Bahan untuk perekat dan pembuat sektor sudut lengkungan.

Dalam proses perekatan antara celah potongan pada sektor kelengkungan papan triplek, digunakan serbuk kayu halus yang ditaburkan pada seluruh bagian celah potongan sektor kelengkungan. Serbuk kayu pada celah sektor kelengkungan tersebut ditetes dengan lem G agar menjadi keras serta dapat merekatkan dan menutup celah pada sektor kelengkungan dengan hasil yang kokoh.

g. Bahan untuk rotor.

Rotor terbuat dari bahan kayu triplek yang dilapisi dengan seng tipis sehingga memperkokoh dalam menopang sudu saat dirakit dengan rotor.

h. Bahan untuk penyambung, pengikat dan lain-lain.

1. Baut-baut berdiameter 4 mm, dan 6 mm dengan mur dan ring.

2. Pipa alumunium berdiameter ½ inchi untuk poros penghubung rotor kincir dan mekanisme pengereman.

3. Paku ½ inchi dan 1 inchi.

(35)

3.2 Alat Untuk Penelitian

Alat-alat yang digunakan untuk penelitian ini meliputi beberapa bagian, yaitu:

a. Alat kerja utama : 1. Mesin bubut 2. Mesin bor 3. Gergaji

4. Mesin Gerinda 5. Palu

b. Alat kerja tambahan dan alat bantu pengukuran :

1. Terowongan angin yang dilengkapi blower, untuk mengatur kondisi angin; 2. Anemometer untuk pengukuran kecepatan angin yang dihasilkan blower; 3. Tachometer untuk pengukuran putaran kincir;

4. Mekanisme pengereman atau alat ukur gaya tangensial.

5. Neraca pegas untuk pengukuran pembebanan yang diberikan pada saat pengereman yang diasumsikan sebagai pengimbang torsi dinamis.

6. Mekanisme pengereman berfungsi sebagai pemberi beban putaran kincir untuk mendapatkan data torsi dan daya kincir.

c. Tiang penahan kincir di dalam terowongan angin.

Rangka penahan kincir angin yang akan dibuat dalam penelitian ini adalah seperti yang ditunjukan dalam gambar 1. Secara garis besar rangka penahan yang dipasang dalam terowongan angin ini terdiri atas tiga bagian, yakni tumpuas atas, tumpuan bawah dan rumah bantalan tempat kedudukan poros

(36)

kincir. Terdapat dua bantalan yang akan dipasang di depan dan belakang rumah bantalan. Kedua bantalan ini digunakan untuk menumpu poros utama kincir angin.

d. Naf (hub) penjepit pangkal sudu kincir.

Piringan pada naf dibuat dari tripleks setebal 10 mm. Pada alat ini terdapat penjepit yang dibuat dari dua pasangan pelat siku alumunium

berukuran 3 cm x 1,5 cm x 8 cm. e. Poros utama kincir

Poros kincir yang dibuat berbahan dasar baja dengan bentuk dan ukuran yang sudah disesuaikan dengan kincir. Poros ini dipasang pada naf atau pusat kincir dan selanjutnya sebagian ujungnya (ujung belakang) dipasang pada tiang penyangga kincir melalui dua bantalan berdiameter 15 mm.

3.3 Bentuk Sudu Kincir

Sudu-sudu kincir yang dipilih memiliki penampang dinding silinder yang dibedakan dalam tiga variasi. Pangkal sudu (root) dibuat tiga variasi porsi busur lengkung atau sudut sektor (α), yakni 70o,80o,dan 90o bagian dari belahan dinding sebuah tabung.

(37)

Gambar 3.1. Bentuk belahan sudu pada permukaan dinding silinder.

Kesamaan pada ketiga variasi sudu ini adalah :

1. Diameter silinder 15 cm. 2. Panjang sudu sebesar 37 cm. 3. Lebar ujung sudu 4,5 cm

(38)

Dalam penelitian ini, dinding silinder tabung dibentuk dari potongan atau segmen yang diambil setiap 10o dari bagian tabung dengan menggunakan pelat

plywood (triplek) dengan tebal triplek 3 mm, seperti yang ditunjukan pada

Gambar 3.1 untuk pembentukan belahan dinding tabung silinder.

Pada gambar di bawah ini adalah bentuk sudu yang sudah dibentuk dari potongan dinding silinder.

(39)

(40)

Gambar 3.4. Bentuk sudu kincir penampang dinding silinder dengan sudut 90˚

Pelapisan pada permukaan cekung menggunakan pelat seng tipis dengan cara direkatkan secara rapat dengan papan triplek. Setelah merekat dengan rapat, sisi permukaan triplek pada bagian cembung diberi garis acuan sesuai dengan ukuran potongan yang sudah ditentukan sesuai rancangan. Kemudian garis disayat dengan menggunakan cutter sesuai garis yang dibuat pada bagian sisi cembung triplek. Setelah semua garis tersayat, sudu akan mudah dibentuk menjadi lengkung. Sehingga permukaan cekung sudu setelah menempel dengan rapat

(41)

selanjutnya dapat dilengkungkan dengan menggunakan paku atau scriber marking yang digoreskan pada garis yang sudah dicetakkan pada sisi cekung pelat seng. Dalam proses pembentukan kelengkungan sudu supaya mendapatkan bentuk sesuai dengan sektor sudut yang dirancang maka diperlukan sebuah cetakan atau mal. Setelah sudu sudah terpotong sesuai dengan sektor sudut masi-masing kemudian sudu di mal. Pada proses pengeleman pada celah garis sayatan sisi cembung ditaburi dengan serbuk kayu dan ditetes dengan lem G, supaya kelengkungan dapat permanen hasilnya dan menghasilkan lengkungan yang keras.

Gambar 3.5. Mal pembentukan sektor sudut kelengkungan.

Setelah pembuatan sudu-sudu, kemudian sudu-sudu dirakit sehingga membentuk rotor kincir. Rotor-rotor kincir yang dibuat memiliki tiga sudu. Bentuk tipikal dan ukuran garis besar model rotor kincir yang akan dibuat adalah seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.6

(42)

Gambar 3.6. Model sudu dan rotor yang dirancang untuk penelitian.

3.4 Variabel Penelitian

Variabel penelitian yang harus ditentukan sebelum melakukan penelitian adalah sebagi berikut :

1. Variasi sektor sudut kelengkungan sudu kincir permukaan silindris adalah: 700, 800, dan 900.

2. Variasi sudu dinding tabung yang akan menampilkan sudu dengan tegak lurus.

(43)

3.5 Variabel Yang Diukur

Sesuai dengan tujuan, variabel yang akan diukur adalah sebagai berikut: 1. Kecepatan angin (v)

2. Gaya pengimbang (F) 3. Putaran poros kincir (n)

3.6 Parameter Yang Dihitung

Untuk mendapatkan karakteristik yang didapat dalam penelitian menggunakan parameter sebagai berikut:

1. Daya angin ( ) 2. Daya kincir ( ) 3. Koefisien daya (Cp)

4. Tip Speed Ratio (tsr)

3.7 Langkah Percobaan

Pengambilan data kecepatan angin, beban, dan kecepatan putar poros kincir dilakukan secara bersama-sama. Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Konversi Energi Prodi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dengan memakai sebuah terowongan angin yang dilengkapi dengan sebuah blower berkapasitas 5,5 kW. Skema susunan alat-alat uji dalam proses penelitian ini adalah seperti yang ditunjukan dalam Gambar 3.7.

(44)

Gambar 3.7. Skema susunan alat untuk pengujian.

Blower digunakan untuk menarik udara masuk ke dalam terowongan angin. Proses pengukuran bisa dilakukan saat kondisi di dalam terowongan sudah siap. Parameter yang divariasikan (sebagai variabel) adalah beban pengereman yang diberikan pada mekanisme rem yang setiap kali pengujian gaya tangensial akibat aksi pengereman diatur besarnya dengan memakai neraca pegas. Dengan demikian, setiap kali pengujian, beban torsi yang diberikan pada poros kincir dapat dihitung besarnya.

Parameter-parameter yang diukur dalam setiap kali pengujian adalah kecepatan angin, putaran poros kincir dan temperature udara, kecepatan angin diukur dengan menggunakan anemometer yang dipasang sekitar 1 m di depan rotor kincir. Putaran poros atau rotor kincir diukur dengan menggunakan takometer (tachometer). Pada neraca pegas dipasangkan tali pengait yang akan dihubungkan dengan sistem pembebanan. Dalam satu siklus (running) pengujian, pengambilan data pengukuranselalu diawali dari tanpa beban atau tanpa pengereman, selanjutnya dengan beban yang secara bertahap ditambah sedikit

(45)

demi sedikit samapai kincir berhenti berputar. Untuk satu model rotor kincir dilakukan tiga kali (tiga siklus) pengujian.

3.8 Langkah Pengolahan Data

Data-data yang diperoleh dari hasil pengukuran diolah melalui beberapa tahapan. Untuk setiap siklus pengujian, dari kecepatan angin (vw) terukur, daya yang disediakan angin (Pw) dihitung dengan menggunakan Pers. (1). Gaya

tangensial hasil pengukuran dikalikan dengan panjang lengan torsi (l) yang diatur sepanjang 10 cm untuk menghasilkan torsi yang membebani poros kincir. Torsi terhitung selanjutnya dikalikan dengan kecepatan sudut (ω) yang diperoleh dari hasil pengukuran putaran poros kincir (n) akan menghasilkan outputdaya mekanis

(Po) yang dihasilkan oleh kincir atau mengikuti Pers. (2). Berikutnya koefisien

daya (Cp) dapat dihitung dengan membandingkan output daya (Po) dan daya yang disediakan angin (Pw) atau seperti yang dinyatakan dalam Pers. (3). Kemudian,

menghitung nilai tip speed ratio (tsr) berdasarkan Pers. (4). Dengan demikian nilai-nilai Cp dan tsr yang dihasilkan dari satu kali pengujian ini berlaku untuk sebuah kondisi kecepatan angin dan pembebanan tertentu. Cara analisis yang sama dilakukan untuk menghitung nilai-nilai Cp dan tsr untuk kondisi yang lain.

Bila nilai Cp dan tsr untuk semua kondisi pembebanan telah dihitung, maka

langkah selanjutnya adalah menggambarkan sebuah grafik yang telah menunjukan hubungan Cp dan tsr untuk satu model kincr angin tertentu. Grafik yang dihasilkan secara tipikal akan berbentuk kurva hiperbola, yang memiliki nilai Cp puncak. Kurva hubungan Cp dan tsr umumnya dapat didekati dengan persamaa kwadratis.

(46)

Nilai-nilai Cp puncak (Cpmax) inilah yang dijadikan sebagai perbandingan diantara model-model kincir yang diteliti, karena menunjukan efisiensi maksimum dari sebuah kincir dalam mengkonversikan daya kinetic angin menjadi daya mekanis yang dihasilkan kncir. Grafik hubungan Cp dan tsr ini disajikan serupa seperti

yang umum digunakan dalam pustaka-pustaka untuk menunjukan karakteristik dari tipe-tipe kincir yang telah dikenal, seperti yang ditunjukan dalam Gambar 2.6.

Pengolahan data untuk penelitian ini seluruhnya akan dilakukan dengan menggunakan spreadsheet Microsoft Excel.

(47)

BAB IV

PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Percobaan

Hasil pengujian kincir angin, yang meliputi : kecepatan angin (m/detik), putaran poros (rpm), gaya pengimbang (N), dan α (°) disajikan pada Tabel 4.1, 4,2 dan 4,3. Pengambilan data kincir dengan sektor lingkaran pangkal sudu 70˚, 80˚ dan 90˚ dengan kecepatan angin 8,5 m/detik.

Tabel 4.1 Data percobaan kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 700

No Putaran Poros (rpm) Gaya Pengimbang (N)

1 938 0

2 830 2,8

3 795 3,7

4 758 4,3

5 740 4,9

6 721 5,6

7 712 6,2

8 639 7,2

9 629 8,2

10 600 8,8

11 572 9,4

12 518 9,7

13 501 9,8

(48)

Tabel 4.2 Data percobaan kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 800

No Putaran Poros (rpm) Gaya Pengimbang (N)

1 710,7 0

2 665,8 2,2

3 648,2 3

4 630,1 4

5 592,7 5

6 547,6 5,8

7 520,1 6,2

8 508,2 7,2

9 473,1 7,8

10 459,4 8,4

11 433 9,4

12 410,7 9,8

13 364 10,6

14 361 11

15 357,7 11,4

Tabel 4.3 Data percobaan kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 900

No Putaran Poros (rpm) Gaya Pengimbang (N)

1 770 0

2 716,3 2

3 692,5 3

4 668,8 4

5 620,2 4,4

6 617,8 5,6

7 590 6,4

8 580,6 7

9 571,2 7,4

10 533,6 8,2

11 517,2 9

12 488,4 9,8

13 425,5 10,2

14 411,6 10,8

(49)

4.2 Perhitungan

Langkah-langkah perhitungan dapat dilihat pada contoh sampel yang diambil dari Tabel.

4.2.1 Perhitungan Daya Angin

Daya yang dihasilkan angin pada kincir angin dengan A= 0,503 dan kecepatan angin 8 m/detik, dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (4).

P

in = 0,5 . ⍴

. A .v

= 0,5 . 1,18 . 0,503 (8,5 m/detik)3 = 182,22 watt

(50)

4.2.2 Daya Kincir

Daya yang dihasilkan oleh kincir angin dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (5), untuk mendapatkan daya kincir harus diketahui kecepatan sudut dan torsi. Maka perlu dicari terlebih dahulu menggunakan Persamaan (6) dan Persamaan (7) :

Maka kecepatan sudut dan torsi kincir adalah:

ω

= 86,970 rad/detik

T = F.

r

= 2,74 . 10/100 = 0,274 Nm

P

out =

T. ω

= 0,274 Nm. 86,97 rad/detik

(51)

4.2.3 Tip Speed Ratio

Untuk mengetahui besarnya perbandingan kecepatan ujung kincir dengan kecepatan angin atau tip speed ratio dapat dicari dengan memakai Persamaan (8) :

tsr =

= 4,093 rad/detik

4.2.4 Koefisien Daya Kincir

Koefisien daya kincir dapat dicari dengan menggunakan Persamaan (9) :

C

p =

100 %

100%

= 12,9 %

4.3 Data Hasil Perhitungan

Parameter yang diperoleh dari penelitian diolah dengan menggunakan

Microsoft Excell untuk menampilkan hubungan besarnya Torsi yang dihasilkan

oleh kincir angin untuk setiap posisi kemiringan sudu (Grafik 4.1; 4.4; 4.7), besarnya daya output untuk setiap posisi kemiringan sudu (Grafik 4.2; 4.5; 4.8), koefisien daya dan tip sped ratio (Grafik 4.3; 4.6; 4.9 pada saat pengambilan data).

(52)

Tabel 4.4 Data perhitungan kincir sudut sektor lingkaran pangkal sudu 700 dengan V = 8,5 m/detik dan Pin = 182 watt.

No. Gaya Pengimbang (gr) Putaran Kincir n (rpm) Gaya F (N) Torsi T (Nm) Kec.Sudut ω (rad/detik) Daya Output Po (Watt)

TSR Cp

(%)

1 0 938 0,00 0,00 98,2 0,0 4,6 0,0

2 280 831 2,74 0,27 87,0 23,9 4,1 13,1

3 370 794,6 3,63 0,36 83,2 30,2 3,9 16,6

4 430 758 4,21 0,42 79,4 33,5 3,7 18,4

5 490 740 4,80 0,48 77,5 37,2 3,6 20,4

6 560 721 5,49 0,55 75,5 41,5 3,6 22,8

7 620 712 6,08 0,61 74,5 45,3 3,5 24,9

8 720 639 7,06 0,71 66,9 47,2 3,1 25,9

9 820 629 8,04 0,80 65,9 52,9 3,1 29,1

10 880 600 8,62 0,86 62,8 54,2 3,0 29,7

11 940 572 9,21 0,92 59,9 55,2 2,8 30,3

12 970 518 9,51 0,95 54,3 51,6 2,6 28,3

13 980 501 9,60 0,96 52,5 50,4 2,5 27,7

(53)

Tabel 4.5 Data perhitungan kincir sudut sektor lingkaran pangkal sudu 800 dengan V = 8,5 m/detik dan Pin = 182 watt.

No. Gaya Pengimbang (gr) Putaran Kincir n (rpm) Gaya F (N) Torsi T (Nm) Kec.Sudut ω (rad/s)

Daya Output Po (Watt) TSR Cp (%)

1 0 710 0 0 74,4 0 3,50 0,0

2 220 666 2,16 0,22 69,7 15 3,28 8,3

3 300 648 2,94 0,30 67,9 19 3,19 11,0

4 400 630 3,92 0,40 65,9 25,9 3,11 14,2

5 500 593 4,90 0,50 62,1 30, 2,92 16,7

6 580 548 5,68 0,57 57,3 32,5 2,70 17,9

7 620 520 6,08 0,60 54,5 33,1 2,56 18,2

8 720 508 7,06 0,71 53,2 37,5 2,50 20,6

9 780 473 7,64 0,76 49,5 37,8 2,33 20,8

10 840 459 8,23 0,82 48,1 39,6 2,26 21,7

11 940 433 9,21 0,92 45,3 42,0 2,13 22,9

12 980 411 9,60 0,96 43,1 41,3 2,02 22,7

13 1060 364 10,4 1,04 38,1 39,6 1,79 21,7

14 1100 361 10,8 1,08 37,8 40,7 1,78 22,4

(54)

Tabel 4.6 Data perhitungan kincir sudut sektor lingkaran pangkal sudu 900 dengan V = 8,5 m/detik dan Pin = 182 watt

No. Gaya Pengimbang (gr) Putaran Kincir n (rpm) Gaya F (N) Torsi T (Nm) Kec.Sudut ω (rad/detik) Daya Output Po (Watt) TSR Cp (%)

1 0 770 0 0 80,6 0 3,80 0,0

2 200 716 1,96 0,20 75,0 14,7 3,53 8,1

3 300 692 2,94 0,29 72,5 21,3 3,41 11,7

4 400 669 3,92 0,39 70,0 27,4 3,30 15,1

5 440 620 4,31 0,43 64,9 28,0 3,05 15,4

6 560 618 5,49 0,55 64,7 35,5 3,04 19,5

7 640 590 6,27 0,63 61,8 38,7 2,90 21,3

8 700 581 6,86 0,69 60,8 41,7 2,86 22,9

9 740 571 7,25 0,72 59,8 43,4 2,81 23,8

10 820 5334 8,04 0,80 55,9 44,9 2,63 24,7

11 900 517 8,82 0,89 54,2 47,8 2,54 26,2

12 980 488 9,60 0,96 51,1 49,1 2,40 27,0

13 1020 425 10,0 1,00 44,6 44,5 2,10 24,5

14 1080 412 10,6 1,06 43,1 45,6 2,03 25,0

(55)

4.4 Grafik Hasil perhitungan dan Pembahasan

Dari data yang telah diperoleh, kemudian diolah kembali ke dalam bentuk grafik untuk mengetahui hubungan antara torsi (N.m) dengan kecepatan putar kincir (rpm), daya yang dihasilkan kincir (

P

out) dengan kecepatan putar kincir

(rpm) dan koefisien daya kincir (Cp) dengan tip speed ratio (tsr). Grafik yang disajikan untuk setiap variasi percobaan dapat dilihat pada grafik berikut ini :

Gambar 4.1 Hubungan putaran poros dan torsi pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 700

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

pu taran por os ( rpm ) torsi (N.m)

(56)

Gambar 4.2 Hubungan daya output dan torsi pada kincir dengan

sudut sektor lingkaran pangkal sudu 700

Gambar 4.3 Hubungan koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr) pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 70˚

0 10 20 30 40 50 60

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

day a outp ut ( w att) torsi (N.m) 0 5 10 15 20 25 30 35

0 1 2 3 4 5

( %

)

(57)

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1, bahwa semakin besar kecepatan putar kincir maka semakin kecil torsi yang dihasilkan. Semakin kecil kecepatan putar kincir maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Untuk kecepatan angin 8,5 m/s, torsi maksimal yang dihasilkan 0,98 N.m dan kecepatan putar maksimal yang tercapai adalah 938 rpm.

Gambar 4.2. memperlihatkan bahwa daya (

P

out) berbanding lurus dengan

torsi (T), jika torsi semakin besar maka daya yang dihasilkan juga akan semakin besar, dan sebaliknya jika daya torsi semakin kecil maka daya yang dihasilkan juga kecil. Untuk kecepatan angin 8,5 m/detik, daya maksimal dicapai pada Torsi 0,98 N.m sebesar 55,2 watt.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.3. dapat dilihat bahwa semakin besar tsr maka semakin beasr Cp yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian Cp mengecil. Untuk kecepatan angin 8,5 m/s, hubungan antara Cp dengan tsr menunjukan nilai maksimal Cp 30% pada tsr 2,8.

(58)

Gambar 4.4 Hubungan putaran poros dan torsi pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 800

Gambar 4.5 Hubungan daya output dan torsi pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 800

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

pu taran por os ( rpm ) torsi (N.m) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

day a outp ut (W att) torsi (N.m)

(59)

Gambar 4.6 Hubungan koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr) pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 80˚

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.4, bahwa semakin besar kecepatan putar kincir maka semakin kecil torsi yang dihasilkan. Semakin kecil kecepatan putar kincir maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Untuk kecepatan angin 8,5 m/detik, torsi maksimal yang dihasilkan 11,2 N.m dan kecepatan putar maksimal yang tercapai adalah 710 rpm.

Gambar 4.5. memperlihatkan bahwa daya (

P

out) berbanding lurus dengan

0 5 10 15 20 25

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

( %

)

(60)

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.6. dapat dilihat bahwa semakin besar tsr maka semakin beasr Cp yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian Cp mengecil. Untuk kecepatan angin 8,5 m/(detik), hubungan antara Cp dengan tsr menunjukan nilai maksimal Cp 23% pada tsr 2,1.

Gambar 4.7 Hubungan putaran poros dan torsi pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 900

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

taran

por

os (

rpm

)

(61)

Gambar 4.8 Hubungan daya output dan torsi pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 900

Gambar 4.9 Hubungan koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr) pada kincir dengan sudut sektor lingkaran pangkal sudu 900

0 10 20 30 40 50 60

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

day a outp ut (w att) torsi (N.m) 0 5 10 15 20 25 30

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

C p ( % ) tsr

(62)

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.7, bahwa semakin besar kecepatan putar kincir maka semakin kecil torsi yang dihasilkan. Semakin kecil kecepatan putar kincir maka semakin besar torsi yang dihasilkan. Untuk kecepatan angin 8,5 m/s, torsi maksimal yang dihasilkan 1,08 N.m dan kecepatan putar maksimal yang tercapai adalah 770 rpm.

Gambar 4.8. memperlihatkan bahwa daya (

P

out) berbanding lurus dengan

torsi (T), jika torsi semakin besar maka daya yang dihasilkan juga akan semakin besar, dan sebaliknya jika daya torsi semakin kecil maka daya yang dihasilkan juga kecil. Untuk kecepatan angin 8,5 m/s, daya maksimal dicapai pada Torsi 1,08 N.m sebesar 49,1 watt.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.9. dapat dilihat bahwa semakin besar tsr maka semakin besar Cp yang dihasilkan, sampai kondisi tertentu (maksimal) kemudian Cp mengecil. Untuk kecepatan angin 8,5 m/s, hubungan antara Cp dengan tsr menunjukan nilai maksimal Cp 27% pada tsr 2,4.

(63)

4.5 Grafik dari hasil perhitungan 3 variasi kemiringan sudu.

Gambar 4.10 Hubungan koefisien daya (Cp) dan tip speed ratio (tsr) untuk variasi sudut sektor lingkaran pada pangkal sudu kincir 700, 800, dan 900

Gambar 4.10 memperlihatkan bahwa koefisien daya (Cp) maksimal diperoleh dengan kemiringan sudu 700, yaitu 30,3 % pada tip speed ratio (tsr) 2,8. Kemiringan sudu 700 adalah sudut yang terbaik jika dibandingkan dengan kemiringan sudu 800, dan 900.

30.3 23.0 27.0 0 5 10 15 20 25 30 35

0 1 2 3 4 5

Cp ( % ) tsr 70 80 90

(64)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Pengujian model kincir angin propeler tiga sudu dengan variasi sektor lingkaran pada sudu pangkal kincir dengan pembagian sudut 70°, 80°, dan 90° dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Telah berhasil dibuat kincir angin propeler tiga sudu menggunakan variasi sudut sektor lingkaran pada pangkal sudu kincir dengan pembagian sudut 70˚, 80˚ dan 90˚ berbahan dasar kayu jenis tripleks (plywood) dengan diameter sudu kincir yaitu 80 cm.

2. Kincir angin dengan sudut potong sudu 70° menghasilkan koefisien daya maksimal 30% pada tip speed ratio 2,8. Kincir angin dengan sudut potong sudu 80° menghasilkan koefisien daya maksimal 23% pada tip speed ratio

2,1. Kincir angin dengan sudut potong sudu 90° menghasilkan koefisien daya maksimal 27% pada tip speed ratio 2,4.

3. Kincir angin dengan sudut potong 70˚ menghasilkan koefisien daya dan tip

speed ratio paling tinggi dibandingkan variasi sudut potong sudu 80˚ dan

(65)

5.2 Saran

Setelah dilakukan penelitian ada beberapa hal yang dapat menjadi saran untuk penelitian selanjutnya :

1. Perbanyak variasi untuk pembuatan sudu dan pengambilan data.

2. Untuk pembuatan sudu gunakan bahan dan desain yang bervariasi agar mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi.

3. Memperhatikan semua sudu agar sama beratnya, dan pemasangan sudu harus presisi (kemiringan sudu satu dengan sudu yang lainnya).

4. Harus benar – benar memperhatikan konstruksi bahan yang akan digunakan untuk pembuatan kincir angin.

(66)

DAFTAR PUSTAKA

Arifudin, Momon, 2010, Model Kincir Angin Poros Vertikal Dengan Empat Sudu Datar Empat Ruang yang Dapat Membentang dan Mengatup Secara

Otomatis,Tugas Akhir, Teknik Mesin, Universitas Sanata Dharma,

Yogyakarta,

Betz Limit (Hukum Betz) pada Energi Angin

http://donyaenergi.blogspot.com/2013/02/betz-limit-hukum-betz-pada-energi-angin.html

Energi Non konvensional “EnergiAngin”

http://afifharuka.blogspot.com/2012/12/energi-angin-sebagai-sumberdaya.html

Pemanfaatan Energi Angin

http://www.anneahira.com/pemanfaatan-energi-angin.htm

Pudjanarso, A & Nursuhud, D, 2006, Mesin Konversi Energi, Yogyakarta: Andi offset,

Turbin Angin

http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin

Uses of Savonius wind turbines

http://cleangreenenergyzone.com/cardboard-Savonius-wind-turbine-/

Yesaya, Yudha, 2013, Unjuk Kerja Kincir Angin Poros Horizontal

Berbahan PVC Dengan VariasiI Kemiringan Sudu, Tugas Akhir,

(67)

LAMPIRAN

Gambar L.1. Skema Alat

(68)

Gambar L.3. Fan Blower

(69)

Gambar L.5. Neraca Pegas

(70)

(1)

5.2 Saran

Setelah dilakukan penelitian ada beberapa hal yang dapat menjadi saran untuk penelitian selanjutnya :

1. Perbanyak variasi untuk pembuatan sudu dan pengambilan data.

2. Untuk pembuatan sudu gunakan bahan dan desain yang bervariasi agar mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi.

3. Memperhatikan semua sudu agar sama beratnya, dan pemasangan sudu harus presisi (kemiringan sudu satu dengan sudu yang lainnya).

4. Harus benar – benar memperhatikan konstruksi bahan yang akan digunakan untuk pembuatan kincir angin.

(2)

DAFTAR PUSTAKA

Arifudin, Momon, 2010, Model Kincir Angin Poros Vertikal Dengan Empat Sudu Datar Empat Ruang yang Dapat Membentang dan Mengatup Secara Otomatis,Tugas Akhir, Teknik Mesin, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta,

Betz Limit (Hukum Betz) pada Energi Angin

http://donyaenergi.blogspot.com/2013/02/betz-limit-hukum-betz-pada-energi-angin.html

Energi Non konvensional “EnergiAngin”

http://afifharuka.blogspot.com/2012/12/energi-angin-sebagai-sumberdaya.html

Pemanfaatan Energi Angin

http://www.anneahira.com/pemanfaatan-energi-angin.htm

Pudjanarso, A & Nursuhud, D, 2006, Mesin Konversi Energi, Yogyakarta: Andi offset,

Turbin Angin

http://id.wikipedia.org/wiki/Turbin_angin

Uses of Savonius wind turbines

http://cleangreenenergyzone.com/cardboard-Savonius-wind-turbine-/

Yesaya, Yudha, 2013, Unjuk Kerja Kincir Angin Poros Horizontal

Berbahan PVC Dengan VariasiI Kemiringan Sudu, Tugas Akhir, Teknik Mesin, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta,

(3)

LAMPIRAN

Gambar L.1. Skema Alat

(4)

Gambar L.3. Fan Blower

(5)

Gambar L.5. Neraca Pegas

(6)